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气候变化科技领域国际发展趋势及其启示

发布时间:2022-02-05 14:00
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气候变化问题是国际社会普遍关注的焦点之一,深刻影响着自然社会经济系统的各个方面。本文梳理了2016年以来气候变化科技领域的重大战略计划和政策措施,综述了领域重大研究前沿与进展,以期把握气候变化科技领域的国际发展趋势。随着国际社会对气候变化事实及其成因共识的日渐统一,国际社会应对气候变化的行动不断深入。2016—2019年,国际社会在低碳创新方面的战略布局与科研投入日益增加,全球增温停滞现象及其成因、气候变化对极端天气事件影响的归因、碳去除技术及CO2转化利用等是该领域研究的热点问题。基于气候变化科技领域的国际发展趋势分析,对我国的气候变化科技工作提出加大应对气候变化相关科学研究工作的科技投入、更多关注面向社会需求导向的气候观测系统部署、尽快制定负排放技术的研究议程等建议,以期为我国相关领域创新决策提供参考。

一、气候变化科技领域重大战略与布局

2016—2019年,世界气候研究计划发布的战略计划更多地强调迎合社会需求,低碳创新活动正在全球范围内全面展开,以欧盟、英国为代表的发达经济体在绿色低碳经济发展、汽车行业低碳技术研发等方面持续进行资金投入与前瞻布局。多国针对气候变化应对问题进行战略部署,而美国特朗普政府“去气候化”政策却与全球确保实现《巴黎协定》升温目标所需的努力背道而驰。

(一)WCRP发布《2019—2028年战略计划》

2019年6月17日,世界气候研究计划(World Climate Research Programme, WCRP)发布《2019—2028年战略计划》,概述了WCRP未来10年的科学目标与重点,使气候科学能够服务于整个21世纪的社会需求。该战略计划主要围绕气候系统的基本认识、预测气候系统的近期演变、气候系统的长期响应、促进气候科学与社会的交流等4个科学目标,相关的科学重点涉及:气候动力学、物质与能量的储存和输送、提升预测能力、预测极端事件、地球系统模拟能力、气候与社会系统的相互作用、与社会各界交流互动。气候极端事件归因与形成机理、多尺度预测、极端事件影响与风险评估等方面成为当前气候变化领域研究的重点关注方向。厘清极端事件发展中的动力学和热力学作用、自然变率的变化及其相互作用等关键过程,利用无缝隙全球观测资料改进不同时间尺度预测则是未来的重点发展方向。

(二)国际社会关注运输行业的零排放

2018年4月13日,国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)在伦敦通过减少船舶温室气体排放的初步战略,力争2050年的温室气体排放总量比2008年至少减少50%,并逐步迈向零碳目标。2018年7月9日,英国交通部(Department for Transport, DfT)发布“零碳道路战略”,制定了全国范围内大规模扩展绿色基础设施的计划,以减少英国道路车辆的排放,推动零排放汽车、货车和卡车的发展。2018年7月16日,英国DfT和商业、能源与工业战略部(Department for Business, Energy & Industrial Strategy, BEIS)宣布一项3.43亿英镑的行业与政府联合资助计划,将推动英国航空航天业进入更加清洁和绿色的新时代。2019年5月15日,英国政府宣布拨款2500万英镑,用于资助22个零排放交通创新项目,主要包括快速充电的新型电动摩托车技术、减少排放的农用车辆研究、在传统柴油车上增加电动驱动桥等,这些项目是实现政府《产业战略》和《零道路战略》的关键。2018年9月11日,澳大利亚首都特区、巴巴多斯、白俄罗斯、丹麦、法国、印度尼西亚、意大利、马耳他、墨西哥新莱昂州、荷兰、葡萄牙、美国华盛顿州、阿拉伯联合酋长国和英国共14个国家(地区)在英国召开的首届零排放车辆峰会上签署了《关于零排放车辆的伯明翰宣言》,承诺加速向低排放车辆的过渡。同日,英国在零排放车辆峰会上宣布1.06亿英镑用于研发绿色汽车、新电池和低碳技术,旨在将英国置于零排放车辆设计和制造的最前沿。此外,行业界也宣布投资超过5亿英镑,在英国创造超过1000个工作岗位。

(三)欧盟布局绿色低碳经济发展研究

2017年10月27日,欧盟发布《地平线2020工作计划(2018—2020)》,在应对“气候行动、环境、资源效率和原材料”的社会挑战方面,提出围绕“建设低碳、具有气候恢复力的未来”(33亿欧元预算)开展研究和创新行动,将重点支持制定到21世纪下半叶实现碳中立与气候恢复力的解决方案。2018年5月2日,欧盟委员会(European Commission)发布《欧盟2021—2027年多年财政框架预算提案》,将气候相关的支出比例从20%提高至25%。欧盟委员会建议继续并加强已经确立的“环境与气候行动计划”(LIFE)(LIFE计划是欧盟资助环境和气候行动的重要基金,自1992年启动以来已经筹集了超过90亿欧元支持4500多个项目),对LIFE的预算为54.5亿欧元。LIFE的重点是发展和实施应对环境和气候挑战的创新方法,旨在帮助向循环、资源有效性和节能、低碳和气候适应型经济转型。2016—2019年,欧盟委员会在LIFE框架下持续投资了1.608亿欧元用于资助气候变化减缓、气候变化适应、气候治理和信息化工程项目。2019年2月26日,欧盟宣布启动一项超过100亿欧元的“创新基金”(Innovation Fund)资助计划,以支持创新性低碳技术示范,促进高度创新的技术投入市场应用。创新基金是欧盟首个专门支持实现欧盟2050年气候中立战略愿景的重要资金工具,是世界上最大的气候行动筹资计划之一,通过向成员国提供低碳资助,促进欧盟向气候中立、竞争性和创新的经济转型。

(四)英国发布《清洁增长战略》

2017年10月12日,英国发布《清洁增长战略》,确定了在技术突破和大规模部署方面需要实现最大进展的关键政策行动,为2030年前英国低碳经济发展描绘了雄伟蓝图。英国政府将在2015—2021年投资超过25亿英镑用于低碳能源、运输、农业和废物方面的研究、开发与示范,以进一步推动脱碳。这包括:1)英国BEIS发布的《能源创新计划》(Energy Innovation Programme)投入多达5.05亿英镑,旨在加快创新清洁能源技术与过程的商业化。2)多达12亿英镑来自英国研究理事会(UK Research Councils)和英国创新署(Innovate UK),包括为能源系统孵化器(Energy Systems Catapult)和离岸可再生能源孵化器(Offshore Renewable Energy Catapult)提供资金。3)高达2.46亿英镑的“法拉第挑战”计划,这将确保基于在电池设计、开发和制造方面引领世界。4)来自政府各部门高达6.2亿英镑的支持,包括环境、食品及农村事务部(Department for Environment, Food and Rural Affairs, DEFRA),外交、联邦和发展办公室(Foreign, Commonwealth & Development Office, FCDO),DfT,BEIS,以及额外的产业战略挑战基金(Industrial Strategy Challenge Fund, ISCF)支持。

(五)多国/地区制定应对气候变化的长期战略

2018年11月28日,欧盟委员会发布题为《人人享有清洁的地球:欧洲实现繁荣、现代化、具有竞争力和气候中立的经济体的长期战略愿景》的报告指出,欧盟已经开始向气候中立型经济体转型,为了对稳定21世纪的气候做出贡献,欧盟应该在2050年之前第一个实现温室气体净零排放并引领世界前进。2019年12月11日,欧盟委员会发布《欧洲绿色协议》,提出通过向清洁能源和循环经济转型,促使欧盟在2050年以前率先实现气候中立。2019年2月25日,澳大利亚政府推出《气候解决方案》,启动35亿澳元的投资帮助澳大利亚兑现2030年的温室气体减排承诺,主要通过现有的减排基金(Emissions Reduction Fund, ERF),提供一个20亿澳元的气候解决方案基金(Climate Solutions Fund),减少整个经济领域的温室气体排放,让农民、小企业和土著社区有机会改善环境,并从新的收入机会中获益。2019年8月,新西兰政府发布《新西兰低排放经济》和《新西兰低排放未来路线图》,针对推动低碳转型的关键部门(运输、电力、林业、农业等)进行了相应的政策设计,规划了到2050年新西兰低排放的路线图。

(六)美国发布一系列“去气候化”政策

相较于世界其他国家和地区积极应对气候变化,美国特朗普政府却推出一系列“去气候化”举措。自2017年1月20日上任以来,特朗普采取了一系列阻碍气候行动的政策,主要涉及:1)宣布《美国优先能源计划》(America First Energy Plan),废除《气候行动计划》(Climate Action Plan);2)发布总统备忘录,推进Keystone XL和达科他(Dokata)两项输油管线建设,并就加速环境审查和高优先级基础设施项目的批准签署行政命令;3)美国环境保护署(Environmental Protection Agency, EPA)撤销石油和天然气甲烷排放信息要求;4)EPA和美国国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)宣布重新审查2022—2025年车型的温室气体标准;5)2018财年预算蓝图大幅削减气候变化相关经费预算;6)国务院批准Keystone XL输油管道项目;7)签署能源独立行政命令,撤销奥巴马政府时期的气候变化政策,推动煤炭行业和油气开采业就业;8)签署美国离岸能源战略的总统行政命令,扩大美国离岸能源开采范围;9)宣布退出《巴黎协定》。

二、国际气候变化科技领域研究前沿与进展

2016—2019年,国际气候变化科技领域在全球增温停滞现象及其成因、气候变化对极端天气事件影响的归因、气候变化代用指标重建气候历史、气候变化的确切时间、碳去除技术及CO2转化利用等方面取得重要的突破与进展。

(一)全球增温停滞现象及其成因研究持续受关注

“全球增温停滞”是指1998—2012年观测到的全球地表平均温度(Global Mean Surface Temperature, GMST)增暖趋势较1951—2012年明显减缓的现象,尤以观测到的北半球冬季全球地表平均温度趋势下降最为显著。2016—2019年,学术界围绕全球变暖停滞现象及其成因开展了大量研究工作。以加拿大维多利亚大学的科研人员为首的研究团队,指出最近修正和更新的地球表面温度数据支持全球变暖出现减缓的论调,太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)可以解释近期出现的变暖减缓。而其他科学家则认为,全球变暖从未消失,全球气温的短期波动是正常现象。来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织、英国布里斯托大学、约克大学、美国哈佛大学、德国波茨坦气候影响研究所等机构的研究人员联合解决了关于全球变暖“停滞”混淆的问题,指出没有证据表明全球变暖趋势出现明显中断或放缓。有关全球增温停滞的分歧主要是使用不同的数据集、时间序列以及间歇期定义所致,可以通过适当处理模型和观测结果加以调和;全球变暖可能被年际和年代际自然气候变率所掩盖;全球增温停滞现象是地球能量系统的滞后响应,海洋作为热汇吸收了多余的热量;引起增温停滞所需要的能量偏差比想象的更小,大气层顶能量的向外辐射是造成增温停滞期间内部变率的来源;北极地区的快速升温可能抵消了近年来热带东赤道地区降温对全球平均气温的影响;随着温度升高,全球变暖停滞的现象会越来越罕见,直到2100年全球变暖暂停的现象会消失。

(二)气候变化对极端天气事件影响的归因可靠性不断提高

目前可以更加明确地判定,极端事件发生的频率和强度的不断增加与气候变化有关。来自瑞士伯尔尼大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的科研人员认为,1982—2016年全球变暖使海洋热浪的发生频率加倍,未来全球变暖背景下海洋热浪的发生概率、持续时间和强度都会急剧增加。美国国家科学、工程和医学研究院下属的极端天气事件和气候变化归因委员会(Committee on Extreme Weather Events and Climate Change Attribution)指出,得益于对气候和天气机制的认识加深以及研究特定事件的分析方法的改进,相对较新的极端事件归因科学得以迅速发展。有关极端事件归因的方法一般分为两类:1)凭借观测记录来确定极端事件的发生概率或强度的变化情况;2)使用模型模拟以比较在有/无人类活动导致气候变化的情况下极端事件的呈现形式。这两种方经常同时出现于大多数研究之中。美国气象学会从2012年开始发布有关极端天气事件的年度特别报告,2020年发布的报告指出,由于人为活动引起的气候变化,导致极端事件正在发生改变。极端天气已成为2019年的“新常态”,极端天气发生的可能性继续提高,并且强度越来越大。

(三) 南极冰芯将重建的气候历史向前推进170万年

美国普林斯顿大学和缅因大学领导的科研团队在南极艾伦山(Allan Hills)钻取到距今270万年的冰芯,比先前的冰芯记录向前推进了170万年。冰芯是证实地球过去几百万年大气状况的重要线索,冰芯气泡中蕴含的古大气记录,将有可能揭示触发冰期的重要因素。对冰芯采样的分析表明,更新世早期大气中的CO2浓度在300ppm以下,远低于目前的400ppm, 或推翻此前一些间接测量的结果。该发现还开启了找到更古老冰层的方法,冰芯取样来自一个以往被忽略的“蓝冰”地区,该地区具有独特的动力条件可以保存旧的冰层。此项研究被《科学》期刊评为2017年全球十大科学突破。

(四)气候变暖始于工业革命早期

科学界一直都不太确定气候变化的确切起始时间。来自澳大利亚、美国、西班牙、英国、德国、法国、丹麦、中国、瑞典、比利时、瑞士等11个国家33个机构的科研人员,通过分析公元1500年后的古气候记录(包括冰核、树轮、珊瑚和洞穴装饰物等)数据,借助所构建的数千年来的气候模型,重建了1500年以来的气候,确定了横跨大陆和海洋的工业时代变暖的起始时间及原因。研究结果显示,热带海洋持续的工业时代变暖首先出现在19世纪中期,几乎与北半球大陆变暖同步。与19世纪中期热带海洋和北半球开始变暖相比,南半球工业时代开始变暖的时间有所延迟。在半球尺度重建中,南半球气候持续变暖的进程大约比北半球晚50年。

(五)1.5℃是更安全的《巴黎协定》升温目标

相较于2℃升温,升温1.5℃对人类和自然生态系统的影响会显著降低。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)于2018年10月发布《IPCC全球升温1.5℃特别报告》指出,相对于将全球升温控制在2℃而言,控制在1.5℃将对人类和自然生态系统产生显著的正面影响[44]。来自英国埃克塞特大学、英国气象局哈德利中心和欧盟委员会联合研究中心等机构的研究显示,相较于升温1.5℃情景,在全球变暖2℃情景下,气候极端事件的变化幅度将更大,南亚和东亚部分地区将更加湿润,而非洲南部和南美洲的一些地区将遭遇更长时间的干旱,发展中国家遭遇粮食不安全的风险将提高约76%。来自英国东英吉利大学和澳大利亚詹姆斯库克大学的分析显示,将全球升温目标限制在1.5℃而不是2℃范围内,预计可分别使约66%、50%和50%的昆虫、植物和脊椎动物物种免遭灭绝。来自英国雷丁大学的研究表明,全球变暖额外增加0.5℃可能会加剧气候影响的严重程度。

(六)碳去除技术存在局限性

如果要实现将全球温度上升控制在1.5℃~2℃这一目标,到21世纪下半叶,全球排放轨迹不仅需要达到净零排放,还需要继续下降到净负排放,这在一定程度上都依赖于碳去除(Carbon Dioxide Removal, CDR)技术。CDR意味着去除已排放到大气中的CO2,包括一系列的自然和技术选择,从植树造林到生物能源的碳捕获和储存(Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS)或二氧化碳的直接空气捕获[35]。世界资源研究所指出为防止气候变化造成的最坏影响,世界将需要达到净负排放(实际从大气中去除和储存的碳大于排入大气中的碳),这将涉及对可以去除并永久储存碳的技术进行部署。美国国家科学院、工程院和医学院发布报告指出,从大气中去除和封存二氧化碳的负排放技术应在减缓气候变化方面发挥重要作用,以实现气候和经济增长的目标,并针对负排放技术的尽快推进制定了详细的研究议程。尽管部分CDR方案在小范围内可能具有协同效益,但从大气中去除CO2的方案还存在局限性。未来需要加大减排力度以减轻对CDR的依赖,同时要为快速部署CDR技术制定更严格的可持续性标准。

(七) CO2转化利用研究取得新进展

美国哥伦比亚大学、冰岛大学、冰岛雷克雅未克能源公司和英国南安普敦大学等机构的研究人员发现CO2在被注入地下玄武岩层后,可通过自然化学反应转化为固态碳酸盐而被封存,这一对环境无害且可以永久封存CO2的新方法避免了泄漏的风险。美国伊利诺伊大学、韩国忠北国立大学、美国阿贡国家实验室、新墨西哥大学和路易斯维尔大学的研究团队发现了一种纳米结构的过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenide)从本质上解决了CO2转化为烃类燃料的催化剂问题。哈佛大学、中国科学技术大学、亚利桑那州立大学等机构的研究人员通过使用便宜数千倍的炭黑替代石墨烯锚定单个镍原子催化剂,实现了电催化CO2制一氧化碳(CO)成本的降低,并将CO2-CO转化率的选择性提高到了接近100%,提高了该工艺的可扩展性。澳大利亚新南威尔士大学、皇家墨尔本理工学院等机构的研究人员利用液态金属将CO2从气态转化为固体碳,这是世界首创的突破,可能会改变碳捕集和封存的方法。

(八)机器学习和人工智能助力地球系统模式研究

地球系统模式是深入了解地球系统各圈层之间相互作用、研究过去气候演变机理、预测未来的潜在变化趋势的重要工具。然而,诸如云、对流和生态系统等需要参数化的进程仍然是地球系统模式不确定性的产生根源。美国加州理工学院的研究人员指出,地球系统模式及其参数化方案可通过数据同化和机器学习得以改善,源自数据同化、反演问题和机器学习等的新方法使得在地球系统模式中整合观测数据和有针对性的高分辨率模拟成为可能。牛津大学和北京大学联合开展的研究显示,人工智能可以基于已发现的气候联系,为即将到来的天气特征(包括极端事件)提供更可靠的预警,并强调了使用机器学习与人工智能对于地球系统模式开发的重要性。

三、对我国的启示与建议

气候变化及其影响是当今人类社会面临的最严峻挑战之一。气候变化已经对自然生态系统与人类社会经济系统产生了诸多不利影响。除了自然因素之外,人类活动是全球气候变暖的主要原因这一观点已日益成为国际共识。2015年巴黎气候变化大会之后,在气候变化减缓与适应行动并举的国际大背景下,发达国家在低碳创新方面的战略布局与科研投入日益增加,引领国际气候变化科技领域的发展。

作为最大的发展中国家,我国面临的气候变化影响和风险与日俱增,从而使我国气候变化科技领域面临严峻的挑战。另一方面,随着国际社会对气候变化科技领域的日益重视,这为我国气候变化科技领域的研究工作创造了新的机遇。

综上所述,鉴于国际气候变化科技领域的发展态势及研究前沿进展,对我国气候变化科技发展提出以下建议:

(一)加大应对气候变化相关科学研究工作的科技投入

20世纪90年代以来,我国陆续投入了大量的科研经费开展气候变化方面的科学研究工作,相关研究成果为我国气候变化领域的内政和外交工作提供了有力的支撑。但我国的气候变化科技工作还缺乏充足的资金投入,难以适应气候变化迅速发展的形势,也难以满足制定和执行应对气候变化国家政策和行动、参与外交谈判和开展国际合作的需要,这对气候变化科技工作提出了迫切的需求。我国应加大对气候变化科学研究的投入,从而为认识气候变化规律及其影响、开发气候变化减缓和适应技术、制定应对气候变化的政策措施等提供有力支撑。

(二)更多关注面向社会需求导向的气候观测系统部署

气候观测需要解决一系列重大的社会问题,包括海平面上升、干旱、洪水、极端高温事件、粮食安全以及未来几十年的淡水供应。针对特定气候问题的定向投资,已经在对人类健康、安全和基础设施等重要问题上取得了重大进展。然而,目前的气候观测系统并不是以一种全面的、集中的方式来规划的,未能充分满足所有的气候需求。WCRP将云层、环流和气候敏感性、冰川融化和全球影响、极端天气和气候、区域海平面变化和海岸影响、水的可用性、气候系统中的碳反馈、短期气候预测等确定为气候研究面临的重大挑战。建议我国围绕未来人类社会发展可能面临的一系列重要的科学和社会问题,进行相应的气候观测系统设计与部署,从而实现较好的社会效益和经济回报。

(三)尽快制定负排放技术的研究议程

来自瑞典斯德哥尔摩大学、澳大利亚国立大学13个机构的国际研究团队指出,人类的行为可能使地球正面临进入不可逆转的“热室地球”(Hothouse Earth)的风险。要避免“热室地球”的出现,即使人们停止排放温室气体,仍需要人类行动从开发转向地球系统管理的重新定向。美国国家科学院已经针对负排放技术制定了详细的研究议程,相关机构也围绕负排放/碳去除技术面临的机遇与挑战进行了探讨。鉴于负排放技术的应用前景不断明朗,以及我国温室气体减排面临的压力,我国应尽快制定负排放技术的研究议程。

本文由曾静静、刘燕飞、裴惠娟廖琴董利苹等撰写,已发表于《世界科技研究与发展》,完整内容见原论文,转载请联系智库授权,并保持文章完整性、备注来源及作者信息。