2015年达成的巴黎气候协议指出各方将加强应对气候变化的威胁, 国际科学家联合发起的“ 未来地球” 研究计划也强调全球变化下的社会经济可持续发展问题。然而, 关于气候变化对社会经济的影响研究仍然处于起步阶段, 缺乏直接服务于科学决策的研究成果。因此, 亟需实现自然科学与社会科学研究的融合, 丰富和发展地球系统模式, 并实现其与综合评估模型的耦合, 也是我国科学家自主提出的有序人类活动, 推动气候变化对社会经济影响的评估, 为科学应对气候变化决策提供服务。

当前已有的综合评估模型根据建立原则的不同大致可以分为3类:技术优化、一般均衡和最优增长模型^[1]。技术优化模型是自下而上地描述每个行业/部门的运行过程, 其运行需要行业/部门的详细信息。一般均衡模型是自上而下的模型, 通过构建不同区域的行业/部门之间的关联性, 模拟国家政策等因素对社会经济的影响^[2]。最优增长模型也是采用自上而下的方法, 并结合宏观经济学的方法, 通过假定一段时期内(几十年内)累积福利最大或累积损失最小, 模拟国家宏观经济运行或行业经济运行^{[3, 4]}。

根据模型自身的特点, 3类模型的应用领域和范围也显著不同。从能源角度发展起来的技术优化模型是目前综合评估模型的主流模型, 但是由于技术优化模型通常只侧重于描述能源相关部门的部分均衡, 因此通常要与经济模型进行进一步连接以体现对经济发展的总体影响^[5]。一般均衡模型能够整体反映不同行业和国家经济发展, 但一般缺少对技术的详细描述, 因而在研究实现有关情景的技术选择等问题上不具优势^{[4, 5]}。最优增长模型是最早实现经济系统与气候系统相互影响的模型^{[6, 7]}。我国学者王铮和蒋轶红2005年发展了一个包含内生技术进步和国际贸易机制的最优增长模型, 并对国际上各种流行的气候保护方案做了评估^[3]。

虽然3类综合评估模型结构不同, 但是在模拟气候变化对社会经济的影响方面都存在着类似的不足。第一, 综合评估模型几乎都是采用简单气候模式与社会经济模型的耦合, 因此无法反映气候变化对社会经济发展在时空尺度上的复杂影响^{[1, 8~10]}。大多数评估模型强调温度和降水2个气候要素的影响, 而且温度和降水仅使用全球平均值为输入, 没有区域的差异和年内的变化。第二, 综合评估模型中假设气候变化对经济的影响方式和强度是通过现有研究全球尺度的平均数据标定的, 不能体现气候变化影响的区域性与不确定性。第三, 综合评估模型通常基于已有观测外推未来气候变化情景, 但是随着气候变化加剧其对经济影响逐步增加, 因此外推的方法是否能够反映出极端气候事件对社会经济的影响尚有争议^[8]。

为了克服上述不足, 一些研究开始尝试地球系统模式和综合评估模型的双向耦合^[11], 并逐步丰富气候变化对社会经济影响的损失函数。但是, 由于2类模型研究的维度、空间分辨率等方面的不同, 实现双向耦合仍然需要解决诸多问题。首先, 需要解决两类模型在时空运行尺度的不一致问题。综合评估模型是以行政区域为运行单元, 为了与地球系统模式耦合需要将运行单元转换为格点方式^[8]。其次, 综合评估模型通常在5年以上的时间尺度上运行, 亟需解决其与地球系统模式时间非同步耦合问题, 以反映气候年际变化的影响。最后, 地球系统模式空间分辨率通常在百公里以上^[12], 难以有效反映对社会经济影响显著的关键要素, 如海平面上升^[13]。

综合而言, 综合评估影响模型是国家应对气候变化的基础工具, 模型结果将为我国应对气候变化和保持可持续发展提供科学支撑。发达国家都在争相发展综合评估模型, 这不仅是为了占据科学制高点, 更重要的是利用其给出可信的评估结果, 服务于其国家利益, 抢占气候变化外交谈判的话语权。本项目的实施也极好地对应“ 全球变化及应对” 重点专项的总体目标“ 发挥优势, 突出重点, 整合资源, 在全球变化领域若干关键科学问题上取得一批原创性的成果, 使多学科交叉研究能力明显增强, 显著提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位, 为维护国家权益、实现可持续发展提供科学支撑。” 尤其在地球科学和社会经济科学的跨学科交叉方面迈出显著一步。

首先, 从国家需求的角度来讲, 具有自主知识产权的、国际一流的气候变化经济影响综合评估模型, 能够为国家有效应对气候变化, 实现低碳发展, 准确评估气候变化影响, 保持社会经济可持续发展提供科学依据。我国目前经济总量世界第二, 温室气体排放量世界第一, 面临日益严峻的减排压力。然而, 作为一个发展中国家, 我国正处于全面建设小康社会的关键时期, 能源需求和碳排放还将保持刚性增长。解决社会经济发展与温室气体减排的突出矛盾要求我们加深对气候系统与社会经济相互作用的认识, 探索应对气候变化和社会低碳发展的优化路径。此外, 世界银行报告指出, 发展中国家承担了全球气候变化造成损害的80%。这就是说, 如果我国在气候变化对社会经济影响的认识上没有重大突破, 不能准确预测和预估未来气候变化的影响, 就无法制定合理的应对气候变化措施, 会严重制约社会经济的可持续发展。

其次, 从科学发展的角度来讲, 气候变化经济影响综合评估模型的研发是多学科交叉研究的集中体现, 也是连接自然科学和社会经济科学的关键。本项目将通过地球系统模式和综合评估模型的双向耦合, 构建气候变化经济影响综合评估模型, 这需要完善和改进地球系统模式和综合评估模型, 从而带动与其相关的大气、陆地、海洋, 以及能源、交通、农业等多个自然和社会系统模型的大发展, 充分带动一大批原创性成果的产出, 显著增强我国在地球系统模式和综合评估模型耦合模式系统研发和应用方面的科技创新实力, 提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位。

项目目标是建立具有自主知识产权的、国际一流的评估模式, 评估气候变化对中国经济的影响, 服务于应对气候变化、保持可持续发展的重大需求。项目研究重点是通过定量刻画气候变化的影响以改进综合评估模型, 同时提高地球系统模式对于人类活动的描述能力, 在实现两者双向耦合的基础上研究气候变化对中国社会经济发展的影响。主要研究内容包括以下4个方面:

(1) 集成了人类活动影响的地球系统模式的发展和改进

以北京师范大学地球系统模式(BNU-ESM)等为基础, 结合次网格物理参数化方案, 提高模式空间分辨率, 特别是在陆地表面的运行分辨率, 提高对于小尺度人类活动, 包括城市群、生态和国家工程等的描述能力, 扩展地球系统模式对于人类活动的模拟能力; 同时结合统计/动力尺度转换方法, 增强模式对于海平面上升、热带气旋、极端气候事件(极端温度和降水)的模拟水平, 改善对区域社会经济具有重大影响的气候系统要素的模拟预估能力; 耦合分布式水文模型, 刻画气候变化和人类活动对于陆地径流和水电能源的影响, 同时反映土壤侵蚀对陆地生态系统碳循环及其对大气CO₂浓度的影响; 这些改进均旨在完善地球系统模式对于人类活动的模拟方案, 提高地球系统模式对于关键气候变化要素的模拟能力, 为评估气候变化影响, 实现与综合评估模型耦合奠定基础。

(2) 服务于气候变化影响评估的综合评估模型的发展与改进

基于当前综合评估模型主流框架, 以最优增长、一般均衡以及技术优化3个具有代表性的社会经济建模路径为基础, 拓展研究温室气体排放与能源经济系统、水和土地等自然资源系统之间的作用关系, 量化区域气候变化与基于生产行业部门的社会经济之间的损失损害函数(海平面上升和极端气候事件)并实现模型内嵌式表达。完善不同模型框架下社会经济、产业结构以及能源结构的调整机制, 加入考虑人类活动对多种温室气体累积排放的动态影响, 便于综合评估模型与地球系统模式的双向耦合。在此基础上, 定量评估气候风险与社会经济风险的叠加影响, 通过跨模型的比较提出优化的综合风险管理长期策略。

(3) 地球系统模式与综合评估模型的双向耦合

发展综合评估模型与地球系统模式的耦合方法, 研究地球系统与气候变化相关联的社会经济系统的相互作用过程, 实现2类模型的双向耦合, 进一步构建气候变化经济影响集成评估模式。主要是通过发展考虑了人口、能源、生产和消费等要素的统计尺度变换方法, 转换综合评估模型所采用的行政单元尺度为地球系统模式的格点尺度; 提高综合评估模型的运行时间尺度, 实现其在年季尺度上的运行, 以体现极端气候事件对社会经济的影响, 解决与地球系统模式非同步耦合的技术问题; 实现综合评估模型的灾害损失函数与地球系统模式的气候要素间的衔接, 以及综合评估模型输出的温室气体动态排放对气候系统的影响, 实现2个模式的双向耦合, 在此基础上构建新一代气候变化经济影响集成评估模式。

(4) 基于评估模式研究气候变化对中国社会经济的影响

基于上述构建的新一代气候变化经济影响集成评估模式, 预估中国实施“ 绿色发展” 、“ 一带一路” 和履行温室气体减排承诺等重大战略情景下的温室气体排放总量, 模拟诊断我国温室气体排放变化对全球温控目标的贡献。集成全球主要经济体的《开展气候行动的国家自主贡献预案》(INDC)资料, 计算全球温室气体的排放路线情景。从格局变化和极端气候2个角度, 模拟分析未来气候变化及与之密切相关的主要资源环境要素变化对中国社会经济发展的影响, 提出国家应对和适应未来气候变化的重大举措建议。

项目成果呈现为以下3种形式:

(1) 综合评估模型和地球系统模式, 成果呈现为模式和论文。本项目将改进和构建综合评估模型和地球系统模式, 耦合形成气候变化经济影响综合评估模式。其中综合评估模型的完善和改进强调服务于气候变化影响评估的能力, 重点发展海平面上升和极端气候事件对社会经济影响的损失函数, 并加入考虑人类活动对多种温室气体累积排放的动态影响。地球系统模式的改进则强调对人类活动(城市群、生态和国家工程等)的描述能力。这些改进的模型算法和公式将公开发表(SCI或SSCI文章40~50篇), 并将耦合到项目拟采用的模式中, 形成新的模式系统, 并逐步供项目内部和国内外同行使用。

(2) 气候变化经济影响综合评估模式, 成果呈现为模式和论文。基于上述发展的综合评估模型和地球系统模式, 项目将发展2类模式的耦合方法, 重点解决模式耦合过程中产生的空间尺度匹配问题和时间的非同步性问题, 并通过发展灾害损失函数等方法实现2类模式变量间的衔接, 这些研究成果将以论文的形式呈现(SCI或SSCI文章25~30篇)。同时, 另外一项重要的成果呈现形式即为气候变化经济影响综合评估模式, 按照指南要求, 作为具有自主知识产权的、国际一流的评估模式逐步向国内外同行共享开放。

(3) 气候变化对中国社会经济的影响评估, 成果呈现为论文、图集和政府咨询报告。基于新构建的气候变化经济影响综合评估模式, 项目将预测气候变暖、海平面上升、极端气候事件等的时空变化特征及其对我国社会经济发展的可能影响及其区域分异特征。通过构建温室气体排放情景路径, 模拟我国气候对未来温室气体排放的响应; 结合模式分析我国实施“ 绿色发展” 、“ 一带一路” 和履行温室气体减排承诺等重大战略对实现全球温控目标的贡献。这些研究内容直接关系到我国社会经济的可持续发展, 项目将把相关成果以政府咨询报告的形式上报给相关部门, 同时相关成果将公开发表(SCI或SSCI文章15~25篇)。