本文借助国际耦合模式比较计划第6阶段（CMIP6）模式模拟结果，基于信噪比（SNR）方法，系统评估了“双碳”目标下与更高排放情景下气候变化风险的差异。结果表明，“双碳”政策将使全球“不熟悉”或“不可知”程度的气候变化风险比更高排放情景晚数十年到来甚至不会到来，并使暴露在相应风险下的地表面积比例降低30%~60%。区域上，“双碳”目标下，由于近期未来与更高排放情景下人为气溶胶（AA）排放区域差异显著，不同区域面临“不寻常”程度的气温变化风险的时间与更高排放情景差异较大。结合区域发展特点制定更为合理的CO2和人为气溶胶（AA）协同减排政策对于应对气候变化风险意义重大。
政府间气候变化专门委员会（IPCC）第6次报告指出，自工业化以来，全球历经了显著的气候变化，2011—2020年全球平均气温较工业化之前（1850—1900年）升高1.09℃。气候问题给人类生存和社会发展带来巨大的挑战，为减少气候变化带来的影响，国际社会做出了各种努力。2015年《巴黎协定》明确提出了将全球平均气温控制在较工业化前升温低于2℃的目标，并力争实现升温低于1.5℃的目标。
全球变暖主要是由人类活动引起的，人为温室气体排放造成了1.0~2.0℃的升温，其中二氧化碳（CO2）带来的温室效应，贡献了约70%的全球变暖效应。为减少全球变暖带来的影响，国际社会提出全球CO2排放需在21世纪30年代前实现碳达峰，21世纪中叶实现碳中和的气候治理目标。中国作为负责任的大国，积极响应国际政策，将“双碳”目标纳入国家发展战略。
目前已有不少研究关注“双碳”政策对未来气候变化带来的影响。例如，“双碳”目标下，与CO2高排放情景相比，CMIP6模式模拟结果表明中国区域极端高温事件和极端水文事件频率和强度会明显减小。在“碳中和”背景下，减排政策可很好地改善空气质量，提升居民健康水平。但现阶段对“双碳”目标下气候变化风险进行量化的研究十分有限。
气候变化信号是气候系统对辐射强迫的总体响应，反映了所面临的气候变化风险的严峻程度。而气候变化信号何时从背景变率中凸显出来的具体时间（Time of Emergence，ToE）对政府进行气候变化风险评估和决策具有十分重要的指导意义。信噪比（SNR）方法用于区分气候变化信号和背景变率，SNR越大，气候变化信号则越强。ToE被定义为SNR超过某一阈值的时间，超过越高SNR阈值时间越早意味着人类社会将在更早的时间点上面对更严峻的气候变化风险。本研究采用SNR方法预估ToE，确定气候变化信号的出现时间，对“双碳”目标下未来气候变化风险进行综合评估。
1 数据与方法
1.1 数据来源
使用来自伯克利地表气温观测气温数据集（BEST）的1850—2014年月平均SAT数据，CMIP6历史气候模拟试验（historical）的1850—2014年月平均SAT模拟数据，工业革命前参照试验（piControl）的月平均SAT模拟结果，以及未来不同排放情景下（即SSP1-2.6，SSP2-4.5，SSP3-7.0和SSP5-8.5情景）2015—2100年 CO 2浓度数据和月平均SAT的模拟结果。研究中所用数据涉及模式的具体信息列于表1中。
表1 本研究中使用的CMIP6模式的基本信息
1.2 方法
气候敏感性（Equilibrium climate sensitivity，ECS）用于评估气候系统对辐射强迫的响应，现有研究中一般采用全球平均地表气温的变化作为气候响应的指标。ECS是指CO 2浓度突变为工业化前2倍的情况下，气候系统重新达到新的平衡态时，全球平均地表气温相比工业化之前的变化。ECS的大小直接影响着当前模式气候模拟和预估的不确定性大小，也对未来预估的气候变化程度大小起决定作用。因此，选取合适ECS范围的模式来对未来气候进行预估可以很大程度上减少不确定性。
本研究将位于不同ECS范围的模式集合模拟的历史时期全球平均气温（GSAT，本研究中取60°S~75°N范围平均值）相对于1951—1980年异常的时间序列与观测进行对比，以观测超过多模式模拟结果最大值的比例、低于多模式模拟结果最小值的比例和位于多模式模拟中心范围（位于12.5~87.5百分位数区间范围）的比例作为指标，系统评估了位于不同ECS范围的多模式对全球平均气温的模拟表现，然后选取出模拟表现最好的多模式平均结果对未来气候变化风险进行评估。
2 结果与分析
2.1 历史模拟评估
本研究将基于多模式平均模拟结果对气候变化进行模拟与预估。同时为减小预估未来不同排放情景下气候变化的不确定性，基于观测资料依次对位于中等、偏低和偏高ECS范围模式对历史时期（1850—2014年间）GSAT变化特点的模拟能力进行了评估。结果如图1所示。
图1 不同ECS范围模式对历史时期GSAT变化的模拟能力评估
在整个历史时期，位于中等ECS范围的多模式平均模拟结果与观测资料变化均较为一致，观测位于多模式模拟中心75th范围内的比例占85.5%，超过多模式模拟的最大值和低于多模式模拟的最小值的比例则均只有0.6%，可见位于中等ECS范围的模式可以较好地刻画历史时期外强迫作用和气温变化特点。而位于偏低和偏高ECS范围的模式对历史时期全球气温变化的模拟则分别存在明显的低估和高估现象。综合以上分析，位于中等ECS的多模式模拟结果可以较好地刻画历史时期外强迫作用，因此，本研究将选取这些模式的多模式平均模拟结果对未来不同排放情景下气候变化风险进行评估。
2.2 “双碳”目标下全球气候变化风险的预估
未来不同排放情景下的排放特点决定了各排放情景下气温变化特点。在SSP1-2.6情景下，21世纪中叶SNR达到2和3之间，之后便不再变化，这意味着该排放情景下将面临“不熟悉”程度的气候变化风险。可见即使是在“双碳”目标下，历史时期人类活动对地球气候系统产生的影响也将是无法消除的。如图2所示。
图2 CMIP6模式预估的未来不同排放情景下近期（2021—2040年）、中期（2041—2060年）及远期未来（2081—2100年）年平均地表气温变化信噪比（SNR）多模式平均空间分布和纬向平均值
从空间分布来看，热带、北极地区以及中国西南地区和西北地区将更早地面对相同程度的气候变化风险（SNR值），并且随着SNR阈值的增大，超过时间（ToE）也将逐渐变晚。如图3所示。在高排放情景下，与其他区域相比，印度中北部、北大西洋以及欧洲北部地区在21世纪末才达到较高的SNR阈值（~3），这或许与这些地区独特的信号或噪音特征有关。
图3 CMIP6模式预估的未来不同排放情景下气温变化不同SNR阈值的信号显现时间
为进一步量化不同排放情景下全球气候变化风险的不同，图4统计了不同排放情景下超过不同SNR阈值的地表面积累计比例。结果表明，“双碳”目标下气温变化超过不同SNR阈值的地表暴露比例相比其他排放情景明显偏低，并且阈值越高，偏低的程度越大。
图4 CMIP6模式预估的不同排放情景下超过不同气温变化信噪比阈值的地表面积累计比例
2.3 “双碳”目标下区域气候变化风险的预估
图5选取了南北半球中纬度7个人口密集区，并比较了这些区域在“双碳”目标下与其他高排放情景下气候变化风险的差异。
图5 CMIP6模式预估的不同区域在SSP1-2.6情景下与其他高排放情景下气温变化SNR超过不同阈值的ToE差异
对于SNR超过1的情况，从全球平均来看，“双碳”目标下SNR超过1的ToE与中等排放情景接近，但比高排放和极高排放情景下分别晚2.09a和1.36a。对于SNR超过2的情况，“双碳”目标下SNR超过2的时间比更高排放情景下则依次晚6.38a（SSP2-4.5）、10.03a（SSP3-7.0）和10.78a（SSP5-8.5），不同区域特征与全球平均类似但略有差异。北半球中纬度4个区域中，地中海地区SSP1-2.6情景与更高排放情景间的差异最大，其次是北美洲中部，然后是东亚地区，最后为南亚地区；南半球中纬度3个区域的ToE差异则几乎都接近全球平均水平。
3 结论
本研究通过比较CMIP6中位于不同ECS范围内的模式对历史时期GSAT的模拟结果和BEST观测资料，发现位于中等ECS范围的模式可以更好地刻画历史时期外强迫作用和GSAT变化特点。因此，本研究对未来不同排放情景下气候变化风险的评估将基于位于中等ECS范围的多模式平均模拟结果。
总的来说，在“双碳”目标指引下，近期未来将与其他高排放情景几乎同时面临“不寻常”程度的气候变化风险；而在中期和远期未来，“双碳”政策将使全球气候变化风险大大降低，减排政策将使低排放情景下面临“不熟悉”或“不可知”程度的气候变化风险时间比更高排放情景晚数十年，并且低排放情景下暴露在“不熟悉”或“不可知”程度的气候变化风险下的地表面积比相较更高排放情景会降低30%~60%。
值得注意的是，中国西南地区（尤其是青藏高原地区）和西北地区在各种排放情景下面临着比其他区域更大的气候风险，这种更大的气候风险与这2个区域在全球变暖背景下独特的气候响应特征有关，鉴于中国西南地区和西北地区生态系统和社会经济状况的相对脆弱性，国家应给予这2个地区更多的政策关注与经济支持。总之，应对气候变化风险需要结合区域气候变化特征和区域发展特点制定因地制宜的气候风险应对政策，并给予脆弱地区和脆弱群体最大限度的关注和支持。
同时，本研究也存在一些不足，一方面，本研究直接使用了与“双碳”目标中CO 2排放特点最为接近的SSP1-2.6情景下的模拟结果来对未来气候变化风险进行评估，而SSP1-2.6情景为理想试验，其GHG和AA减少情况与实际“双碳”目标下世界各国的减排政策有所不同。另一方面，现有模式在AA模拟方面存在很大不同也会给模式模拟结果带来较大不确定性。而在未来，这些不足随着模式对AA模拟能力的增强是可以克服的，这将进一步减小对气候变化风险模拟与预估的不确定性。
本文作者：程方圆、左志燕、乔梁、张楷文、常美玉
作者简介：程方圆，复旦大学大气与海洋科学系，大气科学研究院，硕士研究生，研究方向为区域气温变率和气候风险刻画；左志燕（通信作者），复旦大学大气与海洋科学系，大气科学研究院，上海市海洋-大气相互作用前沿科学研究基地，上海长江河口湿地生态系统国家野外科学观测研究站，教授，研究方向为陆-气相互作用、气候变化、亚洲季风、东亚气候变异机理、极端天气气候事件。
论文全文发表于《科技导报》2024年第19期，原标题为《“双碳”目标下气候变化风险的预估：从全球到区域》，本文有删减，欢迎订阅查看。
内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载
白名单回复后台「转载」
《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
