隨著(zhù)全球氣候持續變暖，各種極端天氣頻發(fā)，碳中和問(wèn)題也成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。
碳中和問(wèn)題因人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體，導致全球變暖而起。這些溫室氣體以二氧化碳為主，包括少量甲烷和氧化亞氮等。研究大氣與陸地、海洋間的碳循環(huán)及其介面間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程，以及地球自然系統和人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟系統之間的相互作用，是深入認識地球系統科學(xué)的關(guān)鍵，也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰。
氣候變化導致極端天氣頻發(fā)、海平面上升、生態(tài)系統改變，影響人類(lèi)身體健康。因此，我們要了解實(shí)現碳中和過(guò)程給氣候變化、公眾健康和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展帶來(lái)的影響和風(fēng)險。
實(shí)現碳中和的四個(gè)科學(xué)問(wèn)題
在世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《2021年全球風(fēng)險報告》中，位列第一的風(fēng)險是氣候行動(dòng)失敗，第二是傳染病，第三是生計危機……這些自然系統或社會(huì )系統的風(fēng)險和危機并非孤立存在。比如，人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體，導致全球變暖，而氣候行動(dòng)失敗會(huì )引發(fā)其他危機。
人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的碳排放最終會(huì )儲存到大氣、陸地或海洋系統中，但碳在各系統中的含量是不斷變化的。大氣、陸地、海洋三個(gè)系統之間存在碳交換過(guò)程，大氣里的碳可以進(jìn)入海洋或陸地中，同樣，海陸之間的碳也能相互交換。因此，在實(shí)現碳中和過(guò)程中，有四個(gè)和大氣科學(xué)密切相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題需要關(guān)注。
一是要理解碳中和過(guò)程，知道大氣中到底有多少碳，要認識氣候變暖背景下大氣、陸地和海洋之間碳的變化，還要知道它們之間的碳循環(huán)過(guò)程。二是建立數值模型，建立海、陸、氣耦合的大氣溫室氣體數值模擬和數值預測模型系統。由于觀(guān)測站點(diǎn)有限，僅靠觀(guān)測無(wú)法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布，碳循環(huán)過(guò)程及其時(shí)間變化，因此需要建立數值模擬系統，實(shí)現海-陸-氣過(guò)程與溫室氣體排放源、吸收匯、區域和全球溫室氣體變化，以及區域之間傳輸的準確測算并預測未來(lái)變化。三是建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學(xué)、生物過(guò)程的一體化觀(guān)測系統，認識各圈層的相互作用，以及物質(zhì)和能量交換過(guò)程。四是建立社會(huì )經(jīng)濟系統的動(dòng)力學(xué)模型，認識社會(huì )經(jīng)濟系統與自然系統之間的相互作用，并在一體化動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)現雙向耦合。
碳中和不僅是自然系統的問(wèn)題，和人類(lèi)活動(dòng)也密切關(guān)聯(lián)。比如，全球氣候變暖和能源、金融、保險、旅游、健康等社會(huì )經(jīng)濟系統密切相關(guān)。自然系統和社會(huì )經(jīng)濟系統緊密相連、相互作用，因此要通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型刻畫(huà)二者之間的相互作用。
須弄清影響和風(fēng)險
能源轉型（實(shí)現以清潔能源為主）是實(shí)現碳中和的關(guān)鍵之一。清潔能源中風(fēng)能、太陽(yáng)能都和大氣狀態(tài)有關(guān)，風(fēng)能的產(chǎn)生取決于大氣的狀態(tài)（風(fēng)速、風(fēng)向等），太陽(yáng)輻射也受大氣中云和氣溶膠等的影響。因此，要更好地利用清潔能源，需要建立精細化大氣數值模式，開(kāi)展太陽(yáng)輻射和風(fēng)場(chǎng)預報。
大氣狀況還影響能源安全，比如，水利發(fā)電與大氣降水密切相關(guān)，氣溫高低又影響能源消耗。此外，與大氣科學(xué)有關(guān)的極端天氣事件也會(huì )對能源生產(chǎn)和供應產(chǎn)生重大影響。2008年1月，南方冰凍雨雪災害天氣幾乎使電力設施被毀；2021年2月，美國東部的極冷天氣讓一些地區的電力、能源系統崩潰；2022年夏季，中國東南部極端高溫事件給電力供應帶來(lái)考驗。因此，加強極端天氣事件的成因和影響研究、提升預報預防能力，是保證能源安全的一項重要基礎性工作。
全球變暖不僅是氣溫變化問(wèn)題，還涉及海洋溫度升高、極端降水增加、冰川減少、海平面上升等，對自然環(huán)境產(chǎn)生一系列沖擊。要想實(shí)現碳中和目標，必須對減少溫室氣體排放可能的影響有清晰認識，要考慮實(shí)現碳中和過(guò)程中自然環(huán)境會(huì )產(chǎn)生怎樣的變化，這對經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和人類(lèi)健康都至關(guān)重要。
德國經(jīng)濟問(wèn)題觀(guān)察家弗里德黑姆·施瓦茨在《氣候經(jīng)濟學(xué)》中指出，天氣在全球4/5的經(jīng)濟活動(dòng)中扮演著(zhù)決定性的角色。英國經(jīng)濟學(xué)家尼古拉斯·斯特恩在《斯特恩報告》中指出，不斷加劇的溫室效應將會(huì )嚴重影響全球經(jīng)濟發(fā)展，其嚴重程度不亞于世界大戰和經(jīng)濟大蕭條。
但碳中和過(guò)程所造成的氣候變化對經(jīng)濟產(chǎn)生多大影響、有哪些風(fēng)險，這些問(wèn)題我們仍不清楚。目前，相關(guān)研究主要集中在氣候變暖對公眾健康的影響上，實(shí)際上，社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展與氣候變化密切聯(lián)系，碳中和過(guò)程導致的氣候變化對經(jīng)濟產(chǎn)生的影響亟待研究。
以科學(xué)研究推動(dòng)實(shí)現碳中和
大氣與陸地、海洋之間碳循環(huán)及其介面之間的物質(zhì)和能量交換過(guò)程的研究，地球自然系統和人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟系統之間相互作用的研究，是大氣科學(xué)與其他學(xué)科深度交叉的過(guò)程，是深入認識地球系統科學(xué)的關(guān)鍵，也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰。
對這些挑戰，目前我們還給不出比較好的答案。但建立自然和社會(huì )經(jīng)濟耦合模型，不僅是科學(xué)制定和評估碳中和實(shí)現路徑的重要工具，也是人類(lèi)社會(huì )實(shí)現可持續發(fā)展的基礎數字設施。
現在，數字地球建設已提上日程，上海也在建設數字化城市。自然和社會(huì )經(jīng)濟耦合模型，將自然和社會(huì )經(jīng)濟系統數字化，這會(huì )成為數字地球的重要組成部分。
當前，世界各國都在進(jìn)行減排和能源替代探索，因此我們更要知道這一過(guò)程對氣候變化有什么影響，對經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和公眾健康有什么潛在威脅，這也是實(shí)現碳中和目標的一項基礎性工作。
?。ㄞD載自：《中國科學(xué)報》，2023年1月18日，第3版。作者系中國科學(xué)院院士、復旦大學(xué)大氣科學(xué)研究院院長(cháng)，記者張雙虎據其在“瞰見(jiàn)未來(lái)”2023復旦大學(xué)管理學(xué)院新年論壇上的演講整理）
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https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/1/372861.shtm
