“碳中和”之路，“寰”力相助！丨地球模擬實驗室_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-2021-06-09 09:01
編者按：地球系統數值模擬裝置——“寰”，是國家“十二五”重大科技基礎設施項目，它是面向地球科學的高性能模擬裝置。中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設的“地球模擬實驗室”專欄，將為大家介紹這一裝置的強大功能，及其在應對氣候問題，解決環境問題中所扮演的重要角色。
從1880-2020年全球平均地表温度變化可以看出，自19世紀末工業革命以來全球變暖趨勢極為顯著（視頻來源：NASA）
我們的地球在“發燒”
自19世紀末以來，地球的平均地表温度上升了約1.18℃，大多數變暖過程發生在過去40年裏，其中2016年和2020年是有記錄以來最熱的兩年。
人類需要為這場“高燒”擔起主要責任。
從格陵蘭島、南極洲提取的冰芯數據表明，在上個冰河時代之後，人類活動產生的二氧化碳增長速度比自然界快了250多倍。
在這層越來越厚的“碳被”保温作用下，地球平均温度越來越高，自然界逐漸出現了一些“不適”現象。
最為顯著的就是全球冰川消融。從1993年到2019年，格陵蘭島平均每年損失2790億噸冰，而南極洲每年損失約1480億噸冰。陸地冰川消融，温度變暖海水膨脹，導致自1880年有記錄以來，全球海平面上升了約20釐米。
北極海冰全年最小面積變化情況（圖片來源：NASA）
不僅如此，全球温度的升高意味着我們將面臨更多極端災害天氣：極端熱浪、極端乾旱、極端強對流天氣以及更為猛烈的颱風襲擊等等。
然而並不是每個國家都有足夠的能力應對這樣的自然災害。隨着氣候變化下極端天氣事件的頻頻發生，全球“氣候難民”人數在不斷上升，這為人類危機埋下了隱患。居住在“高燒不退”的地球上的人類該如何應對嚴峻的氣候變化形勢及其造成的無法預知的可怕後果？
全球變暖將帶來更頻繁的山火、更嚴重的乾旱以及更為猛烈的颱風（圖片來源：NASA）
“碳中和”，人類最佳的選擇
既然全球變暖是由於大氣二氧化碳濃度的不斷升高所造成的，那麼當務之急就是限制全球温室氣體的排放，將大氣中的温室氣體濃度維持在一個穩定的水平。
但排放容易減排難，這是一個涉及到科學、經濟、政治等多個領域的重大戰略問題，解決這一問題需要一個有力的、全球規模的應對制度來支撐。
1992年，聯合國環境與發展大會通過了《聯合國氣候變化框架公約》（簡稱《公約》），邁出瞭解決氣候變化問題的第一步，這一公約的終極目標是防止氣候系統受到“危險的”人為干擾。
《聯合國氣候變化框架公約》標誌（圖片來自網絡）
《公約》生效一年後，聯合國與各國進行承諾談判，要求各個國家提出具有法理約束力的量化減排指標。經過多輪談判，於1997年12月達成《京都議定書》，要求發達國家遵守集體減排目標。
隨着各國政治意願和全球合作共贏理念的不斷增強，2015年在各國的共同努力下，基於《公約》制定的《巴黎協定》首次提出讓所有國家共同致力於實現相同的長期目標：加強對氣候變化所產生的威脅做出全球性回應，到本世紀末，將全球平均温升保持在相對於工業化前水平2℃以內，併為全球平均温升控制在1.5℃以內付出努力。
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發佈了《IPCC全球升温1.5℃特別報告》
然而實現控制1.5℃温升目標面對着巨大挑戰和不確定性。能否把全球平均温升控制在1.5℃以內取決於人類社會在能源、土地、城市、基礎設施和工業等方面能否實現前所未有的快速且深遠的轉型，這將給社會經濟帶來巨大影響。
中國作為最大的發展中國家，更要展示出我們面對全球問題時的大國擔當。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，強調中國將提高國家自主貢獻力度，採取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭於2030年前達到峯值，努力爭取2060年前實現碳中和。
2020年9月22日國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話（新華社發，圖片來源：UN Multimedia /埃瑟金德爾·德貝貝 攝）
中國作為全球碳排放大國，提出的實現“碳中和”目標的承諾是全球應對氣候變化進程中的里程碑事件，得到了國際社會的積極響應。2060年實現碳中和無疑是一個雄心勃勃的目標，但因為目前我國仍處在經濟快速發展時期，許多行業和地區的發展仍然依賴化石燃料的燃燒，碳排放量仍在上升——實現“碳中和”並非易事！
在1.5℃温升目標下，不同模式得出的中國需要減少的温室氣體排放率。綠色、粉色和藍色區域表示分別表示二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的情況。（圖片來源：Duan et al 2021）
中國“碳中和”之路，“寰”力相助
中國到2060年實現碳中和，實際上就是要努力實現1.5℃温升目標下長期深度的脱碳轉型路徑，尋求一條保護地球與可持續發展的共存之路。
這是一個複雜的科學問題，涉及人類社會各行業領域與自然世界的相互影響，包括海洋、大氣、陸地、生態等等。
2020年12月24日，中國科學院大氣物理研究所成立全國首家從事碳中和基礎研究的科研機構，旨在為我國實現碳達峯、碳中和提供科學路徑和科技支撐。
中國科學院大氣物理研究所碳中和研究中心（籌）掛牌成立
中科院大氣物理研究所自2011年起就承擔了中科院A類先導專項“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”，初步建立起地基、天基和空基相結合的觀測系統以及數據反演計算的方法體系，可支撐全國各地市碳排放、碳源匯收支的精確核算與科學評估。
不僅如此，由大氣所牽頭的國家重大科技基礎設施“地球系統數值模擬裝置”——寰（EarthLab）即將建成，以進一步支撐我國在“碳中和”方面重大決策的制定。
地球系統數值模擬裝置，簡稱地球模擬實驗室。人們用數學物理方程描述地球系統各大圈層中的自然物理過程（如大氣運動方程、熱力學能量方程等），輸入觀測數據後利用超級計算機對這些方程進行數值求解，從而能夠推演出不同圈層的變化。如果擁有地球模擬實驗室，我們就能夠在超級計算機上進行全球規模的科學計算，在此基礎上模擬地球的現狀，預測未來的氣候變化。
地球模擬實驗室 “寰”將於2021年在北京市懷柔科學城東部組團密雲經濟開發區初步建成
無論是1.5還是2℃温升目標，均是基於全球先進的地球模擬實驗室計算出來的——通過計算出不同碳排放量產生的升温預估以及氣候系統各圈層對升温的響應，最終確定一個合適的温升目標。這必然涉及到對全球碳源匯收支的科學評估，對碳氮循環過程、生物地球化學過程的全球尺度模擬，是一項具有寬廣時間尺度的超級計算工程。
我國的地球模擬實驗室“寰”具有過程完善的地球系統模式以及面向地球科學的高性能計算機系統，能夠實現高精度的數值模擬計算，以應對寬廣時空尺度上的氣候系統的非線性計算。
“寰”計算機硬件平台“硅立方”展示圖
不僅如此，“寰”能夠更全面地考慮地球系統的各個組成部分，特別是與地球生態系統和生物地球化學過程的相關模擬及其與氣候系統的相互作用，在此基礎上建立起“生態-氣温-CO2濃度-碳排放量”的清晰關係。
比如陸地系統作為全球最重要的碳匯之一，其作用在制定“碳中和”決策中不可忽視。“寰”使用的新版全球植被動力學模式（IAP-DGVM）能對全球植被分佈和碳通量進行準確的模擬，從而更準確地把握陸地生態系統對全球變化的響應和反饋。
因此，“寰”的建成和使用將為我國制定“碳中和”決策和實現“1.5℃温升目標”提供強有力的科技支撐。
“寰”模擬的全球陸地生態系統自然植被分佈情況
放眼全球，美國、日本等發達國早已建成了地球系統數值模擬裝置。“寰”的問世表明中國在地球模擬科學特別是在全球氣候變化學術領域不再處於被動地位，在應對全球氣候變化問題時，我們將能夠掌握更多的話語權！
參考資料：
1. https://www.giss.nasa.gov/research/news/20170118/
2. https://data.giss.nasa.gov/gistemp/
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315079133
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7. Gaffney, O.; Steffen, W. (2017). “The Anthropocene equation,” The Anthropocene Review (Volume 4, Issue 1, April 2017), 53-61.
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9. Duan, H. et al. (2021), Assessing China’s efforts to pursue the 1.5°C warming limit, Science, doi/10.1126/science.aba8767
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來源：中國科學院大氣物理研究所