《巴黎协定》温控目标下未来碳排放空间的准确估算问题辨析
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中国网/中国发展门户网讯 气候变化是人类社会面临的严峻挑战。2015年，《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）第21次缔约方大会（COP21）通过了《巴黎协定》，明确温控目标是“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内”。2021年11月1—12日，UNFCCC第26次缔约方大会（COP26）在英国格拉斯哥召开，会议签署了《格拉斯哥气候公约》，完成了对《巴黎协定》实施细则遗留问题的谈判；强调要迅速采取行动，全面落实《巴黎协定》，开始全球盘点，并对碳交易市场、透明度和共同时间框架做出了规定。
根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）第一工作组报告——《气候变化2021：自然科学基础》，最近10年（2011—2020年），全球平均表面温度比1850—1900年升高1.09℃（0.95℃—1.20℃）。除非进行快速和大规模的温室气体减排，否则较之1850—1900年的全球平均升温在未来20年可能达到或超过1.5℃，从而使得《巴黎协定》1.5℃的温控目标难以实现。
在碳达峰、碳中和势在必行的形势下，“有多少、谁来减、减多少”是目前急需解决的问题。据IPCC AR6估计，1850—2019年，人类活动已经释放了2390 Gt CO2，若在21世纪末把全球升温控制在1.5℃以内，则2020年开始的未来碳排放空间是400—500 Gt CO2；若把温控目标设定为2℃，则2020年开始的未来碳排放空间是1150—1350 Gt CO2。不管设定哪种目标，若以当前每年排放大约40 Gt CO2的速率，剩余的排放空间都将在几十年内耗尽。
未来碳排放空间的估算问题，事关气候变化减缓政策的制定和UNFCCC缔约国的气候谈判。那么，我们关于特定温控目标下未来碳排放空间估算的依据是什么？结果存在多大的不确定性？需要开展哪些研究来提高估算的准确性？本文对此进行讨论。
地球系统碳循环和全球升温的关系
地球气候系统的碳循环过程如图1所示。化石燃料使用所导致的人为CO2排放进入大气后，与海洋和陆面存在2种反馈过程：气候反馈，即大气通过辐射、温度、降水、风应力等的变化来影响海表和陆面；碳反馈，包括大气-陆面、大气-海洋间的多种生物化学正、负反馈过程。在这些反馈过程的综合作用下，地球系统的人为CO2收支结果如表1所示，包括1750—2019年、1850—2019年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年和2010—2019年共6个时间段的收支统计结果。由表1可以看出，海-陆-气的收支比例因统计时段而异，就2010—2019年平均而言，人为的CO2排放最终约有46%存留在大气中，23%被海洋吸收，31%被陆地吸收。
为了更好地服务于温控目标下的气候变化减缓决策，需要设计一个指标来描述CO2排放和全球升温的关系。分析表明，工业化以来的人为累积CO2排放和全球表面升温之间存在近似线性的关系（图2），这种关系被称为“累积CO2排放的瞬态气候响应”（TCRE）。该指标被用来定量化描述每排放1000 Gt CO2所对应的全球表面平均气温的变化。TCRE综合反映了累积CO2排放最终余留在大气中的份额和瞬态全球平均气温对大气CO2浓度的敏感性——表示为瞬态气候响应（TCR）的信息。图2所展示的这一准线性关系，至少在5500 Gt CO2的累积排放下都是稳定的，这意味着对应特定的升温幅度，人为CO2的总排放量是有限的。若要在某个时间段实现某个温控目标，则必须在一定时期实现CO2的净零排放。因此，准确估算《巴黎协定》1.5℃和2℃温控目标下的未来CO2排放空间，对于科学规划减排路径、及时出台有效的减排政策、推动国际气候变化谈判、最终实现温控目标，都具有重大意义。
从IPCC第五次评估报告（AR5）到IPCC《全球升温1.5℃特别报告》（SR1.5）和IPCC AR6，科学界多次评估了温控目标下的碳排放空间。由于IPCC AR5、SR1.5和AR6的发布时间不同，因此它们估算的碳排放空间在统计时间段上存在差异，数据彼此不可比。为了便于和IPCC AR6的数据作比较，我们把IPCC AR5和SR1.5估算的碳排放空间统一折算为从2020年开始，结果如图3所示。其中：IPCC AR5报告对应的1.5℃温控目标下，未来排放空间是-60—140 Gt CO2，2℃温控目标下为620—870 Gt CO2；IPCC SR1.5报告对应的1.5℃温控目标下未来碳排放空间是340—500 Gt CO2，2℃温控目标下为1090—1420 Gt CO2。；IPCC AR6给出的1.5℃温控目标下的排放空间为400—500 Gt CO2，2℃温控目标下的排放空间为1150—1350 Gt CO2。IPCC AR6结果和IPCC SR1.5彼此接近，但都与IPCC AR5差别较大。为何估算结果在前后几年间差别如此之大？这与我们在若干重要环节上科学认知水平的提升和数据证据的日益丰富有关。以下从排放空间估算方法学的角度进行讨论。
未来碳排放空间的估算方法
自IPCC SR1.5以来，科学界发展了新的框架来估算未来CO2排放空间（图4）。该框架以估算TCRE为基础，分别考虑历史升温、非CO2温室气体的排放、达到净零排放后的惯性升温、地球系统反馈等因素的影响。通过单独评估这些因素的作用，最终得到未来CO2排放空间的范围。
TCRE的估算。估算TCRE有多种方法，包括基于不同复杂度的地球系统模式的模拟、使用简单的气候模型、利用观测约束等。其中一种重要方法是先把TCRE估算结果的不确定性分解为TCR和人为排放的CO2留在大气中的百分比2个方面，然后再对二者分别评估。IPCC AR6中基于过程理解、器测数据、古气候资料、萌现约束等多种来源的证据，对TCR的值进行了综合而细致的评估，把TCR的可能范围（不低于66%的概率）从AR5中的1.0℃—2.5℃缩减为IPCC AR6中的1.4℃—2.2℃，最优估计值为1.8℃，这显著减小了TCR的不确定性范围。进一步把新的TCR用于TCRE的估算，并结合基于地球系统模式的专家判断所给出的人为排放CO2最终留大气中的百分比（53%±6%），得到TCRE的最优估计值为0.45℃/(1000 Gt CO2)，可能范围是0.27—0.63℃/(1000 Gt CO2)。随着全球增暖，未来海洋和陆面过程对碳的吸收比例会降低，因此，这里采用的人为排放CO2留在大气中的比例（53%）要略高于1960—2019年的观测平均值（44%）。TCRE这一最新估算结果的不确定性范围，比AR5给出的0.22—0.68℃/(1000 Gt CO2)的范围明显缩小，这主要得益于减小了TCR的不确定性。
利用观测记录准确度量历史升温幅度，并利用检测归因技术准确估算人类活动的贡献。工业化后直至当前的历史升温已达1℃左右，即使对2℃温控目标而言，历史升温也占据了50%的升温空间，因此历史升温估计的准确度对未来碳排放空间的估算影响很大。在IPCC AR6中，由于新数据集的出现和趋势估算方法的完善，估算的最新历史升温较IPCC AR5高约0.1℃，这压缩了未来的升温空间。需要注意的是，未来碳排放空间估算中用到的升温不能直接用观测数据来表示，因为它是指人为排放导致的那部分升温，这需要从观测升温数据中扣除掉自然气候波动的部分。采用多种观测资料、气候模拟和检测归因方法，IPCC AR6指出2010—2019年由人为导致的全球平均表面温度相对于1850—1900年的变化的最优估计值为1.07℃，可能范围是0.8℃—1.3℃。结合TCRE的最优估计值0.45℃/(1000 Gt CO2)，±0.25℃温度变化范围所对应的未来碳排放空间的不确定性范围为±550Gt CO2。
准确估算其他非CO2温室气体和短寿命气候强迫因子的贡献。非CO2温室气体包括N2O（生命期约116±9年）等长寿命气体，以及CH4（生命期约9.1±0.9年）、气溶胶等短寿命气候强迫因子，它们都对全球温度变化有影响。例如，CH4在20年时间尺度内的增温效应是同等质量CO2的80倍以上。这些非CO2温室气体压缩了特定温控目标下的剩余升温空间，从而减少了未来碳排放空间。IPCC AR6采用综合了气候和碳循环信息的模式仿真器来评估非CO2温室气体的排放对碳排放空间的影响。结果表明，在CO2达到净零排放时，相对于2010—2019年，非CO2温室气体排放对升温的贡献为0.1℃—0.2℃。不确定性来源于非CO2强迫的地域分布及TCR的值，产生的影响是±0.1℃。在低排放情景下，减缓气候变化策略的差异使非CO2排放产生额外±0.1℃的不确定性。综上，这部分因素（±0.2℃）造成的碳排放空间的不确定性范围为±440 Gt CO2。
准确估算CO2实现净零排放后的惯性升温的幅度。受物理气候系统各成员（包括海洋、冰冻圈和陆地表面）的惯性和碳循环的惯性影响，人为CO2排放降至零后，全球变暖可能依然会延续一段时间并升高一定幅度。由于TCRE反映的是“瞬态”气候响应，基于TCRE来估算剩余CO2排放空间时，需要考虑净零排放下的惯性升温的影响。在IPCC AR6中，针对《巴黎协定》1.5℃和2℃温控目标的气候情景，设定的实现CO2净零排放（即“碳中和”）的时间是2050年。由于《巴黎协定》的温控目标时间节点是21世纪末，因此可用50年作为评估惯性升温的时间尺度。IPCC AR6的评估显示，这50年内的惯性升温在0℃附近。不过IPCC AR6报告同时指出，评估结果存在±0.19℃的不确定性。这意味着净零排放后温度仍可能变化，对应碳排放空间的不确定性范围为±420Gt CO2。
估算过程需要考虑地球系统反馈过程的影响。地球系统反馈是指全球变暖后多年冻土消融、野火、湿地变化等释放温室气体的过程，以及气溶胶、臭氧和沙尘等的变化对温度的影响。当前，用于气候预估的地球系统模式对地球系统反馈过程的描述不够完善，特别是没有考虑最为重要的多年冻土消融向大气释放温室气体的过程。不同的地球系统反馈过程在影响气候变化的机理、量值和不确定性方面都差异很大。IPCC AR6评估了多年冻土的CO2和CH4反馈，以及气溶胶和大气化学方面的反馈，并给出这些反馈的综合作用为26±97 Gt CO2/℃，不过IPCC AR6同时也指出这一数字是低信度的。地球系统反馈过程给准确估算未来碳排放空间从而实现全球温控目标带来难度。
注意TCRE分布假设对估算结果的影响。若TCRE的可能范围呈对数正态分布，那么碳排放空间比标准正态分布下要多出100—200 Gt CO2。不过，现有证据并不支持TCRE呈对数正态分布这一假设，因此IPCC AR6最终采取标准正态分布假设，这压缩了对未来碳排放空间估算的范围。衡量历史升温的指标不同也会影响估算结果。例如，采用全球平均表面温度（GMST）比全球平均表面气温（GSAT）在1.5℃温控目标下的排放空间多150—200 Gt CO2。
综上所述，如图4所示，要准确估算未来碳排放的空间，首先要从温控目标中扣除历史升温、净零排放后的惯性升温及非CO2排放产生的升温，以得到未来剩余的升温空间；然后，再基于TCRE所揭示的升温和碳排放的关系，初步估算出剩余碳排放空间；接着，扣除地球反馈过程的可能影响；最终，得到温控目标下的未来CO2排放空间及其不确定性的范围。上述任何一个环节的偏差，都会影响到最终估算结果的准确性（表2）。
IPCC AR6给出的碳排放空间估算结果
最低和最高排放空间及其中间值
基于图4的计算框架，综合5个方面的影响因素，IPCC AR6给出《巴黎协定》温控目标下的未来碳排放空间（表2）。针对1.5℃和2℃温控目标自2020年开始的未来碳排放空间中位数分别为500 Gt CO2和1350 Gt CO2。同时，提供的还有最低和最高估算结果：对TCRE的分布取标准正态分布，对应83%和17% 2个高、低分位数，2℃温控目标下的未来碳排放空间最低是900 Gt CO2、最高是2300 Gt CO2，1.5℃温控目标的对应结果是300 Gt CO2和900 Gt CO2。
基于上述估算结果，对应最为严峻的下限情形，若考虑到非CO2强迫和响应、非CO2强迫因子的减排水平、历史升温等影响因素的巨大不确定性，2℃温控目标下的排放空间将在未来几十年内耗尽。特别是对于1.5℃温控目标而言，存在一个较小的概率使实现这一目标的碳排放空间为0，即在此情况下，只有立即停止当前所有人为碳排放才有可能实现1.5℃温控目标，这无疑是一个巨大的挑战。反之，在最为乐观的上限情况下，未来碳排放的空间较大，气候变化减缓和应对工作在时间上就相对从容。
IPCC AR6较之AR5在未来排放空间上的差异及主要影响因素
造成IPCC AR5与SR1.5、AR6在未来碳排放空间上存在差异的原因，主要是估算方法的不同。IPCC AR5中采用了多种估算碳排放空间的方法，而且难以相互比较和统一。以2℃温控目标为例，IPCC AR5首先给出了直接基于TCRE估算的2℃温控目标下自1861—1880年开始的总CO2排放空间，数值为3670—4440 Gt CO2。由于1870—2011年的累积历史排放量为（1890±260）Gt CO2，在合理的概率分布假设下，扣除历史排放量后，计算得到2012年后的剩余排放量为1720—2650 Gt CO2；再进一步扣除2012—2019年的实际碳排放量320 Gt CO2，得到换算为2020年后的排放空间为1400—2330 Gt CO2，这一数值要显著高于IPCC SR1.5和AR6的评估结果。
由于TCRE只与CO2有关，但升温却是多种气候强迫因子共同作用的结果。例如，CH4等非CO2温室气体也会造成部分升温。因此，上述算法高估了未来碳排放空间。为合理考虑非CO2温室气体的影响，IPCC AR5还直接给出RCP8.5情景下地球系统模式达到升温2℃时的累积碳排放结果，数值为2900—3010 Gt CO2。在合理的概率分布假设下，扣除到2011年的历史累积排放量和2012—2019年的实际排放量，最终得到2020年后的排放空间为620—870 Gt CO2，这又显著低于IPCC SR1.5和AR6的评估结果（图3）。RCP8.5情景中非CO2温室气体的辐射强迫过强可能给这一结果带来较大偏差。此外，IPCC AR5未考虑未来土地利用变化的碳排放，这会造成低估碳排放的结果；同时，由于未考虑多年冻土消融释放温室气体等地球系统反馈过程的影响，这又会造成高估碳排放的结果。上述不足均影响了IPCC AR5结果的可信度。
2015年，《巴黎协定》签订后，1.5℃和2℃正式成为UNFCCC框架下由缔约国谈判达成的温控目标，使未来碳排放空间的估算得到高度重视。2018年公布的IPCC SR1.5发展了新的估算未来碳排放空间的框架，其中单独考虑了历史升温的影响，即估算未来碳排放空间首先要估算未来的升温空间。在这个框架下，可以自然引入其他强迫因子对升温的影响。IPCC SR1.5沿用了IPCC AR5估算的TCRE数值，同时对地球系统反馈过程（如多年冻土消融排碳）只给出了粗略估计，仅作为未来碳排放空间的修正项，并未纳入估算值中；认为未来碳排放空间（以CO2计）在20世纪内可能要因此减少100 Gt CO2。
在IPCC SR1.5所发展的新框架基础上，IPCC AR6采用了多种约束手段以减小TCRE的不确定性范围，使用了最新的排放和温度观测数据，同时综合评估了各种地球系统反馈过程对碳排放空间的影响，包括多年冻土中CO2和CH4反馈，以及与气溶胶和大气化学有关的反馈过程。在此基础上，估算的未来碳排放空间值较之以往更为准确。
建议加强的研究领域
未来碳排放空间估算结果存在较大不确定性，这给碳减排政策的制定带来难度和风险。因此，提升估算的准确性具有迫切的决策支撑需求。基于当前的科学认知水平，关于未来碳排放空间的估算误差，按照不确定性的大小排序，分别是：工业革命以来历史升温的不确定性、海洋惯性升温的不确定性、非CO2排放情景和对非CO2强迫响应的不确定性。因此，以提高未来碳排放空间估算的准确度为目标，提出6点建议。
加强历史资料整编和检测归因研究，减小人为历史升温估算结果的不确定性。由表2可以看出，在估算人为外强迫导致的历史升温方面，其结果的不确定性是几种影响因子中最大的（±550Gt CO2）。这一方面需要提高历史强迫数据的准确性，包括人为气溶胶排放；另一方面则需要提高检测归因方法的准确性。检测归因依赖于气候模式，这就需要提高气候模式性能，使其能够准确模拟气候系统对不同种类强迫因子的响应。目前，亟待提升的是对气溶胶响应过程、气溶胶与云的相互作用过程描述的准确性。
加强气候系统反馈过程研究，准确估算敏感度指标TCRE。TCRE的不确定主要来自气候敏感度TCR的不确定性。基于多种来源的证据，IPCC AR6给出的TCR估算结果的不确定性范围比IPCC AR5明显减小。若要继续提高精度，首先需要加强气候反馈机制的研究。其中，云短波反馈是导致气候敏感度不确定性的最大来源，也是当前气候模式发展完善的难点；它与目前认识薄弱的云-对流相互作用过程密切相关，并和其他反馈过程（如海冰反照率）存在复杂的相互作用。云反馈过程还能影响我国气候的模拟和未来季风气候的预估，因此尤其值得关注。同时，要加强深层海洋的观测研究，以及未来增暖空间型和海洋热吸收型预估的研究。海洋惯性升温的大小和增暖型有关，高纬度海洋热吸收要比低纬度海洋热吸收对全球增暖的减缓作用更强。明晰未来的增暖型和海洋热吸收型、减小海洋热吸收估算的不确定性、提高TCR的估算精度，将有助于提升未来碳排放空间估算的准确性。
加强地球系统碳源、碳汇过程与全球增暖关系的研究。随着累积碳排放的增加和全球温度的升高，海洋和陆地作为碳汇的功能将减弱，表现为海洋和陆面对人为排放CO2的吸收比例将逐渐下降，每升温0.5℃，吸收率降低约5%（图5）。此外，目前认为随着大气CO2浓度的升高，CO2的辐射强迫也会降低，这又会抵消海陆碳汇减弱的作用——不过这种抵消作用在多少碳排放空间内成立尚不清楚。面向更为长远的未来，在累积碳排放超过5500 Gt CO2后，升温幅度和累积排放间的关系将变得更为复杂，目前相关研究鲜有报道。
加强非CO2温室气体和多年冻土等对全球增暖的影响研究。包括CH4在内的非CO2温室气体的排放，能够通过侵占升温空间而造成未来碳排放空间的减少，因此需要加强CH4、N2O等非CO2温室气体对全球增暖的影响研究。这在中美签署的《关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》中我国表示要在控制和减少CH4排放方面取得显著效果的背景下显得尤为重要。随着气候增暖，多年冻土消融将通过释放CH4和CO2对升温产生显著影响，这是一种重要的地球系统反馈过程。我国拥有约1.6×106 km2的多年冻土区，亟待加强对这些区域的监测和气候影响预测研究。
加强对高于1.5℃和2℃温控目标的升温阈值下碳排放空间的研究。《巴黎协定》的2℃和1.5℃温控目标，是UNFCCC缔约方通过谈判设定的政治目标。科学研究需要不囿于政治目标。例如，IPCC AR6在1.5℃和2℃温控目标的基础上，还给出了3℃—4℃升温阈值下的气候预估结果。学术界应对升温的各种可能情景做好前置性研究准备。
加强我国地球系统模式研发的统筹协调，推动其在包括碳排放空间预估等地球系统碳循环研究中的应用。气候模式在反馈过程研究、气候敏感度估算、历史温度变化的检测归因研究中发挥着不可替代的作用。气候系统模式在近30年来取得了快速发展。以“国际耦合模式比较计划”（CMIP）为例，参加CMIP1的研究机构有11家，参加CMIP5的有19家，参加CMIP6的则有28家。在参加CMIP6的模式中，最终数据被IPCC AR6正式采用的模式版本有39个，其中我国的6家机构贡献了8个模式版本。我国参加CMIP6的模式数量是世界各国中最多的，但是最终为IPCC AR6提供了碳循环数据的模式只有1个。地球系统模式是支撑气候变化和地球系统科学研究的重要平台，也是国际竞争的前沿。建议加强我国在地球系统模式研发领域的统筹协调，发挥新时代举国体制的优势，尽早实现“由多到强”的转变，从而在碳排放空间预估、碳收支平衡估算等支撑国际气候变化治理谈判的前沿领域提高话语权。
应对气候变化是中国可持续发展的内在要求，也是负责任大国应尽的国际义务。2020年9月22日，在第75届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平宣布“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。这彰显了我国负责任大国的形象，是推动构建人类命运共同体的具体举措。《巴黎协定》温控目标的实现，依赖于碳减排方面的国际行动。UNFCCC将于2023年11月完成第一次全球碳盘点，此后每5年更新一次盘点工作。全球盘点和未来碳排放空间估算数据，将是UNFCCC框架下包括《巴黎协定》和《格拉斯哥气候公约》履约等气候治理国际谈判的重要数据基础。
作为全球碳排放的参考基准，《巴黎协定》温控目标下的未来碳排放空间可以逐年核算，能够对国际气候变化谈判和气候变化应对工作形成有效支撑。基于当前的估算数据，考虑到结果的不确定性，目前各主要国家自主贡献目标的碳排放总和，有可能超过1.5℃甚至2℃所要求的剩余排放空间[29]。因此，要实现国家间碳排放空间的公平分配、保持全球目标的协调一致，科学界首先需要提供精准的碳排放空间核算数据。推动和引导建立公平合理、合作共赢的全球气候治理体系，需要坚实的科学支撑，气候科学界在这方面责任重大。
（作者：周天军，中国科学院大气物理研究所、中国科学院大学；陈晓龙，中国科学院计算技术研究所。《中国科学院院刊》供稿）