追踪碳足迹

      在巴黎气候变化大会上，各国艰难地通过了《巴黎协定》。中国在其中的贡献得到了国际社会的好评，彰显了负责任大国的气度。中科院副院长丁仲礼曾说：排放权就是发展权。中国既要负责任，也要争取平等合理的发展权。
      最有力的证据是科学。针对我国应对气候变化与碳减排的国际谈判以及国家可持续发展最佳途径选择等重大科技需求，中科院于2010年底启动了“应对气候变化的碳收支认证及相关问题研究”专项（以下简称“碳专项”），有效组织中科院和相关高校等多学科交叉的优势力量，几千名科技人员在5年时间里、分5个项目群对相关问题进行了持续深入研究。
      2015年12月，专项成果成为巴黎气候变化大会上最受人瞩目的学术焦点之一，各国科学家和媒体都表现出极大关注。然而，国内公众对这一专项所取得的成果所知不多。本期，我们邀请碳专项首席科学家、中科院大气所吕达仁院士，中科院大气所刘毅研究员和碳专项总体组办公室副主任刘宇撰文，介绍中国科学家对碳排放取得的新认识。
      中国碳排放究竟有多少
      近年来，全球人为温室气体排放量已达前所未有的最高水平，这“极有可能”是导致不断加剧的气候变化事件的主要原因。因此，温室气体排放清单一直是气候模型构建、各国减排政策制定及国际谈判与博弈的重要基础。
      20世纪70年代以来，西方国家率先开展对大气中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等温室气体排放浓度和各国碳排放清单的研究工作。联合国气候变化框架公约数据库和世界资源研究所的研究较为权威，它们每年发布的全球各国的排放数据已经成为全球气候变化谈判与博弈的重要参考。在碳监测卫星方面，日本于2009年、美国于2014年先后发射了全球碳监测卫星，大大增加了发达国家在国际谈判中的话语权。
      中国的碳排放量因为体量大、增长快受到了全世界的广泛关注，这使中国承受着越来越多的国际压力。到目前为止，中国政府通过政府间气候变化专业委员会向联合国提交了1994年份和2005年份的温室气体清单。但自2005年以来，中国的产业不断调整、技术不断更迭，这给温室气体清单的研究带来了更多的不确定性。显然，在对全球变暖、应对气候变化的空前关注和国际谈判的持续推进下，近10年中国碳排放清单的较大不确定性，无法为决策者提供及时准确的碳排放状况，可能会失去我国在国际气候谈判中的主动权。建立和完善温室气体排放统计制度既是我国有效履行国际义务的迫切需要，也是我国在应对气候变化国际谈判上赢得主动的重要保障。
      碳专项第一个任务群，即“排放清单任务群”，包含了项目1“能源消费与水泥生产过程排放”、项目2“土地利用与畜牧业的甲烷和氧化亚氮排放”、项目3“自然过程碳排放”和项目4“卫星反演的‘净排放’”4个项目，以期科学系统地研究我国在能源消费、土地利用、自然过程等领域的CO2、CH4和N2O等主要温室气体的排放量，并建立我国的温室气体基础参数及排放数据库。
      利用项目1已经取得的关键数据参数，2015年8月20日项目研究团队联合哈佛大学、清华大学等24所国内外科研机构组成的科研团队在《自然》上发表了题为《中国化石燃料与水泥生产碳排放核算修正》的研究论文，首次核算了基于实测排放因子的中国碳排放总量。结果表明，中国2013年碳排放总量比先前估计低15%，重新核算后的中国碳排放在2000-2013年间比国外机构估计量少了106亿吨CO2，是《京都议定书》框架下具有强制减排义务的西方发达国家自1994年以来实际减排量的近百倍，也大于中国同期陆地总的碳汇吸收总量（95亿吨CO2）。
      项目2积累了大量的第一手资料，完成了牛、羊等反刍动物瘤胃肠道CH4排放及北京、南京和广州畜禽排泄物堆肥化过程中CH4和N2O排放量的测定，为探讨陆地生态系统CH4和N2O排放空间和时间变化规律，为以实际测定数据为依据编制我国畜牧业和垃圾填埋场CH4和N2O排放清单奠定了数据基础。
      项目3首次对我国油气开发过程中温室气体排放状况进行了实地检测和计算，建立了适合我国油气开发特点的碳排放计算方法，计算结果比IPCC方法低一个数量级。另外，科学家研究发现干旱区的确存在一个未被认识的无机碳汇，存在于荒漠区地下咸水层，储存于其中的CO2形成碳汇，初步估计，这个碳库总量（全球）高达1000亿吨，是陆地上植物、土壤之外的第三个活动碳库。这一未被认识的无机碳汇，对重新评估全球碳汇的格局提供了依据。
      项目4在星载高光谱探测方面重点突破了精细光谱获取光学技术，研制出短波红外高光谱探测原理样机；突破了短波红外高灵敏度探测器技术，提高了器件响应量子效率及均匀性，完成了短波红外焦平面探测器样片的综合测试，经测试探测器暗电流密度由100nA/cm2提高到10nA/cm2的世界先进水平。同时，在CO2卫星遥感反演算法方面也取得了突破性进展：科研团队研发的具有自主知识产权的短波红外大气CO2浓度反演方法，使用日本GOSAT卫星观测数据进行反演试验并利用地基TOCCN验证资料进行验证，发现其反演精度达到国际先进水平。
      中国生态系统能固碳多少
      陆地生态系统固碳是当前国际社会公认的最经济可行和减缓大气CO2浓度升高的重要途径之一。中国陆地生态系统具有非常强的固碳速率和潜力，尤其是森林生态系统。为了精准评价陆地生态系统固碳效应并制定适宜的管理措施，我们亟须自主研发符合中国国情的陆地生态系统碳储量、固碳速率与固碳潜力的监测、计量和模拟分析系统，建立科学的、能被国际同行认可的精准计量方法和可供核查的数据库。
      为此，碳专项专门设置了“生态系统固碳任务群”，通过大量实测数据来深入揭示中国陆地生态系统碳储量、固碳速率及其时空分布格局、国家重大生态工程的固碳效应等。任务群由3个项目组成，分别是项目5“中国生态系统固碳的现状、速率、机制和潜力”、项目6“国家重大生态工程固碳量评价”和项目7“典型区域生态固碳增汇技术体系与示范”。
      任务群组织编写了陆地生态系统野外观测与调查技术规范，确保了项目群内野外调查数据的规范性、时间和空间上的代表性以及不同生态系统间数据的可比性。这一任务群采用顶层设计的模式布置野外调查样地，既保证森林、灌丛、草地和农田生态系统的野外调查样地的代表性，又实现了对主要陆地生态系统类型的全覆盖且不重复调查和计算的目的。目前任务群已构建了全球首个国家尺度的陆地生态系统碳清查体系，为中国碳清查以及生态监测、评估和保护提供了强大的支撑平台。此外，还建立了长期样品保存库与样品检索系统。
      中国森林覆被率由20世纪80年代的13.92%，快速增至2010年的20.36%；随着中国大面积人工林的逐步成长，中国森林将具有巨大的固碳潜力。东亚季风区的亚热带森林生态系统净生产力（NEP）总量约为每年7.2亿吨碳，约占全球森林生态系统NEP的8%。亚洲的亚热带森林生态系统在全球碳循环及碳汇功能中发挥着不可忽视的作用，挑战了过去普遍仅仅认定欧美温带森林是主要碳汇功能区的传统认识。
      如果把中国看为一个大尺度的生物—社会群区生态系统，采用多源数据整合分析技术，中国陆地生态系统可以形成每年4.1亿吨碳的碳汇总量。人为干扰引起的碳排放可达到NEP的42.65%，因此，加强生态系统过程管理、减少人为活动的碳排放和增加已经固定有机碳在大尺度生物—社会群区生态系统的滞留时间也是增加陆地碳吸收和减缓气候变化的重要措施。
      项目6基于文献调研、森林清查资料和土壤普查资料，明确了六个重大生态工程的面积和工程规划区的初始植被和土壤碳密度；并以此为基线值，结合碳专项大规模实测数据，科学评估了六个重大生态工程2000-2010年间的固碳量。六个国家重大生态工程区在我国16%的土地上形成的碳汇量约占我国当前陆地生态系统碳汇的50%。
      项目7在中国北方沙化草地推广“草原牧鸡”模式、三江源地区推广“种草养畜”和“暖牧冷饲”生态畜牧业模式、石漠化地区推广的“路面集雨与管网化灌溉”等模式，可显著提高生态系统固碳能力。据初步估算，草原牧鸡可使内蒙古沙化退化草原碳储量提高37.7%；围封、建植人工植被和退耕还草可分别提高三江源地区退化草地碳储量37.1%、15.9%和11.5%。通过对南方中龄林以上人工林进行恢复改造，可提高森林碳汇37%。
      二氧化碳对气候变化影响有多大
      当前国际气候变化公约谈判的重要科学基础之一是假定未来全球平均气温相对工业革命前的增温应该控制在2℃之内（即所谓的2℃阈值），相应的CO2当量浓度不超过450ppm。全球温度变化与温室气体浓度的对应关系，是减排目标的逻辑起点，其本质上是CO2排放空间的问题。2℃增温是否与450ppmCO2当量浓度挂钩决定于温度对CO2浓度的敏感性（气候敏感性）。
      随着国内经济的发展，我国温室气体的排放和气溶胶的浓度均是高值，因此迫切需要从科学层面深入研究给出全球2℃增温对应的温室气体浓度及出现时间，为国家气候变化外交谈判和应对气候变化政策制定提供依据。碳专项设立的“气候敏感性任务群”从获取气候变化基础数据、发展完善中国科学院气候系统模式、预估全球2℃增温对应的温室气体浓度及其出现时间等三个方面进行了深入研究。气候敏感性任务群下设四个项目：项目8“过去2000年气候变化记录、幅度、速率、周期、突变、原因”、项目9“过去百年气候增暖及成因”、项目11“我国气溶胶历史变化及气候效应”和“气候模式模拟和预估中的不确定性问题”。
      气候变化已经成为一些政府发展其国家规划和全球战略的重要依据。特别是，近百年全球平均变暖作为一个不争的事实，已成为决策者必须考虑的问题。专家们收集、整编了多个来源的百年尺度器测气温资料，经过统一、可核查的严格质量控制，综合利用标准序列法、偏最小二乘回归、多元回归等插补方法进行缺测值插补，建立了18个站1909-2009年气温月值序列，进而对各序列进行了初步的均一化检验与校订，最终得到一套新的百年气温序列集。该套近百年中国均一化气温观测资料集，将是国际气候界期盼多年的基础科研成果，具有填补空白的意义。
      均一化的气温序列显示了1.52℃每百年的增暖速率，这比IPCC第五次评估报告所得的1901-2012年全球平均增暖0.89℃要快，原因在于西伯利亚急剧增暖导致中国冬季寒潮减弱、印度洋持续增暖加剧区域暖平流以及局地城市化效应对近几十年气温序列增暖的贡献。说明我国是受近百年人类活动所致全球变暖影响较大的区域。该成果已被国际公认的英国东英格利亚大学气候研究所全球格点气温数据集和第三次国家气候变化评估报告采纳使用。
      IPCC第5次气候变化评估报告总结指出，在气候变化的诸多驱动因子中，气溶胶的气候效应仍然是各种因素中不确定性最大的部分。作为全球气溶胶浓度最高的区域之一，中国气溶胶在气候变化中的作用尤其重要。项目10建立了中科院的气溶胶地面浓度观测网和气溶胶-云-辐射观测网，是我国首次为研究气溶胶气候效应设置的国家尺度的、能长时间系统性并行监测气溶胶浓度和光学参数的观测网。通过2012-2014年的连续观测，已获取全国气溶胶各主要成分（硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机碳等）在9个粒径段的质量浓度，首次给出了具有全国代表性的气溶胶物理化学谱分布特征。以观测数据作为支撑，专家们分析发现IPCC第5次气候变化评估报告采用的气溶胶—气候模式普遍低估中国区域气溶胶的浓度和光学厚度，即低估了气溶胶在气候敏感性中的作用，为国际国内气溶胶气候效应的模拟研究提出了新的挑战。
      从过去两万年看气候变化对地球的影响
      在应对全球气候变化面临的一系列核心科学问题中，理解气候变化的机制、准确评价气候变化的影响，是趋利避害、采取应对措施的科学基础。对气候变化因素和机制的全面理解，需研究更长时间尺度的气候变化历史。约两万年以来，全球气候经历了从末次冰盛期到全新世大暖期的大幅度增温和后续的总体降温，大气温室气体浓度也经历了较大幅度的波动。这些发生在地质历史时期的气候环境变化、影响与适应过程，无疑为深入理解气候变化的机制，揭示不同速率和幅度的气候变化对生态环境的影响提供了理想的研究场景，亦可为研究人类对未来气候变化的适应提供历史借鉴。
      碳专项设置的“影响与适应任务群”包含项目12“大暖期环境格局”和项目13“气候变化背景下人类适应方式”两个项目。前者以全新世大暖期为“相似型”，研究过去全球平均温度增加约1-2℃情形下我国环境格局及其对陆地生态系统的可能影响，为人类适应研究提供自然环境背景及参照；后者通过对不同气候环境背景下人类演化和适应方式的研究，探讨了适应气候变化的规律和模式，为未来如何适应气候变化提供启示。
      影响与适应任务群研究显示，近百年来的全球气候变暖，正好叠加在气候自然变率的一个暖相位上，它开始于十九世纪三十年代，持续约170年，很可能在未来几十年后结束，进入一个约250年的冷相位。换句话说，目前的气候变暖中有自然变暖的周期背景，自然变率的影响和贡献应当给予更多的研究。
      人类起源与演化一直是国际生命科学和地球科学研究的焦点。近5年来，项目13的专家们通过对湖南省道县福岩洞人类牙齿化石的系统发掘，发现了东亚地区最早的现代人，揭示出在距今8-12万年间，现代智人在我国南部就已出现，比欧洲和西亚早至少3.5-7.5万年，这一发现表明华南可能是东亚地区现代人演化和扩散的中心，现代人类的演化比以往认为的更为复杂。
      全球变暖—海平面上升与人类活动对海岸线变化的影响，不仅关系到现阶段人类的生存与发展，同时也将深刻地影响未来国家层面相关政策的制定。基于1940-2014年间6个时相的中国大陆岸线数据和12次野外考察的实测数据，揭示出70多年来，人工岸线比例持续增加，自然岸线比例持续减少，到2014年我国的自然岸线比例不足33%。尽管70多年来，气候变暖导致海平面上升，但由于人类活动的加剧，特别是养殖、盐田、交通围垦、围堤等活动，整个大陆沿海净变化结果是陆地面积（不包括台湾地区）增加。大陆岸线的变化以向海扩张趋势为主要特征，超过68%的海岸总体向海扩张，超过22%的海岸总体向陆后退。
      探索中国特色的绿色低碳发展道路
      碳专项第五任务群“绿色发展任务群”针对国际谈判和国内发展转型需要，开展了未来绿色低碳发展情景和碳排放预测模拟分析，研究低碳发展的政策和制度设计，并评估了不同低碳政策措施的减排潜力和成本；同时开展了统计调研，核算居民家庭碳排放和出口产品碳足迹，构建了气候变化信息服务平台，从而为我国绿色低碳发展相关决策提供了基于科学和基于证据的支持。任务群下设项目14“区域碳排放与产品碳足迹”和项目15“应对气候变化的碳收支相关政策研究”。
      五年来，绿色发展任务群共提交政策咨询报告20多份，相关负责人多次参与中央和国家部委的应对气候变化重大决策咨询，对政府高水平决策起到了很大的支持作用。
      结合国家谈判需求，专家们模拟分析了中国未来的碳排放峰值时间及政策组合，该成果在2014年“中美气候谈判专家对话”做了阐述，支持了《中美气候变化联合声明》。研究发现，仅仅依靠单一政策中国是不可能出现碳排放峰值的，通过借助不同的政策组合，中国碳排放出现峰值时间大约在2032-2049年之间。另外，中国要提前达到碳排放峰值，需要付出一定的经济代价：2030年前，与参考情景相比，不同政策情景模拟结果显示年均GDP宏观损失约在1.3%～3.7%。
      绿色发展任务群进一步提出了“十三五”应对气候变化的指导思想、目标体系和保障措施，强调要构建以碳排放总量、碳排放强度、非化石能源消费占比和碳汇为核心的四维目标指标体系，推动目标体系、体制机制、管理模式、政策措施和试点示范的全面转型，制定和完善围绕碳排放总量控制的制度安排和政策体系，努力走一条符合中国基本国情的可持续发展之路。相关建议有力地支持了国家“十三五”规划的制定。
      碳专项的实施，为国家推进绿色低碳发展战略提供了较好支持。但作为一个快速转型的国家，当前我国绿色低碳发展面临的国内外形势与专项立项时的情景完全不同。一方面，从国内看，经济发展开始向新常态转型，GDP增速由高速增长向中高速调整，能源需求增速下滑，由此带来能源价格等一系列因素的变化；另一方面，国际社会上，全球格局“西降东升”的趋势依然在持续。中国科学家将根据新形势，聚焦国家需求，进一步开展相关研究。