Nature：对气候过冲的过度乐观
期刊：Nature
中文题目：对气候过冲的过度乐观
英文题目：Overconfidence in climate overshoot
作者：Carl-Friedrich Schleussner, Gaurav Ganti, Quentin Lejeune, Biqing Zhu, Peter Pfleiderer, Ruben Prütz, Philippe Ciais, Thomas L. Fr?licher, Sabine Fuss, Thomas Gasser, Matthew J. Gidden, Chahan M. Kropf, Fabrice Lacroix, Robin Lamboll, Rosanne Martyr, Fabien Maussion, Jamie W. McCaughey, Malte Meinshausen, Matthias Mengel, Zebedee Nicholls, Yann Quilcaille, Benjamin Sanderson, Sonia I. Seneviratne, Jana Sillmann, Christopher J. Smith, Norman J. Steinert, Emily Theokritoff, Rachel Warren, Jeff Price & Joeri Rogelj
发表日期：2024年10月9日
摘 要
全球减排努力仍然不足以实现《巴黎气候协定》设定的”全球平均气温较工业化前水平上升幅度控制在1.5摄氏度以内”的目标。这使得对气候过冲路径的系统性探索成为科学和政策的重点，即全球温度暂时超过1.5摄氏度目标限值，随后通过积极的减排和碳移除技术将温度重新降至不超过1.5摄氏度安全水平。研究表明，在温度过冲情景下，全球和地区气候变化及相关风险与完全避免过冲的情景存在显著差异。我们发现，实现全球温度下降可以比单纯稳定全球变暖更有效地限制长期气候风险，这一点在海平面上升和冰冻圈变化等方面尤为明显。然而，几十年后可能扭转全球变暖的假设对当前的适应性规划可能意义有限。温度逆转可能会因强烈的地球系统反馈而受阻，导致近期和持续的长期变暖。为了对冲和防范高风险结果，我们确定了预防性二氧化碳去除能力的地球物理学需求，规模达数百兆吨(Gton)。然而，技术、经济和可持续性考虑可能会限制如此大规模的二氧化碳去除部署。因此，我们无法确信能在当今预期的时间尺度内实现温度下降。只有快速的近期减排才能有效降低气候风险。
研究背景
首先，全球科学界一直在探讨如何实现《巴黎气候协定》中设定的1.5°C温控目标，包括在过冲情况下如何通过大规模二氧化碳移除（CDR）等策略将全球温度重新降至安全水平。《巴黎气候协定》提供了一定的灵活性，但明确了1.5°C的上限，并允许在达到峰值后温度有所下降，这意味着过冲后的降温是实现协定目标的一部分。
其次，全球温室气体排放路径的评估，特别是峰值温度和随后的降温路径，对于制定符合《巴黎气候协定》的政策至关重要。IPCC的评估报告提供了不同的过冲路径类别，但这些路径的实际温度过冲可能远高于中值预测，这提示我们对过冲路径的风险可能过于自信。
最后，尽管存在将全球温度降低回安全水平的讨论，但这种逆转对于当前的适应规划可能并不实际，且存在许多不确定性。长期区域气候变化和不可逆风险，如海平面上升，仍然是关键问题。因此，我们必须将讨论重点放在减少近期和长期的气候风险上，避免对过冲的可控性和可取性抱有过度自信。
图1.不同峰值和下降路径概念类别下的示意性气候结果
a.全球平均温度的峰值和下降路径的不同类别（另请参见表1）。为突出说明与不同类别相关的具体影响、适应和二氧化碳去除（CDR）维度，重点展示了示意的单个路径（虚线）。b.升温阶段至净零二氧化碳和长期净零之后，沿影响链影响路径和潜在峰值与下降结果的关键因素概览。PD表示峰值和下降路径；PD-EP表示增强保护路径；PD-OS表示过冲路径。
气候反应与逆转的不确定性
（1）峰值变暖的确定与净负排放的需求
全球变暖的峰值与累积CO?排放量和非CO?温室气体减排的严格性密切相关。在达到全球净零CO?排放后，实现净负CO?排放（NNCE）是可能导致长期变暖下降的关键因素。然而，气候反应的不确定性，包括变暖阶段的高变暖结果和全球净零CO?之后的气候系统响应，使得精确评估NNCE需求变得复杂。
（2）净负排放需求的不确定性与风险评估
我们的模型分析显示，由于气候反应不确定性的重尾分布，存在需要大规模部署NNCE的可能性。这一需求的规模与IPCC AR6 WGIII评估中的分布量级相当，表明为了将变暖控制在1.5°C以内，可能需要大量的累计NNCE。这强调了在风险评估中考虑气候反应不确定性的重要性。
（3） 碳移除需求与政策制定的挑战
CDR需求是基于人类活动引起的额外碳移除，但不同定义和国家温室气体清单与科学模型之间的差异在政策制定时必须被考虑。我们的模型方法存在局限性，需要通过采用先进的地球系统模型（ESMs）进一步探索，以更好地理解地球系统对正负CO?排放反应的不对称性，以及气候系统中非线性反应的影响，这对于制定有效的气候政策至关重要。
图 2：考虑气候响应不确定性时累计非净碳排放（NNCE）需求的估算
a.净二氧化碳排放情景（PROVIDE REN_NZCO2路径，黑色线）及其全球变暖结果的不确定性（使用FaIR v.1.6.2方法计算）。变暖结果的中值以红色实线表示，随后的透明度变化的羽状区域分别代表25%–75%、5%–95%以及最小到最大的变化范围。b.在净零二氧化碳排放时（2060年）的升温情况，与净零二氧化碳排放到2100年间的温度变化对比。c.估算了对于b部分展示的每个峰值变暖结果，为使2100年的升温回归到1.5°C所需的净负碳排放（NNCE）。这些估算反映了基于REN_NZCO2路径的地球物理不确定性所隐含的NNCE（从上到下依次为：使2100年升温达到1.5°C所需的NNCE、稳定升温所需的NNCE、稳定后温度下降所需的NNCE）。作为对比，图中还显示了IPCC第六次评估报告工作组III报告中C1和C2类别情景的情景不确定性（底部行）。需要注意的是，这种情景不确定性仅考虑了排放对地球物理响应的中值估计。
依赖碳去除技术（CDR）
（1）CDR技术的必要性和挑战
实现净负CO?排放（NNCE）需要部署超出难以减排部门残余排放的碳去除技术（CDR）。根据IPCC WGIII评估的路径，CDR的规模在变暖峰值最低的路径中增长最快，尤其是在低或无过度排放的1.5°C路径中。CDR技术，也称为负排放技术（NETs），包括造林和再造林、土壤碳固存、生物炭、BECCS、直接空气捕碳（DAC）等，这些技术对于实现环境协议规定的CO2水平至关重要。
（2） CDR部署的可行性和政策支持
CDR的扩展可能会受到多种因素的显著制约，例如缺乏政策支持和商业模式、技术不确定性以及公众反对。技术准备不足可能是一个重要瓶颈，因为除了造林和再造林外，其他CDR方法的去除速率非常低，到2050年需要超过1000倍的增长。政府政策支持和社会接受度是CDR技术商业化的关键因素，这些措施可以推动CDR技术的发展和应用，有助于实现碳减排和环境保护目标。
（3）CDR部署与气候政策的结合
将可行性问题与可能需要千万吨级规模CDR部署来应对气候不确定性结合起来是具有挑战性的。我们认为，解决这一挑战的部署路径应遵循“防止危害”原则，在增强保护路径的指导下进行。这一方法需要两项互补的行动：快速减少CO?排放，以减少总的CDR需求；解决可行性问题，促进在实现净零CO?后继续部署CDR，以应对潜在的高变暖结果。这种方法强调了在气候政策中考虑CDR技术的重要性，同时也指出了在实施这些技术时需要考虑的多重风险和不确定性。
区域气候变化的可逆性
（1）全球与区域气候变化的差异
即使全球变暖被逆转至某一目标水平（如1.5°C），区域气候变化不一定能够完全逆转。全球温度的过度排放对区域气候的影响至关重要，因为气候系统的各组成部分会不断调整并趋于平衡，这可能导致区域气候模式的长期变化。
（2）过度排放对区域气候的影响
通过比较两个地球系统模型（ESMs）中的过度排放与长期稳定化情景，发现区域气候影响驱动因素在多世纪时间尺度上存在显著差异。特别是在高北纬地区，大西洋经向翻转环流（AMOC）的反应时滞效应导致了区域气候模式的变化。这些变化表明，区域气候变化不能仅通过全球平均表面空气温度（GMST）来很好地近似。
（3）长期影响与模型动态的差异
过度排放对区域气候的长期影响与稳定化情景中的瞬态变化有显著不同，模型间动态的差异也很明显。需要进一步的多模型互比实验来研究过度排放与稳定化相比的长期后果，以及大规模陆地碳去除技术（CDR）部署所引起的土地覆盖变化的生物物理气候反馈的重要性。这些实验可以帮助更好地理解区域气候变化的可逆性，并为气候政策提供科学依据。
图3：区域温度在过冲前后的变化与全球温度稳定化的对比
使用NorESM模型的碳预算过冲协议结果（a、c、e）与全球温度为重点的协议（GFDL-ESM2M）（b、d、f）。a、b：用于气候稳定化（实线）和过冲（虚线）情景的全球平均地表温度（GMST）轨迹。c、d：年区域温度与GMST的缩放系数在时间上的演变，涵盖全球陆地和海洋区域，以及北大西洋（北纬45°以北）和西北欧（相对于1850–1900年的31年平均异常）。e、f：在长期GMST稳定化的100年内，过冲和稳定化情景之间年区域温度的差异（灰色阴影区域对应a、b图中的稳定期）。e、f中的斜线部分突出显示了温度差异超过piControl模拟中可比时期差异的95%分位（或低于5%分位）网格单元（见方法部分）
图 4：过冲对永久冻土、泥炭地和海平面上升的长期不可逆影响
a. 2300年全球平均温度上升的反馈，包括因永久冻土和泥炭地排放引起的影响（蓝色标记，左轴）以及2300年全球中位海平面上升（SLR，紫色标记，右轴，数据来源于参考文献37），作为过冲持续时间的函数。圆点（方形标记）分别表示参考文献37中各情景下的温度变化（海平面上升）结果。b. 对比两种情景的额外影响：通过维持峰值变暖温度稳定（实现并保持CO2净零排放）导致的永久冻土和泥炭地排放及海平面上升所引发的额外全球平均温度上升，与通过实现并保持温室气体（GHG）净零排放导致的长期温度下降的结果。b图中的虚线水平线表示集合模拟的中位值，以及最小值和最大值的范围.
时滞和不可逆影响
（1）气候影响的不可逆性
对于一系列气候影响，在过冲后没有立即可逆性的预期。这包括深海的变化、海洋生物地球化学和物种丰度、陆地生物群落、碳储量和作物产量，以及陆地上的生物多样性。过冲也会增加触发潜在地球系统倾翻元件的可能性。即使长期气温下降，海平面也会持续上升数百到数千年。这表明，一旦某些气候临界点被突破，系统可能会很快地遭遇坏结果，且这些结果是不可逆的。
（2）时滞效应对区域气候的影响
气候系统的响应存在时滞效应，这意味着植被和气候要素之间的变化并不同步。例如，植被对气候响应的研究显示，植被对气候要素的响应存在滞后效应，这种时滞效应在干旱和半干旱地区尤为明显。这表明，即使全球气温得以逆转，区域气候变化也不能立即响应，而是存在一定的调整时间。
（3）过冲对长期气候风险的影响
在峰值和下降路径下全面评估未来气候风险时，需要关注暂时过冲的（不可逆转的）后果，以及长期温度逆转的好处。研究发现，每100年超过1.5°C的过冲会导致到2300年海平面上升约40厘米，除了没有过冲的基线约80厘米外。对于高风险结果，2300年海平面上升的承诺可能比中心估计高出大约三倍。这强调了过冲对长期气候风险，尤其是海平面上升的显著影响，以及避免过冲的重要性。
社会经济影响
过冲背景下人类系统的气候风险的严重性在很大程度上取决于它们的适应能力，以及可能越过适应极限. 在 21 世纪上半叶可能会出现超过 1.5 °C 的过冲，即使在社会经济发展的乐观情景下，这一时期全球大部分地区的适应能力仍然相对较低.过冲和低适应能力的巧合会放大气候风险。这对在过冲的情况下实现气候适应型和公平发展成果的能力产生了深远的影响，特别是对最脆弱的国家、社区和人民。
气候对健康、生态系统服务、生计和教育的影响会对人们的福祉产生持久的代际负面影响， 例如，在过冲期间与极端高温相关的气候相关超额死亡。由于气候变化对经济增长的持久影响，过冲也可能对各国的经济表现产生长期影响，尤其是最不发达国家41.因此，过冲涉及深刻的道德问题，即人们，尤其是低收入国家的人们，需要承受多少与气候相关的额外损失和损害。
适应性决策制定与过冲
与缓解文献中突出的过冲途径相反，它们对适应规划的影响尚未得到广泛探讨. 这就提出了一个问题，即与近期气候变化的更紧迫威胁和变暖峰值的幅度相比，长期未来影响逆转的可能性是否与今天的适应规划相关.
即使在过冲下气候影响驱动因素几乎完全可逆的乐观假设下，也可能需要 50 年或更长时间的规划时间，才能在长期下降的前景开始影响今天或不久的将来的适应决策（图5a）. 很少有适应计划和政策在这些时间尺度上运作：例如，欧盟适应战略跨越三十年，而其他国家适应计划具有相似或更短的时间范围.基础设施的适应规划范围和寿命可能差异很大（图5b）。在规划规模的长端，一座水电大坝可能运行一个世纪或更长时间，但该大坝的管理（以及管理是否应将防洪作为一个目标）将发生在特许期（几十年）以及年度和次年度预算周期（图5b）。
重塑“超越阈值”讨论
（1）超越阈值的误导性
将“超越阈值”视为实现类似气候结果的另一种途径具有误导性。研究表明，许多超越阈值的情景对所涉及的不确定性和风险给出了误导性的描述。例如，即使在停止向大气中增加二氧化碳后，变暖也不会停止，且降低气温并不能逆转所有的变化，如物种灭绝和生态系统的损害。因此，我们需要重新评估超越阈值路径以及通过近期减排限制超越阈值风险的可能性，明确考虑这一伦理维度。
（2）太阳地球工程（SG）的局限性
有人认为通过部署SG干预技术来暂时冷却地球，可以减少或掩盖超越阈值期间的气候影响，这被称为“削峰”。然而，这些建议对SG干预的适用性、有效性和治理做出了强烈假设。考虑到气候物理响应和未来排放发展在SG部署后的不确定性，意味着旨在削峰超越阈值的SG干预可能会导致SG和碳移除（CDR）部署的多世纪承诺。削峰讨论也倾向于对可逆性和有效性的过度自信，而忽视了SG部署的一般性根本担忧。
（3）长期降温的动机与策略
在峰值和下降情景下追求长期降温的主要动机是减少气候影响。研究表明，这种降温将有效减少包括海平面上升和冰冻圈变化在内的滞后影响在几个世纪内的出现。因此，我们主张重塑关于超越阈值的科学和政策讨论，以重点关注在峰值和下降温度路径中最小化气候风险。必须尽快加速减排，以减缓气温上升并降低峰值变暖。同时，需要准备一个环境可持续的CDR能力，以防范因气候反馈强于预期而产生的长期高风险结果。这进一步强调了非常严格的近期减排对于限制长期风险的重要性。
图5：与适应相关的时间尺度与过冲的关系
a. 可逆气候影响因子的时间演变示意图，在峰值后下降情景下进行模拟。虚线表示低过冲和高过冲的结果，全球平均地表温度（GMST）可逆性的中位时间尺度通常与IPCC AR6数据库中的数据一致。b. 与适应相关时间尺度的示意图，从2030年开始，包括适应规划的不同规划周期和单项适应措施的生命周期（水平条，示意范围为数年至数十年，具体时间框架因情境而异），以及对未来损害和适应收益应用贴现的影响（反映社会在代际公平方面的偏好）。图中展示了三种假设贴现率对结果的影响。
研究的主要观点和结论
过冲路径的风险：研究表明，经历过冲后的全球和区域气候变化及其相关风险与避免过冲的世界不同。实现全球气温下降可以限制长期气候风险，与仅仅稳定全球变暖相比，包括对海平面上升和冰盖变化的影响。
温度逆转的可能性和限制：虽然有可能在未来几十年内逆转全球变暖，但这对今天的适应规划可能意义有限。温度逆转可能因强烈的地球系统反馈而受挫，导致短期内和长期内的高气温持续上升。
二氧化碳移除的需求：为了防范和保护高风险结果，研究确定了需要数百千兆吨的预防性二氧化碳移除能力。然而，技术、经济和可持续性考虑可能限制了在如此规模上实现二氧化碳移除部署。
对气候风险的重视：研究强调，必须将过冲讨论的重点转向优先减少短期和长期气候风险，并避免对气候过冲的可控性和可取性过于自信。
气候响应和逆转的不确定性：达到峰值后的全球气温取决于直到全球净零CO2排放的累积CO2排放量以及非CO2温室气体减排的严格性。实现净负CO2排放（NNCE）可以在长期内导致气温下降。
区域气候变化和不可逆影响：对于一系列气候影响，没有预期在过冲后立即逆转，包括深海、海洋生物地球化学和物种丰度、基于陆地的生物群落、碳储量和作物产量，以及陆地生物多样性
对我们开展工作启示
未来研究需深入探索全球气温过冲与净负排放的多个关键方向。首先，需关注非线性气候反馈机制，包括极端天气事件、气候触发事件以及自然碳库释放对气候系统的复杂影响。其次，要评估不同过冲程度对气候适应性策略的影响，并优化适应措施以应对极端气候变化。同时，构建区域化气候模型，研究过冲对全球不同区域的差异化长期影响至关重要。此外，还需通过多模型比较和多种情境设置，全面评估气候系统在温控路径下的风险分布，并开展模拟实验识别关键风险点。同时，应探索气候过冲对生态系统的长短期影响，量化其对碳汇能力、稳定性和健康状况的损害。最后，多维度评估净负排放技术的可行性、成本及政策支持，合理规划实施路径，并量化过冲风险不确定性，评估长期温度变化对气候系统的影响，为气候变化政策与实践提供科学依据。
文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08020-9
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：王正
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏