文献阅读 | 在不超预期的情况下达到严格气候目标的成本和可行性

题目

Cost and attainability of meeting stringent climate targets without overshoot

作者

Keywan Riahi, Christoph Bertram, Daniel Huppmann, Joeri Rogelj, Valentina Bosetti, Anique-Marie Cabardos, Andre Deppermann, Laurent Drouet, Stefan Frank, Oliver Fricko, Shinichiro Fujimori, Mathijs Harmsen, Tomoko Hasegawa, Volker Krey, Gunnar Luderer, Leonidas Paroussos, Roberto Schaeffer, Matthias Weitzel, Bob van der Zwaan, Zoi Vrontisi, Francesco Dalla Longa, Jacques Després, Florian Fosse, Kostas Fragkiadakis, Mykola Gusti, Florian Humpenöder, Kimon Keramidas, Paul Kishimoto, Elmar Kriegler, Malte Meinshausen, Larissa P. Nogueira, Ken Oshiro, Alexander Popp, Pedro R. R. Rochedo, Gamze Ünlü, Bas van Ruijven, Junya Takakura, Massimo Tavoni, Detlef van Vuuren & Behnam Zakeri

期刊

Nature Climate Change

时间

2021年11月

一作

单位

International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria; Graz University of Technology, Graz, Austria

链接

https://doi.org/10.1038/s41558-021-01215-2

研究背景

全球排放情景（Global emissions scenarios）在评估减缓气候变化战略方面发挥着关键作用。然而，目前的设想受到了质疑，因为设定的策略目标明显超过了全球温度目标，因此需要一个长期的修复阶段，并通过净负排放才能再次降低温度。这个过程中有些影响可能是不可逆的。因此，本文探索了一套新的净零二氧化碳排放情景（net-zero CO2 emissions scenarios），限制了过量的调整。结果表明，短期内需要投资来限制温度，但这些投资将带来长期的经济收益。研究进一步确定了二氧化碳净零排放系统的替代配置，以及不同部门和地区在平衡源和汇方面的作用。即使没有净负排放，去除二氧化碳对于加速近期减排和提供人为碳汇(可以抵消难以减少的部门的剩余排放)也很重要。

研究方法

本文汇集了九个国际模型小组，并就这一主题开展了一个全面的模型相互比较项目(MIP)，来探索在limited overshoot情况下实现不同温度变化目标的缓解途径。本文所采用的情景设计是通过与一个固定的剩余碳预算进行对比，计算达到净零二氧化碳排放(净零预算情景)的时间；允许后一个世纪的碳预算暂时超支，只要净负二氧化碳排放(NNCE)在2100年之前将累积二氧化碳排放恢复到预算之内即可。

本研究采用的九个模型（IM-Hub, COFFEE, GEM-E3, IMAGE, MESSAGEix-GLOBIOM, TIAM-ECN, POLES, REMIND-MAgPIE和WITCH-GLOBIOM）涉及范围包括最小成本优化到可计算的一般均衡模型，从博弈论到递归动态模拟模型。所有模型都有common scenario，在减排情景中则考虑了在100 GtCO2增量中累计CO2排放小于3000 GtCO2的情况，并由此估算每个情景下的最低预算。在没有NNCE（net-negative CO2 emissions）的情景中，跨部门和区域的源和汇可能相互抵消，但不允许总二氧化碳排放变为净负；此外，一些模型还包括明确的生物多样性保护约束(MESSAGEix-GLOBIOM)，到2100年，由于非co2排放的减少，整个模型的温度峰值和下降幅度在0到0.14°C之间。与co2引起的overshoot相比，非co2气体对overshoot的影响相对有限。

NPi (baseline)情景基于SSP2，并假设目前批准的气候、能源和土地使用政策已得到实施。

NDC情景建立在NPi基础上，并假设2020年4月提交的NDC(无条件和有条件的NDC行动)在2030年之前得到落实。

研究发现

1. 对排放路径的影响

要达到严格的温度目标，限制overshoot，就需要在短期内迅速向二氧化碳净零排放转变。而一系列广泛的行为、生物物理、经济、地球物理、法律、政治和技术因素使得实现净零的转变具有挑战性。本文的模拟工作主要涉及与经济、地球物理和技术可行性有关的挑战。

可实现的最低净零二氧化碳排放预算(限制超排放量)是400-800千亿吨二氧化碳，这个预算范围对应的是21世纪升温的中位峰值在1.42°C至1.72°C之间。作者估计，到2030年，NDC情景下的温室气体排放量达到46.8-56.3 GtCO2e，远高于2°C (25-48.6 GtCO2e)的成本效益排放范围，更不用说到2030年的1.5°C (19.4-35.3 GtCO2e)。如果维持目前的NDC政策，所有模型中可实现的最低净零二氧化碳收支为500 - 1200千亿吨二氧化碳，这相当于变暖1.61°C和1.89°C，也就是说将升温限制在1.5°C是不可能的。

图1 排放与温度变化情况

a. NDC情景下的温室气体排放(灰色)，与另两种情景的比较；蓝色为峰值温度低于2°C并限制超调的严格控制排放的净零情景，红色是和蓝色情景具有相同的长期碳收支情况且考虑温度超调的世纪末预算情景。

b. 在特定温度稳定水平下，达到净零CO2排放后的剩余非CO2排放。方框显示数据的四分位数，超出部分表示剩余排放量。

c. 累积NNCE与温度达到峰值后的温度下降(即超调)之间的关系。红色为净零场景，蓝色为世纪末场景。

d. 达到二氧化碳净零排放的时间。将与本世纪末相同的净负排放的碳收支情景(红色柱)分别与蓝色柱代表的1.5°C(低超调)和2°C的净零预算情景进行了对比。高度表示在特定年份达到净零的情景数量。

作者还强调，尽管本文的净零预算方案不包括NNCE，但对于包括《巴黎协定》或欧盟气候中性目标在内的许多政策目标，需要NNCE来平衡剩余非二氧化碳排放，并实现温室气体净零排放。

2.  前期成本与长期经济收益

IPCC第五次评估报告强调，减缓气候变化的成本将随着时间的推移而上升；这些缓解成本传统上反映的是对国内生产总值的影响，而忽略了由于避免的影响而带来的缓解效益。作者发现，GDP降低0.5%-4.8%的情景中能使气候变暖低于1.5°C；GDP降低0.1%-1.6%时,气温上升控制在2°C以内。然而，一旦达到二氧化碳的净零排放，就可以放宽限制超量的净零预算情景中的缓解努力，因为不需要进一步减少排放；在这一阶段(本世纪下半叶)，由于需要较低的缓解支出，国内生产总值的增长正在加快。

最重要的是，作者发现，从长期来看，这种GDP的反弹远远大于限制温度过高的努力对GDP的前期抑制作用（如图2a）。

图2 短期内严格控制和限制温度超调情景下的经济影响

a.在本世纪下半叶的GDP发展情况，包括限制overshoot且无NNCE和有overshoot且有NNCE的减排情景。短期内净零预算情景下的GDP相对较低，但在本世纪下半叶，净零预算情景下的GDP得到了补偿，增长较大。

b.立即采取行动（immediate-action）的情景，与按照2030年NDCs目标设定下有同等的碳收支情景的GDP发展情况对比。短期内，由于减排行动的延迟，NDC情景下的GDP会更高；但到2040年，immediate-action情景下的GDP得到补偿，NDC情景的GDP将低于immediate-action情景且永远不会再反超。

c.假设不同折现率(0-5%)的累计GDP损失率(NPV，2020-2100)。折现率外生地应用于每一情景的GDP路径。每一种设想的总成本(政策造成的累计GDP)因折现率不同而不同，反映出成本在一段时间内的权重不同。面板显示了具有有限超调量的净零情景和它们相应的世纪末情景之间的NPV价格比率(比率<100意味着在特定假设下，具有有限超调量的情景被认为总体成本较低)。每个点代表一对具有特定碳收支的场景的比率(x轴)。

从方法论的角度来看，研究的结果表明，避免overshoot就会使整个世纪的“总体”累积缓解成本降低。每条路径的总体累积成本在很大程度上取决于贴现率，以及人们如何权衡短期GDP损失与长期GDP收益。如果贴现率小于2%，那么在没有overshoot的情况下，大多数1.5°C和2°C情景的累计成本总体上就会降低（图2c）。

另一个重要的成本因素是NDC。短期内作出的适度缓解努力导致2030年的成本相对降低；然而，自2040年起，NDC将产生负面经济影响，将温度限制在2°C以内的减缓努力将导致整个世纪的GDP损失相对较高(图2b)。

3. 净零二氧化碳排放系统

本文探索了一系列不同的净零二氧化碳排放系统。在CO2零排放系统中，一些部门和地区继续作为剩余排放的来源，而其他部门/地区的汇则从大气中去除CO2，以实现总体净零排放(图3)。

各个部门实现二氧化碳净零排放的时间各不相同。全球CO2排放在2050-2075年和2055-2100年分别在1.5°C 的low overshoot路径和2°C路径下达到净零。然而，在大多数情况下，AFOLU部门完全脱碳要提前10-40年，能源供应部门通常提前10-20年(图3c)。另一方面，需求方面的部门(建筑、工业和运输)，由于有许多小的分散的和难以减少的排放源，在许多情况下，作为综合净零战略的一部分，没有在整个世纪将排放减少到零。

此外，不同地区达到净零二氧化碳排放的时间也有很大差异。具有更大的低成本CDR潜力和大规模土地资源可用性的地区，如拉丁美洲和包括俄罗斯在内的改革经济体，往往比世界平均水平先脱碳；非洲、亚洲部分地区和中东等预计经济追赶程度高、未来人口持续增长、CDR潜力较低的地区往往较晚达到净零排放。

图3 CO2净零排放系统以及不同部门和地区在cost-effective情景下的贡献

a.分部门的CO2源、汇的发展情况(MESSAGEix-Globiom模型和1,000 GtCO2的净零碳收支预算)

b.不同模型的结果，显示了CO2达到净零排放时的部门贡献。

c.不同部门的净零时间(蓝线为全球总二氧化碳净零的时间)。

d.不同地区的汇和源的发展情况(MESSAGEix-GLOBIOM模型和1,000 GtCO2的净零碳收支预算)。

e.不同模型的结果，显示了CO2达到净零排放时的地区贡献。

f. 不同地区的净零时间(蓝线为全球总二氧化碳净零的时间)。

(注:此处没有显示REMIND-MagPie，因为设定1000 GtCO2的碳收支预算时不能达到净零排放。直方图包括所有限制温度<2°C的路径。)

研究结论

本文的研究已经证明，加速向净零排放过渡的情景避免了有利于温度超调的系统性（贴现）偏差。此外，还确定了一些行业和地区，为快速、大幅削减二氧化碳排放、实现零排放提供切入点。

二氧化碳净零排放系统意味着CDR措施的部署，对整个减排投资组合的可持续性有非常不同的影响。因此，CDR投资组合因模型而异，提供了技术选择方面的策略灵活性。

作者特别强调需求侧的调整措施，认为需求侧减排是减少剩余排放的关键；而瓶颈问题特别包括工业部门对碳质燃料的需求和运输部门，以及材料和消费品部门。

区域情景的结果显示了缓解的机会，但并不保证政治上的可行性。从经济角度来看，如果一些地区充当碳源，而另一些地区充当碳汇，将是最优解。然而，实现这样一个有效的解决办法是一项重大挑战，因为它需要国际合作和跨区域政策框架的市场。在此背景下，令人鼓舞的是，中国、欧盟、日本、韩国等一些关键国家/地区的净零排放目标与本研究中描述的转型步伐基本一致。

编辑&排版：张馨月

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