联合国气候科学机构再敲警钟 | 图源：pixabay.com

 

导 读

 

昨日，联合国气候科学机构——政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了第六次评估报告第一工作组报告，这一题为《气候变化2021：自然科学基础》的报告，是自2014年第五次评估报告（AR5）及三份IPCC特别报告发布以来，一次对气候科学认知的全面更新。

 

第六次评估报告第一工作组报告，两位共同主席分别来自中国和法国，共有234位作者（其中31位主要作者协调人、167位主要作者、36位编审），分别来自66个国家，其中来自中国的有15位。其梳理了科学界在气候变化科学问题上的重要进展，总结了我们对过去、现在和未来气候变化更为深入的理解。

 

《知识分子》特邀报告主要作者——中国科学院大气物理研究所研究员周天军和浙江大学地球科学学院教授曹龙深入解读。

 

撰文｜周天军（中国科学院大气物理研究所）

 

曹龙（浙江大学）

 

责编｜冯灏

 

8月9日，联合国政府间气候变化委员会（IPCC）发布报告《气候变化2021：自然科学基础》，报告显示，亚洲地区观测到的平均温度的升高，已经超出自然变率的范畴，极端暖事件在增加、极端冷事件在减少，这一趋势未来将延续，而海洋热浪将继续增加。

 

科学界在以下关键结论上形成共识：

 

1

 

近期的气候变化是广泛、快速和不断加强的，观测到的许多变化在过去数千年间前所未有。

 

2

 

人类活动造成的气候变化是毋庸置疑的事实，人为影响正在导致包括热浪、强降水和干旱在内的极端天气事件变得更为频繁和严重。

 

3

 

气候变化早已经开始通过多种途径影响到地球的各个地区，我们所经历的变化将随着未来增暖而进一步增多。

 

4

 

气候系统业已发生的许多变化无法再回到从前，但是，通过控制增暖，上述变化中的许多可以减缓、有一些可以被停止。

 

5

 

除非我们立刻、快速和大范围的减少温室气体排放，否则控制全球增温在1.5ºC以内的目标将难以实现。

 

6

 

要控制全球气候变化，必须强力、快速和持续地减少二氧化碳、甲烷和其他温室气体，上述行动不仅将减轻气候变化的后果，还将改善空气质量。

 

报告基于最新的数据和方法，更新了关于气候变化基本事实的评估、以及关于人类活动如何影响气候变化的最新认知；采用新一代地球/气候系统模式，综合观测约束等新技术，提供了基于最新的排放情景的气候变化预估结果；提供了支撑风险评估和区域适应的气候信息；针对限制未来气候变化，从碳排放——特别是碳收支剩余空间估算等角度提供了最新评估结果。

 

报告引用了14,000多篇科学论文，是气候科学界的重磅之作。该报告的首份草案得到来自750位专家的23,462条评审意见，第二版草案得到来自各国政府和1,279位专家评审的51,387条评审意见，最后向政府代表分享的 “决策者摘要” 收到来自47个政府的3,000多条意见。

 

全球平均温升已达1.09°C

 

上世纪80、90年代，为了应对未来可能的气候危机，欧洲学者首先提出，将全球气温上升整体控制在相对工业化前不超过2℃，并提出，每十年温升不超过0.1℃，认为这是地球可以容忍的上限 [2]。随后，有学者提出 “红绿灯系统”，用 “红灯” 表示气候变化对社会有严重干扰，“黄灯” 表示气候变化处于示警状态，在 “黄灯” 和 “红灯” 之间的界限采用了2℃ [3]。此后，众多气候变化会议都强调了这一目标的重要性。

 

2009年，在哥本哈根召开的《联合国气候变化框架公约》第15次缔约方会议（简称 “第15届联合国气候变化大会”，COP15），把这一目标写入《哥本哈根协定》，但是，大会未能就协定达成一致，也就是说该协定没有法律约束力。

 

在哥本哈根大会上，一些岛屿国家认为2℃目标也不能接受，提出1.5℃的温升也足以威胁到他们的生存。2010年，在墨西哥海滨城市坎昆举行的第16届联合国气候变化大会上，小岛国家联盟重申了这一主张。此后，一些欠发达国家也加入进来，坚持将长期气候目标定为全球温升不超过1.5℃。

 

2015年，第21届联合国气候变化大会通过了《巴黎协定》，把 “相对于工业化前的全球平均温升水平控制在2°C以内，并努力争取控制在 1.5°C以内” 写入协定，从此，1.5℃成为在2℃基础上一个新增的、更加严格的气候目标。

 

需要注意的是，1.5ºC和2ºC温控目标，是COP21会议上由各国政府确定的政治目标，不是由IPCC设定的温控目标，尽管各国政府在达成共识的过程中参考了IPCC评估报告的相关科学内容。

 

本次报告基于观测资料的最新评估显示，2011-2020年全球表面温度要比1850-1900年暖1.09°C，其中，陆地增温的幅度是1.59°C，要强于海洋0.88°C的增温幅度。可见，当前全球平均的温升水平已经达到了1.09°C，距离1.5℃的目标并不遥远。

图1: 全球温度历史变化及最近增暖的原因（均为相对于1850-1900年基准态的异常值)：说明人类活动正在以过去2000年来前所未有的速率令全球增暖

 

左图：古气候记录重建的全球温度变化（实灰线，1-2000年）和直接观测的结果（实黑线，1850-2020年），左边的柱状图表示发生在6500年前的最近100,000年间最暖的几百年的温度异常。

 

右图：过去170年全球表面温度的变化（黑线），CMIP6气候模式的模拟结果，棕色为同时考虑人为和自然驱动因子的结果，绿色为只考虑自然驱动因子（太阳和火山活动）的结果。阴影区表示不确定性范围。(引自AR6图 SPM.1)

 

而未来如何，将取决于今后几十年人类社会采取怎样的减排行动。

 

IPCC第六次评估报告给出了多种排放情景下的气候预估结果，预估结果称，未来20年全球平均温度较之1850-1900年的温升幅度，将会达到或超过1.5ºC，2021-2040年全球平均温度非常可能的范围是1.2ºC-1.9ºC。

 

如果我们快速减少温室气体排放、在2050年前后实现二氧化碳净零排放，那么，到本世纪末，非常可能的是全球平均温升幅度有望被控制在2ºC以内；多半可能的是，全球平均温升幅度将低于1.6ºC、并且在本世纪末减少到1.5ºC。

 

需要说明的是，在未来几年，不排除在某一年全球平均温升可能会超过1.5ºC，但这和IPCC报告所说的1.5ºC温升目标不是一回事情，评估报告关注的是10年或者20年平均的长期气候状况，实际的气候系统存在年到年的波动。

 

全球所有地区都将受到影响，亚洲或许更为脆弱

 

气候变化将令全球水循环增强，增加强降水和洪涝灾害，同时，在许多地区又会带来强干旱。气候变化将影响降水，总体趋势是高纬度地区的降水将增加、副热带许多地区的降水将减少，季风区降水整体上将增加，但具体表现因地区而异。

 

未来，全球的沿岸地区都将受到海平面升高的影响，低地区域将遭受更为频繁的洪涝灾害和更为严重的海岸线侵蚀。持续的增暖将加速多年冻土的融化，造成季节性积雪的消失、冰川和雪盖的融化，以及夏季北极海冰的减少。

 

气候变化对海洋的影响包括温度增暖、更为频繁的海洋热浪、海洋的酸化以及含氧量的降低，这将对海洋生态系统以及依赖于海洋生态系统的人类生活造成影响。

 

城市是受到气候变化影响显著的区域之一，城镇化将令热浪的强度增强、频率增加，使得城市区域及其下游地区的平均降水和极端降水增加。对于沿海城市，更为频繁的极端海平面升高事件，和极端降水事件一起，将增加洪水暴发的可能性。

 

对于亚洲地区，观测到的平均温度的升高，已经超出自然变率的范畴，极端暖事件在增加、极端冷事件在减少，这一趋势未来将延续。海洋热浪将继续增加。

 

在亚洲北部，火灾易发的季节将延长，火灾天气的强度将增加。亚洲大部分地区平均降水和强降水都将增加。在亚洲中部和北部，平均风速在减少并将继续减少。冰川在融化，多年冻土在消融。到21世纪中期，季节性积雪的持续时间、冰川物质和多年冻土的范围将进一步减少，高山区域的冰川融水径流将在近期增加，但随后又将减少。

 

相较于全球平均状况，亚洲地区的海平面升高速度更快，导致了海岸线的退缩。未来，区域平均海平面高度将继续抬升，给沿海城市带来极大挑战。

图2：年平均温度的变化：说明伴随着每一单位的全球变暖增加，温度变化在区域尺度上表现得更强

 

图a: 观测和模拟的年平均温度变化比较，左图为观测值（1950-2020年），右图为模拟值（多模式集合结果），均为伴随全球增暖1ºC时局地温度的变化

 

图b: 模拟的相对于1850-1900年基准态当全球增暖1.5ºC、2.0ºC和4ºC时年平均温度变化的空间分布（引自AR6的图SPM.5a,b）

 

为何可以把极端事件归因到气候变化？

 

气候变化的检测和归因研究是互为一体的，只有从观测记录中检测到某个气候要素发生了统计意义上显著的变化，我们才能进一步对其进行归因，寻找人类活动的影响。

 

气候归因研究的发展，可以概括为三个方面——

 

一是涵盖的气候要素更为广泛，从早期的温度和降水扩展到大气环流（如急流、季风）、从大气圈拓展到海洋（如海洋盐度、酸度、海平面变化）和冰冻圈（如全球冰川、北极海冰）；

 

二是归因对象从气候平均态拓展到极端事件，早期只关注平均温度和降水的变化，现在拓展到极端温度（热浪、寒潮、海洋热浪等）、极端降水（暴雨、干旱等）、热带气旋和复合型极端事件（高温-干旱复合极端事件、湿-热事件、火灾等）等极端事件；

 

三是从长期变化发展到事件归因，在对长期气候变化进行归因的基础上，发展了到针对一次（类）极端事件的归因，旨在回答人类活动是否对某一次（类）极端事件产生影响。

 

以上三个方面的发展，受益于归因方法的发展，特别是基于物理过程的归因方法的发展，是归因方法学的一个重要进步，为归因结论提供了可靠的物理基础。随着观测资料的增加和质量的提高、数值模拟归因试验的数据增加、更多归因方法的发展和应用以及对物理机制认识的深入，目前归因研究的信度整体有显著提高。

 

频发的极端事件与气候变化之间是否有明确而直接的因果关系，取决于事件的类型和发生区域，报告对此做出了全面评估。目前，关于几类典型的极端事件归因的认知水平可概括如下：

 

1. 极端温度：1950年代以来，全球大部分陆地经历了热浪频率和强度的增加、寒潮频率和强度的减弱，人类活动对此有主要贡献，这一归因结论具有高信度（high confidence）。

 

2. 极端降水和干旱：与极端温度相比，极端降水和干旱的归因结论信度相对较低，这是由于降水观测资料不足、极端降水物理过程复杂、气候内部变率影响大、模式模拟能力有限等因素共同导致的。1950年代以来，大部分有观测资料的陆地地区经历了极端降水频率和强度的增加（高信度），人类活动引起的气候变化有可能（likely）是主要的驱动因子。

 

3. 热带气旋：对于热带气旋的归因，极大地受到观测资料和模式模拟能力的限制。基于目前针对几次热带气旋的事件归因，结合物理过程分析，认为人为气候变化增加了热带气旋带来的强降水（高信度）。

 

4. 复合型极端事件：人类活动有可能增加了1950年代以来复合型极端事件的发生概率，包括全球尺度上高温-干旱复合事件的增加（高信度）、部分地区火灾天气的增加（中等信度）、部分地区复合型洪涝事件的增加（中等信度）。

 

未来的碳排放空间有多大？

 

19世纪末，人们认识到二氧化碳是一种温室气体的时候，“气候敏感度” 问题就被提出来了，在同样的温室气体强迫下，升温越高，意味着气候对二氧化碳的增加越敏感。

 

气候敏感度有多大，长期以来是气候变化研究的核心问题，它关系到气候变化及其影响应对的方方面面，气候敏感度越高，升温越高越快，生态系统和人类社会适应气候变化的难度就越大；对于控制未来升温幅度来说，气候敏感度越高，也意味着未来碳排放的空间越低，人类社会的减排压力会更大。

 

这里需要特别厘清两个概念，平衡态气候敏感度（ECS）和累积二氧化碳排放的瞬时气候响应（TCRE）。

 

前者是指在大气中二氧化碳浓度当量翻倍之后，年全球平均表面温度的变化；后者指的是单位累计二氧化碳排放，造成的瞬时全球平均表面温度的变化。

 

平衡态气候敏感度，刻画的是全球温度对大气二氧化碳浓度（或二氧化碳辐射强迫）的敏感性，主要用于气候系统能量收支相关的研究；累积二氧化碳排放的瞬时气候响应，刻画的是全球温度对从工业革命以来人为二氧化碳累积排放的敏感性，包含了累积二氧化碳排放滞留在大气中份额的信息和瞬时气候响应的信息，该指标主要用于碳排放及其相关影响的研究。

 

从名称上可以看出，两者所涵盖的时间尺度不同。平衡态气候敏感度，强调平衡态，也就是气候系统在新的二氧化碳浓度下最终达到新的完全平衡时的温度变化，这个过程需要上千年。而累积二氧化碳排放的瞬时气候响应，则是相对工业革命前人为活动累积二氧化碳排放达到1000Gt时全球平均近地面温度的变化，这个升温涉及的尺度在几十到上百年，虽然气候系统并没有达到完全平衡，但是目前人类社会最关心、减排需求最迫切的时间尺度。

 

最新报告基于多种证据来源，认为平衡态气候敏感度最佳估计值为3℃，可能范围为2.5~4℃（高信度），与第五次评估报告相应估算结果1.5°C~4.5°C相比缩小了范围。

 

在累积二氧化碳排放的瞬时气候响应的估算方面，最新报告再次确认累积碳排放与全球平均升温存在近似线性的关系，具体是每排放1000Gt二氧化碳全球平均温度升高约0.27~0.63℃，最佳估计为0.45℃。相对于第五次评估报告的估算结果（0.22~0.68 ℃/1000 Gt二氧化碳），最新报告给出的不确定性范围更小。

 

累积二氧化碳排放的瞬时气候响应和温升幅度之间的关系说明，实现人为二氧化碳的净零排放是控制人为温升的必要条件，而将全球温升限制在某一水平，意味着确定的累积碳排放总量，扣除掉人类活动已经排放的部分，剩下的就是未来碳排放的空间。

 

根据第六次评估报告的估算，在1.5℃温升阈值下，从2020年开始剩余碳排放空间的中位数为500 Gt二氧化碳；在2℃温升阈值下，剩余碳排放空间的中位数为1350 Gt二氧化碳。

 

另外，非二氧化碳温室气体会引起气候变暖，如果不能有效控制，将会侵占二氧化碳的排放空间。非二氧化碳温室气体减排力度的强与弱，能够使得剩余碳排放空间增加或减少220 Gt二氧化碳。而伴随着碳的减排，气溶胶排放也将减少，这一方面有利于空气质量的改善，同时也会造成增暖效应。为了抵消这一效应，需要加大非二氧化碳温室气体（如甲烷、一氧化二氮等）的减排力度。

图3：累积二氧化碳排放和全球温度升高的准线性关系

 

上图: 历史资料（细黑线）显示从1850-2019年观测的全球平均表面温度和历史累积二氧化碳排放的关系。彩色区域表示不同情景下预估的全球平均温度变化和累积二氧化碳排放的关系。

 

下图：历史和不同排放情景下预估的累积二氧化碳量（单位:GtCO2） (引自AR6 图SPM Fig.10)

 

除了减少温室气体排放，还有哪些方法可以减缓全球变暖？

 

自工业革命以来，大气中温室气体浓度持续上升。通过化石燃料燃烧和土地利用，人类活动排放的二氧化碳一部分被陆地和海洋吸收，一部分滞留在大气中，造成大气中二氧化碳浓度持续增长。

 

2019年，大气二氧化碳浓度已经达到410 ppm，相对于工业革命前增加了47%。这个二氧化碳浓度在过去的至少两百万年间是最高的。在过去10年（2010-2019），人类活动每年平均向大气排放约40Gt的二氧化碳，其中54%被陆地和海洋吸收。

 

与低排放情景相比，在高排放情景下，陆地和海洋将吸收更多的二氧化碳。但是，随着累积二氧化碳排放量的增加，陆地和海洋吸收二氧化碳的效率会降低。到2100年，在低排放情景下，约70%的累积二氧化碳排放将被陆地和海洋吸收；而在高排放情景下，仅有约40%的累积二氧化碳排放将被陆地和海洋吸收。

 

减缓全球变暖需要大幅度、迅速和持续地减少二氧化碳等温室气体的排放。

 

在大幅度减排的基础上，通过人为增加陆地和海洋碳汇（例如植树造林、增加海水碱性、恢复海岸带生态系统等），或直接从大气中捕捉二氧化碳的二氧化碳移除方法，有潜力使大气二氧化碳浓度降低。IPCC气候变化情景预测中用到的控温1.5或2°C的低排放情景，将在很大程度上依赖于二氧化碳移除方法。如果移除的二氧化碳比排放的二氧化碳多，将会产生净的二氧化碳负排放，减少大气二氧化碳浓度。

 

另一种减缓全球变暖的可能措施是太阳辐射干预，即通过人工方法，减少到达地面的太阳辐射（例如向平流层注入硫酸盐气溶胶、增加陆地表面和海水的反照率等），或者增加逃逸到太空的长波辐射（例如减少高层卷云）。太阳辐射干预方法，有潜力减缓温室气体增加引起的部分气候变化，但是对气候系统影响有很大的区域差异，无法完全抵消温室气体增加对气候变化的影响。另一方面，太阳辐射干预不能减少大气二氧化碳浓度，因此无法抑制海洋酸化。

 

需要强调的是，二氧化碳移除和太阳辐射干预作为大幅度减排的可能辅助措施，都不能替代温室气体减排。目前，没有任何一种二氧化碳移除和太阳辐射干预方法被证明可以在大范围内实施，有效减缓全球变暖。而且，不同的二氧化碳移除和太阳辐射干预方法都有不同的副作用。大幅度，快速，持续的减少温室气体排放是减缓全球变暖的最安全措施。

 

致谢：感谢中国科学院大气物理研究所张文霞副研究员、陈晓龙副研究员对本文提供相关素材。

 

参考文献

 

[1] IPCC, 2021: Summary for Policymakers.In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of WorkingGroup I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel onClimate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C.Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K.Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi,R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press

 

[2] Vellinga P, Swart R. The greenhouse marathon: a proposal for a global strategy. Climatic Change. 1991;18(1): vii-xii.

 

[3] 王绍武，罗勇，赵宗慈，闻新宇，黄建斌. 全球变暖的科学. 北京：气象出版社. 2013. p105-106.