对稳定浓度目标下温室气体排放路径的探讨

刘 嘉 陈文颖 刘德顺

(清华大学能源环境经济研究所，北京100084)

长期以来，如何制定气候变化控制目标以及根据目标在国家间分摊温室气体(GHG)减排义务一直是国际政府间气候变化谈判的焦点问题。围绕这一问题，IPCC第四次评估报告［1］进行了相关研究，提出了6种稳定情景，但每种稳定情景中GHG排放及相应温升变化情况的不确定范围仍然很大。作为气候变化谈判的两大阵营，发展中国家和发达国家正处在不同的发展阶段，对气候变化控制目标的科学性以及稳定浓度目标下GHG排放路径的不确定性也存在着很大争议。事关国家利益，我国很多学者［2－7］对其进行了相关研究，但在稳定浓度目标下GHG排放路径的不确定性仍一直是一个热点和难点问题。

本文应用温室气体导致气候变化评估模型(Model for the Assessment of Greenhouse Gas Induced Climate Change，MAGICC模型)和 WRE(Wigley，Richels and Edmonds)排放情景对此进行了初步的研究和探讨。考虑到国际社会对于各种气候控制目标的认可程度，本文选择将2100年GHG浓度稳定在450和550 ppmv CO2e的浓度稳定目标，对比了能够满足上述目标的 IPCC稳定情景 I、III和WRE350、450排放路径，应用MAGICC模型对WRE排放路径进行了调整和运算，以探讨和分析稳定浓度目标下GHG排放路径的不确定性以及浓度的变化情况。

1 MAGICC模型描述

MAGICC模型是一个连接了大气循环、气候模块和冰融模块的气候变化评估模型，是最早被IPCC用来预测未来气候变化的模型之一［8］。MAGICC模型可与大气循环模型连接以预测未来的GHG浓度，并通过一个上翻－扩散气候模型连接了5个箱式模型，结合热扩散结果即可模拟未来全球平均温度的变化情况。

1．1 排放情景

为比较未来GHG浓度和全球平均温度的变化情况，可在MAGICC模型的排放库中调用不同的排放情景。MAGICC模型包括了所有主要GHG的影响，表1给出了三种最为主要的GHG(CO2、CH4和N2O)在不同历史阶段的浓度和自工业革命以来产生的辐射强迫估计值。

1．2 运行机理

模型首先将从排放库中选择和编辑排放情景，之后对模型运行需要的参数，如碳循环水平和气候敏感度等进行设定，最后确定模型运行的时间和周期，其运行机理如图1所示。其中，碳循环部分分别基于1个海洋碳循环模型和4个箱式模型，其碳排放计算如式(1)［9］所示:

表1 主要温室气体的浓度和辐射强迫值［1－2］Tab．1 The concentration and radiative forcing of main GHG

其中:dC/dt是t年GHG的排放变化量，Efossil表示使用化石燃料造成的CO2排放量，Dn是排放计算的不确定量，Socean和Sfert分别表示森林和海洋吸收的CO2排放量。这与IMAGE-AOS模型和BERN碳循环模型是类似的，它们的碳排放计算式以及浓度与排放的关系式如表2所示。

表2 IMAGE-AOS模型和Bern碳循环模型的理论关系式［1］Tab．2 The theoretic relationship of IMAGE-AOS model and Bern model

由表2可见，这两个模型虽然碳排放计算有所不同，但其浓度变化都是将碳净排放或累计排放乘以转换系数得出。同样地，在MAGICC模型中，当大气循环和气候模型等参数设定之后，模型将调用排放情景并将大气循环、气候模块和冰融模块综合到模型软件包内，得到未来GHG浓度、全球平均地表温升和海平面上升的变化结果。

2 排放路径调整及结果分析

为将GHG浓度稳定到550 ppmv CO2e，IPCC报告指出全球CO2排放须在2010－2030年间达到峰值，而WRE排放情景则为2005－2015年，两者存在一定差距。图2是IPCC排放情景和WRE排放情景的比较情况。

由图可见，要想将GHG浓度稳定到更低的水平，CO2排放量需更早达到峰值并开始回落，且稳定水平愈低，出现峰值和回落的速率也更快，两个情景在总体趋势上均体现出这一特点。但在同样的稳定浓度目标下，如450和550 ppmv CO2e的GHG浓度稳定目标下，IPCC排放情景I和WRE 350排放路径以及IPCC排放情景III和WRE450排放路径出现峰值的年份范围均有一定差距。下面，本文将应用MAGICC模型对WRE350和WRE450排放路径进行调整和运算，并对结果予以比较和分析。

图1 MIGICC模型的运行机理图［10］Fig．1 The running mechanism of MAGICC model

图2 IPCC 排放情景［1］和 WRE 排放情景［8］的比较① IPCC每种排放情景考虑最上限和最下限，WRE排放情景中NFB为不考虑气候反馈的情况。Fig．2 The comparison of IPCC emission scenario and WRE emission scenario

2．1 排放情景说明

如前所述，各气候模型虽碳排放计算有所不同，但其浓度变化都是将净排放或累计排放乘以转换系数得出。因此，本文尝试在累计排放量不变的前提下，将WRE350和WRE450排放路径的峰值①考虑到CO2是最主要的温室气体，为简化模型运算，本文对排放路径进行调整的峰值均指CO2排放峰值。年份分别予以调整。受篇幅所限，仅给出WRE450排放路径的调整过程:首先，将WRE450峰值出现的年份由原路径的2010年调换至2015年和2020年，而其他年值不变;其次，考虑到上述调整仅针对峰值时点，为进一步研究排放路径与浓度的关系，在累计排放量不变的前提下，将WRE450的峰值按照其原斜率水平外推至2015－2040年(记为WRE450’排放情景，以峰值年份区分，如图3所示)。WRE350也同样将其峰值进行外推，记为WRE350’排放情景。

由图3可见，为保证WRE450’累计排放量不变，新排放路径在到达峰值后需迅速回到原排放路径，并进行更大力度的减排，且出现峰值年份越晚，减排力度需更大。

图3 WRE450’排放情景Fig．3 WRE450’emission scenario

2．2 模型运算结果

由模型结果可得，在第一步对WRE350和WRE450排放路径进行微调的情况下，目标年的浓度与原排放路径相比几乎不变。以WRE450为例，峰值为2020年与2010年相比，CO2浓度的最大差为0．1 ppmv，而2100年的浓度差仅为0．01 ppmv。下面，将主要分析WRE450’排放情景的运算结果，其CO2浓度变化情况如图4所示。

图4 WRE450’排放情景的浓度变化情况Fig．4 The concentration of WRE450’scenario

由图4可见，其浓度变化可分为三个阶段:首先，随着峰值调整逐渐滞后，其浓度变化将逐渐加剧;当排放路径到达峰值并迅速回落时，其浓度变化也在达到最大值后逐渐变缓并回到原浓度水平;最后，当调整后的排放路径在后期进行更大力度的减排时，浓度将低于原排放路径水平，且目标年的变化值要远小于浓度变化最大值。WRE350’排放情景的浓度变化情况也体现出同样的阶段性特点。

2．3 结果比较与分析

如上显示，将WRE350、450排放路径峰值推迟后，浓度在预测期内均有所增加，增幅取决于排放路径的调整力度，但目标年改变值较小。下面，对浓度变化的最大值与目标年改变值进行对比，如图5所示。

图5中所标数值分别为将WRE450排放路径峰值年份调整至2020－2040年时，与原排放路径浓度相比浓度变化的最大值和目标年的改变值(取其绝对值)。由图5可见，随着峰值调整时间逐渐滞后，浓度变化最大值逐渐加剧;目标年的改变值也体现出同样趋势，但仅为最大值的1/3左右。当峰值年份调整至2035年时，浓度改变的最大值为22.8 ppmv，而目标年的改变值仅为7.5 ppmv。WRE350’排放情景的CO2浓度变化情况也体现出同样特点，当峰值年份调整至2020年时，浓度改变的最大值为6．4 ppmv，而目标年的改变值仅为 1．9 ppmv。

以上说明在累计排放量不变的前提下，对排放路径的调整对预测期内的浓度有一定影响，但对目标年的影响较小。这就可以解释为何IPCC和WRE排放情景虽然排放路径不同，但却能满足同样的浓度稳定目标。图6是IPCC和WRE排放情景累计排放量的比较情况。

图5 WRE450’排放情景CO2浓度变化比较Fig．5 The comparison of the concentration change of WRE450’emission scenario

图6 IPCC与WRE的累计排放量比较① IPCC排放情景分别按照最上限和最下限计算累计排放量。Fig．6 The comparison of cumulative emissions of IPCC and WRE emission scenario

由图可见，IPCC和WRE排放情景中相应排放路径的累计排放量均在一定水平浮动。以550 ppmv CO2e的浓度稳定目标为例，它们在2000－2100年期间的累计排放量均在600 GtC左右。其中，WRE450排放路径在考虑和不考虑气候反馈情况下的CO2累计排放量分别为540 GtC和650 GtC，均值为595 GtC，在不考虑气候反馈的情况下所允许的碳排放空间可增加大约20%;而在IPCC情景III中，最下限和最上限对应的 CO2累计排放量分别为450 GtC和720 GtC，均值为585 GtC。WRE350排放路径和IPCC情景I的对比也体现出如上特点，如图6所示。

综合以上，通过对稳定浓度目标下排放路径变化情况的探讨和排放路径调整后浓度变化结果的分析可知，目标年浓度的变化将取决于起始年至目标年的累计排放量和排放路径。当排放路径峰值逐渐调整滞后时，在后期进行更大力度的减排可使累计排放量在预测期内保持不变;而浓度在预测期内虽然将有所增加，但目标年的变化较小。考虑到我国正处于快速的工业化和城市化进程，尽管我国已明确制定了2020年单位GDP的二氧化碳排放量相比2005年水平降低40%－45%的减排自主行动目标，但由于特殊的发展阶段和能源结构，我国的碳排放绝对量在较长的一段时间内还将持续增长。根据各方面研究［11－12］，即使在低碳发展情景下，我国整体碳排放也需在2030－2035年才能达到峰值。如果我国能结合自身发展阶段特点争取延缓碳排放空间，使碳排放水平仍可以先继续缓慢增长，而在工业化进程完成之后再承担GHG减排义务，届时许多减排技术(如可再生能源发电和碳捕获与封存技术等)也将有望通过商业化进程降低成本并日臻成熟，这对我国未来能源、环境和经济的可持续发展是较为有利的。

3 结论

如何制定气候变化控制目标以及根据目标进行碳排放权分配一直是国际政府间气候变化谈判的焦点问题。由于国际社会对气候变化控制目标的科学性以及确定目标下GHG排放路径的不确定性一直存在争议，使稳定浓度目标下排放路径的不确定性成为了一个热点和难点研究问题。本文应用MAGICC模型对WRE排放路径进行了调整和运算，对2100年GHG浓度控制在450和550 ppmv CO2e稳定目标下排放路径的变化及影响进行了初步的研究和探讨。结果显示，目标年浓度的变化取决于累计排放量和排放路径。将排放路径峰值逐渐调整滞后时，为保证累计排放量不变，需在后期比原排放路径进行更大力度的减排。浓度在预测期内将逐渐增加，但目标年的结果变化较小，约为浓度变化最大值的1/3左右。

考虑到气候变化科学中相关资料和数据的可得性，本文对此进行的研究和探讨是很初步的。进一步地对浓度改变将导致温升变化的探讨则更需考虑到辐射强迫、气溶胶以及气候模型中对气候反馈和气候敏感度等重要参数的设定，这个过程的不确定性将进一步变大。未来随着国际社会对气候变化研究中的不确定性等关键问题进行更深入的科学研究并达成广泛共识，可为此提供更坚实的科学基础和更新颖的研究思路。我国应紧密追踪气候变化科学中不确定性和最新进展并开展相关研究，力求在此基础上提出基于公平原则和自有研究成果的GHG排放路径。这将为发展中国家争取合理权益，使国家在气候谈判中把握主动，为我国在快速工业化和城市化进程中转变经济发展方式，迈上低碳发展之路赢得充分的准备时间。

(编辑:刘文政)

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