中国科学院“应对气候变化国际谈判的关键科学问题”项目群简介

中国科学院“应对气候变化国际谈判的关键科学问题”项目群简介单位：中国科学院北京100864作者：丁仲礼傅伯杰韩兴国葛全胜目前，国际上十分流行的全球气候变暖理论由3个主要环节组成：（1）大气CO2浓度从工业革命前的280ppmv升至450—550ppmv后，全球平均气温可能将上升2℃—3℃；（2）若全球平均气温上升2℃以上，将可能给人类带来重大影响，突出地表现为海平面上升、物种灭绝、极端天气事件频率增加、热带传染病北上、全球粮食短缺、水资源供应不足，地区冲突增加等；（3）世界各主要国家必须立即采取各种行动，减缓全球变暖，使2050年CO2排放量降低到1990年排放水平的50%，且越早采取行动损失越小[1,2]。显然，这个理论的核心基础是气温对大气CO2浓度的高度敏感性，以及地球表层系统在适应气温变化时的极度脆弱性，其最终目的是减少或控制化石能源的使用量。积20余年之努力，这个理论已经走出学术界，被社会公众广泛接受和传播，同时也成为一部分政治家在国际政治、外交博弈中使用的工具。但是，学术界对这个理论质疑的声音从来就没有中断过。大气CO2浓度增加1倍后，全球平均气温将上升2℃—3℃，这只是一个模拟值，它由不同的数值模式计算后平均得出，且不同模式输出的增温值可差5℃之多（从1℃左右到6℃以上）。这就提出一个问题：数值模式是否已成熟到能够准确评价全球平均气温与大气CO2浓度的关系？工业革命以来，全球气温已增加约0.74℃，大气CO2当量浓度已增加60％左右，那么，从过去100多年的记录中，我们是否可以准确评价气温对CO2的敏感性？如果这个评价同数值模拟不一致，则哪种方法更可靠？气候系统是一个高度复杂的系统，人类对它在不同时间和空间尺度上的变化过程与机制是否已有足够充分的了解？比如，在一些要素的“驱动”下，气候系统也会产生负反馈作用，目前的文献谈了很多正反馈过程，那么科学界对其负反馈过程了解充分吗？围绕南极冰芯所发表的大量文章表明CO2浓度滞后于气温的变化[3-5]，这说明，CO2“驱动”气温升高不是简单的线性关系。减少CO2排放必须降低化石能源的使用，而根据一些专业机构的预测，人类在今后20—30年间，还将以化石能源为主，这就面临一个如何在扶贫、发展和保护气候中达到平衡的问题，简言之，如果气温对CO2浓度没有那么敏感，人类值得去为之牺牲发展速度吗？同样，对增温的影响也有很多不确定性。地质学的研究告诉我们，在地球几十亿年的历史上，绝大部分时期比目前温暖得多，比如距今5000万年左右的始新世，气温至少比目前高10℃；在新生代，全球气温整体变化趋势是降温，如在3600万年前后，东南极首次出现冰盖；到1400万年前后，西南极出现冰盖，东南极冰盖扩张；在260万年前后，格陵兰出现冰盖，自此之后，地球反复地经历冰期－间冰期气候振荡，其温度变化幅度可达6℃—8℃[5-7]。也就是说，过去的气候变化无论在幅度还是在速率上，均比过去100年“温室效应期”及今后一段时期内可能会经历的“增暖期”要大得多。那么，为何在有人类活动以后，地球气候系统、生态系统等会变得如此脆弱了呢？又比如，地质学的常识告诉我们，由于温度对全球水循环的控制作用，地球历史上的暖期往往是湿润期，其生物多样性、生物总产率均显著高于寒冷期。那么，为何在今后的增温期会导致粮食减产、水资源不足呢？同样，温暖期的一个突出现象是地球从赤道到极地的温度梯度减小，整个大气环流趋向稳定，为何未来的增温反而会导致极端天气频率增加呢？地球的温度一直在变，变是绝对的，不变是相对的。那么，对人类和整个生态系统而言，变暖有利还是变冷有利？诸如此类的问题非常之多，只有在多学科合作的前提下，才有可能获得较为正确的认识。我们必须深刻反思，在“京都议定书”生效以后，气候变化问题已不仅仅是科学问题，而是一个国际政治问题。它变成不同国家或国家集团为各自利益而进行外交博弈的工具，当然也成为各国必须面对的如何构建低碳发展路线的问题。相对于已进入“后工业化”时代的发达国家，多数发展中国家尚处于工业化的初期和中期，必须以较快的速度完成基础设施建设、提高城市化和工业化水平，因而不得不接受高耗能的国际产业分工格局，不得不为提高国民的基本生活水平而使用化石能源。一句话，发展中国家基本不具备“总量减排能力”，只具备减缓“排放增加速率”的能力。如果国际社会认可在2050年将大气CO2当量浓度控制在560ppmv的目标，势必会有一个如何在国家间“分配”尚存的“排放空间”的问题。目前谈到的很多“减排方案”，应是针对历史排放量很大且现在人均排放量仍远远高于全球人均水平的国家而言。如果将发展中国家也纳入这个减排体系，势必涉及到公平和人权问题。因此在制度设计上必须从“CO2减排”转变到“排放配额”分配。据初步计算，如果承认排放权是生存权，须人人平等的话，则发达国家早就“超额排放”而形成“赤字”，这又涉及到如何量化发达国家通过资金、技术等途径向发展中国家“购买”排放配额的问题。对中国而言，我们必须较为准确地预测高耗能行业的发展趋势和我国在节能方面的总体潜力，才有可能制定出一套切实可行的减排方案，最终形成国家的整体减排战略。比如，我们需要估计我国今后几十年基础设施建设、城市化程度、产业结构、能源总量与结构、公共交通设施、居民基本能源需求等方面的演变趋势，才有可能测算CO2排放预期，国家才可能通过产业、财政和税收政策，通过行政管理等方面的调整，制定切实有效的减排措施，引导低碳发展模式。但是，无论减排意愿和期待有多大，均应以不妨碍中国的发展为前提。当然，中国作为一个负责任的大国，绝对不应该去“剥夺”别国的“排放权”，一定会承担合理的减排义务。这就需要我们在公平的原则下，计算我国在2050年前理应获得多大的排放配额。另外，中国陆地生态系统具有多大的固碳潜力，有什么最简易的固碳方法，中国的低碳发展之路如何设计，中国应如何参与国际碳贸易等，都是亟需研究的课题。自学术界倡导全球变化研究以来，中科院一直重视对其研究，布置了大量课题，亦取得一些令人鼓舞的成果。但是，研究工作总体上存在较为分散的弊病，不利于在关键科学问题上获得集成性成果；亦不利于发出我们自己的声音。另外，过去的研究工作较多地集中于气候变化本身，而气候变化的影响研究较少；尤其是在应对气候变化的制度设计、政策选择、外交谈判等方面，关注的程度还远远不够。为提高对应对气候变化问题的整体理解，我们特地设计了“应对气候变化国际谈判的关键科学问题研究”项目群，由我院10个单位的科研人员共同参与，协同攻关。设立该项目群的另一个目的是形成一支相互合作的研究队伍，在适当的时候发表应对气候变化的中科院报告。同时，从维护国家利益的角度，我们将对目前国际上已发表的减排方案和今后可能发表的新方案做出评估，并发表自己的排放配额分配方案。该项目群由15个课题组成，内容可归为4个大的方面，分别介绍如下。1气候变化的原因和机制在该研究内容中，布置两个研究课题。上世纪初以来的100年间，全球平均气温升高约0.74℃。这是从观测数据中获得的，争议不至太大。目前的争议主要集中于这0.74℃增温的主要贡献者。IPCC报告[1]认为人类活动可能起主要作用，尽管没有给出具体的评价。但也有一派的观点[4]认为，上述增温主要由自然因素引起，人类活动所起的作用不大，并提出5条主要的理由：(1)虽然南极冰芯记录的温度变化同大气CO2浓度变化具有较高的相关性，但相位分析表明气温变化早于CO2浓度变化，意味着气候变化驱动了CO2浓度的变化。(2)同样是冰芯记录，对时间尺度相对较短（如千—百年级）的变化来说，温度变，CO2浓度一定跟着变；而CO2浓度变，温度不一定跟着变。(3)100年来的CO2曲线与气温曲线相关性并不高。CO2浓度呈持续升高的趋势，但温度是波动性变化。从上世纪50年代到70年代，CO2浓度迅速升高，气温反而呈下降趋势。(4)20世纪初期开始的增温是在“小冰期”的背景下出现的，而根据海平面变化曲线，“小冰期”结束早于人类CO2排放增加期，说明“小冰期”的结束是自然过程，即一个世纪来的增温是由自然因素造成的，而不是由人类活动引发的。(5)1万年来，气温一直在波动。“小冰期”以前为“中世纪温暖期”，气温高于现在，然后进入“小冰期”，温度最低；“小冰期”自然结束后，应进入下一个相对温暖期。这种自然变化一直存在，并且同太阳活动曲线大致一致，故自然因素是主要原因。今后，随着太阳活动减弱，气温自然会下降。我们并不否认CO2的温室效应。因为过去100多年的气温变化固然有“波动性”，但还有一个“趋势性”。一方面，“波动性”是温室效应解释不了的，必须用自然变化来解释；另一方面，“趋势性”也是观测到的太阳活动等自然变化所不能说明的，用温室效应更易解释。因此，未来研究的焦点不应集中于有没有人类的影响，而应是人类的影响有多大。也就是说，核心的科学问题是：如果大气CO2浓度从280ppmv提高到560ppmv,全球平均气温将升高多少？这个问题的实质是“气温对CO2浓度的敏感性”问题。根据一些数值模拟的平均结果，大气CO2浓度增加1倍后，全球平均气温将增加2℃—3℃。但是，这个结果与100多年来的观测资料存在矛盾。过去100多年的人类活动，相当于一次长期的科学实验，用其评估气温对CO2浓度的敏感性，至少是数值模拟以外的另一个重要途径。100多年来，大气CO2浓度从280ppmv增加到387ppmv，CH4浓度增加了1000ppbv以上，加上人类排放的其它温室气体，相当于CO2当量浓度比工业革命前提高了60％左右。如果0.74℃的增温全部由人类活动排放的温室气体所致，则CO2当量浓度提高1倍后，全球增温应在1.2℃左右。如果0.74℃的增温幅度中30％由太阳活动等自然过程引起，则CO2浓度倍增后，增温幅度应在0.9℃以下。以下三条证据可以使我们肯定，自然作用(尤其是太阳活动)在过去100多年的增温中是肯定存在的：（1）100多年前的小冰期时，全球太阳活动为最弱；（2）太阳活动与气温变化的相关性显著高于气温与CO2浓度的相关性；（3）高分辨率的地质记录研究[8]表明，过去几万年来太阳活动变化一直是驱动气温变化的最主要因素之一。那么，是否在过去100多年间，还有什么“致冷”的因素在起作用，掩盖或缩小了气温对CO2浓度的敏感性？有研究者认为，大气气溶胶是重要的致冷因子。理论上，部分气溶胶(如黑碳)可吸收热量成为致暖因子；而另一部分气溶胶由于对阳光的反射而为致冷因子。气溶胶亦可能增加水汽凝结而致冷。如果气溶胶整体上为致冷因子，则人类将面临一个两难的选择：一方面，从保持空气清洁的角度必须减少人为气溶胶粒子的排放，但另一方面，气溶胶浓度的降低会导致气温跃升，加剧全球变暖。为评价过去100多年气候变化的原因，我们设置了“中国近百年来气候变化分析及其模拟研究”的课题。该课题将从观测记录出发，评价气溶胶对气温的影响。中国在过去几十年中，是气溶胶高排放国家，但排放量的时空差别很大，这就为定量分析和比较不同地区、不同时段气溶胶浓度对气温的影响提供了基础。从现有的资料看，气溶胶的致冷作用即便有，也可能很弱。因为：（1）中国地处中纬度，过去50年的增温可能为1.1℃，高于全球平均值[9]；如果气溶胶起致冷作用，则不应如此；（2）中国长三角地区工业发达，气溶胶浓度高，过去的几十年，似乎有变冷趋势，表面上可作为气溶胶致冷作用的证据；但对数据的深入分析可以看出，该区变冷只发生在夏季，而冬季的增温幅度较大。由于该区为季风区，冬季的大气气溶胶浓度高于夏季，因而很难说夏季的变凉是气溶胶引起的；（3）在全球范围内，北半球气溶胶排放量远高于南半球，而北半球的增温幅度显著高于南半球，这也不利于气溶胶致冷的假设。该课题还将利用气候模式，研究中国东部季风区100年来气象要素的变化特征，并从农业生态影响的角度，分析一些重要气候参数(如年积温、无霜期天数等)在空间上的变化趋势，为评价双季作物种植北界、冬小麦种植北界的空间移动状况提供基础数据。在本部分同时设立“过去2000年气候变化幅度、速率与机制综合研究”的课题。它