互动科普

谁为气候变化负责？

科学家模拟了世界各国从工业革命到现在的碳排放总量，结果发现，对于全球变暖，

发达国家应承担60%到80%的责任，而发展中国家应承担20%到40%的责任。

撰文 董文杰 袁文平 魏婷

原定2013年11月22日下午6时结束的大会，由于发达国家和发展中国家在多项谈判议题上的巨大分歧，让谈判进程步履维艰，大会不得不进入“加时赛”。尽管在会前，“基础四国”（巴西、中国、印度、俄罗斯）的部长们和广大发展中国家的代表们对本次大会颇有期待，希望发达国家做出的资金承诺得到有效落实，以帮助发展中国家更好、更快地应对气候变化，但华沙气候大会在跌跌撞撞中达成了令人不大满意但还能被接受的协议，这让我们越发担忧协议落实的前景。

从1990到2014

众所周知，因人类活动排放的温室气体和土地利用等问题，我们正在进入气候快速变化的时代。迄今为止，政府间气候变化专门委员会（IPCC）已组织了5次评估报告，在气候变化领域，科学家对人类活动和全球变暖的关系认识越来越清楚：1990年，IPCC第一次评估报告指出，气温升高可能与人类活动有关；1995年，IPCC第二次评估报告清楚地表明，人类活动对全球气候有影响；2001年，IPCC第三次评估报告指出，新的证据表明，人类活动可能（高于66%）导致全球变暖；2007年，IPCC第四次评估报告认为，最近50年气候变化很可能（高于90%）由人类活动所引起；2014年，IPCC第五次评估报告称，上世纪50年代以来的全球平均地表温度的升高，其中一半以上的“贡献”，极其可能 （高于95%）来自人类活动。可以看出，从1990年到2014年的25年间，IPCC对人类活动与气候变化的关系基本上已经有了清晰的结论。

近百年来，地球表面平均温度已经升高了0.8℃，海平面上升了0.17米，使得一些低洼岛国受到严重威胁。科学家预测，如果大气中温室气体含量得不到有效控制，21世纪末全球温度可能升高1.1～6.4℃，海平面可能上升0.2～0.6米，热浪、干旱、强降水等极端事件将更加频繁，人类社会系统将面临气候变暖带来的诸多影响，如粮食减产、居住环境恶化、身体健康受损等。

为了减缓气候变化，国际社会主要着力于以温室气体减排为主的应对方案。从2010年起，我（本文作者董文杰）每年都会参加联合国召开的国际气候大会，但与绝大多数参会代表的工作不同，我们几人并不是冲着谈判本身去的，而是为了探究谈判背后亟需解决的科学问题，看看能否用科学研究去冲破谈判中的瓶颈。

几次会议下来，我们发现，目前主流的减排方案,如IPCC方案、G8国家方案、联合国开发计划署（UNDP）方案、经济合作与发展组织（OECD）方案等都是基于西方学者的研究提出的。例如IPCC方案中，《联合国气候变化框架公约》中的40个“附件Ⅰ国家”（主要是发达国家），到2020年需要在1990年的基础上减排25%～40%，到2050年则要减排80%～95%，而对非“附件Ⅰ国家”（主要是发展中国家），到2020年之前大幅减排，到2050年则要减排50%以上。

按照西方学者的测算方法计算，为了减缓全球气候变化，2050年全球二氧化碳排放量只能是1990年的一半，约为105亿吨，留给所有发展中国家的排放空间不超过80亿吨，对于拥有全球80%的人口、经济落后的国家来说，这样的要求直接威胁到了它们的发展空间。另一方面，即使发达国家承诺，到2050年相比1990年减排80%，但它们2005—2050年的人均累积排放量仍可高达266吨，而发展中国家只有107吨。如果从工业革命初期算起，发达国家的人均累积排放量更高。这就是说，如果未来在气候变化问题没有取得更具说服力的进展，发展中国家在气候变化谈判中将处于非常不利的地位，而且不得不承受没有责任的义务，替发达国家为气候变化“买单”。

目前，在气候变化谈判中，发达国家具有比较明显的优势，这部分是因为在气候变化科学上，发达国家的学术水平要远高于发展中国家。由于语言的优势，发达国家的科学进展和政策观点通常发表在英文期刊上，更容易被主流媒体传播。因此，在这种背景下，揭示气候变化历史责任问题的科学事实和本质，就对公平地推进人类减缓气候变化的进程具有重要意义。

从工业革命算起

直到不久前，气候学家仍然不知道工业革命以来，发达国家和发展中国家的工业碳排放究竟在多大程度上改变了气候系统的状态。但是现在，我们和同事已经能够确定，过去150多年里，气候系统发生的变化约有2/3是由发达国家在工业生产过程中排放的二氧化碳所导致的，其余1/3则受到发展中国家排放二氧化碳的影响。

在我们开始研究之前，科学家会测算某一个国家（或地区）的碳排放量占全球碳排放总量的比重，然后以此作为它们的排放责任。例如，荷兰环境评估署的气候政策专家米歇尔·登埃尔岑（Michel den Elzen）曾经计算过，工业革命以来，发达国家的工业碳排放占全球工业碳排放总量的80%。1997年的《京都议定书》谈判阶段，巴西代表团提出了一个方案：根据各个国家自工业革命以来累计排放的温室气体对全球平均气温的影响，来划定各国的碳排放责任。在很多人看来，这是一个相对公平的减排方案，因此在1997年以后历次的气候谈判中，这个方案都得到了广泛的讨论。

不过，如何确定各个国家150多年来排放的温室气体对全球平均气温的影响程度，却是一个难题。尽管目前公众已经清楚地了解二氧化碳具有温室效应，但鲜有人知的是，碳排放量与二氧化碳的温室效应强度，以及与由大气、海洋、冰雪等构成的气候系统之间，还有着错综复杂的关系。因此，要确定温室气体排放对全球气候的影响程度，并不是一件容易的事。

庆幸地是，这个时代的科学家已经能用数学公式来描述大气和海洋的流动、树木的生长、冰雪的积累和消融，以及许许多多我们肉眼无法看到却真实存在的辐射过程。因此，为了解决前述难题，美国国家大气研究中心（NCAR）在美国国家科学基金会和能源部的支持下，于2000年提出了“共同体气候系统模式发展计划”, 组建了一个由美国各主要大学和研究机构的科学家组成的研究团队。科学家把这成百上千个数学公式综合起来，由此构成地球系统的数学物理模型，然后用数值方法（当需要求解的方程没有严格的求解公式时，只能用一些数学手段寻找近似值）进行求解，编制成一种大型综合性计算程序，并通过计算机来模拟和预测地球系统的复杂行为和过程。

简单来讲，这个系统的原理是，给定初始值（初始时刻的气候状态）和边界值（例如太阳辐射量、温室气体浓度、气溶胶排放量等），然后计算、求解，就可以得到距离初始时间30分钟后的气候状态；再以这个时刻的状态作为初值，重新给定边界条件，又能计算出下个30分钟后的气候状态，就这样一步步地计算下去，最终构成一条成百上千年的气候序列，使我们能够了解历史上以及未来的气候变化。

这样一个庞大的数学公式集合和数值计算方法，一起构成了我们所说的通用地球系统模型（CESM），由于涉及到海量运算，这个模型的运行，需要用大型计算机来完成。

2010年12月，CESM模型的出现让我们十分振奋，这为我们深入研究气候变化的历史责任提供了重要基础。不过，这个模型仍然存在一些问题：受限于人类对自然界的认知程度，部分小尺度的和非常复杂的物理过程，在模型中只能采用经验参数来设定；此外，尽管方程的数值解（近似值）可以无限逼近理想的解析解（确定的求解值），但终究存在计算误差，并且误差在积分过程中会不断累积、放大。这些不可避免的问题使得CESM模式的计算必定存在一定的不确定性，用一个模型计算的结果，能否得到科学界的认同？这促使我和同事萌发了自己开发一个全新的气候系统模型的念头。当然，这样做的结果不仅能为我们的这项研究服务，更重要的是，一旦研发成功，这将成为中国在气候变化研究领域的一个重大突破。

实际上，除了CESM模式之外，另外两项研究也给我们打下了很好的研究基础。北京师范大学戴永久教授研发的陆面过程模型（CoLM）能够很好地模拟大气和地表植被、河流等因素间的相互作用，是气候系统模型中重要的组成部分，在国际上享有盛誉。而作为地球系统模型的另一重要组成——海洋模型，则能模拟出大气和海洋之间的动量、热量和物质交换，以及海洋内部的生物学、地球化学过程，对整个气候系统的模拟研究也很重要。大量的研究表明，美国国家海洋和大气管理局地球物理流体动力学实验室研发的海洋模型（MOM4）在众多海洋模拟中表现优异。

在此基础上，我和同事开始修改CESM中的一部分计算代码，更改了一部分接口程序，将原有的陆面过程和海洋过程模型分别替换成戴永久的CoLM和模拟性能更好的MOM4。经过很长一段时间的程序修改和调试，我们取得了成功，并将修改后的这一模型命名为北京师范大学地球系统模型（BNU-ESM）。

尽管BNU-ESM和CESM有着相同的基本公式、类似的结构，但由于选择了一些不同的公式和参数，两个模式的计算结果不尽相同。以气温为例，在1880—2012年期间，观测数据表明，全球气温升高了0.85℃，观测的误差等因素使其不确定性范围在0.65℃—1.06℃之间，CESM和BNU-ESM模拟的结果分别是1.06℃和1.0℃， 都处于不确定范围内，这表明两个模式对气候变化的模拟结果都是令人信服的。有了CESM和BNU-ESM这两个地球系统模型，我们就能设计精妙的试验方案，通过数值模拟来探究发达国家和发展中国家的工业碳排放，究竟在多大程度上改变了气候系统的状态。

化学实验大致可以描述为在几个烧杯中加入不同的试剂，控制实验的条件，然后静待反应的发生和结果的呈现。数值模拟试验的整个过程就像在做化学实验一样，只是我们是向地球系统模型输入各种初始值和边界值。数值试验是在北京师范大学珠海分校的大型计算机上完成的，尽管珠海的冬天室内没有暖气，但大型计算机高速的运转产生的热量足够温暖整个二层小楼。

不过，数值试验并不容易，我们曾经因为疏忽，没有修改一个二氧化碳浓度的初始值，导致长达几个月的试验最终失败；也曾因为计算机长时间运转过热导致全面停机；试验中还产生了海量数据，甚至让计算机报警，最后不得不暂停计算。经过6个月的努力，我们完成了整个试验。通过对比模拟出的和观测到的CO2浓度、气温、海温等变量，我们确认模拟结果无误，迫不及待地开始了最后的分析。以气温为例，我们分别开展了三组数值试验（分别对应全部国家、仅发达国家排放、仅发展中国家排放二氧化碳这三种情景），模拟出全球平均气温在2005年与1850年的差值，将三组差值进行标准化处理后，得出发达国家和发展中国家的碳排放造成的升温占全球升温的百分比，这也就代表了发达国家和发展中国家对大气增暖的责任百分比。

结果，我们惊奇地发现，对1850年到2005年的气候系统的变化，例如全球大气二氧化碳浓度的增加、气温的升高、海洋的增暖和酸化，以及北半球海冰的消融等，发达国家应承担60%到80%的责任，而发展中国家应承担20%到40%的责任。由于我们在数值试验中采用了更多的、影响气候系统的重要因素，因而结果的可信度更高。

被转移的碳

实际上，这些数字背后的含义并不难理解。在美国，你能看到琳琅满目的商品中，绝大多数都被印上了“made in China”（中国制造）、“made in Sri Lanka”（斯里兰卡制造）等标签。20世纪90年代以来，世界经济趋向全球化，包括中国在内的诸多发展中国家，由于拥有丰富的自然资源和廉价的劳动力，逐渐成为发达国家农产品和工业制成品的主要加工厂。挪威的碳研究专家格伦·P·彼得斯（Glen P. Peters）告诉我们，贸易中，服务和商品生产过程排放的二氧化碳已经从1990年的43亿吨（占全球碳排放总量的20%），快速增加到2008年的78亿吨（占全球碳排放总量的26%），而这些商品大多数是从发展中国家出口到发达国家。

事实也的确是这样，我们统计过很多国家的贸易数据，比如1990年到2008年期间，欧盟各成员国的碳排放量总体减少了约3亿吨，但它们从发展中国家进口了大量商品，这部份“隐含”的碳排放却增加了约5亿吨。同一时期，美国本土的碳排放增量为8.09亿吨，但其实际消费的碳高达12亿吨——多出的这部分碳排放，50%来自于中国生产的商品，12%来自于印度生产的商品。通过这些数据，我们意识到，发达国家越来越多地把大量的高污染、高能耗、高排放的产业转移到发展中国家，表面上减少了本土的二氧化碳排放量，但这些国家消费的很多产品都是从发展中国家进口，而在生成这些产品时排放的二氧化碳，却被归为发展中国家的排放量。

通过数值试验，我们发现，在1990—2005年间，发达国家通过国际贸易转嫁给发展中国家的气候变化历史责任竟高达10%，这一转嫁的历史责任再加上它们本土排放的历史责任约67%，发达国家对全球气候变化应承担的责任已经超过了70%。

紧迫的未来

我们做这些研究是希望，通过明确世界各国的减排责任，能够促进公平的减排协议的达成，进而让世界一起为遏制全球变暖而努力，因为留给我们的时间确实不多了。

2009年的哥本哈根气候大会曾明确了减排目标：到21世纪末，气温升高需要控制在2℃以内（相对于工业革命初期）。一年后，《坎昆协议》出台，将这个目标具体化，这种做法受到了多国欢迎。

《坎昆协议》出台后，我们也做过一次模拟研究，结果却发现，要实现上述目标并不容易。当时，我们和清华大学的能源专家滕飞副教授一起，根据《坎昆协议》制定的2020年以前的减排目标，以及2050年全球温室气体排放减少50%的全球长期目标，并依据人均排放趋同（随时间演变，人均排放量逐渐相等）和人均累积排放趋同两个原则，将排放量分配到各个国家，从而把减排目标解读成一串串碳排放量数据。

有了这些数字后，我们就在模型上开展了预估试验。最后的结果大大出乎我们的意料：即使从现在开始，所有国家都遵守《坎昆协议》和长期减排目标，减少本国的碳排放量，到本世纪末全球平均气温仍将升高2~3℃，远远超出了2℃的目标，这说明，《坎昆协议》与人类可持续发展的目标之间还有着遥远的距离。

气候变化是人类面临的共同挑战，关系到全世界的永续发展和子孙后代的命运。我们只是希望，我们和其他科学家的研究能够得到更多的关注，从而让旷日持久的气候谈判尽早结束，让每个国家都承担起自身的历史和现实责任，尽早投入到这场遏制气候变化的战斗中来。

本文作者 董文杰是北京师范大学（珠海分校）地表过程与资源生态国家重点实验室副主任、教育部“长江学者”特聘教授，主要致力于地球系统模型的研发和人地相互作用的研究。

袁文平是北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室教授，主要研究陆地生态系统碳循环过程。

魏婷博士任职于中国气象科学研究院，主要从事气候变化的责任归因研究工作。