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碳中和路径如何选:乌龟,兔子,直升机?

在现实气候政策中,最优减排路径更像是一个伪命题,真实的减排不会“毕其功于一役”,也没有一张蓝图可以干到底,图源:pexels.com
 

导  读

随着世界多国提出各自净零排放的年份目标,碳减排路径的终点似乎已经确定。然而减排这条路究竟该怎么走,仍悬而未决。是原地等待的“直升机”,先慢后快的“兔子”,还是循序渐进的“乌龟”?综合现有研究,本文作者认为,“乌龟策略”,即早行动似乎是更稳妥、更容易也更经济的近期选择。
 

撰文 | 刘尚炜   邱明昊

责编 | 冯灏

近两年来,中国、欧盟、美国和印度等世界主要排放大国提出了实现二氧化碳或温室气体净零排放的长期目标。欧盟和美国提出在2050年前实现温室气体净零排放,中国提出在2060年前实现碳中和,而印度则提出2070年前实现净零排放。这些长期目标主要关注实现净零排放的年份,并未规划从今天到净零排放年的减排路径。

近年来的气候科学研究表明,全球平均气温升幅主要取决于全球累积二氧化碳排放量,且两者在数十年到数百年尺度上呈近线性关系 [1,2]。也就是说,实现一定的温度控制目标,最关键的是控制全球的累积二氧化碳排放,而不是确定实现净零排放目标的年份。

统筹设计和优化全球碳减排路径是气候变化减缓中最基础、最重要的研究问题之一。具体地说,碳减排路径需要在一个横轴是时间(年)、纵轴是年净碳排放量的图上绘制一条碳减排曲线,而如何画这条曲线会涉及三个相互联系的问题:

1多减排还是少减排(即减排路径曲线下的总面积)?2是否允许负排放和过冲(能不能画到负的象限去,是否选择黄色路径即“直升机”策略)?3早减排还是晚减排(即曲线何时下降以及下降的斜率,选择绿色还是蓝色路径,也即龟兔策略的取舍)?

图1 碳减排路径选择策略示意图。黄色路径是赌博负排放的“直升机策略”:近期维持高排放,而后在本世纪下半叶大规模部署负排放技术;蓝色路径是先慢后快的“兔子策略”,不依赖负排放技术的成熟,但是近期不快速行动,之后再迅速减排;绿色路径是循序渐进的“乌龟策略”,也就是从现在开始就扎实推进碳减排,渐进地推向净零排放 | 制图:王若男/知识分子 

 

多减排还是少减排:寻找温度目标的最优解

多减排和少减排关注的是全球累积二氧化碳排放量,而全球累积二氧化碳排放量又和全球气温升幅控制目标有关。《巴黎协定》为全球气候治理提出的长期温控目标是 “把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上的2度之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5度之内” [3]。1.5度目标和2度目标虽然只差0.5度,但是两者的气候影响和减排难度完全不同。

从长期的气候影响看,2度目标下,热浪、干旱、海平面上升、洪水、生物多样性减少等自然风险都明显高于1.5度。以热浪为例,在1.5度温升下,全球每五年至少经历一个严重热浪的人口估计占全球总人口的14%,但是在2度温升下,这一比例会大幅升高到37% [4]。从宏观经济的角度看,劳动生产率、农业产出等经济的主要要素和温度的关系都存在一个倒U型的曲线。一旦温度升高超过 “最适温度”(拐点),温度升高会对全球经济产生非线性的负面冲击。经济学家估计,2度温升下全球GDP的损失量可能是1.5度温升下的2倍 [5]。

另一方面,从短期减排的要求看,1.5度和2度目标下的减排难度也是天壤之别。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告和全球碳计划(Global Carbon Project)的计算 [2, 6],从2022年算起,1.5度目标剩余的碳预算只有420 Gt,相当于目前11年左右的全球碳排放;而2度目标的剩余碳预算仍有1065 Gt,相当于目前28年左右的全球碳排放,2度目标的剩余碳预算是1.5度目标的2.5倍。因此,达成1.5度目标所需要的减排力度、资金投入和转型难度都是2度目标的数倍。

图2 1.5度目标和2度目标下全球碳预算(单位:十亿吨 (Gt)二氧化碳)。1.5度目标的碳预算对应50%的可能性。2度目标的碳预算对应67%的可能性(与巴黎协定“well below 2 degree” 一致)。数据来源:2021全球碳预算[6], IPCC 第六次评估报告[2]

合适的温升控制目标(也即累积二氧化碳排放)需要在长期气候变化的自然风险和短期系统减排的转型风险之间小心平衡。无论对于科学家还是气候政策制定者,这都是一项非常困难的工作。以IPCC报告为例,气候变化的研究被分为自然科学基础、影响适应和脆弱性、气候变化的减缓三个部分。虽然这种分类在逻辑上没有问题,但会导致这三部分的工作相对独立,更难将三部分研究汇总起来评估不同温升控制目标的气候影响和减排难度。目前发表的其他学术论文和智库报告也类似,大多数要么关注减排难度,要么关注气候影响,鲜有统一整合两者的。

一些气候经济学模型尝试用经济学的方法找到所谓“最合适”的温升控制目标,即在此温度气候变化造成的负面影响,等于为控制温度在这一水平继续减排所需付出的经济成本(边际相等)。这一类模型的代表是耶鲁大学环境经济学教授、2018年诺贝尔经济学奖获得者威廉·诺德豪斯(William Nordhaus)团队开发的气候与经济动态综合模型(Dynamic Integrated Climate Change, DICE)[7]。然而,因对气候变化的危害和减排成本估计高度不确定,此类模型一直饱受争议 [8]。

近年来,更多研究拓展了 “减排成本” 的概念:在减排所需的系统成本之外,将快速减排导致的就业损失、食品和能源价格波动、高排放行业冲击等纳入考虑 [9]。但是,将如此众多的因素同时纳入模型,在实际操作中其实面临深层次的挑战,比如,迥然不同的减排收益和风险,能否放在天平的两端比较?(例如,X%生物多样性的破坏等于Y位煤电厂工人下岗)

我们也许永远无法知道究竟哪一个温控目标是真正的 “最优解”。但是我们可以估计全球气温升幅对于人类的安全范围:至少如果人类持续当前的高排放发展模式,气候变化必然会对人类发展产生极端不利的影响。因此尽管 “最优解” 无法获得,人类仍应尽快行动控制全球温升以避免灾难性的后果。

 

是否等待大规模负排放:一场人类命运的赌博

除了确定长期温控目标(累积排放量),另一个重要问题就是规划排放的时间分配,而这就需要对在多大程度上利用负排放技术做出选择。

负排放技术指的是把二氧化碳从大气中移除的一类技术,如生物能结合二氧化碳捕获和封存(Bioenergy with carbon capture and storage,BECCS)以及净农业、林业及其他土地利用(Agriculture, forestry and other land use, AFOLU)等。

负排放技术的出现提供了新的减排可能:即在前期可以放缓减排步伐、甚至多排放一点,短期内超过既定的温度目标(称为“过冲”,英文为“overshoot”),而在后期大规模利用负排放技术吸收大气中的二氧化碳,让温度再降下来。如图1中的直升机策略,短期超过1.5度对应的碳预算,使温度升高到1.6度或者更高,之后再利用吸收大气中二氧化碳的技术,使温度数十年内再回到1.5度。

绝大多数综合评估模型(Integrated assessment models, IAMs)设计的减排路径都偏爱负排放技术。IPCC第五次评估报告利用综合评估模型计算得到的最优减排路径中,负排放技术对于实现1.5度和2度目标都很关键。在它们设计的路径中,实现1.5度和2度目标在本世纪所需要的累积负排放量在400-1600 Gt和250-1150 Gt的范围;作为比较,全球当前一年的碳排放只接近40 Gt [10]。如果采用这些模型得出的路径,全球必须在本世纪下半叶大规模地部署负排放技术去弥补近期减排的不足。 

之所以这些综合评估模型偏爱负排放技术,并不是因为利用负排放技术减排一定最有效、成本最低,而是因为这些模型的假设。这些模型往往假设:

 1  负排放技术未来能够发展成熟并被大规模利用;

 2  因为货币的时间价值,同等的钱在未来更不值钱(折现率),晚减排天然就比早减排成本低;

 3  模型把1.5度和2度目标阐释为到本世纪末(即2100年)实现对应的温升控制,但对于目标的具体实现路径不做约束,也即允许过冲存在。

对于如何解读这些大量依赖负排放的技术路径,目前也存在不同观点。

一方面,一些研究者提出将负排放技术作为保险政策或兜底政策。即在碳减排达不到预期的情况下,利用负排放技术降低大气中二氧化碳的浓度,以避免灾难性的气候事件。而另一方面,很多研究者认为负排放技术依然很不成熟,对环境和人类社会有许多未知的影响。正如《科学》杂志2016年发表评论所指出的那样,“负排放技术不是一种保险政策,而是一场不公正和高风险的赌博” [11]。 

以生物能结合二氧化碳捕获和封存为例,即使成本在未来不断下降,这种新技术的大规模部署对于土地利用、粮食生产、生物多样性等问题会形成怎样的影响,仍未可知。

此外,依赖负排放技术的道德风险也非常明显,因为负排放赌博成功带来的收益和失败导致的后果,存在强烈的分配上的不平等。如果负排放技术这场赌博成功,受益的会是全世界,或者更有可能是开发那些技术的发达国家;但如果赌博失败,遭受气候变化重创的则更多是小岛屿国家和热带的发展中国家。

为解决模型中不合理的假设而导致的对负排放的偏爱,《自然》2019年发表的一篇论文提出,综合评估模型应该重新阐释1.5度和2度目标,不再只关注本世纪末的温升幅度,而要对最高温升(peak warming)有所限制,从而减少对负排放的依赖 [12]。基于这一思路,最近的一些研究也表明,尽早减排而不是依赖负排放技术(即选择蓝/绿路径而不是黄色路径),可能是实现全球气候目标更好的选择。

从经济学意义上看,尽早减排还是依赖未来大规模部署负排放技术首先是一个减排投资时间偏好的问题。如果早减排,那么我们现在就需要加大低碳技术的投资,但未来就不需要部署大量的负排放,可谓 “近期花钱,远期省钱”;相反,如果现在不大力投资低碳技术的开发和利用,将来就可能需要部署大量的负排放技术,所以是 “近期省钱,远期花钱”。研究表明,选择早减排来实现1.5度和2度目标,会导致近期全球GDP分别损失0.5-4.8%和0.1-1.6%,但是因为避免了负排放技术未来的大规模投资,远期收益的绝对值会高于近期的相对损失 [13]。

除了投资的时间分配,另一个重要问题就是 “过冲” 的自然风险。最近发表在《自然-气候变化》的一篇文章就指出,1.5度目标下如果允许过冲温升到1.55-1.66度,会大幅增加气候变化相关的自然风险 [14]。特别是类似热浪这样的极端天气存在一个长尾分布,意味着虽然平均温度只升高一点,但是极端热浪会显著地变得更频繁、更漫长。而且这些影响因为过冲的存在会持续几十年时间,直到负排放技术成功地把地球温度再次拉回1.5度才停止。

因此,是否允许对冲也需要平衡减排投资成本和 “过冲” 自然损害成本。研究发现,由于路径优化和自然损害的货币化存在巨大不确定性,很难完整比较哪一种路径更经济 [14]。尤其是对于1.5度这样难度很大的减排目标,过冲和不过冲哪个更好很难判断。但是对于1.8-2.0度这些相对宽松的目标,早减排的收益一般更大;而且因为目标更宽松,实现这些目标也基本不需要或者只需要很少的过冲。

 

早减排还是晚减排:龟兔赛跑背后的顶层设计

如果给定允许的累积排放量并不允许过冲,早减排和晚减排孰优孰劣呢?

在不允许过冲的前提下,达成1.5度目标需要2030年碳排放减半,2050年左右达到碳中和;2度目标则需要2030年碳排放减少25%左右,2070年左右达到碳中和 [4]。为了达到1.5度或是2度目标,不允许过冲的早减排和晚减排都需要在本世纪中叶左右达到净零排放。因此,这时早减排和晚减排的区别不在押注未来会否产生革命性技术,而更像是在未来20-40年的尺度上进行 “微操”。

在这个意义上,早减排是指从今天开始行动,循序渐进地减排,直到本世纪中叶达到净零排放;晚减排则是指在短期内不下大力气减排(甚至允许碳排放进一步增加),未来进行更为激进的减排。早减排路径可以为后期的减排争取一定的空间,但却可能在近期面对更大的减排压力和社会经济系统的转型风险。 

2020年12月发表在《自然·通讯》的一篇论文用“龟兔赛跑”比喻这两种减排路径 [15]。

研究者设计了在2度目标下欧洲电力和供暖两个行业的减排路径。一种早而缓的减排路径(乌龟策略)要求从今天开始减排,并在五年之内减少碳排放约30%,并最终在2050年达到净零排放;另一种晚而急的路径(兔子策略)则允许最近五年的碳排放几乎不变,但是要在随后快速减排,最终在2040年达到净零排放。

该研究发现,同样是实现2度目标,龟路径的减排成本要比兔路径低5%。这主要是因为,在研究涉及的电力和供暖两个行业中,电力行业的减排是相对容易和便宜的(因为风电和光电成本的大幅度下降)。因此,尽管乌龟策略短期(近五年)之内面临的减排压力很大,但其所需额外付出的减排成本并不是非常高;与之相反,由于兔子策略在一开始过快地透支了剩余碳预算,因而不得不在2040年前就要达到净零排放。而2040年时减排的任务已经从减排更为容易的电力部门变成了减排更难的供暖部门,兔子策略由此要付出的额外成本更大。 

这篇研究进一步讨论了早减排比晚减排的优势所在:好钢要用在刀刃上,宝贵的碳排放额度要留给那些更难减排的经济部门和生产活动。由于气候变化问题的紧迫性,世界不应该将宝贵的剩余碳排放预算 “浪费” 在我们已经知道如何减排的部门上(如文中所提到的欧洲的电力部门)。只有早行动,将碳排放额度省出来,我们才能为难减排的部门和活动争取一定的减排空间。

在欧洲这个例子上,早减排换来的成本减少并不显著(5%)。这主要是因为在文中的框架里,欧洲这两个行业的减排技术(风电、光电、热泵等)已经基本成熟,未来成本下降的空间不大。但是对于世界上的其他国家来说,早减排可能带来新的机遇:早减排省下的碳预算可能可以换来技术学习和进步的时间,也可能等来形成气候变化应对政治和社会共识的良机。同时,如果推迟减排,可能会导致一些高碳排放的基础设施(如煤电厂)新建。这些新建的高碳排放的基础设施往往需要运行几十年的时间,将为后期进一步减排提出更大的挑战 [16]。

 

从碳成本到碳机会,利用好早减排的窗口期

在现实气候政策中,最优减排路径更像是一个伪命题,真实的减排不会 “毕其功于一役”,也没有一张蓝图可以干到底。科学研究需要全面地识别和估计不同转型路径下的自然、经济、社会和政治风险,从而为决策者的灵活应对提供完整信息。此外,每一条曲线背后都是不同的技术路线,不同的技术路线对应着不同的投资需求、环境影响和社会效应。对目前气候政策最有价值的部分仍是要关注寻找不确定性中的确定性,寻找当前最值得做也最应该做的那些无悔(no-regret)或是稳健(robust)的气候政策。

我们的讨论指出,考虑到目前气候变化的紧迫性、能源技术的快速进步以及负排放技术的巨大不确定,早行动似乎是更稳妥、更容易也更经济的近期选择。

目前而言,各个国家的气候政策显然没有跟随早减排的思路,研究普遍表明,如果各国按照目前2030年国家自主贡献所提出的气候减排强度,全球长期温升仍会超过2度;即使是最好的情况,也就是各个国家完全兑现在本世纪中和下半叶的净零排放承诺,全球温升预期也在1.8度左右  [17,18]。虽然我们可以对过去二十年来气候行动的成果感到欣慰——人类已经离最糟糕的气候灾难情景足够远,但我们同样应该知道,改善仍有空间——人类离最好的气候情景还有相当长的一段路。

对于中国,“早减排” 和 “晚减排” 讨论的现实政策意义是未来十年也就是十四五和十五五时期中国二氧化碳排放的达峰时间和峰值的高度问题。中国未来十年的碳减排行动,无论对于中国长期的碳中和目标,还是对于全球实现巴黎协定的温升目标,都非常重要。

清华大学气候变化与可持续发展研究院常务副院长李政指出,碳达峰和碳中和的双碳目标存在 “此快彼快,此低彼易,此缓彼难” 的辩证关系,实现双碳目标要秉承 “不拖、不急” 原则,“不急” 是以 “不拖” 为前提和先决条件的 [19]。

最近发表的关于中国碳减排的研究也指出,中国如果要走上符合1.5度和2度要求的减排路径,碳排放的峰值必须尽早达到而且峰值较低 [20,21]。中国因此也面临着一个龟兔赛跑的选择:如果未来十年不大力控制碳排放,之后三十年的碳减排难度就会大幅增加。为了避免浪费未来十年的减排战略机遇期,中国需要加强双碳目标的顶层设计,加快出台二氧化碳排放总量控制方案,明确对2030年前碳排放达峰的时间和高度的预期。

总的来看,制定碳减排路径是一个在巨大不确定性中小心平衡的任务,正如美国著名生物学家E.O. 威尔逊指出的那样 [22],环境问题之所以很难解决,其根源在于短期价值和长期价值的冲突。对于一个人,一个国家,选择近期的价值判断并非难事;而如果讨论长远的未来,全球也容易形成一些人类的共同价值。然而将两者统一起来却非常困难;解决环境难题就是需要把这两者结合起来,创立统一的、全人类的环境伦理框架。

 

注1:感谢Denise Mauzerall、刘泓讯对本文的讨论。注2:E.O. 威尔逊于2021年12月26日去世。 

作者简介 刘尚炜为普林斯顿大学公共与国际事务学院博士生,邱明昊为斯坦福大学地球系统科学系博士后。

 

参考文献和注释:

1 Matthews, H. D., Gillett, N. P., Stott, P. A., & Zickfeld, K. (2009). The proportionality of global warming to cumulative carbon emissions. Nature, 459(7248), 829-832.

2 IPCC AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis

3  Paris Agreement to the United Nations Framework Convention on Climate Change, Dec. 12, 20154 IPCC, 2018: Global Warming of 1.5°C.5 Burke, M., Hsiang, S. M., & Miguel, E. (2015). Global non-linear effect of temperature on economic production. Nature, 527(7577), 235-239.6 Friedlingstein, P., Jones, M. W.’ O'Sullivan, M., Andrew, R. M., Bakker, D. C., Hauck, J., ... & Zeng, J. (2021). Global Carbon Budget 2021. Earth System Science Data Discussions, 1-1917 Nordhaus, W. D. (1993). Rolling the ‘DICE’: an optimal transition path for controlling greenhouse gases. Resource and Energy Economics, 15(1), 27-50.8 Moore, F. C., & Diaz, D. B. (2015). Temperature impacts on economic growth warrant stringent mitigation policy. Nature Climate Change, 5(2), 127-131.9 Gambhir, A., George, M., McJeon, H., Arnell, N. W., Bernie, D., Mittal, S., ... & Monteith, S. (2021). Near-term transition and longer-term physical climate risks of greenhouse gas emissions pathways. Nature Climate Change10 Carbon Brief. (2018). Q&A: How ‘integrated assessment models’ are used to study climate change. https://www.carbonbrief.org/qa-how-integrated-assessment-models-are-used-to-study-climate-change 11 Anderson, K., & Peters, G. (2016). The trouble with negative emissions. Science, 354(6309), 182-183.12, J., Huppmann, D., Krey, V., Riahi, K., Clarke, L., Gidden, M., ... & Meinshausen, M. (2019). A new scenario logic for the Paris Agreement long-term temperature goal. Nature, 573(7774), 357-363.13 Riahi, K., Bertram, C., Huppmann, D., Rogelj, J., Bosetti, V., Cabardos, A. M., ... & Zakeri, B. (2021). Cost and attainability of meeting stringent climate targets without overshoot. Nature Climate Change, 1-7.14 Drouet, L., Bosetti, V., Padoan, S. A., Aleluia Reis, L., Bertram, C., Dalla Longa, F., … & Tavoni, M. (2021). Net zero-emission pathways reduce the physical and economic risks of climate change. Nature Climate Change, 1-7.15 Victoria, M., Zhu, K., Brown, T., Andresen, G. B., & Greiner, M. (2020). Early decarbonisation of the European energy system pays off. Nature communications, 11(1), 1-9.16 Tong, D., Zhang, Q., Zheng, Y., Caldeira, K., Shearer, C., Hong, C., ... & Davis, S. J. (2019). Committed emissions from existing energy infrastructure jeopardize 1.5 C climate target. Nature, 572(7769), 373-377.17 Carbon Brief. (2021). Analysis: Do COP26 promises keep global warming below 2C? https://www.carbonbrief.org/analysis-do-cop26-promises-keep-global-warming-below-2c 18 Sognnaes, I., Gambhir, A., van de Ven, D. J., Nikas, A., Anger-Kraavi, A., Bui, H., ... & Peters, G. P. (2021). A multi-model analysis of long-term emissions and warming implications of current mitigation efforts. Nature Climate Change, 1-8.19 清华大学新闻. (2021), 李政:实现双碳目标要秉承“不拖、不急”原则.  https://www.tsinghua.edu.cn/info/1662/88268.htm20 项目综合报告编写组. (2021).《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告. 中国人口·资源与环境,30( 11) : 1 - 25.21 Duan, H., Zhou, S., Jiang, K., Bertram, C., Harmsen, M., Kriegler, E., ... & Edmonds, J. (2021). Assessing China’s efforts to pursue the 1.5° C warming limit. Science, 372(6540), 378-385.22 Wilson, E. O. (2002). The future of life. Vintage.

 



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