呂達仁 丁仲禮
(1中國科學院大氣物理研究所 北京 100029 2中國科學院 北京 100864)
應對以全球變暖為核心內(nèi)容的氣候變化,采取以減少CO2等溫室氣體排放從而抑制大氣中CO2等溫室氣體濃度持續(xù)增加為主要目標的全球性行動與各國減排責任的國際談判已經(jīng)成為我國作為發(fā)展中大國面臨的重大問題與難題。我國作為全球溫室氣體的最大排放國,面臨著巨大的國際減排壓力。而我國正處于完成工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵階段,需要不斷提高我國人民生活水平,這一本質(zhì)需求決定我國在今后相當長時間內(nèi)能源消耗規(guī)模仍會有相當大的增長,而我國能源的主體——煤的利用也不可能在短時間內(nèi)有大比例下降。因此我國要積極、主動、科學地承擔相應的減排責任,同時也必須走可持續(xù)發(fā)展之路。為此必須在科學、技術(shù)與相應的對策方面進行深入的綜合研究,需要在以下幾方面獲得重大進展與突破。
中國人為活動排放的溫室氣體實際數(shù)量究竟有多少,與當前國際談判中認定的我國排放量是否一致,差距有多大,原因是什么,用什么定量認證方法能科學有效而又先進地實現(xiàn)對我國碳排放(以下用此代表溫室氣體總稱)的監(jiān)測與評估,這樣的方法在原理、技術(shù)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上應能與當前國際公認的方法銜接,這是一個必須解決的緊迫問題。
與此相關(guān)的實際情況是,我國一次能源的利用效率由于生產(chǎn)技術(shù)總體還不夠先進,平均而言離先進設(shè)備的效率有相當距離,對計量能源消耗與碳排放之間關(guān)系的研究很不完整,缺乏發(fā)達國家多年來基于其本國已開展的統(tǒng)一而科學的調(diào)研與實驗。缺少我國自己的系統(tǒng)方法與結(jié)果,在國際談判計量時往往不得不采用發(fā)達國家制定的方法與數(shù)據(jù),其結(jié)果是我國的實際碳排放值與國際對我國的認定值有相當距離,即高估了我國的排放值。建立符合我國能源類型和利用效率的碳排放計量體系和相應的代表性數(shù)據(jù)庫對我國參與國際談判承擔減排責任至關(guān)重要。同時該項工作也對提高我國能源利用效率具有重大科學指導意義。
應對氣候變化,減少大氣溫室氣體濃度的另一個重要途徑是增加地球表層生態(tài)系統(tǒng)對大氣溫室氣體的吸收作用,即生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。我國領(lǐng)導人承諾以增加森林面積來實現(xiàn)對大氣碳的更多吸收。過去20多年來我國實施了一系列生態(tài)保護工程。這些工程在改善和保護生態(tài)的同時將繼續(xù)發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。定量評估這些生態(tài)工程的固碳潛力與速率是定量表達我國對減排做出貢獻的一個重要方面。為此,必須明確我國主要生態(tài)系統(tǒng)(森林、農(nóng)業(yè)、草地等)究竟有多大的吸收碳潛力,這些生態(tài)系統(tǒng)在過去、現(xiàn)在與未來吸收碳的速率究竟如何,在人工科技干預下生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力與速率究竟會有怎樣的變化。同時還必須明確能否以及如何實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)改善與增加碳匯3個目標的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。這既是我國應對國際談判與承擔義務的科技基礎(chǔ),又是維持經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展必須解決的重大科技問題,是一項既緊迫又長遠的科技任務。我國在這方面已有許多工作,但缺乏全國尺度的精細調(diào)查和分析,缺乏基于統(tǒng)一技術(shù)體系的系統(tǒng)研究。
有關(guān)氣候變化與碳減排的國際談判的一個重要基礎(chǔ)要求是定量減排的“三可”(即可測量、可報告與可核查)。這方面除了國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)報告與常規(guī)調(diào)查外,國際上正著力發(fā)展的系統(tǒng)方法是建立以衛(wèi)星遙感監(jiān)測、地面站網(wǎng)監(jiān)測、陸海表面與空中平臺流動監(jiān)測相結(jié)合的集成監(jiān)測系統(tǒng)[1],并借助于由大氣化學輸送模式與地面生態(tài)過程模式所構(gòu)成的同化系統(tǒng),形成大氣碳濃度與碳源匯的動態(tài)監(jiān)測與識別系統(tǒng),以實現(xiàn)全球與區(qū)域溫室氣體濃度與源匯分布監(jiān)測[8]。雖然該系統(tǒng)目前尚不成熟,但已成為發(fā)達國家針對國際談判目標的重要科技手段。我國在這一方面仍處于缺乏準備與人才的狀況,必須抓緊建立相應的科技系統(tǒng),掌握我國與全球?qū)崟r動態(tài),使我國在未來國際談判中處于平等和主動的地位。
當前關(guān)于減排的國際談判的邏輯依據(jù)是:全球增溫幅度應控制在2℃以內(nèi),2℃增溫對應著大氣溫室氣體濃度值應不高于450ppm CO2當量?;?℃閾值推測其對全球環(huán)境、生態(tài)、海平面等綜合負面影響的評估,客觀上已成為各國的政治共識,難以在短期內(nèi)改變。而2℃增溫與450ppm CO2當量的對應關(guān)系則是基于現(xiàn)有參與2007年IPCC評估報告的多個氣候模式預估的一個平均結(jié)果,具有相當大的不確定性。IPCC報告指出:當前的全球變暖,可主要歸因于人類活動碳排放增加的結(jié)果。與此同時,IPCC報告也指出,當前的氣候系統(tǒng)模式,特別是云-輻射相互作用過程的處理方面尚不完善。云-輻射強迫過程表述的不確定性,使得不同的氣候系統(tǒng)模式對相同程度的溫室氣體增加的增暖響應幅度相差很大,亦即模式對溫室氣體的敏感度不同。氣溶膠亦是影響模式不確定性的因子之一,特別是在考慮其間接輻射效應的時候;此外動態(tài)植被過程及其與氣候的相互作用也是影響模式不確定性的重要因子。中國的氣溶膠性質(zhì)和云-氣候效應的關(guān)系,需要我們自己通過氣溶膠濃度和光學特性的測量來獲得更為準確的對其氣候效應的認識。關(guān)于未來氣候變化的情景預估,也應該基于我們自主建立的氣候系統(tǒng)模式。這方面研究的緊迫性在于,如果2℃升溫并不與450ppmCO2當量對應,則相應的減排總量以及減排時間表均會有所變動,從而使我國在談判中處于更主動的地位。在氣候預估與歸因的研究中,由于模式先進性和資料完備性方面的欠缺,我國與發(fā)達國家相比尚存在差距,國際話語權(quán)不夠。從國家需求出發(fā),這方面的研究水平與預估結(jié)果集成上急需有重大提高。
在應對氣候變化的減排責任問題上,在定量了解我國碳排放、碳增匯潛力與速率、人工增匯潛力與措施的基礎(chǔ)上,如何針對國際談判與我國發(fā)展戰(zhàn)略與整體格局,研究碳排放、能源消耗與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系,如何建立全球和我國的碳貿(mào)易體系,參與國際規(guī)則的制訂,提出碳匯林業(yè)、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、近海生態(tài)管理的技術(shù)、政策,也是一個迫切需要解決的重大發(fā)展問題。
在主動理解國家在溫室氣體減排國際談判中的責任與我國可持續(xù)發(fā)展道路最優(yōu)平衡選擇的基礎(chǔ)上,中科院作為科技國家隊和國家科學思想庫主動提出組織多學科大跨度交叉的科技隊伍,以中科院多個研究所的科技人員和一部分從事經(jīng)濟和政策研究的專家,聯(lián)合高校和有關(guān)部門專家,共同承擔科技先導性專項——“應對氣候變化的碳收支認證及相關(guān)問題”。從國家綜合需求的以上幾個方面設(shè)立5個任務群,共15個項目,通過有組織建制性的全國規(guī)模調(diào)查、測試、模式建立和試驗、數(shù)據(jù)庫建立及深入的理論研究,提出國家層面的分析報告和政策建議,以求圓滿回答國家在這方面的緊迫需求。截至目前,直接參加該專項的中科院研究所有14個,其中包括國家重點實驗室23個,院重點實驗室23個,國家工程技術(shù)研究中心2個,以及大氣、生態(tài)野外臺站100余個,由此構(gòu)成集監(jiān)測、研究與示范為一體的科技創(chuàng)新平臺與基地,高校有清華、北大等8所,有關(guān)部門的研究院所3個。參與的主要科技骨干有600多人,更有眾多的學生等參與一線的調(diào)查與測試工作。
根據(jù)國家需求建立的本專項,共包含相互支持與聯(lián)系的5個任務群。按照該專項中5個方面的內(nèi)容,分別采用不同的技術(shù)路線開展綜合性的集成研究,以滿足國家應對氣候變化的相關(guān)需求,在此過程中提升我國的整體研究水平,增強集成研究的基礎(chǔ)條件與實力,形成學科交叉的整體攻堅人才隊伍。該研究采用的主要技術(shù)路線是:
該任務群包含4個項目,分別是:項目1:能源消費與水泥生產(chǎn)的排放;項目2:土地利用與畜牧業(yè)排放;項目3:能源生產(chǎn)過程中的自然排放;項目4:衛(wèi)星反演溫室氣體凈排放。該任務群是專項滿足國家需求的第一要務。其主要內(nèi)容為針對排放清單任務群的研究需求,組織有關(guān)能源、工業(yè)、土地利用變化和碳排放系數(shù)的綜合調(diào)查,研制符合我國特色的能源、工業(yè)、土地利用變化碳排放計量的權(quán)威基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、國際認可的計量方法和技術(shù);我國能源種類多,應用行業(yè)多,能源利用效率差別大,因而其溫室氣體排放的確切數(shù)量在未來得到系統(tǒng)研究測量前,在國際談判中不得不用IPCC默認值。為此該項目擬覆蓋全國主要能源類型與主要耗能產(chǎn)業(yè),進行高技術(shù)支持下的國家規(guī)模的調(diào)查測試分析,建立數(shù)據(jù)庫,爭取可能條件下的最精確估計值。對土地利用變化與畜牧業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體排放同樣做到先進測量支持下的全國性主要應用類型的調(diào)查評估;充分利用高分辨率、高精度的短波紅外衛(wèi)星遙感技術(shù)、結(jié)合地基-航空驗證技術(shù)和資料同化方法,形成獨立自主的天-空-地一體化溫室氣體遙感監(jiān)測體系,獲取溫室氣體濃度和源匯分布的動態(tài)數(shù)據(jù)。集成多種技術(shù)途徑獲取的排放數(shù)據(jù),將直接服務于我國溫室氣體排放清單的編制和國家報告的撰寫。
該任務群包含3個項目,分別是:項目5:我國生態(tài)固碳的現(xiàn)狀、速率、機制與潛力;項目6:重大生態(tài)工程固碳量評價;項目7:典型區(qū)域生態(tài)固碳增匯技術(shù)體系與示范。針對生態(tài)系統(tǒng)“固碳”任務群的研究需求,在數(shù)據(jù)獲取方面,依據(jù)我國森林、灌叢、草地、農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)的地理分布特征,采用點-線結(jié)合、點-面結(jié)合、面-面對應以及地面觀測-遙感反演相結(jié)合的技術(shù)途徑,測定各類生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量、固碳潛力和速率[2,13]。同時,充分挖掘各類數(shù)據(jù)資源,系統(tǒng)整編和同化本研究項目的調(diào)查數(shù)據(jù)、野外臺站長期定位觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、土地利用變化數(shù)據(jù)和氣候要素數(shù)據(jù)以及生態(tài)要素數(shù)據(jù)。在模型系統(tǒng)研發(fā)方面,自主研制我國的森林、灌叢、草地、農(nóng)田和濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)模擬模型系統(tǒng)[4],引進和改良國際知名區(qū)域碳收支模擬模型,采用多模型對比和集成分析以及模型-數(shù)據(jù)融合等技術(shù)途徑,定量評估國家尺度碳收支的時空格局變化。應用綜合考察、行業(yè)清查和統(tǒng)計、衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段,綜合評價我國天然林資源保護、退耕還林還草、“三北”防護林建設(shè)、京津風沙源治理、長江及珠江流域防護林建設(shè)、退牧還草工程等6大生態(tài)工程的實際固碳效果,提出提升生態(tài)建設(shè)工程固碳效應的技術(shù)對策與途徑。項目7還將選擇全國4個典型生態(tài)區(qū)(北方沙化草地、高寒退化草地、南方低效人工林、西南石漠化地區(qū))開展新的改善生態(tài)、增加碳匯與發(fā)展經(jīng)濟共進的新型增匯技術(shù)試驗與示范。
該任務群包含4個項目,分別是:項目8:過去2000年氣候變化記錄、幅度、速率、突變與歸因;項目9:過去百年氣候增暖與成因;項目10:我國氣溶膠歷史變化與氣候效應;項目11:氣候模式模擬與預估中的不確定性問題。針對氣候敏感性任務群的研究需求,采用多種方法與技術(shù)手段獲取本專項所需要的兩個關(guān)鍵時間窗(過去2000年和百年)溫度變化及相關(guān)基礎(chǔ)資料,并盡可能利用不同技術(shù)與方法實現(xiàn)對資料的相互驗證,保證該專項所獲得資料的完整性與權(quán)威性。氣溶膠作用是氣候變化預估中關(guān)鍵的不確定因素之一。我國的氣溶膠排放量大,化學成分、顆粒大小、混合狀態(tài)等性質(zhì)復雜[3,12],時空變化大,極度缺乏全國性系統(tǒng)的綜合測量及其與云和輻射相互作用的試驗研究。在該專項中將專門建立適用于氣候模擬的我國氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)上述目標,將采用與研發(fā)一系列國際先進的技術(shù)方法、觀測儀器與分析方法,從而做到在完成專項國家目標的同時較大幅度地提高研究能力,明顯地增強研究基礎(chǔ)條件。發(fā)展新一代中科院氣候系統(tǒng)模式中的云-氣溶膠-輻射的集合參數(shù)化方案,建成新一代陸面-水文耦合模式,改進和完善植被生態(tài)與氣候相互作用參數(shù)化方案等,最終通過耦合集成建立一個在關(guān)鍵物理過程參數(shù)化方案及整體性能方面具有先進性的完整氣候系統(tǒng)模式;針對氣候預估中的幾類重大過程,開展參數(shù)化建模與系統(tǒng)驗證結(jié)合。充分研究過去時期的實際氣候變化,結(jié)合統(tǒng)計和模擬進行歸因分析,用更豐富的資料和更嚴格的分析方法建立起來的氣候變化資料集驗證和改進本專項所發(fā)展的中科院氣候系統(tǒng)模式。在新模式與更完整氣候相關(guān)資料基礎(chǔ)上,對2℃增溫所對應溫度氣體濃度值的關(guān)系給出不確定性更小的結(jié)果。
該任務群包含2個項目,分別是:項目12:大暖期中國環(huán)境格局;項目13:氣候變化背景下人類適應方式。針對影響和適應任務群的研究需求,將以6000年前的大暖期[6]為主、21000年前的冰盛期[7]為輔,增加研究地區(qū)代表性與采用先進的采樣與分析手段,盡可能恢復大暖期和冰盛期間全國氣候、生態(tài)、生物多樣性、沙漠、海平面等環(huán)境格局,分析上述變化與全球的聯(lián)系,起到溫故而知新的啟發(fā)作用。通過地質(zhì)-生物證據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)合,從過去氣候變化的角度評估全球增溫1℃—2℃對我國環(huán)境格局的影響和陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力[10],揭示全球溫度變化[9]對亞洲季風環(huán)境和生物多樣性的影響與機制。同時,將重點研究末次冰期以來我國現(xiàn)代人類在經(jīng)歷漁獵-采集、農(nóng)業(yè)、工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)變和發(fā)展過程中是如何適應氣候變化和促進人類文化-文明發(fā)展的[11]。在上述基礎(chǔ)上,評估未來50年內(nèi)典型地區(qū)重要產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟、系統(tǒng)適應氣候變化的策略和措施,提供我國典型區(qū)域未來適應方式及相關(guān)建議,為政府決策提供咨詢報告,試驗推廣好的適應模式。
該任務群包含2個項目,分別是:項目14:區(qū)域碳排放與產(chǎn)品碳足跡;項目15:應對氣候變化的碳收支相關(guān)政策研究。針對綠色發(fā)展任務群的研究需求,開展自然科學與社會科學交叉研究,國際動態(tài)與國內(nèi)現(xiàn)狀的綜合分析,短期應對任務與長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的統(tǒng)籌兼顧,能源、工業(yè)、土地利用活動的減排技術(shù)與生態(tài)系統(tǒng)增匯技術(shù)綜合運用的思路,探討國家應對氣候變化的碳管理與可持續(xù)發(fā)展權(quán)衡的國家戰(zhàn)略、制度設(shè)計和調(diào)控政策。
該專項自2011年正式啟動以來,在中科院領(lǐng)導、專項辦與專項領(lǐng)導小組的指導下,各項工作已全部進入正軌。由于采用了從國家需求出發(fā)的建制性管理,并充分理解專項科技內(nèi)容需要發(fā)揮參加者的創(chuàng)新積極性與一定探索性的特點,各項目均根據(jù)國家需求與研究工作的特點制定相應的工作計劃與流程。根據(jù)專項要求,我們將獲取具有全國代表性的調(diào)查、測量、分析與數(shù)據(jù)庫建立作為優(yōu)先任務加強安排。通過一年多的初步工作,已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的進展。限于篇幅,只簡單介紹與全國代表性有關(guān)的基礎(chǔ)調(diào)研測量的少數(shù)幾點。
我國能源利用中煤在長時間內(nèi)仍為主要能源。目前我們已針對我國能源種類(煤、油、氣)分別在全國范圍內(nèi)進行了實地取樣和測試。對于煤炭而言,已針對不同煤種和產(chǎn)量獲取了500多組煤炭樣品,初步分析結(jié)果表明,我國在各種煤種方面的碳含量低于 《IPCC國家溫室氣體清單指南》的默認值,總體而言我國的煤炭貧瘠省份其碳含量至少低于IPCC默認值10%以上,但同時也應注意到,我國低階煤種儲量占煤炭總儲量的60%以上,今后低階煤的消費量將占主導,有利于我國溫室氣體排放量的降低;對于石油和能源氣而言,已分別獲取了40余組油品數(shù)據(jù)和30余組氣數(shù)據(jù),結(jié)果顯示與《IPCC國家溫室氣體清單指南》的默認值相差不大。同樣,我國能源一次利用方式多種多樣,對于煤炭而言,包括火電、鋼鐵、有色、建材、煤化工、民用煤等,且技術(shù)類型復雜,既有先進技術(shù),也含有非常落后的技術(shù)類型,這就決定了我國的碳氧化因子多種多樣。目前已實地調(diào)研和分析了我國部分能源消費一次利用行業(yè)的碳氧化因子。結(jié)果表明,我國在各個行業(yè)碳氧化因子差別巨大,且均低于IPCC的默認值1,即使按照各行業(yè)利用煤炭量加權(quán)平均也應遠低于1。因此可預計,通過該專項的國家尺度的調(diào)查測量與分析,將對我國實際排放量作較大修正。
已建立了野外調(diào)查、樣品測試的規(guī)范和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標準,并布設(shè)了全國范圍森林、灌叢、草地、農(nóng)田各類生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查樣地,按布點首次展開針對陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的全國尺度綜合調(diào)查,實現(xiàn)了全國范圍內(nèi)的樣地設(shè)置、樣品采集和測試分析標準化。在第一年已完成森林844個樣點 (占32.5%), 灌叢 400個 (33.3%), 草地 1525個(36.3%),農(nóng)田調(diào)查3188個(76%)。初步的研究認為,近30年我國的森林碳密度在不斷增加,森林的固碳量每年凈增約0.85%,相當于每年凈吸收43.8Tg碳。對農(nóng)田的調(diào)查發(fā)現(xiàn),1980—2005年我國主要作物根系生物量明顯增加,假設(shè)根系土壤有機碳貢獻時效為50年左右,可以推測至少在未來的20—30年內(nèi)我國的作物根系還會繼續(xù)發(fā)揮增加農(nóng)田碳匯功能的作用。
利用當前中科院氣候系統(tǒng)模式版本,完成了國際耦合模式比較計劃(CMIP5)為IPCC AR5設(shè)計的過去氣候模擬和未來氣候預估試驗,結(jié)果實現(xiàn)全球共享,提升了中國氣候系統(tǒng)模式的國際影響力,并初步研究了模式對溫度氣體敏感度不同所造成的未來預估結(jié)果的不確定性;在模式研發(fā)方面,提出了植被群體動力學的萌衍方案,發(fā)展了動力學植被模型中的火干擾參數(shù)化模塊等;針對我國氣溶膠實況及其作用探測分析的薄弱環(huán)節(jié)與重要性,有針對性地建立了覆蓋全國的36個中國氣溶膠組分和濃度時空分布地面觀測網(wǎng),依托中科院野外臺站網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)適合于氣候模擬的地點分布。同時建立了覆蓋全國由26個站構(gòu)成的氣溶膠-云-輻射觀測網(wǎng)絡(luò)。利用衛(wèi)星、飛機與地基觀測結(jié)合的中國區(qū)域云參數(shù)亦已初步構(gòu)建。從初步分析還認識到,硝酸鹽是值得重視的氣溶膠成分,而以往被氣候模式忽略[5]。為改善我國早期器測溫度資料的應用價值,已初步整編和研發(fā)了我國第一套經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制和時序均一化處理的百年氣溫觀測序列集。
該專項的醞釀與構(gòu)思始于2009年,正是哥本哈根氣候變化國際談判的前夕。該會議的召開與正負面效應對專項建立的必要性起到了重要的支持作用。我國在應對氣候變化的談判中必須掌握足夠的話語權(quán),為此必須有強大的科技支持。專項研究涉及的相關(guān)內(nèi)容正是應對氣候變化國際談判與國內(nèi)行動的重要基礎(chǔ)。2011年作為該專項執(zhí)行第一年正逢南非德班世界氣候大會的召開。該會議不僅為發(fā)達國家在第二承諾期減排提出新的要求,同時也提出德班增強行動平臺,即所有國家加強履行公約下現(xiàn)有義務的談判。對中國這樣一個發(fā)展中大國,承擔減排義務越來越提到日程上。減排作為一種國際義務,對我國建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有促進作用,也是對全人類有利的行動。但減排義務的承擔又必須與我國發(fā)展階段相配合,不能超出國力所能承擔的程度。2015年是一個新的國際談判時間結(jié)點。該專項在5年研究期間的成果將積極為此提供基礎(chǔ)。而該專項所建立的科技隊伍與科技平臺,以及科技成果與政策建議將在未來更長的時間內(nèi)發(fā)揮更大作用。
致謝該專項的建立執(zhí)行是多個部委和省市共同支持的結(jié)果。特別致謝國家發(fā)展和改革委員會氣候變化司在該專項調(diào)查有關(guān)能源等企業(yè)單位時給予的支持!
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