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减缓气候变化目标的提出 有什么科学依据

工业革命以来,全球大气中二氧化碳浓度的快速升高主要是人类活动的结果:首要原因是化石燃料的燃烧,其次还包括毁林开荒等土地利用的变化。

工业革命以来,全球大气中二氧化碳浓度的快速升高主要是人类活动的结果:首要原因是化石燃料的燃烧,其次还包括毁林开荒等土地利用的变化。从工业革命到未来几百年,人类活动碳排放的其中一部分碳被生态系统和水体吸收,其余则继续存留在大气中,产生辐射强迫,驱动气候变化,使全球平均地表温度不断升高。2015年联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》要求“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2 ℃之内,并努力将气温升幅控制在工业化前水平以上1.5 ℃之内”,这为人类社会减少碳排放、降低气候变化的风险和影响提供了一个明确的目标。

那为什么确定升温幅度2 ℃或1.5 ℃是我们的控制目标,而不是4 ℃或3 ℃呢?这是个有趣的问题,但要想搞清楚目前减缓气候变化的目标是如何提出来的,却不是一件简单的事情。

首先要弄明白几个基本术语,这会帮助我们更好地理解后面更复杂的概念。

辐射:是波的发射和传播,通过空间或某种介质传送能量的过程;在大气科学中主要是指太阳辐射(或称短波辐射)与长波辐射,前者来自太阳,后者来自地面或大气。辐射能是造成大气热力变化的一种主要能源。

辐射通量:是指单位时间内通过光源某一面积元的辐射各种波长的光能,也称辐射功率。

辐射平衡:是指一个物体接收与发射的辐射能量两者相等的状态,此时物体的净辐射为零,温度保持恒定。

辐射强迫:是指气候变化的驱动因子,如太阳辐射的变化、火山等自然过程排放的气溶胶(大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的混合物)、人为排放的温室气体和气溶胶等所引起的大气层顶净辐射通量的变化。其中,人为排放的温室气体中除了二氧化碳还有很多痕量气体(大气中含量极少的气体,例如氢、臭氧、氙、一氧化氮等),它们单位浓度下的辐射效应比二氧化碳高得多。

气候反馈:是指气候系统中各种物理过程之间的一种相互作用机制。当一个初始物理过程触发了另一个过程中的变化,而这种变化反过来又对初始过程产生影响,这样的相互作用称为气候反馈。正反馈是一种增强过程,如气候变暖导致海冰的融化,海冰融化会导致对太阳辐射的反射减弱,地球吸收更多的热量,进而引发气温进一步升高;而负反馈则是一种减弱过程,如气温升高会导致天空中的云层增厚,吸收的太阳辐射增多,导致到达地球表面的热量减少,从而减缓气候变暖的速度。

气候敏感度:是指全球平均地表气温对“强迫”的“响应”,但最终响应的大小不仅取决于强迫,而且还受到各种反馈过程的影响。正反馈越强,敏感度越高,反之亦然。“强迫—响应—反馈”是一种循环关系,直至达到新的平衡态。

在了解和掌握了上面这些基本的概念以后,我们就可以来进一步解释说明本文想要说明的主要问题了—2 ℃这个数值到底是如何确定的。近年来很多科学研究都发现全球平均气温的变化与累积碳排放有很好的线性关系,并且这种关系在不同时间和情景下是比较稳定的,基本能够反映出10~100年以上的增暖状况。结合瞬态气候响应与大气中累积的二氧化碳排放,将单位累积碳排放下全球平均温度的变化定义为“累积碳排放的瞬态气候响应”。累积碳排放的瞬态气候响应能够给出增温稳定在某一阈值下大气中允许累积的碳排放量,也就是将温度控制目标和减排目标联系起来,可为减排政策的制订提供重要参考。

平衡态气候敏感度能够告诉我们,需要将大气中的二氧化碳浓度限制在什么水平才能实现温升目标,以此为基础来制订减排政策。基本的原理可以描述为:在气候反馈不变的假设下,平衡态气候敏感度、全球气温最终的变化(相对于工业革命前)和大气等效二氧化碳浓度之间可以看作存在一种简单的线性关系,即当给定某一温升目标时,大气等效二氧化碳浓度的值由平衡态气候敏感度决定;平衡态气候敏感度越高,达到温升目标所允许的等效二氧化碳浓度越低,意味着未来需要的减排力度更大。

当平衡态气候敏感度确定时,全球平均气温上升,则允许的大气等效二氧化碳浓度的值也越小。在较高的平衡态气候敏感度下,实现1.5 ℃和2 ℃温升目标所对应的大气等效二氧化碳浓度区别较小,这表明虽然较高的气候敏感度增加了减排难度,但单位减排的温控效率也更高。平衡态气候敏感度的不确定性对实现温升目标影响很大,比如在2 ℃温升目标下,2 K的平衡态气候敏感度所允许的等效二氧化碳比3 K的平衡态气候敏感度高120 ppm*(相当于累积碳排放255 Pg C);若人类活动碳排放的25%能长期保留在大气中,意味着可以多排放480 ppm(相当于累积碳排放1020 Pg C)。最新的研究表明,平衡态气候敏感度最佳估计值约为3 K,此时2 ℃温升对应的等效二氧化碳浓度约为440 ppm,1.5 ℃温升对应的等效二氧化碳浓度约为400 ppm。需要注意的是温升和对应的等效二氧化碳浓度均可在不同时间尺度上变化,这里用平衡态气候敏感度反映的是100~1000年的准平衡态变化。尽管当前大气中的二氧化碳浓度已经达到400 ppm,但如果未来减排措施得力,陆地和海洋对大气中的二氧化碳的进一步吸收、存储,可以使得大气中的二氧化碳浓度下降至400 ppm甚至更低,从而有望达到《巴黎协定》的温升要求。

还有一点,需要我们注意的是气候敏感度的不确定性非常大。IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)第5次评估报告给出的平衡态气候敏感度估值区间是1.5~4.5 ℃,瞬态气候响应的估值区间是1~2.5 ℃。气候敏感度的大小直接决定了预估的未来气候变化的幅度,同时也决定了特定温升目标下的碳排放空间。为了将全球温度控制目标和温室气体减排目标联系起来,科学家们提出了累积碳排放的瞬态气候响应的概念,其定义为在二氧化碳连续排放的情景下,累积碳排放达到单位量(1000 Pg C)时全球平均温度的变化。IPCC报告给出的累积碳排放的瞬态气候响应的估值区间是0.8~2.5 ℃/(1000 Pg C)。

尽管影响气候变化的仅仅是留存在大气中使二氧化碳浓度升高的那部分碳排放,但如果能将累积碳排放和温度变化直接联系起来,那将对科学有效地指导减缓和适应气候变化行动产生重要的帮助。大量的科学研究表明,累积碳排放和全球平均气温变化之间存在比较一致的线性关系。这一关系受排放路径的影响很小,在升温达到峰值之前都非常稳定。这是因为单位二氧化碳产生的辐射强迫随浓度升高而减小,与碳汇(是指通过植树造林、森林管理、植被恢复等措施,利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳,并将其固定在植被和土壤中,从而减少温室气体在大气中浓度的过程、活动或机制)吸收二氧化碳效率随浓度升高而降低相互抵消的结果。

累积碳排放的瞬态气候响应是指全球平均温度变化与人为累积碳排放之比,这是除“平衡态气候敏感度”和“瞬态气候响应”之外的另一个重要的敏感度指标。它不仅与物理气候的敏感度有关,还与决定有多少已排放的二氧化碳存留在大气中的碳循环反馈过程有关。当累积碳排放达到峰值(零排放)时,全球气温也几乎达到峰值,这是因为海洋热惯性导致的持续增暖与碳汇对大气中的二氧化碳持续吸收的效果在一定程度上相互抵消,最终抵消的结果决定了温度继续上升、持平或者缓慢下降。

基于观测和气候模式的结果,累积碳排放的瞬态气候响应的可能范围是每累积排放1000 Pg C,全球平均气温上升0.8~2.5 ℃,其中包含了气候敏感度和碳循环反馈的不确定性。若平衡态气候敏感度为3 ℃,且排放1000 Pg C的25%会长期存留在大气中(此时大气中的二氧化碳浓度约400 ppm),那么累积碳排放的瞬态气候响应约为1.5 ℃/(1000 Pg C)。在给定了未来温室气体排放路径的情况下,利用累积碳排放的瞬态气候响应就可以估算出该路径下全球平均地表温度变化(对于甲烷、一氧化二氮等其他温室气体,可将其温室效应换算为等效的二氧化碳排放)。分析《巴黎协定》要求的各国制订了2030年应对气候变化的国家自主贡献的数据,不难看出,当前的减排方案下,2030年的升温就会达到1.5 ℃左右(1.3~1.7 ℃),到21世纪末则达到3.2 ℃(2.6~4.3 ℃),远超《巴黎协定》的温控目标。因此,需要世界各国对当前的减排方案做进一步修订,采取更加有力的减排措施。

上面分析了为什么全球平均地表温度的升温幅度要控制在2 ℃或1.5 ℃,一个硬币都具有两面,执行更严格的减排措施固然会对气候变化的减缓产生积极的影响,但不利的一面是使地球上欠发达地区的发展受到很大的限制,对于这些国家是非常不公平的,风能和太阳能等清洁能源将在一定程度上解决这个问题。同时每一个地球上的人也都需要从自身做起,从身边小事做起,节能环保,为我们的地球更美丽宜居而奉献自己的一份力量。

知识链接: 

《联合国气候变化框架公约》(以下简称《公约》)是指联合国大会于1992年5月9日通过的一项公约。并于同年6月在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展会议期间签署。1994年3月21日,该《公约》生效。《公约》由序言及26条正文组成,具有法律约束力,终极目标是将大气温室气体浓度维持在一个稳定的水平,在该水平上人类活动对气候系统的危险干扰不会发生。该《公约》的核心是根据“共同但有区别的责任”原则,《公约》对发达国家和发展中国家规定的义务以及履行义务的程序有所区别,要求发达国家作为温室气体的排放大户,采取具体措施限制温室气体的排放,并向发展中国家提供资金以支付他们履行公约义务所需的费用;而发展中国家只承担提供温室气体源与温室气体汇(在《公约》中,所谓温室气体的“源”,就是指温室气体向大气排放的过程或活动;而温室气体的“汇”是指温室气体从大气中清除的过程、活动或机制)的国家清单的义务,制订并执行含有关于温室气体源与汇方面措施的方案。


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