碳中和的12个科学技术

天际之星

碳中和的12个科学技术：英国皇家学会发布一系列简报，提出了加快实现温室气体净零排放、提高应对气候变化能力的12个科学技术问题。该项工作组织协调了20多个国家的120多位不同学科专家参与，针对12个技术领域概述了到2050年实现净零排放的研发部署优先事项，为政府决策提供参考。1、下一代气候模型建立地球气候模拟系统是过去半个世纪的伟大科学成就之一。最近的研究表明，新一代高分辨率模型可以显著提高气候缓解和适应相关信息的质量，涵盖从全球和区域气候影响到极端天气和严重的气候变化风险。应通过开展国际合作，建立一个基于百亿亿次计算和数据设施的国际下一代气候建模中心，实现分辨率和计算能力的跨越式发展，充分了解公里范围内的气候变化对全球的影响，以支持净零技术路线图和气候适应方面的投资。通过与该设施建立合作伙伴关系和开展协作，世界各地的国家气候建模和服务将达到新的水平。为确保最新预测结果的采纳和使用，该设施还可以包含专用的运营数据服务，采用数据分析和信息科学领域的最新数字技术，例如人工智能、机器学习和先进可视化等。可通过“孵化器”推动可持续发展，激发下一代建模的新想法，通过“开放数据实验室”在基于数据云和应用程序编程接口的前沿数字解决方案方面推动公私合作，培训气候模型信息的开发人员和用户。2、碳循环当前，人类已经对地球碳循环有较多了解，例如陆地和海洋作为碳汇吸收了超过半数的人类活动碳排放，但无法保证如此大量的吸收会持续下去。因此，需进一步深入了解，碳汇是否能在历史水平上继续封存二氧化碳（CO2）。碳汇的未来将取决于大气中的CO2水平及其上升或下降的速度、气候变化的影响以及可能的直接人类干预。保护碳汇，尤其是森林，对于维持其功能至关重要。预计在高碳排放的未来，气候变化将产生最大和最不确定的影响。通过人为干预增强自然碳汇对于实现净零排放至关重要，包括可持续造林、重新造林、农业土壤管理和泥炭地恢复。提高对碳循环理解的研究应包括：通过现场和卫星数据对大气、陆地和海洋进行连续观测监测；更好地了解碳汇的潜在不稳定性，以及开发更全面表征碳循环复杂性的模型。3、数字技术基于大量数据，计算科学有可能创建“数字孪生”，模拟和优化多个经济部门，到2030年显著减少碳排放。数字技术可以通过在全球经济中实现减排并限制计算本身造成的排放，在低碳转型中发挥重要作用。特别是，有机会将政府、学术界、工业界等联合起来，创建一个“数字孪生地球”或“地球运行控制回路”，并将真实世界运行数据反馈回模型中迭代更新，通过模拟、优化和改变经济活动，以最大限度地减少排放和提高效率。“净零计算”可以在全球、区域和国家净零战略中发挥重要作用。数字技术部门的用电量和碳足迹，包括隐含排放量，应与其收益成正比。在数据标准、质量和监管方面加强全球协调将能够实现可靠地收集、共享和使用相关数据，从而更好地量化温室气体排放，并支持减少排放的应用。同时，可以在城市、区域、国家乃至全球层面创建自然和经济系统的“数字孪生”，以最大限度地减少排放，提供决策信息并促进可持续发展，还可有助于政府探索“假设”情景和干预措施的影响。全球协作对于为净零系统的计算和数据基础设施建立可信赖的治理框架至关重要。科技行业应以身作则，科技公司应公开报告其能源使用情况以及直接和间接排放量，并优化可再生能源的使用。需改进全球研究和创新生态系统以支持相关技术进步，并利用由政府推动的免费或低成本“数字共享”平台。4、未来电池储能解决方案未来净零世界中，低碳交通和稳定的电力供应需要更强大、更持久、更快充电的电池。可持续的未来电池还需要使用储量丰富的材料和零碳制造工艺。电池是存储可再生电力的最有效方式，但目前技术进展尚不适用于大规模储能。锂离子电池是短期内最可行的电池储能技术，相关研究重点是提高能量密度、降低成本、延长寿命、提高充电安全性和速度，以及电池的回收和再利用。长远来看，研究人员正在探索使用其他材料和技术的下一代电池，以实现更广泛、经济的电气化。国际合作与协调应侧重于识别和试验新的资源丰富的材料，以降低成本、扩大电池使用并最大限度地减少电池生产对环境的影响。如果足够重视，未来将开发出成本更低、能量密度更高的全新电池。5、低碳供热和制冷供热和制冷占能源相关碳排放量的40%，住宅、商业和工业环境中的低碳供热和制冷技术处于不同发展阶段，部署进展缓慢。需通过提高能效、应用清洁技术替代化石燃料供热和制冷，以及在热能储存和运输方面进行创新来减少排放。不同国家需要一系列方法来减少供热和制冷碳排放，但还有更大的国际合作和网络互联的空间。通过改进隔热、热反射和其他方式，以降低建筑物供热和制冷能耗，是任何脱碳计划的首要目标。与化石能源相关技术相比，许多低碳供热和制冷技术还处于起步阶段，需要大量的示范和部署来测试其成本效益。低碳供热和制冷的研究、开发和部署关键领域包括：热泵、电加热器、区域系统、可再生能源供热和氢气。6、通过氢和氨应对净零挑战氢和氨在净零经济中具有重要的潜在作用，这两种燃料都是多功能的，能够以多种方式生产和使用，且能够由可再生能源生产并应用于难以脱碳的领域，如重型运输、工业和供热，并可作为能源存储和运输的介质。目前，氢和氨已经广泛用于工业和农业，但其生产具有较高的温室气体足迹。通过对现有技术和新技术的脱碳，可以显著减少温室气体排放。两种燃料都面临着技术挑战，包括生产、储存和使用方面，特别是实现净零生命周期排放的成本问题。需要进一步的研究、开发、示范和部署，以确定氢和氨在实践中可以产生重大影响的领域。在重工业和重型车辆、铁路和航运以及储能等行业，应优先示范氢和氨，其具有较大潜力成为经济高效的低碳替代品。通过工业合作伙伴集群进行大规模示范最具成本效益，此类方式通常适用于港口地区，尤其是与海上风电的集成。国际合作，包括基础设施合作，有助于在当前试点项目的基础上扩大部署，而且应与研究相结合以推动进一步的创新。7、碳捕集与封存（CCS）CCS对于在使用化石燃料或以任何方式释放碳的经济体中实现净零排放至关重要。研究表明，大多数可能的净零排放路线都需要CCS来实现。CCS是电力和工业部门脱碳的成熟技术选择。对于重工业等难以脱碳的领域，CCS可能是降低碳排放的最后一道防线。CCS已经过全球工业规模验证，是一种可靠、安全且可审核的碳封存方法，至少可封存10 000年。但目前CCS建设速度太慢，无法满足所需规模。全球碳捕集能力约为4000万吨CO2/年，其中只有25%被地质封存以缓解气候变化，需要加快部署来加速降低成本和扩大技术规模。随着CCS部署经验的积累，建立具备多个碳捕集站点的集群，通过共享管道或运输将CO2输送到共享封存地，是一种共享和降低单位成本的方法。目前正在建设和规划此类CCS项目。对新型捕集技术的研究有望在未来降低成本，但可能需要几十年才能商业化。CO2去除技术，包括负排放技术，如带有碳封存的直接空气碳捕集（DACCS），有助于在本世纪中叶实现广泛认可的净零排放目标。个别国家或团体可以通过补贴或实施碳税以鼓励CCS技术发展。另外，为了可靠地封存足够的碳，可能需要碳供应商承担封存义务。8、气候弹性和适应性即使全球温升被限制在1.5℃以内，人类生计和基础设施也会越来越多地受到气候变化和极端天气的影响，这可能导致数百万人流离失所。气候适应相关成本会随气温升高而增加，因此应投资于气候适应性，通过更好的预测、适应气候变化的基础设施和基于自然的解决方案增强气候适应性。应通过科学研究和专业知识，在未来20年支持建设预计94万亿美元的基础设施以抵御气候变化，投资于能够最可靠降低气候风险的领域。基于自然的解决方案（保护、恢复和可持续管理生态系统）可以保护社区和基础设施免受气候变化影响，增强人类适应进一步变化的能力，并有助于减缓气候变化。下一代气候和天气模型将提供当地气候影响相关的详细信息，有助于改进早期预警系统，并可纳入备灾和长期适应工作。对现场观测平台的投资有助于改善预报初始条件，并为预报和模型预测提供“地面实况”。下一代模型和跨学科研究也可以在估计跨尺度适应成本（目前尚未准确量化）以及评估替代适应策略的功效方面发挥重要作用。根据联合国的分析，气候融资总额的50%应该用于增强气候弹性和适应全球变暖的影响。9、气候变化与土地以可持续的方式保护、恢复和管理土地有助于实现净零排放目标以及适应气候变化的影响。到2050年，将全球温升控制在1.5-2℃所需的净减排量，陆地可以占到20%-30%，但只有与化石燃料的快速和深度减排相结合才能有效。陆地减排的优先事项是保护现有的富含碳的生态系统、恢复退化的生态系统以及改善农业和林业管理。有效的陆地气候缓解和适应方案将涉及当地社区，并有助于实现多个联合国可持续发展目标。研究表明，健康、富含植物的饮食和减少食物浪费将减轻产粮土地的压力，为解决气候变化和增强生物多样性提供空间。更清晰的监测和标准表明，基于陆地的减排方案正在实现真正的温室气体减排，应鼓励政府、企业和其他方提供资金。进一步的研究将确定基于陆地的减排方案良好做法和绩效指标，包括考虑对当地人民和社区的益处。10、弹性粮食生产全球粮食系统约占人类活动温室气体排放量的1/3。因此，需在实现粮食安全、增强抵御气候变化影响的同时减少排放，在饮食改变、可持续农业实践和食品生物技术创新方面开展活动。决策者、农业社区和科学家有机会共同努力消除饥饿，并在净零排放背景下实现粮食安全和营养，包括减少粮食系统排放、提高其复原力和保护生物多样性。研究表明，气候影响与粮食生产和消费之间存在关联，粮食、农业和水产养殖应遵循战略系统方法，这将有助于实现联合国可持续发展目标。鉴于粮食系统对环境的多方面影响，决策者必须解决饮食问题及其对气候的影响，同时考虑经济和社会因素。需要研究和开发支持可持续、创新、气候智能型的全球粮食生产系统，关键领域包括农林业的最佳实践，减少肠道发酵的措施，以及开发可持续提高产量的新作物品种。在气候变化时期，生物技术在提高质量和产量，以及对抗病虫害、高温和干旱方面取得了特别快速的进展。要实现具有低温室气体排放的弹性粮食系统，需要充分运用科学技术，从基础研究和开发到技术和农业实践的示范和部署，并与农业部门密切合作。11、气候变化与健康气候变化直接和间接影响人类健康，影响程度将随着时间的推移而增加，严重程度将取决于为缓解和适应气候变化而采取的行动。气候变化的驱动因素，例如化石燃料燃烧，也会对人类健康产生负面影响。因此，为缓解和适应气候变化而采取的行动将通过多种途径在近期和长期内有益于人类健康。促进更广泛地采用更可持续和可负担的食物并减少浪费，可以改善人类健康并保护自然环境。清洁可再生能源替代化石燃料、零排放汽车等措施可减少空气污染以保护人类健康。缓解和适应气候变化的“基于自然的解决方案”也可以对身心健康产生多种益处。面对气候变化，还需要有效的适应和复原策略来尽可能保护健康，包括能够更好地应对极端事件和疾病爆发的监测、预警系统以及卫生系统。12、政策选择和经济前景政策和经济工具在净零技术部署方面发挥着重要作用。国际社会正处于一个独特的时刻，从新冠疫情中复苏为应对气候变化和实现净零排放提供了机会。应对气候变化挑战需要世界经济迅速和协调一致的转型，随着越来越多国家做出净零承诺，需采取措施将承诺转化为具体行动计划。在个别国家，可以通过确定“敏感干预点”来实现减排。通过部署诸如边境碳调节等机制，在已采取积极脱碳政策的国家和尚未采取措施的国家之间创造公平竞争环境，可以实现更大程度的行动协调。跨学科研究有助于为应对气候变化和其他相关挑战所需的社会和环境转型提供信息。国家自然科学基金委员会发布的面向国家碳中和的重大基础科学问题与对策拟资助的28个研究方向：　　（一）中国海生态系统碳汇格局、清单及不确定性：集成现场观测和卫星遥感数据，结合数值模拟等技术手段，系统评估中国海生态系统主要碳库时空变化，揭示渤海、黄海、东海和南海等主要中国近海系统的碳源汇格局，降低其评估的不确定性，提供中国区域高时空分辨率的海洋碳收支清单。　　（二）中国海生态系统固碳关键过程与调控机制：集成分析历史观测数据，深入研究我国邻近海域典型生态系统结构和碳汇功能的关系，揭示海水碳酸盐体系、浮游植物初级生产过程、群落净生产和浮游动物传递等关键碳汇过程的调控机制，甄别自然和人类活动对碳汇的影响，厘清暖化和富营养化等环境变化对生态系统碳汇功能的影响。　　（三）海洋微型生物驱动与耦合的综合负排放机理：通过学科交叉同步研究微型生物代谢驱动的碳、氮、硫循环过程，从分子、基因水平到种群、生态系统水平上阐释微型生物碳泵与无机碳汇的协同作用机理，探究微型生物碳泵驱动与耦合的有机碳-自生碳酸盐联合负排放路径，从实验观测到数值模拟建立微生物驱动的碳、氮、硫循环与碳汇耦合关系，实现海洋负排放机理上的突破，为碳中和目标提供海洋负排放的创新性理论和技术储备。　　（四）中国陆地生态系统碳库现存量及其不确定性：系统地评估2010-2020年间中国森林、草地、农田、湿地和内陆水体生态系统的全组分碳库的现存量、空间变异特征及其影响因素；量化地上植被、地下植被、土壤、凋落物碳库组分及其关系；评估碳库的现存量与容量，揭示碳库的稳定性以及估算的不确定性，凝练提出碳储量评估及其不确定性量化的方法体系。　　（五）中国陆地生态系统固碳速率及其不确定性、稳定性和持续性：基于长期调查样地、通量观测、多模型比对、多源数据整合等途径，定量分析森林、草地、农田、荒漠、湿地、内陆水体等类型陆地生态系统的固碳速率，以及以县、市、省等行政区划为主体的固碳速率，分析不同体系下固碳速率的不确定性；定量揭示中国陆地生态系统固碳速率的时空变异特征、影响因素和调控途径；评估碳汇功能的稳定性和持续性。　　（六）中国陆地生态系统碳固持与碳汇功能的关键过程与调控机制：研究土壤有机碳库关键属性的空间分布规律特征，解析森林、草地、农田、荒漠、湿地、内陆水体等类型生态系统土壤有机碳库的形成与稳定机制；研究主要生态系统类型土壤碳库关键属性和土壤碳转化的关键过程对全球变化的响应及其生物与非生物机制；探究植物及土壤微生物群落对土壤有机质稳定性的影响机制。　　（七）中国陆地生态系统增汇潜力及风险评估：根据不同的气候变化和大气沉降情景，结合我国重大生态工程及各类人为管理措施等，探讨不同时期、不同排放情境下的增汇潜力，量化气候变化和人为活动各分量对生态系统增汇潜力的贡献，在充分考虑固碳速率（动态特征）、稳定性、持续性的基础上，提出陆地生态系统增汇的系统管理优化方案。　　（八）中国区域岩溶碳汇机理、清单及增汇潜力：集成分析岩溶系统监测数据，发展新型融合观测系统，研究其中的碳循环过程与机理，建立岩溶碳汇算法，量化我国岩溶碳汇清单，评估岩溶碳汇速率与稳定性；研究微生物、碳酸苷酶、土地利用形式等对岩溶形成及碳汇的影响，探索通过人工干预加速岩溶碳汇的方法与途径，并评估其潜力。　　（九）CO2封存的地质体结构透明化表征方法与埋存场地选址：开展区域地质调查和工程地质勘察，进行多尺度地质结构观测，进行地表水/地下水物理化学力学性质测试，建立多尺度三维地质结构模型和水文地质结构精细化模型，开展数据挖掘、人工智能与大数据分析，建立CO2地质封存潜力评价指标体系。　　（十）深地CO2封存多相流体与地质体的长时耦合作用：建立真三向应力状态下CO2注入-运移-封存全周期过程中储层孔隙率-渗透率演化机制；揭示CO2-咸水-岩层耦合作用下储层孔隙力学长期变形规律以及时效致裂机理；建立渗透-化学-力学耦合作用下盖层岩体的真三向破坏准则及强度理论，揭示CO2聚集压力下盖层岩体时效损伤变形规律以及渐进式破坏机理。　　（十一）去碳目标导向的CO2驱油与埋存的关键理论与技术：研究适应不同类型地质封存需求的烟气净化和CO2捕集原理，分析高含水油藏开发历程对渗流、封存效率和封存安全性的影响规律，阐明高含水油藏中CO2-水-油-岩的微观相互作用，揭示高含水油藏封存CO2后流体重新分布及长期封存机制。　　（十二）CO2地质封存潜力与资源协同方法：构建区域尺度地质结构时空数据，量化不同区域的潜在碳封存储层及能力，探讨不同区域工业CO2排放源与区域碳封存能力的匹配性问题，揭示不同区域生物质能源、水资源、清洁能源等资源与碳封存的协同性。　　（十三）地质碳封存安全与风险：开展CO2-咸水物理化学作用下盖层渗漏破坏试验与模拟研究，揭示非纯CO2-咸水作用下盖层密闭性与力学特性演化机理，建立考虑储层密闭性及盖层突破性的力学稳定性评价方法；开展物理和化学两种捕获方式下多尺度地质结构劣化试验，建立断层活化判据，建立封存CO2后的监测方法，评价封存CO2后的长期封存机制、泄露风险和引发地质灾害的潜在风险。　　（十四）中国海岸带生态系统碳汇格局、清单及潜力：结合长期样地、通量观测、遥感监测、模型模拟等技术手段，构建红树林、盐沼、海草床等中国海岸带典型生态系统碳储量与碳通量的评估体系，阐明气候变化与人类活动影响下碳储量与碳通量的时空格局、演变规律及演化特征，揭示碳汇关键过程与调控机制，提供碳收支清单及不确定性，评估碳库稳定性、碳汇可持续性及潜力。　　（十五）中国河流-河口-近海连续体碳交换与循环：结合长期观测、遥感分析与模型模拟，厘清中国主要河流-河口-近海连续体的多界面碳传输通量特征，揭示碳传输的关键过程与调控机制，阐明气候变化与人类活动双重压力下河流-河口-近海碳交换的演变规律及其对海洋与陆地碳收支的影响。　　（十六）陆海统筹下的中国海岸带生态系统保护修复与固碳增汇协同增效：构建和发展陆海统筹下的中国海岸带生态系统固碳增汇的基础理论，研发红树林、盐沼、海草床等典型海岸带生态系统的增汇措施与关键技术，探索兼顾生态系统保护修复与固碳增汇的协同增效途径，评估不同增汇措施与技术实施的潜在风险，提出面向碳中和的海岸带生态系统保护修复的最优化管理方案。　　（十七）区域碳循环过程与区域地球系统模式：研发或优化包含碳循环过程的区域海陆气耦合的理论方法与关键技术，发展适用于中国区域海陆气耦合的区域地球系统模式；研究未来气候变化情景下东亚区域海洋和陆地生态系统碳循环及其与气候系统的互馈作用，阐明海陆气耦合对海洋和陆地生态系统碳源汇的影响。　　（十八）中国碳中和行动有效性监测评估：充分融合观察数据与数值模式，研究碳中和行动有效性监测评估的关键科学与技术，开展中国区域碳中和行动有效性监测评估，支撑碳收支盘点工作；开发碳同化系统、甄别自然与人为碳排放等关键措施与技术，评价不同碳中和路径的不确定性。　　（十九）碳中和路径下的中国区域气候系统动力学：从气候系统对温室气体强迫的快慢响应、反馈过程和气候敏感度等方面，揭示碳中和目标下中国区域气候系统的变化、不确定性以及关键的动力过程；研发能够有效减少模式预估不确定性的“涌现约束”方法，提高碳中和目标下东亚地区气候变化的预估可靠性，量化气候均态和极端事件等关键指标的变化和空间分布特征；评估碳中和政策在减缓增温、减轻气候灾害等方面的有效性；评估我国生态工程的碳汇作用及其气候影响。　　（二十）面向不同碳中和路径下的自然生态系统碳汇演化集成研究：探讨中国实现碳中和愿景的动态路径和技术途径，核算不同人为生态工程及管理措施对自然生态系统碳汇的影响潜力，基于不同的碳中和路径评价不同的管理体系对自然生态系统增汇的有效性、可行性以及经济性，提出自然生态系统增汇新技术方法和政策理论体系。　　（二十一）面向碳中和的经济转型模式构建研究：研究碳中和愿景与长期经济增长的相关影响；2030年前碳达峰和2060年碳中和愿景下经济结构形态演变特征和动力机制；碳中和愿景下的经济转型成本；碳中和愿景下的企业技术创新模式；研究进出口贸易对我国碳中和路径的影响；发展适合中国国情的碳中和经济学理论。　　（二十二）面向碳中和的能源革命路径研究：研究碳中和愿景下颠覆性能源系统技术与结构特征；碳中和愿景下能源系统形态动态演化过程、驱动机制和管理理论；基于大数据的能源系统复杂性建模方法；高比例可再生能源下的电力系统安全运行管理理论与方法；颠覆性能源技术和碳移除（CDR）技术在实现碳中和目标中的作用和发展路线图。　　（二十三）重点行业和领域碳达峰、碳中和路径优化研究：研究钢铁、水泥、石化等重点行业和交通、建筑等关键领域实现碳达峰和碳中和目标的主要障碍、技术措施、转型成本和优化路径；研究数字经济发展战略和乡村振兴战略对我国碳中和路径的影响；从物质流动和供给-需求系统的角度，综合分析主要行业和领域低碳发展的系统路径。　　（二十四）碳达峰、碳中和区域协同路径优化研究：研究自上而下与自下而上相结合的全国分区域碳中和路径评价理论和方法体系；碳中和愿景下我国分区域能源结构和产业结构转型的特征和驱动机制；全国重点产业空间布局特征对于区域和全国碳中和路径的影响机制；建立省级尺度的全国能源经济综合评估模型体系，识别实现碳达峰和碳中和目标的区域协同优化路径；选择京津冀、长三角、粤港澳、西部等区域开展碳中和先行示范区案例研究。　　（二十五）面向碳中和的环境协同治理研究：研究碳中和愿景下碳排放与大气污染物排放协同治理的模式与机制；研究不同区域碳中和路径对于大气污染物排放影响机制；研究不同碳中和路径下的空气质量空间格局特征、人群暴露风险特征和协同效益；研究碳中和与水污染、土壤污染治理的协同路径；研究碳中和路径下的中国分区域生态环境承载力；研究碳排放和非二氧化碳温室气体排放治理的协同路径。　　（二十六）面向碳中和的国家气候治理体系研究：研究面向碳中和愿景的法律法规体系创新；研究碳中和愿景下行业、地方碳排放总量控制的制度安排和协调机制；研究碳中和愿景下不同政策的交互影响；面向碳中和的政策工具创新和评估方法研究；碳汇体系建设与低碳消费模式对碳中和的贡献与激励机制研究；企业碳中和管理方法和激励机制研究；建立国家碳达峰、碳中和转型监测与战略决策支撑系统。　　（二十七）面向碳中和的国际气候合作研究：开展世界主要国家碳中和愿景比较和对我国的借鉴研究；面向全球碳中和的市场和非市场合作机制研究；研究基于算法的全球碳排放数据报告与核算理论和方法；研究国际碳定价机制链接和合作对我国和全球实现碳中和愿景中的贡献和影响；提出我国深入参与并引领国际气候合作机制构建的战略和策略。　　（二十八）碳中和路径与对策综合研究：综合运用管理科学、自然科学等相关领域的研究成果，建立由科学理论与技术支撑的碳中和路径决策系统，识别和探索在不同自然生态系统碳汇演化情景下的最优行动方案，支撑国家形成并实施碳中和综合战略和对策。

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