文献阅读 | 利用碳预算来指导气候政策的机遇与挑战

题目

Opportunities and challenges in using remaining carbon budgets to guide climate policy

作者

H. Damon Matthews, Katarzyna B. Tokarska, Zebedee R. J. Nicholls, Joeri Rogelj, Josep G. Canadell, Pierre Friedlingstein, Thomas L. Frölicher, Piers M. Forster, Nathan P. Gillett, Tatiana Ilyina, Robert B. Jackson, Chris D. Jones, Charles Koven, Reto Knutti, Andrew H. MacDougall, Malte Meinshausen, Nadine Mengis, Roland Séférian & Kirsten Zickfeld

期刊

Nature Geoscience

时间

30 November 2020

一作

单位

Department of Geography, Planning and Environment, Concordia University, Montréal, Canada

链接

https://www.nature.com/articles/s41561-020-00663-3  

摘要

剩余碳预算代表了将全球变暖限制在给定的温度目标下未来仍能排放的二氧化碳总量。然而，碳预算估计值范围很大，从低值来看，实现严格的气候目标将变得不太现实，而从高值来看，似乎又有足够的时间逐步过渡到低碳经济。理解影响剩余碳预算的科学和社会经济不确定性，以及其计算方法选择和假设，在将其作为政策工具应用之前至关重要。在这里，本研究就如何以可追溯和透明的方式计算剩余碳预算提出建议，并讨论其不确定性以及对国际和国家气候政策的影响。

引言

剩余碳预算定义为符合巴黎协定等气候目标的允许未来排放的二氧化碳量。从概念上讲，全球排放预算是制定气候减缓方案的一种有效的方式：二氧化碳总排放量的有限上限意味着全球二氧化碳排放量最终必须达到净零，以稳定全球温度。剩余碳预算的估计有很大的不确定性，但由于缺乏一致的定义，以及计算剩余预算的不同方法，各研究之间也存在很大差异。所以本文在将全球预算分解为国家份额的过程中引入了额外的不确定性。

本研究分析了影响剩余碳预算估算的四大类不确定性因素：（1）与物理气候和碳循环过程相关的地球物理不确定性，这些不确定性决定了气候对排放的响应；（2）反映决定未来排放情景的社会选择和社会经济不确定性；（3）估算剩余碳预算时的假设和方法；（4）基于一系列道德和公平原则所产生的碳预算分配方法。

研究结果

碳收支的地球物理基础

累积二氧化碳排放量和二氧化碳引起的温度变化之间的比例是有限剩余碳收支的主要地球物理基础：每增加一吨二氧化碳排放量，就会导致温度升高，这意味着二氧化碳排放必须减少到净零才能稳定全球温度。这一比例通过对累积CO2排放量（TCRE）的瞬态气候响应进行量化，TCRE定义了每单位累积CO2排放量的瞬态升温。然而，这种关系仅适用于二氧化碳引起的升温，而不适用于其他排放气体（例如甲烷、气溶胶或一氧化二氮）引起的额外升温（或降温）。

因此，使用TCRE估算给定温度目标的剩余碳预算需要对未来变暖的非二氧化碳贡献进行额外估算。一种方法是定义一个“有效TCRE”，以估算给定CO2累积排放量下的总人为变暖。有效TCRE受大气寿命比CO2短得多的非CO2气体排放变化率的影响。因此，虽然有效TCRE可用于直接计算总碳预算，但在给定情景下达到温度目标时使用有效TCRE的估计值更为准确（图1）。

图1：TCRE、有效TCRE与总碳预算和剩余碳预算之间的关系

地球物理不确定性

影响TCRE的地球物理不确定性将直接传递到剩余碳预算估算中的不确定性。总的来说，有三种与TCRE相关的地球物理不确定性影响稳健性。首先，不同的物理气候和碳循环对二氧化碳排放的反应改变了TCRE的大小。

第二，TCRE关系的线性是由单个非线性过程的补偿产生的，这些非线性过程可增加或降低温度响应，以应对额外累积CO2排放的。然而，随着排放量的增加，特定反馈强度仍有可能发生强烈的非线性变化，从而导致与TCRE预测线性的偏差。例如，由于变暖模式的变化，物理气候反馈强度可能发生变化，或者生物地球化学永久冻土和湿地反馈行为目前在地球系统模型中表现不佳。

第三，尽管TCRE已被证明是CO2排放量增加情景下CO2诱导变暖的稳健预测因子，但TCRE是否能充分捕捉到迅速下降至净零和/或净负CO2排放情景下的气候响应还不太清楚。如果过去的CO2排放未实现升温或降温，则这种滞后的温度变化将在CO2排放降至零的时间内表现出来，导致累积排放的温度响应相对于线性TCRE线向上或向下弯曲。过去二氧化碳排放的这一未实现承诺最近已通过地球系统模型进行了量化，可能是剩余碳预算不确定性的一个重要因素。

最后，非CO2强迫变化的气候响应是影响碳预算估算的地球物理不确定性的另一个重要来源，这与上文讨论的TCRE不确定性的贡献不同。考虑到气溶胶强迫不确定性在影响总体非CO2强迫不确定性方面的重要性，这说明了改进对当今气溶胶强迫的气候响应估计的重要性，以提高本研究约束剩余碳预算估计的能力。

社会-经济情景的不确定性

剩余碳预算估算也受到社会经济不确定性的强烈影响。然而，社会经济不确定性的影响对于未来非二氧化碳变暖的估计要明显得多。这与许多非二氧化碳排放物在大气中的寿命较短有关，因此，快速减少短寿命的正气候作用物（如甲烷、黑碳和臭氧前体）的排放将有效限制非二氧化碳排放引起的近期变暖。然而，与此相反，产生负作用力的气溶胶排放的迅速减少将放大非二氧化碳的变暖。

尽管地球物理和社会经济的不确定性都可以通过进一步的研究来减少，但社会经济的不确定性对人类在技术发展和减缓行动方面的决定和选择很敏感。这意味着，关于将减缓努力集中在哪里的政策决定有可能通过影响二氧化碳与其他人为气候驱动因素造成的变暖量而影响剩余碳预算的。

方法学选择和假设

采用一套一致和透明的假设来计算剩余碳预算，对于为气候政策提供明确的指导方针至关重要。

首先，本研究建议只估算人为变暖的剩余碳预算，而不考虑自然变化。

第二，本研究建议将剩余的碳预算与特定的政策相关的气候目标联系起来。巴黎协定旨在将全球温度保持在 "远低于工业化前水平的2℃"，同时 "努力将温度上升限制在工业化前水平的1.5℃"。因此，与1.5°C和 "远低于2°C "的温度上升范围相关的碳预算是与《巴黎协定》的目标直接相关的。2°C或更高温度的预算可用于衡量保持在更高升温水平以下所需的努力，但不在《巴黎协定》当前的政策框架内。

第三，在估计剩余的碳预算时，必须对所需的风险规避水平进行选择。考虑到已知和量化的不确定性，碳预算通常被报告为对应于碳预算完全排放时保持在特定温度目标以下的50%或67%的概率。

第四，政府间气候变化专门委员会（IPCC）最近的报告中使用的工业化前参考期的替代值是1850-1900年的平均值，为了与这些分析保持一致，本研究建议采用这一平均值。本研究认识到，这一时期的温度相对于上个世纪可能已经上升，尽管由于1850年之前的温度和累计二氧化碳排放量的观测数据有限，目前很难采用更早的基准期。

第五，明确选择温度变化的指标是很重要的。在其他地方已经广泛讨论了使用根据观测覆盖范围掩盖的空气-水混合温度（全球平均表面温度，GMST）、全覆盖的全球表面空气温度（GSAT）或两者结合来代表观测到的历史变暖的相对优点；本研究在此不提供具体建议，只要求在历史变暖和TCRE的价值方面明确和合理地选择衡量标准。

第六，本研究建议采用本研究的碳预算定义，即到二氧化碳排放达到净零的时间点为止的总排放量。这种选择也避免了对净负二氧化碳排放扭转温度超标的潜在可行性的假设。对于模型模拟，这需要使用包含内部一致的二氧化碳和非二氧化碳排放的排放情景，这些情景也与理想的峰值温度目标大体一致，而不是温度无限期地超过目标并返回到有关目标的情景。

应用于国际和国家气候政策

碳预算是国际政策的有力指导，提供了一种衡量国家排放目标与全球温度目标一致性的方法。首先将剩余允许的二氧化碳排放总量按时间分布，以便与国家排放承诺的目标年份相一致（图2）。碳预算可被用于为五年期全球盘点过程提供信息，评估排放目标与长期温度目标的一致性。目前，国家承诺的排放量预计将超过图2所示的近期预算限额。这就涉及到了代际公平的重要问题。

进一步地，在将全球剩余碳预算分配给各个国家时，有许多选择。鉴于可能出现的各种争议，《联合国气候变化框架公约》选择不制定规则并指导各国如何设定自己的排放目标。因此，国家碳预算目前是单方面的选择，可以帮助各国制定减排政策，但可能与全球总体预算没有实现真正的一致性。目前，许多国家在设计其国家自主贡献（NDCs）时，采用了对其最有利的分配原则。这表明有必要建立国际机制，促进对国家预算额度的评估和反复重新评估，以确保与全球预算的一致性。

 尽管很难给各国公平分配全球预算，但有限的国家碳预算对政策制定具有巨大的意义。例如，短期碳预算可以以类似于财政预算的方式被采纳和报告；这样做的简单行为有可能将国家气候目标以更具体的方式嵌入政府决策过程中。英国和欧盟最近通过的国家碳预算，包括到2050年实现净零排放的承诺。采用有限的国家预算也将为围绕新的基础设施建设，特别是新的化石燃料能源基础设施的讨论提供新的思路。最近的两项研究表明，与现有基础设施相关的"承诺排放量"（即在现有基础设施的典型运行周期内预期产生的未来排放量）接近或超过本研究最严格的气候目标的剩余碳预算。因此，与新的基础设施项目相关的承诺排放量可以与一个国家的剩余碳预算进行权衡，以确定有关的基础设施是否符合本研究的气候目标。此外，如果某个国家的排放超过了其在全球预算中的份额，那么由此产生的排放债务可以作为一种衡量标准，为与国际气候融资有关的决策提供参考。

图2：将剩余碳预算按五年离散时间间隔进行分配的示例

政策含义

有限碳预算最重要的政策含义是需要实现二氧化碳净零排放，以稳定全球温度。这一框架已经被用来指导71个国家和100多个城市正在进行的减排方案，以及500多个企业在特定年份设定的净零排放目标。因此，碳预算的概念已经成为动员个别国家或地区设定净零排放目标的有效沟通工具。然而，重要的是，为了与巴黎协定中的温度目标相一致，还需要进行非二氧化碳温室气体减排，如甲烷、氧化亚氮和黑碳。

另一个重要的政策含义是，剩余碳预算的大小对社会选择缓解非二氧化碳排放以及二氧化碳缓解工作对共同排放的非二氧化碳物种的影响很敏感。然而，虽然剩余的碳预算对非二氧化碳排放方案很敏感，但它并没有决定一个特定的二氧化碳减排途径。这反过来又突出了一个重要的问题：超过预算的二氧化碳排放是否可以通过二氧化碳清除（CDR）技术来逆转。但CDR技术昂贵，而且在大规模部署时具有不确定性，并且还需要清除海洋和土地可能再次释放的二氧化碳。因此，目前的科学认识表明，要达到迅速扭转超过现有预算的大量排放的影响所需的CDR水平既不容易也不一定可能。

最后，对于如何在各国之间公平地分配剩余的碳预算，仍然存在巨大的挑战，必须加强国际合作，实现评估和加强国家碳预算的迭代过程。

剩余碳预算是一个强大的概念性工具，具有为气候政策提供信息的潜力。剩余碳预算的估计可以作为国际目标的基准，并作为制定和监测国家二氧化碳净排放目标进展的理由。对剩余碳预算的最新估计表明，虽然全球预算很小且迅速减少，但仍有机会实现《巴黎协定》温控目标。将气候变化遏制在可接受的水平，需要国际和国家迅速且持续的减缓努力。

编辑：刘晓瑞

排版：刘晓瑞

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