中国科学院院士张人禾大气科学能为实现碳中和作哪些贡献

　　以下是中国科学院院士、复旦大学副校长、复旦大学大气科学研究院院长张人禾在＂瞰见未来＂复旦大学管理学院新年论坛上的主旨演讲。内容有删减。
　　张人禾院士 （资料图片）
　　大气科学是主要研究大气的各种现象及其演变规律、人类活动对大气的影响，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科，研究对象覆盖整个地球的大气圈。大气圈，特别是地球表面的低层大气以及和它相关的水圈、岩石圈、生物圈，是人类赖以生存的主要环境。
　　为什么要提出碳中和的目标
　　碳中和问题的起因是人类活动向大气排放过多温室气体，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，其中最主要的温室气体是二氧化碳。全球年平均气温自1850年—1900年的工业化时期以来不断增高，到目前为止大约升高了1摄氏度，其中高纬度地区增暖的幅度更大，陆地的增暖幅度要高于海洋。
　　未来气温会怎么变化呢？用从1986年—2005年的平均气温来预估未来的气温变化，如果在人类二氧化碳高排放的情况下，到21世纪末，气温将升高8摄氏度左右；而如果人类活动引起的温室气体排放得到有效的控制，那么气温在2040年左右达到峰值后将逐渐下降。也就是说，未来如果我们对排放温室气体不加限制的话，全球气温将继续不断增高。
　　在2021年世界经济论坛的全球风险报告中，位列第一的风险就是气候行动失败。气候危机是21世纪人类社会最大的威胁。而且，这种威胁几乎关联到所有的其他危机。联合国秘书长古特雷斯曾在2020年末举办的世界气候峰会上呼吁全球进入＂气候紧急状态＂。
　　所谓碳中和，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呢？一是能源生产中化石燃料的燃烧，二是人类破坏自然环境如砍伐树木等造成的碳排放。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%，陆地储存了31%，海洋储存了23%。碳中和涉及大气中碳的收支问题，因此是典型的大气科学问题。
　　与碳中和有关的几个大气科学问题
　　人类活动排放出来的碳储存在大气、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。刚才给出的碳在每一个系统中的份额其实是平均量，这些比例一直在发生着变化。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在相互交换。在科学上，把大气与海洋、陆地之间碳的相互交换过程称作碳循环。
　　碳的交换与不同系统本身的状态有关。因此，我们要了解碳中和的过程，就需要知道大气中到底有多少碳，还要认识气候变暖背景下大气、陆地和海洋之间的碳循环过程。这是与实现碳中和目标有关的第一个大气科学问题。
　　第二个科学问题是建立数值模型，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的，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。
　　第三个问题是要建立大气、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，以及物质和能量的交换过程。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改进。
　　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，它还与人类活动有密切关联。例如，与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。
　　还有一个问题是需要准确预估未来的气候变化。我们目前预估未来气候变化时，并未很好地体现自然系统的多年代际变化这个问题，因此准确度不够高，这也是大气科学中与碳中和有关的一个基础科学问题。
　　能源转型与大气状况密切相关
　　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？目前主要是风能和太阳能。太阳能就是利用太阳光，把光能转化成电能，而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、风向等。因此，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，水力发电与大气降水有密切的关系，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了重大影响。还比如，大气温度的高低对能源的消耗也起到了非常重要的作用。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。
　　此外，极端天气气候事件也会对能源的生产和供应产生重大影响。举例来说，2022年夏季创纪录的极端高温，影响了中国东南部地区的电力供应；2008年1月，我国南方遭遇冰冻雨雪灾害天气，电力设施遭到毁坏，无法运营；2021年2月，美国百年一遇的极冷天气，使得美国东部一些地区的电力系统以及能源系统全部崩溃。目前来看，随着近几十年来极端天气气候事件增多、增强，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。
　　建立自然和社会经济耦合模型
　　总而言之，大气与陆地、海洋之间的碳循环及其界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，这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。
　　目前的研究大量集中在气候变暖对公众健康的影响上。我们看到，气候变化导致极端天气增多、海平面上升、生态系统发生变化，由此出现一系列与健康有关的环境问题，包括高温、恶劣天气、空气污染等，从而影响人体健康。最近几年，全球疾病负担也在不断增加。因此，我们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，以及会带来什么风险。
　　我们还需要了解气候变化到底会对经济产生什么样的影响。经济的发展与天气气候有着密切的联系。我在这里引用两个报告：一个是德国经济议题观察家弗里德黑姆·施瓦茨撰写的《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。另一个是英国经济学家尼古拉斯·斯特恩在2006年出版的《斯特恩报告》，其中提到，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。碳中和过程所造成的气候变化到底对经济有多大的影响，这正是我们需要研究的。
　　我认为，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。目前全球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。
　　栏目主编：龚丹韵 文字编辑：徐蓓 题图来源：图虫 图片编辑：徐佳敏