中國網/中國發展門戶網訊 碳排放指以二氧化碳（CO₂）為代表的人為溫室氣體排放，其中包括CO₂和非CO₂氣體，但均以CO₂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CO₂當量相互抵消。根據《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》，我國2014年的碳排放量約為11.2 Gt（1 Gt=10⁹ t）CO₂當量，占同年全球排放量的大約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，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。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。

溫室氣體及全球響應和反饋過程

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（圖1），即大約550 Gt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500 Gt的排放空間。

科學界已經明確溫室氣體排放會導致氣溫上升，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（圖1），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；CO₂及非CO₂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。

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。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，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CO₂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，這可能導致南大洋固碳能力減弱。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。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CO₂；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：受大氣CO₂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；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。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；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。

地球系統內部變率的影響

氣候變化一部分是由溫室氣體排放、土地利用等人類活動引起的氣候系統外強迫改變所造成的變化；另一部分則是由氣候系統內部的大氣、海洋、陸地、冰雪等圈層相互作用所引起的內部變率造成的變化。過去40年，內部變率對東亞一些地區氣溫等要素變化的作用可以超過人類活動的作用。內部變率引發的氣候變化與人類活動外強迫導致的變化相比具有更大的不確定性，是造成未來30—50年氣候變化不確定性的重要來源。因此，在考慮我國碳中和相關政策時，必須關注氣候系統內部變率的作用，特別是由其引起的不確定性。目前，有關全球碳匯格局、時間尺度、演化趨勢及其與氣候系統互饋機理等方面的科學認識尚存在重大缺失，亟待進一步深入研究。

我國陸地和海洋碳源/匯貢獻和不確定性

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，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（表1）。

森林碳匯的不確定性

21世紀前10年我國森林年碳匯總量平均約為173.9 Tg C/yr（1 Tg C=10¹² g），其中生物量、死有機質和土壤有機碳（SOC）的年碳儲量變化分別為約150.2 Tg C/yr、9.0 Tg C/yr和24.7 Tg C/yr。但是，不同研究之間的結果差異較大。生物量碳庫的不確定性主要來自不同研究所采用的森林面積不同，從1.428億公頃到1.882億公頃不等。一部分研究采用的森林面積數據來源于國家森林資源連續清查，另一部分研究采用了我國1:1000000植被圖確定森林面積，而二者對于森林的定義存在顯著區別。此外，多數研究只評估喬木林生物量碳儲量變化，而較少涉及經濟林、竹林、灌木林、稀疏林及森林之外的林木，也較少涉及死有機質和SOC碳庫變化，難以全面衡量森林生態系統的碳匯功能。另外，SOC儲量變化估算結果的不確定性與所評估的土層厚度不一致有很大關系。

田間管理提高農業碳匯能力

農田生態系統作為全球碳庫中最活躍的部分，受耕作、灌溉、施肥等人類活動的影響最大，對大氣碳含量影響也較為明顯。目前的研究更多地關注了農田SOC儲量變化，而對于SOC儲量變化與非CO₂溫室氣體排放之間平衡的研究相對較少。在農田生態系統中，作為土壤肥力關鍵指標的SOC含量，對糧食生產和緩解氣候變化起著重要作用。氣候變暖和極端氣候事件頻發可能會導致SOC損失加劇，而提高作物產量、增加秸稈還田及少免耕等農業生產措施則會顯著增加農田SOC。

濕地保護與碳匯

我國自然濕地的SOC儲量達8—17 Pg C，約占全國陸地SOC總儲量的1/10—1/8，約占全球陸地SOC總儲量的3.8%。我國自然濕地甲烷（CH₄）年排放量估計為1.9—3.86 Tg C。

自然狀態下，濕地生態系統都表現為碳匯。但受人類活動影響，濕地被排干，其SOC分解速率加快，導致溫室氣體排放量增加，從而將濕地生態系統由碳匯轉變為巨大碳源。我國近半個世紀的濕地墾殖導致的碳損失量達每年173.2 Tg C ；同時，CH₄排放量總共減少約10.3 Tg。不同區域、不同類型的濕地，其CH₄排放通量和固碳速率均有差異。因此，制定合理的濕地恢復政策，挖掘我國自然濕地的低碳匯價值，對于實現碳中和具有積極意義。

海洋碳收支和海洋增匯

海洋是巨大的碳匯和碳庫，人類活動排放的CO₂約有1/4—1/3被海洋吸收。海洋碳匯主要有海岸帶高等植被（包括紅樹林、鹽沼、海草床等）、微型生物碳匯（“生物泵”與“微型生物碳泵”）、以海藻養殖為主體的漁業碳匯等。海洋水體中蘊含巨大的可長久儲存的惰性溶解有機碳（RDOC），其總量與大氣碳量相當，而RDOC主要來自微型生物碳泵的貢獻。海洋碳源/匯在不同海區有較大差別，急需綜合考慮海區的外部碳輸入和向外輸出等因素，估測我國近海的碳源/匯情況。目前，國際上還缺乏統一的海洋碳匯評估標準，急需強化不同生境海洋碳匯復雜過程和機制的深入研究，并在此基礎上建立不同類型海洋碳匯的核查技術體系，大力研發海洋增匯技術，積極探索實施海洋增匯工程。目前，有潛力的增匯措施主要包括陸海統籌減排增匯、海洋缺氧環境減排增匯、濱海濕地減排增匯、養殖環境減排增匯、珊瑚礁生態系統減排增匯、海洋地質碳封存等。

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

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，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。

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CO₂監測科學實驗衛星，又陸續發射風云三號D星和高分五號大氣成分監測衛星。由于幅寬較小（10—20 km）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。

新一代的溫室氣體監測衛星的主要發展方向包括：①提高觀測的時空分辨率。例如，增加跨軌掃描寬度（>100 km）以提高覆蓋范圍（中國風云三號G星、大氣環境監測衛星2星），提高時間分辨率（歐洲CO₂M多星組網、美國GEOCARB靜止軌道衛星），采用激光雷達（歐洲MERLIN、中國“環境一號”衛星）實現晝夜觀測，以及溫室氣體和污染氣體協同觀測。②發展先進的遙感反演算法、快速高精度輻射傳輸模式和改進分子光譜學數據庫。③進一步發展衛星數據同化方法，實現人為溫室氣體源匯清單反演能力。

地面溫室氣體通量觀測技術 

過去20多年，全球范圍內形成了碳通量觀測網絡（FLUXNET），為全球碳收支與全球變化研究提供了高質量的溫室氣體地面通量長期觀測數據。面向碳中和的需求，也應把溫室氣體地面通量的監測網作為整個碳核算監測體系的重要組成部分。該監測網絡的建設應關注5個方面：①加強典型城市下墊面的通量監測；②推動觀測方法、數據處理、儀器操作和維護的規范化和標準化建設，提升地面觀測通量數據的質量和可靠性；③強化非二通量先進測量技術的研發和加強CO₂與主要非CO₂溫室氣體（CH₄和N₂O）的地面通量同步觀測；④加快自主技術儀器設備的研發；⑤加強基于自主技術氣體分析儀的溫室氣體和污染氣體地面通量觀測研究。

發展人為碳排放觀測技術

目前的觀測技術在觀測非CO₂溫室氣體方面還有較大欠缺。雖然所有7種溫室氣體都有可滿足精度需求的較成熟檢測方法，但還存在體積大、成本高、運維難度大、在線化程度低等缺點，因此不利于獲得廣泛的高分辨觀測數據。例如，二氧化氮（N₂O）、六氟化硫（SF₆）、三氟化氮（NF₃）需要帶有電子捕獲檢測器的氣相色譜儀，而氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）需要氣相色譜質譜聯用儀。另外，不同高度的濃度觀測所代表下墊面通量貢獻區（碳足跡）有顯著的差異，因此基于雷達、高塔、飛機、探空的垂直分布觀測也至關重要。

加強城市碳監測平臺建設

城市占陸地面積不到3%，卻直接排放了全球約44%的CO₂，間接影響了近80%的能源相關的CO₂排放，是估計人為碳排放的關鍵區域。在城市尺度上，CO₂排放清單的統計數據和排放因子、時空分配方案等具有較大的不確定性，不同清單的差異可達70%—300%，并且無法識別和定位未知的排放源。城市尺度的CO₂濃度排放監測和反演可以提供獨立的手段校準碳排放清單數據，服務于城市清單碳排放總量驗證，追蹤城市碳排放清單的遺漏。

溫室氣體源匯清單核算方法

根據IPCC的國家溫室氣體清單指南，溫室氣體的人為源匯清單可用3個層級的方法編制；其中，第一、二層級是排放因子法，第三層級是過程模型法，都統一屬于“自下而上”（bottom-up）方法。排放因子法目前還是各個國家或地方政府編制溫室氣體清單的通行方法。由于活動水平資料難以快速更新，且排放因子數據通常是一些有限條件觀測數據的平均值，排放因子法往往不能比較客觀地反映溫室氣體源-匯的動態變化與空間分布。相比而言，過程模型法則可以克服排放因子法的上述不足。但是，過程模型的構建和檢驗，以及其驅動數據的準備，難度相對較大，這導致過程模型法僅在極少數發達國家及我國的部分土地利用類型（如農田、濕地等）溫室氣體源-匯清單編制中得到應用。另外，對于土地覆被和土地利用變化引起的溫室氣體源-匯變化，以及畜牧業的溫室氣體排放，過程模型法的應用仍然具有挑戰性。

“自上而下”方法通過觀測大氣溫室氣體濃度，結合氣象場資料和大氣傳輸模式，利用同化技術反演估算區域源-匯及變化狀況。IPCC最新版的溫室氣體清單指南首次提出，該方法反演估算的溫室氣體源-匯狀況，作為完全獨立的數據，可以被用來驗證排放因子法或過程模型法編制的溫室氣體清單。當前，CO₂同化系統發展趨勢主要表現在4個方面：①聯合同化地基觀測和衛星遙感的XCO₂（大氣CO₂柱濃度）數據。②聯合同化大氣CO₂濃度、站點通量、遙感地表參數等數據。③同時優化生態系統和化石燃料燃燒的CO₂通量。現有的全球碳同化系統基本上都假設化石燃料燃燒的CO₂通量數據無誤差，僅優化生態系統CO₂通量，但事實并非如此。CO₂是公認的理想化石燃料燃燒排放指示信號。④通過污染氣體和CO₂的聯合同化，以優化化石燃料燃燒CO₂排放。

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CO₂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。

（作者：蔡兆男，中國科學院大氣物理研究所；成里京，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；李婷婷，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院 南方海洋科學與工程廣東省實驗室；鄭循華，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；王林，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；韓圣慧，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；王凱，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；屈俠，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；江飛，南京大學國際地球系統科學研究所；張永雨，中國科學院青島生物能源與過程研究所；朱建華，中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所；龍上敏，河海大學海洋學院；孫揚，中國科學院大氣物理研究所；賈炳浩，中國科學院大氣物理研究所；袁文平，中山大學大氣科學學院；張天一，中國科學院大氣物理研究所；張晴，中國科學院大氣物理研究所；謝瑾博，中國科學院大氣物理研究所；朱家文，中國科學院大氣物理研究所；劉志強，中國科學院大氣物理研究所；吳琳，中國科學院大氣物理研究所；楊東旭，中國科學院大氣物理研究所；魏科，中國科學院大氣物理研究所；吳林，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；張穩，中國科學院大氣物理研究所；劉毅，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院；曹軍驥，中國科學院大氣物理研究所 中國科學院大學地球與行星科學學院。《中國科學院院刊》供稿）

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