摘要碳中和作為21世紀最大規模的有序人類活動，亟待科學應對。文章從地球系統科學角度，討論了支撐“碳達峰、碳中和”目標的大氣、陸地和海洋相關的地球系統科學中的若干科學和技術問題及現存的知識不足。從地球系統模式、氣候監測指標、溫室氣體監測技術、碳源匯核算方法體系等方面，闡述了支撐碳中和的關鍵技術手段及現存的問題。基于目前存在的挑戰和不足，建議深入理解氣候系統多圈層相互作用過程和機制，完善地球系統理論與模式，從多圈層角度加強“碳達峰、碳中和”目標和氣候變化理論基礎;自主構建氣候變化監測指標系統，研發溫室氣體監測與核查手段和平臺，為碳中和目標提供先進的技術手段支撐。

　　關鍵詞碳中和，碳源，碳匯，溫室氣體，氣候變化，地球系統模式，氣候監測

　　碳排放指以二氧化碳(CO)為代表的人為溫室氣體排放，其中包括CO和非CO氣體，但均以CO當量計。碳達峰是指一定空間范圍(如全球或某級行政轄區)內的碳排放年總量在某個時間段呈現為工業化以來的最高峰值。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)指出，碳中和是指凈零碳排放，即規定時期內人為移除與人為排入大氣的CO當量相互抵消[1]。

　　氣候評職知識：寫氣候變化的著作怎么公開出版

　　根據《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》[2]，我國2014年的碳排放量約為11.2Gt(1Gt=10t)CO當量，占同年全球排放量①的大約22.3%，未來實現碳中和所需的碳減排壓力遠大于任何一個發達經濟體。實現碳中和涉及人為減排、能源結構調整、人工碳匯等手段的實施，這些本質上都屬于有序人類活動[3]，其目標是包括中國在內的全球各國通過合理安排和組織，在滿足社會經濟發展需求的同時使自然環境在一定時空尺度內不發生明顯退化，甚至能持續好轉。

　　在實施層面，人類社會通過降低碳排放的手段進行氣候調控屬于對自然環境的人工調控或者最優調控問題，也是自然控制論的研究范疇[4]。碳達峰與碳中和涉及諸多亟待解決的重要科學問題，本文主要闡述碳達峰與碳中和目標下地球系統中大氣、陸地和海洋相關的若干關鍵科學問題及知識缺口，以及支撐碳中和的監測和評估方法。面向國家碳中和重大戰略需求，科學界亟待解決這些問題，支撐我國建設世界科技強國。

　　1溫室氣體及全球響應和反饋過程

　　1.1地球系統響應溫室氣體增加的科學基礎及不確定性

　　地表溫度對溫室氣體排放具有接近實時的快速響應(按年計)，長時間尺度的地表溫度變化和累積溫室氣體排放有近線性的關系，即大約550Gt的碳排放會對應1℃的升溫。自工業革命以來的溫室氣體排放累積導致了全球平均氣溫上升約1.1℃。而未來的溫度變化主要取決于未來的排放量，所以《巴黎協定》的2℃控溫目標實際上對應了未來的溫室氣體總排放量：粗略估計只有約500Gt的排放空間[5]。

　　科學界已經明確溫室氣體排放會導致氣溫上升[6-8]，并以此作為未來減排目標的主要科學依據。但是，不確定性依然存在[9]，主要來自以下方面：氣溫對溫室氣體的響應過程和機制的不確定性，包括碳循環的響應;地球系統中大氣、陸地、冰凍圈、海洋等對溫室氣體的響應及其相互作用;凍土的反饋機制;CO及非CO溫室氣體的核算及其反饋機制;地球系統的非線性響應及自然變率的貢獻等。

　　減小氣溫對溫室氣體響應過程和機制的不確定性將為未來精準核算碳收支提供科學基礎。除了地表溫度上升外，全球變化表現為大氣、海洋、陸地、冰凍圈、生物圈等各圈層的系統性變化，包括且不限于：海洋升溫和酸化、陸面溫度上升、高山冰川和北極海冰范圍縮小、格陵蘭和南極冰蓋質量損失、海平面上升、極端事件加劇等，這些是全球變化的主要判別指標。目前，這些主要的全球性氣候指標數據依然被歐美國家的政府機構或研究團體主導，我國的貢獻甚少。同時，我國尚未建立關鍵氣候變化核心指標的實時監測平臺，這制約了我國施行快速、精準的氣候變化政策，也制約了我國對碳達峰與碳中和目標的措施進行績效評價。

　　1.2全球海洋和大氣響應全球氣候變化的科學問題及知識缺口

　　海洋的響應和反饋全球變暖90%以上的熱量都儲存在海洋中。由于巨大的體量和比熱容，海洋對溫室氣體的響應具有延時性[10]。即使碳中和目標可以達成，海洋變暖、海平面上升等依然會持續[8,11]，這對未來適應和減緩氣候變化提出了更高的要求。全球海洋物理狀態的變化會改變海洋的碳收支(例如，海洋吸收CO的“生物泵”和“物理泵”)，對碳中和目標的實現有重要影響。海水增暖后，其固碳能力會下降。例如，近幾十年南大洋內部熱含量的增長十分顯著[12]，這可能導致南大洋固碳能力減弱[10]。大西洋經圈翻轉環流減弱也可能會削弱深對流過程的固碳能力[13]。

　　在碳中和氣候狀態下，海洋層結上層減弱、中深層加強，這對海洋儲碳能力的影響尚不明確。北冰洋海底擁有巨大的碳埋藏量，一方面，北冰洋海水增暖使得這些冰狀水合物極易融化分解，從而釋放出CO;另一方面，全球變暖導致北極海冰范圍縮小，使得海表冷水與大氣的接觸增加，從而增強海水的儲碳的能力，二者最終會導致北極碳收支發生何種變化也不明確。

　　大氣的響應和反饋我國碳中和目標的實現主要依賴于科技的進步和經濟發展方式的轉型，但同時也會受到我國未來氣候走向的直接影響。例如，植樹造林，以及利用太陽能、風能等新能源都是實現碳中和的重要舉措，而在多大程度和范圍內能夠采取上述舉措主要依賴于氣溫、降水、輻射、風速等基本的天氣和氣候狀況;即使對于傳統的水力發電，其在未來的能源供給能力也依賴于氣候，特別是降水的走向。在極端天氣條件下，如異常的“副高活動”“極渦活動”等帶來的大范圍風能、光能異常，可能導致大規模電力供應不足問題，如2020年冬季美國得克薩斯州的能源災難問題。因此，在進行我國碳中和規劃和碳匯的估算時必須考慮未來40年內氣候走向這一要素。

　　溫室氣體濃度變化對氣候的影響主要分為2類不同時間尺度的過程[14]：受大氣CO強迫影響的快速調整過程、受全球平均溫度變化影響的緩慢調整過程。在溫室氣體濃度上升階段，兩者同步增長，該情形下的氣候變化研究相對較清楚[15,16];而在下降階段，全球平均溫度的增長將放緩，而科學界對該階段的氣候影響認識不夠[10,17]。此外，《巴黎協定》只給出了21世紀的溫度控制目標，但實現目標的溫室氣體排放路徑卻有很多種可能[18];同時，以不同的溫室氣體排放路徑實現相同的溫度目標，氣候的響應也存在差異[19,20]。

　　2我國陸地和海洋碳源/匯貢獻和不確定性

　　2.1中國陸地生態系統碳源/匯綜述陸地生態系統是我國最重要的碳匯之一[24]，系列研究利用不同的模型和方法，估算了我國區域陸地碳匯強度。這些研究對于量化我國陸地碳匯的貢獻發揮了重要的作用。例如，Wang等[24]發現2010—2016年我國陸地生態系統年均吸收了同時期人為碳排放的45%，揭示了我國陸地生態圈的巨大碳匯作用。然而，目前對于我國區域陸地碳匯強度估算仍然存在著較大的不確定性，不同研究者對于碳匯強度估算存在明顯的差異[24-30]。

　　3地球系統科學支撐碳中和的關鍵技術手段及現存的關鍵問題

　　3.1基于地球系統模型模擬和預估氣候變化，支撐碳中和路徑和目標地球系統模式能夠定量刻畫大氣、陸地、海洋碳循環等地球系統各部分之間的相互作用過程，是認識、理解全球碳循環過程和機制，以及模擬和預估氣候變化的核心工具。通過設置不同的碳中和目標約束(如何減排、如何增匯等)，地球系統模式得到最有效、最合理的碳中和路徑，從而為尋找碳中和最優科學路徑提供強有力的技術和工具支持。

　　當前，我國具有自主知識產權的第二代中國科學院地球系統模式(CAS-ESM2)實現了碳循環和氣候的完全耦合[52]，可以模擬地球各主要分系統對不同碳中和路徑的響應，包括陸地和海洋碳通量變化、陸表植被和水文變化、氣候變化等。然而，當前地球系統模式在功能和性能上還需進一步完善，特別是提升對人為過程、植被動態演變、火干擾、氮循環等過程的描述[53]。

　　3.2天空地一體化溫室氣體觀測系統

　　衛星遙感觀測衛星遙感觀測可以在碳源匯核查方面發揮重要作用。我國于2016年發射了第一顆CO監測科學實驗衛星[54]，又陸續發射風云三號D星和高分五號大氣成分監測衛星[55]。由于幅寬較小(10—20km)且重訪周期長，國際上現有衛星主要在全球尺度碳源匯反演中發揮作用，還無法滿足點源、城市、區域尺度監測需求。

　　4結論和建議

　　實施碳中和目標將是我國21世紀最大規模的人類有序活動，涉及地球系統多圈層相互作用，必將觸發地球環境演變，并催生新的科學前沿。本文總結了涉及碳中和的地球系統科學的若干科學技術問題，展望了發展趨勢。基于上述討論，提出3點科學建議。

　　(1)自主構建氣候變化監測指標系統，深入理解氣候系統多圈層相互作用過程和機制，為碳中和目標 的實現提供科學基礎。針對我國尚未建立關鍵氣候變化核心指標實時監測平臺的問題，建議積極統籌各方力量，建立我國自主可控的氣候變化核心監測指標集和平臺，以實現全球氣候變化核心數據的自主化并形成國際影響力，動態評估全球氣候狀況，為應對氣候變化提供科學數據基礎。對氣候系統多圈層相互作用過程和機制的理解，是精準設置減排目標、準確評估氣候變化影響和風險的基礎。因此，要實現碳中和目標，需要全面加強全球碳匯格局、時間尺度、演化趨勢及其與氣候系統的互饋機理等方面的重要基礎科學研究。

　　(2)自主研發溫室氣體監測與核查技術和平臺，為碳中和目標提供先進的科技支撐。目前，我國缺乏溫室氣體源匯評估的自主核查校驗方法和技術平臺。建議：①在監測數據獲取能力方面，突破溫室氣體空間監測技術、地面監測網、垂直探測、自主先進探測技術、非CO監測技術，推進城市碳監測平臺建設，形成天空地一體化的溫室氣體監測能力。②在方法體系方面，研發基于天地一體化觀測的多尺度溫室氣體清單校核方法。融合“自上而下”反演方法與高分辨率“自下而上”動態清單方法，實現人為源匯變化的精細化監測，為國家相關政策的制定提供科學依據。③需要全面認識和調查海洋和陸地的生物及其物理固碳能力，全面監測我國的碳源匯。

　　(3)進一步完善地球系統模式，以國家“地球系統數值模擬裝置”為核心，建設國家碳中和核算評估決策支持中心，用科技能力建設支撐碳中和戰略的實施。需要研發和優化可正確刻畫碳循環復雜過程的地球系統模型，結合不同減排情景和不同的人類活動影響，預估2030年和2060年的全球及我國碳收支特征，以及我國不同陸地生態系統對碳中和的貢獻;研究規劃最優碳中和路徑的方法論，評估生態工程可能的方案和轉換能源結構的最優途徑，為我國2060年前實現碳中和目標提供強有力的科技支撐。

　　參考文獻MatthewsJBR.AnnexI:

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　　作者：蔡兆男1成里京1,2李婷婷1,2,3鄭循華1,2王林1,2韓圣慧1,2王凱1,2屈俠1,2江飛4張永雨5朱建華6龍上敏7孫揚1賈炳浩1袁文平8張天一1張晴1謝瑾博1朱家文1劉志強1吳琳1楊東旭1魏科1吳林1,2張穩1劉毅1,2曹軍驥1,2