氣候變化綜合評估模式研究：任重道遠——美英科學論壇第三次主題年會介紹

戴洋

氣候變化綜合評估模式研究：任重道遠——美英科學論壇第三次主題年會介紹

戴洋

2008年創建的美英科學論壇的另一個目的在于檢驗科學技術作為引擎，在創造人類未來這方面的驅動力究竟幾何。

全球氣候變化問題是人類迄今為止面臨的規模最大、范圍最廣、影響最為深遠的挑戰之一。一直以來，氣象學家們孜孜不倦地改善氣候模式，以期對未來的氣候變化做出更準確的預測。2012年美英科學論壇①由Raymond和Beverly Sackler建立于2008年召開了第三次年會，主題為“綜合評估模式和氣候變化研究的未來需求”，就這一氣候變化研究新領域，形成了很多鮮明的、發人深思的觀點。

一、會議概況

2008年創建的美英科學論壇，目的在于幫助兩國科學界領導層在一些在全球范圍有利于整個人類的科學焦點問題上建立一個持久的伙伴關系，另一個目的則是在于檢驗科學技術作為引擎，在創造人類未來這方面的驅動力究竟幾何。 2012年，該論壇圍繞“綜合評估模式和氣候變化研究的未來需求”主題，召開了第三次年會。此次論壇匯集了一批來自各領域的專家和學者，他們用各種不同方式來模擬自然和人類系統，其中，有的純粹專注于自然系統，有的則涉獵廣泛，研發的模式包括了經濟、技術、農業和其他人類系統。正如會議總結報告（圖1）撰寫者Olson所說，“每一個群體都有很多要向其他群體學習的，也都有很多要向其他群體說的”。

二、綜合評估模式

綜合評估模型并非是因為氣候變化研究才橫空出世的，事實上，綜合評估方法所使用的一些分析工具及技術，如生態模擬和系統分析等，其發展可追溯到20世紀中后期對全球環境的研究，為了解決全球環境問題，“綜合評估”的政策評價過程被引入，相應的評估模型作為核心研究工具進而被逐步研發。自國際應用系統分析研究所（International Institute of Applied Systems Analysis,IIASA）研發了綜合評估模型RAINS對歐洲酸雨問題及適應對策進行分析評估，Nordhaus將經濟系統與生態系統整合到一個模型框架里來對氣候政策進行評價之后，氣候變化綜合評估模式取得了長遠發展。目前全球比較知名的綜合評估模式有IGSM，IMAGE，DICE，CETA，PAGE，LFBQUEST，ESCAPE等。

類似于氣候模擬者用對大氣、海洋和陸地的數值模擬來預測未來氣候那樣，綜合評估模式將復雜度不一的氣候模式與對經濟活動、技術進步、農業和其他人類活動的模擬相結合，來探測氣候變化的廣泛影響，以及人類社會可能減緩和適應氣候變化的可能方式。綜合評估模式中包括了物理的氣候系統（一般都是簡化的），也包括了經濟行為、技術進步，農業生產和其他人類系統行為，通過對自然和人類系統進行耦合，來探究氣候變化的廣泛影響及人類社會可能減緩和適應氣候變化的可能方式，預測一個變化中的氣候對食物生產、自然生態系統、人類健康、人口遷徙、淡水供應等很多重要方面的影響。學者殷永元等認為，綜合評估方法具有5個特征：政策導向，聯接氣候變化影響與可持續發展；系統性及多學科交叉；多目標多部門評估；多個利益團體參與及展示利弊得失；使用先進的分析方法。這些特征的概括，也在一定程度上說明了綜合評估模式研發的艱巨性。

綜合評估模式具有多樣性的特征。有的相對簡單，例如，Dynamic Integrated Climate Change（DICE）model②http://www.econ.yale.edu/～nordhaus/homepage/DICE2007.htm，只有19個公式；有的則有成千上萬的公式。一些模式是“自下而上”架構的，著眼于減排技術；有的則是“自上而下”，重點在于經濟市場。按模型框架劃分，可分為最優化模式、可計算一般均衡模式和模擬模型等。按其區域劃分，則可分為全球模型和區域化模型。就經濟、物理和生態的影響，不同的模式輸出也不一樣，有的是簡單的輸出，有的是較詳細的社會經濟措施；一些聚焦于預估相關的不確定性，另一些則目標鎖定在建設“愿景”或界定最優政策。

在模式的目標方面，綜合評估與一般的基礎科學研究之間最主要的區別之一是研究目的不同：后者主要在于進一步了解某系統或事物的內在聯系；而前者大多在于為決策或政策制定提供科學依據，即政策導向。本次論壇的綜合評估模式的目標是多樣的，包括：1）為綜合評估模式系統內部的各種反饋提供信息。如氣候變化了，人類生產生活、經濟等各方面都相應地發生變化，這些變化又會反過來反作用于氣候。2）發現那些可能尚未被現有的綜合評估模式納入研究，但實際很重要的相互作用。例如，城市空氣污染一般是局地或者區域尺度，而不是像氣候變化那樣的全球尺度，但局地或者區域尺度的污染物又能影響全球尺度的大氣。所以，氣候變化有關的政策就與大氣污染政策有關系，考慮污染就會有益于對氣候變化的研究。其他一些類似的已被或可能尚未被模式考慮進來的主題還包括：糧食生產、交通運輸、制造業、城鎮化、生物多樣性、人口增長、水資源供應和質量、人類健康、土地退化沙化、生態系統紊亂、垃圾降解等。3）為決策者的決策提供信息。綜合評估模式能獲得很有價值的政策觀點。這些模式表明，要避免自然和人類系統可能會發生的可怕的變化，目前政策提出的排放限制是不夠的。他們證明，并不需要大量減少人類福利，也可以穩定溫室氣體濃度，然而這需要一些可能很難被落實執行的政策。此外，他們還顯示了一些減緩氣候變化行動（如，為溫室氣體排放進行定價）所可能帶來的結果。等等。

無論是簡單的還是復雜的綜合評估模式，其結果都有著不確定性。例如，各個河川流域的徑流量預估在會議期間引起了眾多討論，這是個融合了氣候、土地作用、農業等很多影響因素的復雜難題，氣候模式本身對于預測區域降水尚有不確定性，其他各種相關因素的影響使得綜合評估模式對其預估的不確定性更為嚴重。與極端事件有關的不確定性同樣很突出：不管是自然系統的極端事件，還是人類系統的極端事件，其影響都不容小覷，但目前模式對極端事件的模擬能力幾乎是匱乏的，因此這對于模式來說是個嚴重的瑕疵。再以碳循環模式為例，為了使模式能真實地刻畫相關的龐雜的各種生物物理化學過程，碳循環模式比過去要復雜得多，但同時一個顯而易見問題是，他們是否因此比過去更準確？英國研究人員Pierre參與的一項碳循環模式比較研究表明，由于碳循環模式變復雜，使得氣候模式的輸出結果的不確定性增加，而氣候模式結果不確定性的增加，自然會給綜合評估模式帶來更大的不確定性。

模式對不確定性的處理非常關鍵。本次論壇形成的觀點包括：1）承認不確定性是討論和未來分析的一個不可缺少的共同認知基礎，尤其是當不同的觀點分化嚴重時。2）在評估未來可能付出的代價時，將不確定性（包括事件的可能性和影響）的整個變幅區間都納入模式，要比用可能性和影響的平均值代入模式時，獲得的模擬結果更好。3）不確定性評估還使得科學家能夠確定模式中不同的輸入所帶來的不同影響。例如，綜合評估模式PAGE的一系列模擬實驗顯示，對溫室氣體增加的氣候敏感性的不確定性是評估未來氣候變化代價（成本）時最大的影響，位列其后的是折現率和大氣中溫室氣體半衰期等的輸入。按照這個分析，對這些不確定的輸入的深入理解，可以為未來節約上千億美元的付出。4）所有的模式都有不確定性，但不確定性并不一定就是個缺點。實際上，對模式來說，給出預估結果和對不確定性的識別與量化是同等重要的。

綜合評估模式到底能發揮什么作用，是本次論壇集中討論的熱點之一。麻省理工學院20年來研發的綜合全球系統模式MIT Integrated Global Systems Model（IGSM）①http://globalchange.mit.edu是一個比較復雜的模式，具有模塊化的框架，其組成成分可根據研究目的不同而增減，除了模擬自然系統的氣候模式、陸地生態系統模式、耦合的大氣化學與自然排放模式等之外，還包括排放預測和政策分析模型EPPA（一個囊括了全球大的經濟體里眾多消費和生產活動的經濟學模型），以及對能源使用、農業生產的模擬等。IGSM模擬結果表明，發達國家的能量消費會保持穩定，發展中國家則會增長到發達國家當今的水平。

另一個熱點是研究為了穩定溫室氣體濃度而改變全球能源系統所要付出的成本。例如，一個排放預測和政策分析經濟學模型已應用于計算在實行不同減排政策的情況下到2050年全球福利損失的可能性。結果表明，到2050年，若大氣中CO2含量穩定在560ppmv的水平，則全球福利損失大于1%的可能性為70%，大于2%的可能性為30%，而大于3%的可能性僅為10%。

三、　綜合評估模式的未來發展

在很多方面，綜合評估模擬還處于發展初期（嬰兒期）。未來發展還有很多亟待解決的方向。

首先是如何更好地處理多學科交叉融合的問題。由于綜合評估需要把生態、環境和社會經濟各方面納入到一個全面系統的分析框架中，因此綜合評估模式需要不同學科背景的專家坐到一起共同解決問題，多學科交叉的研究方法和途徑是必須和必要的。只有靠跨學科研究，合作者們跨越界限開展研究，才有望解決一些光靠本學科力量無法解決的難題。然而真正坐到一起時，這些不同學科專業背景的科學家又不可避免地會站在自己的立場（學科背景）來看待問題。未來，如何有效地協調不同學科專業的研究人員在綜合評估研究中的交流與合作，是綜合評估模式研究能夠取得成功的關鍵。

第二，人類活動與氣候和環境變化之間有著高度錯綜復雜的關系，我們對這些系統的內在關系及它們動態發展的了解也極為有限，而模式中完全的綜合，則意味著要將地球生活很多改變的方面都折成貨幣價值，這是一個廣泛面臨的挑戰，也是這類模式所共有的一個特點。特別是，綜合評估需要聯接科學研究與政策制定，向決策者、公眾團體及利益集團提供決策依據，以完成綜合評估的目的。因此，不完全綜合模式，輔以專家判斷相結合，是一種互補的有用的方式。在模擬研究中結合參與途徑方式（participatory approach），實現多個利益團體參與及展示利弊得失，以彌補計量模型的不足，已得到了綜合評估研究界的認可。

第三，極端天氣氣候事件影響大，理應被納入到綜合評估模式中。但目前，頂級的氣候模式對于詳盡模擬極端天氣氣候事件尚有難度，對發展還比較“稚嫩”的綜合評估模式來說，困難尤甚。氣候模式正在開始用隨機技術，將小尺度的人類行動（低于目前已比較精確的模式格點精度）的影響考慮進模式。應該開發綜合評估模式中刻畫極端事件的這些技術。模式對次網絡事件的不確定性的描述必須清楚透明，然而要達到這個要求，對任何一個綜合評估模式研究者來說都是個挑戰。

此外，如何改進綜合評估模式中普通存在的大量的簡化，是個棘手的難題。同時，效仿世界氣候研究計劃為推動氣候模式的發展所組織的一系列模式比較計劃，對氣候變化綜合評估模式開展類似的比較研究也是很有價值的。

（中國氣象局氣象干部培訓學院）

深入閱讀

魏一鳴, 米志付, 張皓. 2013. 氣候變化綜合評估研究新進展. 系統工程理論與實踐, 33(8): 1905-1915.

殷永元, 王桂新. 2004. 全球氣候變化評估方法及其應用. 北京: 高等教育出版社.

張雪芹, 葛全勝. 1998. 氣候變化綜合評估模型. 地理科學進展, 18(1): 60-67.

The Royal Society. Modeling Earth’s future. 2013. The Royal Society. https://royalsociety.org/～/media/ policy/Publications/2013/modelingearths-future/2013-10-01-modellingfuture.pdf