气候变化是21世纪人类社会最大的威胁，并且这种威胁是多风险互联的。

建立自然-社会经济耦合的地球系统模型，不仅是科学制定和评估碳中和实现路径的重要工具，也是人类社会实现可持续发展的基础数字设施。

张人禾院士

中国科学院院士

复旦大学党委常委、副校长、特聘教授

复旦大学研究生院院长

复旦大学大气科学研究院院长、

大气与海洋科学系主任

在2023复旦管院新年论坛上的演讲

大气科学在实现碳中和目标中的作用

非常高兴能参加复旦管院新年论坛。我是复旦大学大气与海洋科学系的张人禾，本次向大家报告的题目是“大气科学在实现碳中和目标中的作用”，报告内容分为以下五部分：引言、大气科学中与碳中和有关的一些科学问题、大气科学与碳中和涉及的能源转型、大气科学与实现碳中和的影响评估、结束语。

碳中和问题的起因与定义

首先介绍一下引言，主要涉及碳中和的起因与定义。碳中和问题的起因是人类活动向大气中排放温室气体，引起大气中温室气体的增加，导致全球气候变暖，这些温室气体包括二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等，但最主要的温室气体是二氧化碳。全球年平均气温自1850-1900年的工业化时期以来不断增高，可以看到目前为止大约升高了1度。不同来源的资料都证实了全球温度在增高，在高纬度地区增暖的幅度更大，陆地的增暖幅度要高于海洋。

未来气温会怎么变呢？这里也给出了两张图。

左面这张图是我们现在相对于1986-2005年平均气温预估的未来气温变化，图中不同的曲线代表不同的人类活动强度影响，其中主要的影响是向大气中排放的二氧化碳数量。可以看到在高排放情景下，到本世纪末可以升高到8度左右；而在低排放情境下，升温也比较低。如果人类活动引起的温室气体排放控制得很好，温度到2040年左右达到峰值以后就会下降，但如果我们不加控制的话，未来的气温还将再继续升高，温室气体排放越多，增温幅度越大。

右边这张图给出本世纪末全球地表温度的变化，分别对应两种未来情景，也就是中等强度人类低活动情景和高强度人类活动情景。从这两种情景下全球温度的分布我们也可以看到，温度都在增加，陆地增加更大，海洋相对来讲增温偏弱，在高纬度增加的更多。也就是说人类活动不仅造成现在的气候变暖，并且如果我们对人类活动不加限制的话，未来全球温度还将继续增高。

在2021年世界经济论坛的全球风险报告中，位列第一的是气候行动失败，第二是传染病，第三是生计危机……这些危机有社会的、有自然系统的，但每一种危机都不是单独存在的。比如排在第一的气候行动失败，几乎会关联到所有的其他危机。也就是说，气候变化是21世纪人类社会最大的威胁，并且这种威胁是多风险互联的。2020年末联合国举办了世界气候峰会，联合国秘书长古特雷斯在峰会上曾呼吁全球进入“气候紧急状态”。

而回到我们之前说的碳中和。什么是碳中和？即大气中碳的收支要相抵，也就是说排入大气的碳和自然系统能够吸收的碳达到平衡，大气中的二氧化碳不再增加。

那么，人类活动产生的碳源有哪些？一个是能源生产中使用的化石燃料的燃烧，另一个就是人类破坏自然环境，如砍伐树木等也会造成碳的排放。这些排放出来的碳会储存在自然环境里，其中大气储存了46%，此外陆地大约储存了31%，海洋储存了23%左右。我们可以看到人类活动产生的这些碳源所排放的二氧化碳，最后还是要回归自然系统之中。碳中和是涉及大气中碳的收支问题，因此是典型的大气科学问题。碳中和目标的实现涉及到大气科学与陆地（包括生态），还有海洋科学之间的学科交叉。

大气科学中与碳中和有关的

一些科学问题

接下来，向大家汇报一下大气科学中与实现碳中和目标有关的一些科学问题。刚才我们说到人类活动排出来的碳，最终会储存到大气、陆地和海洋三个系统之中，但碳在每个系统中的含量不是固定不变的。我们刚才虽然给出了碳在每一个系统中的份额，但这种份额是平均量，在每一部分中的比例会发生变化。大气、陆地、海洋之间存在碳的相互交换过程，大气里的碳可以到海洋、陆地中去，海洋、陆地里的碳也可以进入大气中，海洋和陆地二者的碳也能够相互交换。在科学上将大气与海洋和陆地之间碳的相互交换过程称作碳循环。

碳的交换和不同系统本身的状态有关。因此我们要理解碳中和的过程，需要知道大气中到底有多少碳，因此必须要认识气候变暖背景下大气、陆地和海洋之间碳的变化，还要知道它们之间的碳循环过程。这一点现在并不是很清楚，可以说是实现碳中和目标第一个与大气科学直接相关的问题。

第二个科学问题，就是建立数值模型，更准确地说，是建立海陆气耦合的大气温室气体的数值模拟和数值预测模型系统。由于观测站点有限，仅靠观测是无法知道碳在大气、海洋和陆地的精确分布、碳循环过程及其时间变化，因此需要建立数值模拟系统，实现海-陆-气过程与温室气体排放源、吸收汇、区域和全球温室气体变化、以及区域之间传输的准确测算并预测未来变化。

第三，我们要建立大气、陆地、海洋界面的物理、化学、生物过程的一体化观测系统，认识各圈层的相互作用，以及物质和能量交换过程。目前我们对陆气、海气界面的观测总体上比较匮乏，特别是在海洋上，并且现在使用的算法也需要去改进，这是我们在大气科学方面需要解决的第三个问题。

第四个问题是建立社会经济系统的动力学数学模型，认识社会经济系统与自然系统之间的相互作用，并在一体化动力学模型中实现双向耦合。我们说的碳中和问题不仅仅是自然系统问题，跟人类活动有密切关联。例如，跟全球气候变暖密切相关的社会经济系统包括能源、金融、保险、水资源、食品、农业、交通、运输、旅游、健康等行业。地球自然系统的变化又会反过来影响社会经济系统，二者是相互作用的，因此要建立动力学数学模型来刻画二者之间的相互作用。所谓动力学的模型，就是给出自然系统和社会经济系统作用于气候的作用力及其产生的变化，这个作用力不仅来自经济社会系统，还来自地球的自然系统。实际上到目前为止都没有一个完善的模型，包括中国在内的世界许多国家都在做这方面的研究。

还有一个是需要准确预估未来的气候变化，刚才提到对未来气候变暖的预估，但是自然系统中的海气耦合系统有长达几十年的时间周期变化，我们叫做多年代际变化。

比如说海气耦合系统中的AMV，即大西洋多年代际涛动，这个涛动使得整个北大西洋的海温有几十年的周期变化；在太平洋也有这样的现象，叫做IPV，即多年代际太平洋涛动，北太平洋跟热带太平洋之间反向的变化同样有长达几十年的周期。目前预估的未来气温变化不能很好地反映出这些多年代际变化，如果我们在预估模式里把AMV和IPV变化加进去，可以看到模拟的结果（蓝线）和观测到的结果（黑线）变得非常一致。

考虑和不考虑自然系统多年代际变化的温度预估差能差到多少呢？我们可以看到最大的差不多有0.3–0.2度，这个差异是比较大的。因此在考虑大气中温室气体变化造成的增温效应时，我们需要考虑自然系统的多年代际变化，但这类多年代际变化在我们目前的预估里并没有很好的体现，这是准确预估温室气体增加造成的未来气候变化需要考虑的问题，也是大气科学中与碳中和有关的一个基础科学问题。

大气科学与碳中和

涉及的能源转型

我们来看一下大气科学与碳中和涉及的能源转型。实现碳中和目标的一个关键是能源转型，即实现使用清洁能源为主。清洁能源是什么呢？目前最主要的一个是风能，另一个是太阳能。太阳能就是利用太阳光，把光能转化成电能，实际上太阳辐射受大气中的云和气溶胶等影响。风能的产生更是决定于大气的状态，包括大气低层的风速，还有风向等。因此现在要利用清洁能源，建立太阳能和风电场、电力调度控制，以及电网平衡、成本估算，都需要建立精细化大气数值模式，开展太阳辐射和风场的预报。

大气状况还涉及能源安全问题，比如水利发电与大气降水有密切的联系，我们知道刚过去的2022年夏天，整个川渝地区、长江流域降水减少导致的干旱引起了发电量的严重不足，对经济发展和人民生活造成重大影响；还有大气温度的高低对能源的消耗也起到非常重要的作用。因此天气和气候变化对能源的生产和消耗是至关重要的，应该要加强天气和气候变化研究，提升预报能力，这是保证能源安全和有效供给所必须进行的一项基础性工作。

另外，涉及能源安全、与大气科学有关的是极端天气气候事件，极端天气气候事件对能源的生产和供应会产生重大影响。这里给出了几个例子，2022年夏季大家深有体会的就是中国东南部极端高温事件对电力供应的影响，在全球其他地方，包括在北极也可以看到有创记录的极端高温事件；2008年1月，我国南方遭遇冰冻雨雪灾害天气，整个电力设施几乎都被毁坏；还有就是2021年2月在美国东部百年一遇的极冷天气，使得美国东部一些地区的电力系统、整个能源系统全部崩溃。

目前来看，近几十年来极端天气气候事件增多增强，因此我们需要加强极端天气气候事件的成因、影响以及预报的研究，这也是保证能源安全的一项重要基础性工作。

实现碳中和将带来的影响

第四个方面，我向大家来报告一下大气科学与实现碳中和的影响。

我们知道气候变暖是由于人类活动向大气中排放二氧化碳以及其他的温室气体导致的。气候变暖不仅是大气温度的变化，刚才我们看到海洋也在变暖，还有极端降水和极端气温都在增加、北极海冰范围和全球冰川减少、海平面上升等。实际上人类活动引起的气候变暖会对自然环境产生一系列的冲击。

现在要实现所谓的碳中和，减少温室气体排放，我想首先应对其可能的后果有一个清醒的认识。考虑实现碳中和的过程会造成什么样的自然环境变化，这对于经济、社会等一切人类社会的发展都是至关重要的。

现在的研究大量集中在气候变暖对公众健康的影响上，我们可以看到气候变化导致的极端天气、海平面上升、生态系统的变化，可以导致一系列的跟健康有关的环境问题，包括高温、恶劣天气、空气污染、过敏反应等等，这些环境变化会影响人体健康。最近几年，全球疾病负担也是不断在增加的。因此我们还需要知道碳中和的实现过程所导致的气候变化对公众健康到底有什么影响，会带来什么风险。

另外就是碳中和过程导致的气候变化对经济的影响，现在我们如果控制碳排放直到实现碳中和，由此导致的气候变化到底对经济会产生什么样的影响？经济的发展与天气气候有密切联系，我这里引用了两个报告，一个是德国经济议题观察家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）撰写的《气候经济学》，他指出天气在全世界4/5的经济活动中扮演着决定性的角色；还有一个是英国的经济学家尼古拉斯·斯特恩(Nicholas Stern)，他在2006年出版的《斯特恩报告》里指出，不断加剧的温室效应将会严重影响全球经济发展，其严重程度不亚于世界大战和经济大萧条。但是碳中和过程所造成的气候变化到底对经济有多大的影响、有哪些风险，我们现在实际上是不清楚的，需要加强研究。

通过加强研究

推动碳中和目标更好地实现

最后，我来讲一下结束语。首先，大气与陆地和海洋之间的碳循环及其介面之间的物质和能量交换过程，以及地球自然系统和人类社会经济系统之间的相互作用研究，是大气科学与其他学科之间的深度交叉研究，是深入认识地球系统科学的关键所在，也是涉及碳中和领域最前沿的科学挑战。对于这些科学挑战，我们目前还给不出比较好的答案。

第二点是，建立自然和社会经济耦合模型，不仅是科学制定和评估碳中和实现路径的重要工具，也是人类社会实现可持续发展的基础数字设施。现在强调数字地球建设，上海也在建设数字化城市，自然和社会经济耦合模型将建立经济社会发展模型，将自然和社会经济系统数字化，这将会成为数字地球的重要组成部分。

第三点是，认识碳中和过程中的气候变化及其影响，这是实现碳中和目标的一项基础性工作。各个国家都在减排和进行能源替代，因此我们尤其要知道这一过程对气候变化有什么影响，对经济社会发展和公众健康有什么潜在风险，这也是实现碳中和目标的一项基础性工作。

我的报告就到此结束，谢谢大家。

编辑：梁萍