本文借助國際耦合模式比較計劃第6階段（CMIP6）模式模擬結(jié)果，基于信噪比（SNR）方法，系統(tǒng)評估了“雙碳”目標下與更高排放情景下氣候變化風險的差異。結(jié)果表明，“雙碳”政策將使全球“不熟悉”或“不可知”程度的氣候變化風險比更高排放情景晚數(shù)十年到來甚至不會到來，并使暴露在相應風險下的地表面積比例降低30%~60%。區(qū)域上，“雙碳”目標下，由于近期未來與更高排放情景下人為氣溶膠（AA）排放區(qū)域差異顯著，不同區(qū)域面臨“不尋?！背潭鹊臍鉁刈兓L險的時間與更高排放情景差異較大。結(jié)合區(qū)域發(fā)展特點制定更為合理的CO2和人為氣溶膠（AA）協(xié)同減排政策對于應對氣候變化風險意義重大。
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第6次報告指出，自工業(yè)化以來，全球歷經(jīng)了顯著的氣候變化，2011—2020年全球平均氣溫較工業(yè)化之前（1850—1900年）升高1.09℃。氣候問題給人類生存和社會發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)，為減少氣候變化帶來的影響，國際社會做出了各種努力。2015年《巴黎協(xié)定》明確提出了將全球平均氣溫控制在較工業(yè)化前升溫低于2℃的目標，并力爭實現(xiàn)升溫低于1.5℃的目標。
全球變暖主要是由人類活動引起的，人為溫室氣體排放造成了1.0~2.0℃的升溫，其中二氧化碳（CO2）帶來的溫室效應，貢獻了約70%的全球變暖效應。為減少全球變暖帶來的影響，國際社會提出全球CO2排放需在21世紀30年代前實現(xiàn)碳達峰，21世紀中葉實現(xiàn)碳中和的氣候治理目標。中國作為負責任的大國，積極響應國際政策，將“雙碳”目標納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。
目前已有不少研究關(guān)注“雙碳”政策對未來氣候變化帶來的影響。例如，“雙碳”目標下，與CO2高排放情景相比，CMIP6模式模擬結(jié)果表明中國區(qū)域極端高溫事件和極端水文事件頻率和強度會明顯減小。在“碳中和”背景下，減排政策可很好地改善空氣質(zhì)量，提升居民健康水平。但現(xiàn)階段對“雙碳”目標下氣候變化風險進行量化的研究十分有限。
氣候變化信號是氣候系統(tǒng)對輻射強迫的總體響應，反映了所面臨的氣候變化風險的嚴峻程度。而氣候變化信號何時從背景變率中凸顯出來的具體時間（Time of Emergence，ToE）對政府進行氣候變化風險評估和決策具有十分重要的指導意義。信噪比（SNR）方法用于區(qū)分氣候變化信號和背景變率，SNR越大，氣候變化信號則越強。ToE被定義為SNR超過某一閾值的時間，超過越高SNR閾值時間越早意味著人類社會將在更早的時間點上面對更嚴峻的氣候變化風險。本研究采用SNR方法預估ToE，確定氣候變化信號的出現(xiàn)時間，對“雙碳”目標下未來氣候變化風險進行綜合評估。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
使用來自伯克利地表氣溫觀測氣溫數(shù)據(jù)集（BEST）的1850—2014年月平均SAT數(shù)據(jù)，CMIP6歷史氣候模擬試驗（historical）的1850—2014年月平均SAT模擬數(shù)據(jù)，工業(yè)革命前參照試驗（piControl）的月平均SAT模擬結(jié)果，以及未來不同排放情景下（即SSP1-2.6，SSP2-4.5，SSP3-7.0和SSP5-8.5情景）2015—2100年 CO 2濃度數(shù)據(jù)和月平均SAT的模擬結(jié)果。研究中所用數(shù)據(jù)涉及模式的具體信息列于表1中。
表1 本研究中使用的CMIP6模式的基本信息
1.2 方法
氣候敏感性（Equilibrium climate sensitivity，ECS）用于評估氣候系統(tǒng)對輻射強迫的響應，現(xiàn)有研究中一般采用全球平均地表氣溫的變化作為氣候響應的指標。ECS是指CO 2濃度突變?yōu)楣I(yè)化前2倍的情況下，氣候系統(tǒng)重新達到新的平衡態(tài)時，全球平均地表氣溫相比工業(yè)化之前的變化。ECS的大小直接影響著當前模式氣候模擬和預估的不確定性大小，也對未來預估的氣候變化程度大小起決定作用。因此，選取合適ECS范圍的模式來對未來氣候進行預估可以很大程度上減少不確定性。
本研究將位于不同ECS范圍的模式集合模擬的歷史時期全球平均氣溫（GSAT，本研究中取60°S~75°N范圍平均值）相對于1951—1980年異常的時間序列與觀測進行對比，以觀測超過多模式模擬結(jié)果最大值的比例、低于多模式模擬結(jié)果最小值的比例和位于多模式模擬中心范圍（位于12.5~87.5百分位數(shù)區(qū)間范圍）的比例作為指標，系統(tǒng)評估了位于不同ECS范圍的多模式對全球平均氣溫的模擬表現(xiàn)，然后選取出模擬表現(xiàn)最好的多模式平均結(jié)果對未來氣候變化風險進行評估。
2 結(jié)果與分析
2.1 歷史模擬評估
本研究將基于多模式平均模擬結(jié)果對氣候變化進行模擬與預估。同時為減小預估未來不同排放情景下氣候變化的不確定性，基于觀測資料依次對位于中等、偏低和偏高ECS范圍模式對歷史時期（1850—2014年間）GSAT變化特點的模擬能力進行了評估。結(jié)果如圖1所示。
圖1 不同ECS范圍模式對歷史時期GSAT變化的模擬能力評估
在整個歷史時期，位于中等ECS范圍的多模式平均模擬結(jié)果與觀測資料變化均較為一致，觀測位于多模式模擬中心75th范圍內(nèi)的比例占85.5%，超過多模式模擬的最大值和低于多模式模擬的最小值的比例則均只有0.6%，可見位于中等ECS范圍的模式可以較好地刻畫歷史時期外強迫作用和氣溫變化特點。而位于偏低和偏高ECS范圍的模式對歷史時期全球氣溫變化的模擬則分別存在明顯的低估和高估現(xiàn)象。綜合以上分析，位于中等ECS的多模式模擬結(jié)果可以較好地刻畫歷史時期外強迫作用，因此，本研究將選取這些模式的多模式平均模擬結(jié)果對未來不同排放情景下氣候變化風險進行評估。
2.2 “雙碳”目標下全球氣候變化風險的預估
未來不同排放情景下的排放特點決定了各排放情景下氣溫變化特點。在SSP1-2.6情景下，21世紀中葉SNR達到2和3之間，之后便不再變化，這意味著該排放情景下將面臨“不熟悉”程度的氣候變化風險。可見即使是在“雙碳”目標下，歷史時期人類活動對地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也將是無法消除的。如圖2所示。
圖2 CMIP6模式預估的未來不同排放情景下近期（2021—2040年）、中期（2041—2060年）及遠期未來（2081—2100年）年平均地表氣溫變化信噪比（SNR）多模式平均空間分布和緯向平均值
從空間分布來看，熱帶、北極地區(qū)以及中國西南地區(qū)和西北地區(qū)將更早地面對相同程度的氣候變化風險（SNR值），并且隨著SNR閾值的增大，超過時間（ToE）也將逐漸變晚。如圖3所示。在高排放情景下，與其他區(qū)域相比，印度中北部、北大西洋以及歐洲北部地區(qū)在21世紀末才達到較高的SNR閾值（~3），這或許與這些地區(qū)獨特的信號或噪音特征有關(guān)。
圖3 CMIP6模式預估的未來不同排放情景下氣溫變化不同SNR閾值的信號顯現(xiàn)時間
為進一步量化不同排放情景下全球氣候變化風險的不同，圖4統(tǒng)計了不同排放情景下超過不同SNR閾值的地表面積累計比例。結(jié)果表明，“雙碳”目標下氣溫變化超過不同SNR閾值的地表暴露比例相比其他排放情景明顯偏低，并且閾值越高，偏低的程度越大。
圖4 CMIP6模式預估的不同排放情景下超過不同氣溫變化信噪比閾值的地表面積累計比例
2.3 “雙碳”目標下區(qū)域氣候變化風險的預估
圖5選取了南北半球中緯度7個人口密集區(qū)，并比較了這些區(qū)域在“雙碳”目標下與其他高排放情景下氣候變化風險的差異。
圖5 CMIP6模式預估的不同區(qū)域在SSP1-2.6情景下與其他高排放情景下氣溫變化SNR超過不同閾值的ToE差異
對于SNR超過1的情況，從全球平均來看，“雙碳”目標下SNR超過1的ToE與中等排放情景接近，但比高排放和極高排放情景下分別晚2.09a和1.36a。對于SNR超過2的情況，“雙碳”目標下SNR超過2的時間比更高排放情景下則依次晚6.38a（SSP2-4.5）、10.03a（SSP3-7.0）和10.78a（SSP5-8.5），不同區(qū)域特征與全球平均類似但略有差異。北半球中緯度4個區(qū)域中，地中海地區(qū)SSP1-2.6情景與更高排放情景間的差異最大，其次是北美洲中部，然后是東亞地區(qū)，最后為南亞地區(qū)；南半球中緯度3個區(qū)域的ToE差異則幾乎都接近全球平均水平。
3 結(jié)論
本研究通過比較CMIP6中位于不同ECS范圍內(nèi)的模式對歷史時期GSAT的模擬結(jié)果和BEST觀測資料，發(fā)現(xiàn)位于中等ECS范圍的模式可以更好地刻畫歷史時期外強迫作用和GSAT變化特點。因此，本研究對未來不同排放情景下氣候變化風險的評估將基于位于中等ECS范圍的多模式平均模擬結(jié)果。
總的來說，在“雙碳”目標指引下，近期未來將與其他高排放情景幾乎同時面臨“不尋?！背潭鹊臍夂蜃兓L險；而在中期和遠期未來，“雙碳”政策將使全球氣候變化風險大大降低，減排政策將使低排放情景下面臨“不熟悉”或“不可知”程度的氣候變化風險時間比更高排放情景晚數(shù)十年，并且低排放情景下暴露在“不熟悉”或“不可知”程度的氣候變化風險下的地表面積比相較更高排放情景會降低30%~60%。
值得注意的是，中國西南地區(qū)（尤其是青藏高原地區(qū)）和西北地區(qū)在各種排放情景下面臨著比其他區(qū)域更大的氣候風險，這種更大的氣候風險與這2個區(qū)域在全球變暖背景下獨特的氣候響應特征有關(guān)，鑒于中國西南地區(qū)和西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟狀況的相對脆弱性，國家應給予這2個地區(qū)更多的政策關(guān)注與經(jīng)濟支持?？傊?，應對氣候變化風險需要結(jié)合區(qū)域氣候變化特征和區(qū)域發(fā)展特點制定因地制宜的氣候風險應對政策，并給予脆弱地區(qū)和脆弱群體最大限度的關(guān)注和支持。
同時，本研究也存在一些不足，一方面，本研究直接使用了與“雙碳”目標中CO 2排放特點最為接近的SSP1-2.6情景下的模擬結(jié)果來對未來氣候變化風險進行評估，而SSP1-2.6情景為理想試驗，其GHG和AA減少情況與實際“雙碳”目標下世界各國的減排政策有所不同。另一方面，現(xiàn)有模式在AA模擬方面存在很大不同也會給模式模擬結(jié)果帶來較大不確定性。而在未來，這些不足隨著模式對AA模擬能力的增強是可以克服的，這將進一步減小對氣候變化風險模擬與預估的不確定性。
本文作者：程方圓、左志燕、喬梁、張楷文、常美玉
作者簡介：程方圓，復旦大學大氣與海洋科學系，大氣科學研究院，碩士研究生，研究方向為區(qū)域氣溫變率和氣候風險刻畫；左志燕（通信作者），復旦大學大氣與海洋科學系，大氣科學研究院，上海市海洋-大氣相互作用前沿科學研究基地，上海長江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，教授，研究方向為陸-氣相互作用、氣候變化、亞洲季風、東亞氣候變異機理、極端天氣氣候事件。
論文全文發(fā)表于《科技導報》2024年第19期，原標題為《“雙碳”目標下氣候變化風險的預估：從全球到區(qū)域》，本文有刪減，歡迎訂閱查看。
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