张人禾        复旦大学供图

随着全球气候持续变暖，各种极端天气频发，碳中和问题也成为全球关注的焦点。

碳中和问题因人类活动向大气中排放温室气体，导致全球变暖而起。这些温室气体以二氧化碳为主，包括少量甲烷和氧化亚氮等。研究大气与陆地、海洋间的碳循环及其介面间的物质和能量交换过程，以及地球自然系统和人类社会经济系统之间的相互作用，是深入认识地球系统科学的关键，也是碳中和领域最前沿的科学挑战。

气候变化导致极端天气频发、海平面上升、生态系统改变，还造成高温、恶劣天气、空气污染等问题，造成人们产生过敏反应，影响人类身体健康。因此，我们要了解实现碳中和过程对气候变化、公众健康和社会经济发展带来的影响和风险。

实现碳中和的四个科学问题

在世界经济论坛发布的《2021年全球风险报告》中，位列第一的风险是气候行动失败，第二是传染病，第三是生计危机……

这些自然系统或社会系统的风险和危机并非孤立存在。比如，人类活动向大气中排放温室气体，导致全球变暖，而气候行动失败会关联所有其他危机。

人类活动的碳排放最终会储存到大气、陆地或海洋系统中，但碳在各系统中的含量是不断变化的。大气、陆地、海洋三个系统之间存在碳交换过程，大气里的碳可以进入海洋或陆地中，同样，海陆之间的碳也能相互交换。

因此，在实现碳中和过程中，有四个和大气科学密切相关的科学问题需要关注。

一是要理解碳中和过程，知道大气中到底有多少碳，要认识气候变暖背景下大气、陆地和海洋之间碳的变化，还要知道它们之间的碳循环过程；二是建立数值模型，建立海、陆、气耦合的大气温室气体数值模拟和数值预测模型系统。由于观测站点有限，仅靠观测无法知道碳在大气、海洋和陆地的精确分布、碳循环过程及其时间变化，因此需要建立数值模拟系统，实现海—陆—气过程与温室气体排放源、吸收汇、区域和全球温室气体变化、以及区域之间传输的准确测算并预测未来变化；三是建立大气、陆地、海洋界面的物理、化学、生物过程的一体化观测系统，认识各圈层的相互作用，以及物质和能量交换过程；四是建立社会经济系统的动力学模型，认识社会经济系统与自然系统之间的相互作用，并在一体化动力学模型中实现双向耦合。

碳中和不仅是自然系统的问题，和人类活动也密切关联。比如，全球气候变暖和能源、金融、保险、水资源、食品、农业、交通、运输、旅游、健康等社会经济系统密切相关。自然系统和社会经济系统紧密相连、相互作用，因此要通过动力学模型来刻画二者之间的相互作用。

影响和风险须弄清楚

能源转型（实现以清洁能源为主）是实现碳中和的关键问题之一。清洁能源中风能、太阳能都和大气状态有关，风能的产生取决于大气的状态（风速、风向等），太阳辐射也受大气中云和气溶胶等影响。因此，要更好地利用清洁能源，需要建立精细化大气数值模式，开展太阳辐射和风场预报。

大气状况还涉及能源安全，比如，水利发电与大气降水密切相关，气温高低又影响能源消耗。此外，与大气科学有关的极端天气事件也对能源生产和供应产生重大影响。2022年夏季，中国东南部极端高温事件对电力供应造成极大考验；2008年1月，南方冰冻雨雪灾害天气，几乎使电力设施被毁；2021年2月美国东部的极冷天气让一些地区的电力、能源系统崩溃。因此，加强极端天气事件的成因和影响研究、提升预报预防能力，是保证能源安全的一项重要基础性工作。

全球变暖不仅是气温变化问题，还涉及海洋温度、极端降水、冰川减少、海平面上升等，对自然环境产生一系列冲击。实现碳中和目标，必须对减少温室气体排放可能的影响有清晰认识，要考虑实现碳中和过程中，会带来怎样的自然环境变化，这对经济社会发展和人类健康都至关重要。

德国经济问题观察家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在《气候经济学》中指出，天气在全球4/5的经济活动中扮演着决定性的角色。英国经济学家尼古拉斯·斯特恩(Nicholas Stern)，在《斯特恩报告》中指出，不断加剧的温室效应将会严重影响全球经济发展，其严重程度不亚于世界大战和经济大萧条。

但碳中和过程所造成的气候变化对经济产生多大影响，有哪些风险，这些问题我们仍不清楚。目前，相关研究主要集中在气候变暖对公众健康的影响上，实际上，社会经济发展与气候密切联系，碳中和过程导致的气候变化对经济产生的影响也亟待研究。

以科学研究推动实现碳中和

大气与陆地、海洋之间碳循环及，其介面之间的物质和能量交换过程，地球自然系统和人类社会经济系统之间的相互作用研究，是大气科学与其他学科的深度交叉，是深入认识地球系统科学的关键，也是涉及碳中和领域最前沿的科学挑战。

对这些挑战，目前我们还给不出比较好的答案。但建立自然和社会经济耦合模型，不仅是科学制定和评估碳中和实现路径的重要工具，也是人类社会实现可持续发展的基础数字设施。

现在，数字地球建设已提上日程，上海也在建设数字化城市。自然和社会经济耦合模型将建立经济社会发展模型，将自然和社会经济系统数字化，这会成为数字地球的重要组成部分。

当前，世界各国家都在进行减排和能源替代探索，因此我们更要知道这一过程对气候变化有什么影响，对经济社会发展和公众健康有什么潜在风险，这也是实现碳中和目标的一项基础性工作。

（本文据中国科学院院士、复旦大学大气科学研究院院长张人禾在“瞰见未来”2023复旦大学管理学院新年论坛的演讲整理）