人-地系统动力学模型的构建发展与应用

理论篇 第1章绪论 随着人类经济社会的发展和温室气体排放加剧，以全球变暖为主要标志的气候变化问题引起了各国政府、科学界乃至普通民众的广泛关注。已观测到的气候变化影响是显著且多层次的（叶笃正和董文杰，2010；王慧等，2015）。近几十年来，全球变暖问题越来越突出，全球气候变化的研究重点逐渐向人类社会生存环境与适应和减缓全球气候变化的方向发展。全球变暖问题已经从一个有争议的科学问题逐渐转化为政治问题、经济问题、环境问题甚至道德问题。全球气候变化正成为国际社会关注的焦点（王绍武等，2007；丁一汇和孙颖，2006；魏一鸣等，2013）。 要想对气候变化与人类社会系统的复杂关系进行深入了解，首先需要掌握和认识自然系统的变化规律，认识和掌握社会经济发展的运作模式，在此基础上，还需要将自然系统与人类社会系统看作一个整体来进行研究。 从国际研究计划的角度来看，气候变化问题已经不仅仅局限在气候系统或者自然系统，而是已经深入人类社会的政治、经济、健康、安全等问题。这种将自然系统与社会系统进行整合的必然性可以从国际上提出的一系列重大研究计划的发展历程看出。早期国际上推出的大型研究计划中，大多都是针对地球系统中单个的圈层或者自然系统，如20世纪80年代国际上成立了世界气候研究计划（WCRP），开始着手组织、协调和发展与气候变化有关的观测系统和模式等，但这主要局限在对气候系统本身的研究。20世纪80年代末到90年代末，国际上又相继建立了国际地圈-生物圈计划（IGBP）、国际生物多样性科学研究规划（DIVERSITAS）和全球环境变化的人文因素计划（IHDP），开始关注和研究人类活动与地球生态、环境等之间的关系。在以上4个计划的推动下，有关气候变化、生态环境等的研究取得了重大的进展，人们开始意识到气候变化与环境和生态之间存在着密切的相互作用关系，而对单个的圈层或者是自然系统分开进行的研究都有一定的局限性，这种突破性的认识又推动了21世纪初地球系统科学联盟（ESSP）的成立。ESSP由IGBP、DIVERSITAS、IHDP和WCRP组成，重视研究全球变化和地球系统不同圈层的相互关系以及全球变化对未来全球和区域可持续发展的影响。2014年，国际科学联盟理事会提出了为期10年的“未来地球计划”，该研究计划以“动态地球”“全球发展”“向可持续发展的转变”为3个主要的研究目标，通过强调全球环境和人类的福祉与发展，重点关注自然系统和人类系统的相互影响。 在国内，早在20世纪90年代初，针对全球变化大背景下中国生存环境和区域发展的特征，叶笃正等（2001）提出了“有序人类活动”的框架概念和确定“有序人类活动”过程方案的方法。“有序人类活动”是指通过合理安排和组织，使自然环境能在长时期、大范围内不发生明显的退化，甚至能持续好转，同时又能满足当时社会经济发展对自然资源和环境需求的人类活动。而确定“有序人类活动”方案的主要方法是将人类活动过程子模式与气候系统子模式进行耦合。通过耦合建立人-地关系，可以构成地球系统各圈层的动力过程与人类圈的耦合模式，并利用其分析地球系统内部变化的机理和经济发展等对环境的敏感性，从而预测未来可能变化趋势。 “有序人类活动”框架概念和确定“有序人类活动”过程方案方法的提出，体现了我国科学家在全球变化研究思想方面的先进性和前瞻性，这一概念和方法的提出，也为全球和区域可持续发展的研究开辟了新的天地。到目前为止，我国在全球环境变化和“有序人类活动”的研究方面取得了很大的进展，主要体现在对土地利用/土地覆盖和陆地生态系统变化、人类活动与气溶胶、人类活动与海岸带、人类活动与碳循环过程以及人类活动与气候变化的集成研究等方面。而这些研究主要关注人类活动与自然系统的单向作用过程，较少的研究尝试或实现将人类活动子模式与自然系统子模式进行耦合来进行“有序人类活动”的研究。2014年，在国际科学联盟理事会提出“未来地球计划”的大背景下，我国也成立了“未来地球计划”中国委员会，这标志着将自然系统与人类系统进行整合的思想在我国受到了空前的重视并得到了整体的提升。 从“有序人类活动”的视域观审视当前全球气候变化研究，其迫切需要我们将人类活动子模式与自然系统子模式进行整合，形成完整意义上的人-地系统模式，从而为人类社会经济与自然环境复杂的关系研究提供科学有效的工具。 20世纪70年代，“气候系统”的概念被提出。气候系统强调把大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈五个圈层作为一个整体来加以研究，从多圈层相互作用的角度来理解过去和现代气候的变化规律与机理，预测和预估其未来变化。目前人们通过气候数值模拟来研究气候的形成，探索气候变化的成因，气候数值模拟成为认识气候形成和演变规律的重要方法之一。 当前研究人类活动与气候变化关系的两类主要工具是地球系统模式（Earth System Model，ESM）和综合评估模型(Integrated Assessment Model，IAM)。前者描述了气候圈层以及圈层之间复杂的动力学、热力学和生物化学作用过程，经历了从大气环流模式、大洋环流模式、海-气耦合模式、海-陆-气耦合模式到海-陆-气-冰耦合模式的发展，其在研究气候变化的机理、归因及预估等方面具有非常大的优势（王斌等，2008；赵宗慈等，2013）；而后者整合了能源、经济、政策、气候变化及气候变化的影响等过程，在研究有关气候变化的政策、影响方面具有明显的优势（张雪芹和葛全胜，1999；Edmonds，2012）。然而，随着人类社会与自然系统相互作用关系的加强，地球系统模式和综合评估模型在研究人类社会系统与自然系统相互作用关系方面逐渐凸显出明显的不足。例如，即使目前发展*完善的耦合地球系统模式，也没有包含完整的人类经济活动模块和气候变化对社会经济的影响模块，研究者只是用碳排放［或二氧化碳（CO2）排放］来代表人类活动，并将其作为外强迫条件来研究人类主要的经济和土地利用活动对气候变化的影响，但是这不能反映政策、技术进步等对气候变化的影响，也不能完整地体现气候变化对人类社会各部门影响的反馈作用（董文杰等，2016）。同样对于综合评估模型来说，该模型虽然整合了能源、经济、气候变化及其影响的过程，但其气候变化模块过于简单，因而无法详细地描述气候系统各个圈层和圈层间的动力与热力过程，这使得综合评估模型在气候变化的研究方面有较大的不确定性（Tol and Vellinga，1998；van Vliet et al.，2011）。另外，尽管进行气候变化预估所使用的地球系统模式的未来碳排放情景是由综合评估模型根据描述的未来经济发展水平或条件预估的，但是地球系统模式和综合评估模型的发展都是各自独立的。 现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:技术优化模型、一般均衡模型和*优增长模型（Stanton et al.，2009）。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。*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(几十年内)累积福利*大或累积损失*小，模拟国家宏观经济运行或行业经济运行（Nordhaus，2007a，b，c；刘昌新等，2016）。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，因此其通常要与经济模型进行进一步链接，以体现对经济发展的总体影响（Nordhaus，2007a，b，c）。一般均衡模型能够从整体上反映不同行业和国家经济发展，但通常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（Stocker et al.，2013）。*优增长模型是*早实现经济系统与气候系统相互影响的模型（Nordhaus，1992a，b；Nordhaus and Yang，1996）。我国学者王铮等（2006）发展了一个包含内生技术进步和国际贸易机制的*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类综合评估模型虽然结构不同，但是在模拟气候变化对社会经济的影响方面都存在不足。**，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（Collins et al.，2015；Ackerman，2002）。大多数评估模型强调温度和降水两个气候要素的影响，而且温度和降水仅使用全球平均值作为输入，没有区域的差异和年内的变化。第二，综合评估模型假设气候变化对经济的影响方式和强度是通过现有研究的全球尺度的平均数据进行标定的，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，但是随着气候变化对经济影响逐步增加，外推的方法是否能够反映极端气候事件对社会经济的影响尚有争议。 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（Yang et al.，2016），并逐步丰富气候变化对社会经济影响的损失函数。然而，由于两类模型研究的维度、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。其次，综合评估模型通常在5年以上的时间尺度上运行，亟须解决其与地球系统模式时间非同步耦合的问题，以反映气候年际变化的影响。*后，地球系统模式空间分辨率通常在几百千米（Ji et al.，2014），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（Moore et al.，2013）。综合而言，综合评估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，服务于国家利益，抢占气候变化外交谈判的话语权。 综合评估模型和大气-陆-海-冰地球系统耦合模式是用于调查与气候变化有关的问题的两个主要工具。但是综合评估模型和耦合地球系统模式在模拟与预测气候变化排放情景中均具有优势及局限性。综合评估模型被广泛用于提供有关全球和国家排放以及不同气候政策成本的信息。它们可以描述排放与温度升高之间的因果关系，但方程式相对简单（Matsuoka et al.，1995；Bouwman et al.，2006）。例如，动态气候变化经济学综合评估模型（DICE）仅使用一个或两个简单方程来计算全球CO2浓度和温度变化，并且大多数综合评估模型使用海洋碳吸收的线性表示（Van and Coauthors，2011；Hof et al.，2012）。这显然是地球系统复杂的物理和生化过程的过度简化。实际上，*近的研究表明，综合评估模型中物理过程表示缺乏复杂性，可能会对政策成本、碳税等的产出产生重大影响（Schneider and Thompson，1981；Schultz and Kasting，1997）。例如，Smith和Edmonds（2006）证明，碳循环的不确定性导致实现某些CO2浓度的成本范围更广，并且相当于将目标浓度更改为*高100ppm。 耦合的地球系统模式（包括海洋和陆地碳循环反馈）旨在捕获真实气候系统的生物物理过程（Taylor et al.，2012）。在给定的自然和人为作用力下，它们在模拟、预测和归因气候变化方面具有独*的优势（Wei et al.，2012；Weller and Cai，2013），可用于弥补综