隨著全球氣候持續(xù)變暖，各種極端天氣頻發(fā)，碳中和問題也成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

碳中和問題因人類活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體，導(dǎo)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)和能量交換過程，以及地球自然系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互作用，是深入認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵，也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。

氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)改變，影響人類身體健康。因此，我們要了解實(shí)現(xiàn)碳中和過程給氣候變化、公眾健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的影響和風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)碳中和的四個(gè)科學(xué)問題

在世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布的《2021年全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》中，位列第一的風(fēng)險(xiǎn)是氣候行動(dòng)失敗，第二是傳染病，第三是生計(jì)危機(jī)……這些自然系統(tǒng)或社會(huì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和危機(jī)并非孤立存在。比如，人類活動(dòng)向大氣中排放溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖，而氣候行動(dòng)失敗會(huì)引發(fā)其他危機(jī)。

人類活動(dòng)帶來的碳排放最終會(huì)儲(chǔ)存到大氣、陸地或海洋系統(tǒng)中，但碳在各系統(tǒng)中的含量是不斷變化的。大氣、陸地、海洋三個(gè)系統(tǒng)之間存在碳交換過程，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(xiàn)碳中和過程中，有四個(gè)和大氣科學(xué)密切相關(guān)的科學(xué)問題需要關(guān)注。

一是要理解碳中和過程，知道大氣中到底有多少碳，要認(rèn)識(shí)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)過程。二是建立數(shù)值模型，建立海、陸、氣耦合的大氣溫室氣體數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)。由于觀測(cè)站點(diǎn)有限，僅靠觀測(cè)無法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布，碳循環(huán)過程及其時(shí)間變化，因此需要建立數(shù)值模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海-陸-氣過程與溫室氣體排放源、吸收匯、區(qū)域和全球溫室氣體變化，以及區(qū)域之間傳輸?shù)臏?zhǔn)確測(cè)算并預(yù)測(cè)未來變化。三是建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學(xué)、生物過程的一體化觀測(cè)系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)各圈層的相互作用，以及物質(zhì)和能量交換過程。四是建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，認(rèn)識(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的相互作用，并在一體化動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)雙向耦合。

碳中和不僅是自然系統(tǒng)的問題，和人類活動(dòng)也密切關(guān)聯(lián)。比如，全球氣候變暖和能源、金融、保險(xiǎn)、旅游、健康等社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)密切相關(guān)。自然系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)緊密相連、相互作用，因此要通過動(dòng)力學(xué)模型刻畫二者之間的相互作用。

須弄清影響和風(fēng)險(xiǎn)

能源轉(zhuǎn)型(實(shí)現(xiàn)以清潔能源為主)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵之一。清潔能源中風(fēng)能、太陽能都和大氣狀態(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(xì)化大氣數(shù)值模式，開展太陽輻射和風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)。

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(duì)能源生產(chǎn)和供應(yīng)產(chǎn)生重大影響。2008年1月，南方冰凍雨雪災(zāi)害天氣幾乎使電力設(shè)施被毀;2021年2月，美國(guó)東部的極冷天氣讓一些地區(qū)的電力、能源系統(tǒng)崩潰;2022年夏季，中國(guó)東南部極端高溫事件給電力供應(yīng)帶來考驗(yàn)。因此，加強(qiáng)極端天氣事件的成因和影響研究、提升預(yù)報(bào)預(yù)防能力，是保證能源安全的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。

全球變暖不僅是氣溫變化問題，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(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生一系列沖擊。要想實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，必須對(duì)減少溫室氣體排放可能的影響有清晰認(rèn)識(shí)，要考慮實(shí)現(xiàn)碳中和過程中自然環(huán)境會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化，這對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類健康都至關(guān)重要。

德國(guó)經(jīng)濟(jì)問題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨在《氣候經(jīng)濟(jì)學(xué)》中指出，天氣在全球4/5的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中扮演著決定性的角色。英國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家尼古拉斯·斯特恩在《斯特恩報(bào)告》中指出，不斷加劇的溫室效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其嚴(yán)重程度不亞于世界大戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)大蕭條。

但碳中和過程所造成的氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生多大影響、有哪些風(fēng)險(xiǎn)，這些問題我們?nèi)圆磺宄Ｄ壳埃嚓P(guān)研究主要集中在氣候變暖對(duì)公眾健康的影響上，實(shí)際上，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與氣候變化密切聯(lián)系，碳中和過程導(dǎo)致的氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響亟待研究。

以科學(xué)研究推動(dòng)實(shí)現(xiàn)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)和能量交換過程的研究，地球自然系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間相互作用的研究，是大氣科學(xué)與其他學(xué)科深度交叉的過程，是深入認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵，也是碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。

對(duì)這些挑戰(zhàn)，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(jì)耦合模型，不僅是科學(xué)制定和評(píng)估碳中和實(shí)現(xiàn)路徑的重要工具，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)字設(shè)施。

現(xiàn)在，數(shù)字地球建設(shè)已提上日程，上海也在建設(shè)數(shù)字化城市。自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合模型，將自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)數(shù)字化，這會(huì)成為數(shù)字地球的重要組成部分。

當(dāng)前，世界各國(guó)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程對(duì)氣候變化有什么影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和公眾健康有什么潛在威脅，這也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。

(作者系中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)大氣科學(xué)研究院院長(zhǎng)，本報(bào)記者張雙虎據(jù)其在“瞰見未來”2023復(fù)旦大學(xué)管理學(xué)院新年論壇上的演講整理)