实现1.5℃温升目标所需化石资源使用量快速下降的先例和可行性 | Cell Press青促会述评

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地球科学

Earth science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第三十八期（总第75期）专栏文章，特邀中国科学院西北生态环境资源研究院副研究员 段翰晨，就 One Earth 中的论文发表述评。

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《巴黎协定》的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期的上升幅度努力控制在1.5℃以内。为了成功地实现1.5℃的温控目标，必须迅速的淘汰化石燃料，降低温室气体的排放，努力在2050年前达到净零排放。能源部门的脱碳是首当其冲的优先事项，因此向可再生能源的快速过渡是必要的，但当前缺乏关于这种过渡可行性的历史证据。

Vadim Vinichenko研究团队确定了1960至2018年间105个国家的147个历史事件和政策承诺，构建了基于概念性的可行性空间，将煤炭、石油和天然气发电量下降的历史先例与IPCC 1.5℃兼容路径以及IEA净零能源(NZE)方案中设想的达到1.5℃气候目标所需的这些燃料的下降进行了比较。研究表明，在没有可行的化石燃料下降机制的情况下，实现1.5℃的目标将是困难的。目前IPCC所设想的化石能源下降情境，远远超出了历史经验或当前的国家自主承诺。该研究成果近期发表在Cell Press旗下环境与可持续发展旗舰刊One Earth期刊上。

该研究构建了一个化石燃料下降的可行性空间，其依据是在发电量大于100 TWh/year的电力系统中，选取化石燃料十年下降速率超过5%的历史事件(包括37个国家、5个地区和1个全球事件)，以电力需求的十年变化率为横轴，以化石燃料的十年下降率为纵轴，确定了四个化石燃料下降的可行性区域(图1)，其特点是它们具有不同的历史下降事件发生频率和历史先例性质（性质指系统规模和化石燃料下降速率）。通过使用一种算法来定义前两个区域（A和B），该算法是对化石燃料下降速率和电力需求变化的组合，即具有更快下降速率或更高需求增长的历史下降事件出现的频率，按照系统规模大小进行加权计算，具体计算过程见附图S8和原文实验过程部分。

• A区包括各种规模电力系统中的多个历史事件，以及所有类型的化石燃料替代，包括需求下降、燃料转换、核能和可再生能源（图1）。它涵盖了在需求缓慢或中度增长(低于15%)或需求下降超过15%的情况下，化石燃料的适度(低于20%)下降，以及在需求较快增长(15%-45%)的情况下较缓慢的下降速度 (5%至15%)。

• B区包含的历史事件要少得多，而且只发生在电力系统规模低于600 TWh/year的国家(最大规模是1980年左右的日本)，而且只涉及化石燃料转换或被核电取代，2007-2017年英国的煤炭下降是一个例外，其中包括需求下降和风力发电的替代。在需求增长更快(高达60%和75%)以及化石燃料降幅更快(20%到30%)的情况下，B区覆盖了与A区相同的降幅。

• 在化石燃料十年下降率的历史先例中，C区不包括1960年至2018年期间电力供应量超过100 TWh/year的国家。

• D区涵盖了在需求下降速度超过15%的情况下，化石燃料下降速率最高达30%的所有历史先例。D区内的历史事件只包括前苏联国家，这些国家化石燃料的下降是由20世纪90年代的经济崩溃所导致的。

▲图1 在不同系统规模的不同需求变化下化石燃料下降的历史先例的可行性空间与可行性区域

在较大系统(>100 TWh/year)中，采用化石燃料10年下降率超过5%的历史事件参与了可行性区域的界定。对于每一个事件，总的电力系统规模大小(该事件开始和结束的平均值)由圆的面积表示，化石燃料下降替代用颜色表示(一种颜色表示主要替代，对于较大的实体，还使用次要替代，用两种颜色表示)。事件是采用它们的国家代码、时段和下降的燃料类型通过编码来表示。A区和B区由历史先例的密度来定义，C区在较大的系统中没有历史先例，D区只包含苏联解体后后苏联国家的历史下降事件。

图2显示了IPCC 1.5℃兼容情景下全球地区煤炭和天然气的十年下降率，与同一情景下的电力需求增长相比较，并映射到图1所示的可行性区域。从图2可以看出，在69种情景中，35种设想的下降率要么是史无前例的(C区)，要么是历史上仅在电力供应至少比国际经合组织国家（OECD）小20倍的经济体中观察到的，而且涉及石油危机后化石燃料的转换或核能替代(B区)。在所有情景中，预计约有一半OECD的煤炭产量将下降，其比率具有多种先例和不同类型的替代(A区)。然而，OECD的规模比观察到历史上下降的大多数国家和地区都要大，以至于规模可比的最接近的历史先例是2008年至2018年OECD的煤炭下降，下降率为-11%。这一事件涉及可再生能源的主要替代，但要慢于约90%的情景中预计的下降速率，发生在1%的需求增长之下，而经合组织2020年至2030年情景中的需求增长中值为12%。

亚洲煤炭的下降率快于OECD，但也涵盖了不同情景中更大范围的比率。在该地区，低温超调情景的下降较早且较快，高温超调情景的下降较晚且略慢，这在大多数情况下需要更广泛地使用负排放技术。在大多数超低温情景中，煤炭下降集中在2020-2030年，降幅中值为-31%(四分位差[Inter-quartile range, IQR]，-37%至-25%)。预计2020-2030年亚洲煤炭产量下降的唯一超低温情景具有更多的先例(A区)，这些情景还要求2030-2040年煤炭更快下降，这在历史上很少见(B区)。因此，三分之二的超低温情景要求亚洲煤炭下降是没有任何历史先例的（C区），其余三分之一要求下降只有罕见的历史先例（B区）（图2）。在超高温的情景下，亚洲煤炭的消耗量在2020-2030年和2030-2040年两个时段分别下降了19%和15%。这些情景中的三分之一，设想在其中一个时期将出现前所未有的下降率(C区)，而剩下的所有情景中，除了一个以外，设想的下降率只有罕见的历史先例(B区) (图2)。总而言之，所有缓解气候变化的方案都要求亚洲煤炭减少，这要么是前所未有的，要么只有电力供应至少减少20倍、化石燃料被其他化石燃料或核能取代的国家才有先例发生。

▲图2 在由历史事件定义的可行性空间上映射的情景中十年下降率和需求变化情况

彩色区域代表可行性区域。每个点都代表了不同燃料、地区和时期在1.5℃兼容的路径中化石燃料和电力需求的变化。点的颜色和形状根据情景模式来描述路径的状态。需求变化的计算与化石燃料下降率的计算方法相同。对于每一种燃料和区域组合，左上角标出了2020年至2050年期间中位数下降率最大的时期。右下角显示了各个区域和时段的系统大小中值。

本研究中化石燃料下降的历史先例为应对这些未来挑战提供了几个宝贵经验。第一个经验是：过去化石燃料的下降是由技术创新推动的。虽然技术进步对于化石燃料的减少是必要的，但似乎没有一项技术能够实现气候目标所需的下降，因此部署技术组合将是至关重要的。第二个经验是：化石燃料迅速下降的历史先例几乎总是不仅涉及技术进步，还涉及强有力的国家政策。第三个经验是：仅有政治动机不足以实施导致化石燃料下降的足够强有力、细致入微的长期政策。需要补充的是强大的能力和互信的国际合作，对化石燃料高度依赖且能力有限的国家，需要国际社会支持才能实现公平转型。这三个经验意味着，在IPCC 1.5℃兼容的大多数情景中，设想的化石燃料下降的规模和速度将需要采用低碳技术，其速度至少与上世纪下半叶采用核能的速度相同；并期望政治动机至少与过去对石油危机的反应一样强烈；经济和体制能力可与西方国家相媲美；以及要求世界范围内的经济、技术和政策合作。由于所有这些要求都非常具有挑战性，因此，应考虑更为现实的情景，那就是将化石燃料下降率与国家能力和目标更明确地结合起来。

这篇论文有助于理解减少电力中化石燃料使用的可行性是否以及在哪里对实现气候目标构成挑战。研究将历史案例与未来情景进行比较虽然具有一定的局限性，但这种比较有助于更好地理解未来挑战的性质和规模；也就是说，未来化石燃料的下降应该在哪些方面与过去不同，哪些历史事件为未来的下降提供了宝贵的一课。

论文摘要

为了成功地将本世纪全球平均气温上升控制在1.5℃以内，温室气体排放必须迅速下降，到2050年达到净零排放。能源部门的脱碳是一个特别优先的问题，但缺乏这种过渡的历史证据。在这里，我们确定了1960年至2018年期间105个国家的147个历史事件和政策承诺。我们在更大的系统中选择了43个与气候情景最相关的案例，在1.5℃兼容的情景中，有一半的情景预计亚洲煤炭的下降速度比上述任何一种情况都要快；剩下的情景以及其他地区煤炭和天然气减少的许多情景只有在应对能源安全威胁而用煤炭、天然气或核能取代石油的情况下才有先例。在没有化石燃料下降机制的情况下，实现1.5℃的目标将是困难的，这些机制远远超出了历史经验或当前的承诺。

To successfully limit global average temperature increases to 1.5℃ this century, greenhouse gas emissions must decline rapidly and reach net zero by 2050. The decarbonization of the energy sector is a particular priority, but historical evidence for such a transition is lacking. Here we identify 147 historical episodes and policy pledges in 105 countries between 1960 and 2018. We select 43 cases in larger systems most relevant to climate scenarios. One-half of 1.5℃-compatible scenarios envision coal decline in Asia faster than in any of these cases. Remaining scenarios as well as many scenarios for coal and gas decline in other regions have precedents only where oil was replaced by coal, gas, or nuclear power in response to energy security threats. Achieving the 1.5℃ target will be difficult in the absence of fossil fuel decline mechanisms that extend far beyond historical experience or current pledges.

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述评人简介

段翰晨

中国科学院西北生态环境资源研究院副研究员

[e-mail]

段翰晨，中国科学院西北生态环境资源研究院副研究员。主要从事环境遥感与全球变化，重点关注荒漠化、植被变化和土地利用/覆被变化及其对气候变化和人类活动的响应研究。至今在Science of the Total Environment、Land Degradation & Development、Remote Sensing和Ecological Indicators等相关期刊上发表论文30余篇，参与出版专著3部。

Dr. Hanchen Duan is an associate professor in the Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences. His main research interests are environmental remote sensing and global change, focusing on desertification, vegetation change and land use/cover change (LUCC) and their response to climate change and human activities. He has published more than 30 papers in Science of the Total Environment, Land Degradation & Development, Remote Sensing, Ecological Indicators and other related journals, and participated in the publication of three monographs.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊One Earth上，

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