隨著全球氣候持續變暖，各種極端天氣頻發，碳中和問題也成為全球關注的焦點。

碳中和問題因人類活動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、海洋間的碳循環及其介面間的物質和能量交換過程，以及地球自然系統和人類社會經濟系統之間的相互作用，是深入認識地球系統科學的關鍵，也是碳中和領域最前沿的科學挑戰。

氣候變化導致極端天氣頻發、海平面上升、生態系統改變，影響人類身體健康。因此，我們要了解實現碳中和過程給氣候變化、公眾健康和社會經濟發展帶來的影響和風險。

實現碳中和的四個科學問題

在世界經濟論壇發布的《2021年全球風險報告》中，位列第一的風險是氣候行動失敗，第二是傳染病，第三是生計危機……這些自然系統或社會系統的風險和危機并非孤立存在。比如，人類活動向大氣中排放溫室氣體，導致全球變暖，而氣候行動失敗會引發其他危機。

人類活動帶來的碳排放最終會儲存到大氣、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、海洋三個系統之間存在碳交換過程，大氣里的碳可以進入海洋或陸地中，同樣，海陸之間的碳也能相互交換。因此，在實現碳中和過程中，有四個和大氣科學密切相關的科學問題需要關注。

一是要理解碳中和過程，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過程。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。由于觀測站點有限，僅靠觀測無法知道碳在大氣、海洋和陸地的精確分布，碳循環過程及其時間變化，因此需要建立數值模擬系統，實現海-陸-氣過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變化。三是建立大氣、陸地、海洋界面的物理、化學、生物過程的一體化觀測系統，認識各圈層的相互作用，以及物質和能量交換過程。四是建立社會經濟系統的動力學模型，認識社會經濟系統與自然系統之間的相互作用，并在一體化動力學模型中實現雙向耦合。

碳中和不僅是自然系統的問題，和人類活動也密切關聯。比如，全球氣候變暖和能源、金融、保險、旅游、健康等社會經濟系統密切相關。自然系統和社會經濟系統緊密相連、相互作用，因此要通過動力學模型刻畫二者之間的相互作用。

須弄清影響和風險

能源轉型(實現以清潔能源為主)是實現碳中和的關鍵之一。清潔能源中風能、太陽能都和大氣狀態有關，風能的產生取決于大氣的狀態(風速、風向等)，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，需要建立精細化大氣數值模式，開展太陽輻射和風場預報。

大氣狀況還影響能源安全，比如，水利發電與大氣降水密切相關，氣溫高低又影響能源消耗。此外，與大氣科學有關的極端天氣事件也會對能源生產和供應產生重大影響。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，對自然環境產生一系列沖擊。要想實現碳中和目標，必須對減少溫室氣體排放可能的影響有清晰認識，要考慮實現碳中和過程中自然環境會產生怎樣的變化，這對經濟社會發展和人類健康都至關重要。

德國經濟問題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨在《氣候經濟學》中指出，天氣在全球4/5的經濟活動中扮演著決定性的角色。英國經濟學家尼古拉斯·斯特恩在《斯特恩報告》中指出，不斷加劇的溫室效應將會嚴重影響全球經濟發展，其嚴重程度不亞于世界大戰和經濟大蕭條。

但碳中和過程所造成的氣候變化對經濟產生多大影響、有哪些風險，這些問題我們仍不清楚。目前，相關研究主要集中在氣候變暖對公眾健康的影響上，實際上，社會經濟發展與氣候變化密切聯系，碳中和過程導致的氣候變化對經濟產生的影響亟待研究。

以科學研究推動實現碳中和

大氣與陸地、海洋之間碳循環及其介面之間的物質和能量交換過程的研究，地球自然系統和人類社會經濟系統之間相互作用的研究，是大氣科學與其他學科深度交叉的過程，是深入認識地球系統科學的關鍵，也是碳中和領域最前沿的科學挑戰。

對這些挑戰，目前我們還給不出比較好的答案。但建立自然和社會經濟耦合模型，不僅是科學制定和評估碳中和實現路徑的重要工具，也是人類社會實現可持續發展的基礎數字設施。

現在，數字地球建設已提上日程，上海也在建設數字化城市。自然和社會經濟耦合模型，將自然和社會經濟系統數字化，這會成為數字地球的重要組成部分。

當前，世界各國都在進行減排和能源替代探索，因此我們更要知道這一過程對氣候變化有什么影響，對經濟社會發展和公眾健康有什么潛在威脅，這也是實現碳中和目標的一項基礎性工作。

(作者系中國科學院院士、復旦大學大氣科學研究院院長，本報記者張雙虎據其在“瞰見未來”2023復旦大學管理學院新年論壇上的演講整理)