戴洋

氣候變化綜合評估模式研究：任重道遠(yuǎn)——美英科學(xué)論壇第三次主題年會介紹

戴洋

2008年創(chuàng)建的美英科學(xué)論壇的另一個(gè)目的在于檢驗(yàn)科學(xué)技術(shù)作為引擎，在創(chuàng)造人類未來這方面的驅(qū)動(dòng)力究竟幾何。

全球氣候變化問題是人類迄今為止面臨的規(guī)模最大、范圍最廣、影響最為深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)之一。一直以來，氣象學(xué)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(zhǔn)確的預(yù)測。2012年美英科學(xué)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(lǐng)域，形成了很多鮮明的、發(fā)人深思的觀點(diǎn)。

一、會議概況

2008年創(chuàng)建的美英科學(xué)論壇，目的在于幫助兩國科學(xué)界領(lǐng)導(dǎo)層在一些在全球范圍有利于整個(gè)人類的科學(xué)焦點(diǎn)問題上建立一個(gè)持久的伙伴關(guān)系，另一個(gè)目的則是在于檢驗(yàn)科學(xué)技術(shù)作為引擎，在創(chuàng)造人類未來這方面的驅(qū)動(dòng)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(lǐng)域的專家和學(xué)者，他們用各種不同方式來模擬自然和人類系統(tǒng)，其中，有的純粹專注于自然系統(tǒng)，有的則涉獵廣泛，研發(fā)的模式包括了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、農(nóng)業(yè)和其他人類系統(tǒng)。正如會議總結(jié)報(bào)告（圖1）撰寫者Olson所說，“每一個(gè)群體都有很多要向其他群體學(xué)習(xí)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?yàn)闅夂蜃兓芯坎艡M空出世的，事實(shí)上，綜合評估方法所使用的一些分析工具及技術(shù)，如生態(tài)模擬和系統(tǒng)分析等，其發(fā)展可追溯到20世紀(jì)中后期對全球環(huán)境的研究，為了解決全球環(huán)境問題，“綜合評估”的政策評價(jià)過程被引入，相應(yīng)的評估模型作為核心研究工具進(jìn)而被逐步研發(fā)。自國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（International Institute of Applied Systems Analysis,IIASA）研發(fā)了綜合評估模型RAINS對歐洲酸雨問題及適應(yīng)對策進(jìn)行分析評估，Nordhaus將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)整合到一個(gè)模型框架里來對氣候政策進(jìn)行評價(jià)之后，氣候變化綜合評估模式取得了長遠(yuǎn)發(fā)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(shù)值模擬來預(yù)測未來氣候那樣，綜合評估模式將復(fù)雜度不一的氣候模式與對經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、技術(shù)進(jìn)步、農(nóng)業(yè)和其他人類活動(dòng)的模擬相結(jié)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(yīng)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(tǒng)（一般都是簡化的），也包括了經(jīng)濟(jì)行為、技術(shù)進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他人類系統(tǒng)行為，通過對自然和人類系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)氣候變化的可能方式，預(yù)測一個(gè)變化中的氣候?qū)κ澄锷a(chǎn)、自然生態(tài)系統(tǒng)、人類健康、人口遷徙、淡水供應(yīng)等很多重要方面的影響。學(xué)者殷永元等認(rèn)為，綜合評估方法具有5個(gè)特征：政策導(dǎo)向，聯(lián)接氣候變化影響與可持續(xù)發(fā)展；系統(tǒng)性及多學(xué)科交叉；多目標(biāo)多部門評估；多個(gè)利益團(tuán)體參與及展示利弊得失；使用先進(jìn)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(fā)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(gè)公式；有的則有成千上萬的公式。一些模式是“自下而上”架構(gòu)的，著眼于減排技術(shù)；有的則是“自上而下”，重點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)市場。按模型框架劃分，可分為最優(yōu)化模式、可計(jì)算一般均衡模式和模擬模型等。按其區(qū)域劃分，則可分為全球模型和區(qū)域化模型。就經(jīng)濟(jì)、物理和生態(tài)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(xì)的社會經(jīng)濟(jì)措施；一些聚焦于預(yù)估相關(guān)的不確定性，另一些則目標(biāo)鎖定在建設(shè)“愿景”或界定最優(yōu)政策。

在模式的目標(biāo)方面，綜合評估與一般的基礎(chǔ)科學(xué)研究之間最主要的區(qū)別之一是研究目的不同：后者主要在于進(jìn)一步了解某系統(tǒng)或事物的內(nèi)在聯(lián)系；而前者大多在于為決策或政策制定提供科學(xué)依據(jù)，即政策導(dǎo)向。本次論壇的綜合評估模式的目標(biāo)是多樣的，包括：1）為綜合評估模式系統(tǒng)內(nèi)部的各種反饋提供信息。如氣候變化了，人類生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)等各方面都相應(yīng)地發(fā)生變化，這些變化又會反過來反作用于氣候。2）發(fā)現(xiàn)那些可能尚未被現(xiàn)有的綜合評估模式納入研究，但實(shí)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(qū)域尺度，而不是像氣候變化那樣的全球尺度，但局地或者區(qū)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(guān)的政策就與大氣污染政策有關(guān)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(jìn)來的主題還包括：糧食生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、制造業(yè)、城鎮(zhèn)化、生物多樣性、人口增長、水資源供應(yīng)和質(zhì)量、人類健康、土地退化沙化、生態(tài)系統(tǒng)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(jià)值的政策觀點(diǎn)。這些模式表明，要避免自然和人類系統(tǒng)可能會發(fā)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(wěn)定溫室氣體濃度，然而這需要一些可能很難被落實(shí)執(zhí)行的政策。此外，他們還顯示了一些減緩氣候變化行動(dòng)（如，為溫室氣體排放進(jìn)行定價(jià)）所可能帶來的結(jié)果。等等。

無論是簡單的還是復(fù)雜的綜合評估模式，其結(jié)果都有著不確定性。例如，各個(gè)河川流域的徑流量預(yù)估在會議期間引起了眾多討論，這是個(gè)融合了氣候、土地作用、農(nóng)業(yè)等很多影響因素的復(fù)雜難題，氣候模式本身對于預(yù)測區(qū)域降水尚有不確定性，其他各種相關(guān)因素的影響使得綜合評估模式對其預(yù)估的不確定性更為嚴(yán)重。與極端事件有關(guān)的不確定性同樣很突出：不管是自然系統(tǒng)的極端事件，還是人類系統(tǒng)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(gè)嚴(yán)重的瑕疵。再以碳循環(huán)模式為例，為了使模式能真實(shí)地刻畫相關(guān)的龐雜的各種生物物理化學(xué)過程，碳循環(huán)模式比過去要復(fù)雜得多，但同時(shí)一個(gè)顯而易見問題是，他們是否因此比過去更準(zhǔn)確？英國研究人員Pierre參與的一項(xiàng)碳循環(huán)模式比較研究表明，由于碳循環(huán)模式變復(fù)雜，使得氣候模式的輸出結(jié)果的不確定性增加，而氣候模式結(jié)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(guān)鍵。本次論壇形成的觀點(diǎn)包括：1）承認(rèn)不確定性是討論和未來分析的一個(gè)不可缺少的共同認(rèn)知基礎(chǔ)，尤其是當(dāng)不同的觀點(diǎn)分化嚴(yán)重時(shí)。2）在評估未來可能付出的代價(jià)時(shí)，將不確定性（包括事件的可能性和影響）的整個(gè)變幅區(qū)間都納入模式，要比用可能性和影響的平均值代入模式時(shí)，獲得的模擬結(jié)果更好。3）不確定性評估還使得科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jià)（成本）時(shí)最大的影響，位列其后的是折現(xiàn)率和大氣中溫室氣體半衰期等的輸入。按照這個(gè)分析，對這些不確定的輸入的深入理解，可以為未來節(jié)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(gè)缺點(diǎn)。實(shí)際上，對模式來說，給出預(yù)估結(jié)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(fā)揮什么作用，是本次論壇集中討論的熱點(diǎn)之一。麻省理工學(xué)院20年來研發(fā)的綜合全球系統(tǒng)模式MIT Integrated Global Systems Model（IGSM）①http://globalchange.mit.edu是一個(gè)比較復(fù)雜的模式，具有模塊化的框架，其組成成分可根據(jù)研究目的不同而增減，除了模擬自然系統(tǒng)的氣候模式、陸地生態(tài)系統(tǒng)模式、耦合的大氣化學(xué)與自然排放模式等之外，還包括排放預(yù)測和政策分析模型EPPA（一個(gè)囊括了全球大的經(jīng)濟(jì)體里眾多消費(fèi)和生產(chǎn)活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型），以及對能源使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模擬等。IGSM模擬結(jié)果表明，發(fā)達(dá)國家的能量消費(fèi)會保持穩(wěn)定，發(fā)展中國家則會增長到發(fā)達(dá)國家當(dāng)今的水平。

另一個(gè)熱點(diǎn)是研究為了穩(wěn)定溫室氣體濃度而改變?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)所要付出的成本。例如，一個(gè)排放預(yù)測和政策分析經(jīng)濟(jì)學(xué)模型已應(yīng)用于計(jì)算在實(shí)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(jié)果表明，到2050年，若大氣中CO2含量穩(wěn)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(fā)展

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

首先是如何更好地處理多學(xué)科交叉融合的問題。由于綜合評估需要把生態(tài)、環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)各方面納入到一個(gè)全面系統(tǒng)的分析框架中，因此綜合評估模式需要不同學(xué)科背景的專家坐到一起共同解決問題，多學(xué)科交叉的研究方法和途徑是必須和必要的。只有靠跨學(xué)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(xué)科力量無法解決的難題。然而真正坐到一起時(shí)，這些不同學(xué)科專業(yè)背景的科學(xué)家又不可避免地會站在自己的立場（學(xué)科背景）來看待問題。未來，如何有效地協(xié)調(diào)不同學(xué)科專業(yè)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(guān)鍵。

第二，人類活動(dòng)與氣候和環(huán)境變化之間有著高度錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，我們對這些系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系及它們動(dòng)態(tài)發(fā)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(jià)值，這是一個(gè)廣泛面臨的挑戰(zhàn)，也是這類模式所共有的一個(gè)特點(diǎn)。特別是，綜合評估需要聯(lián)接科學(xué)研究與政策制定，向決策者、公眾團(tuán)體及利益集團(tuán)提供決策依據(jù)，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(jié)合，是一種互補(bǔ)的有用的方式。在模擬研究中結(jié)合參與途徑方式（participatory approach），實(shí)現(xiàn)多個(gè)利益團(tuán)體參與及展示利弊得失，以彌補(bǔ)計(jì)量模型的不足，已得到了綜合評估研究界的認(rèn)可。

第三，極端天氣氣候事件影響大，理應(yīng)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(fā)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(jī)技術(shù)，將小尺度的人類行動(dòng)（低于目前已比較精確的模式格點(diǎn)精度）的影響考慮進(jìn)模式。應(yīng)該開發(fā)綜合評估模式中刻畫極端事件的這些技術(shù)。模式對次網(wǎng)絡(luò)事件的不確定性的描述必須清楚透明，然而要達(dá)到這個(gè)要求，對任何一個(gè)綜合評估模式研究者來說都是個(gè)挑戰(zhàn)。

此外，如何改進(jìn)綜合評估模式中普通存在的大量的簡化，是個(gè)棘手的難題。同時(shí)，效仿世界氣候研究計(jì)劃為推動(dòng)氣候模式的發(fā)展所組織的一系列模式比較計(jì)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(jià)值的。

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)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(jìn)展. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)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(yīng)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(xué)進(jìn)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