碳预算的新兴约束，全球变暖将如何影响未来的碳循环

随着全球社会面临气候变化日益严峻的挑战，最关键的研究领域之一是了解碳预算——在不超过特定温度阈值的情况下可以排放多少二氧化碳 (CO₂)，例如将全球变暖限制在比工业化前水平高出 1.5°C 或 2°C。准确确定这些预算对于气候政策和决策至关重要，但不确定性的主要来源是气候碳循环反馈的复杂性。

新兴约束 (Emergent constraints，EC) 通过将可观测量（例如历史温度和 CO₂ 浓度）与模型预测联系起来，提供了一种缩小这些不确定性的创新方法。通过将观测数据纳入地球系统模型 (ESM) 模拟，EC 可以帮助限制未来碳预算的可能范围。在本文中，我们将探讨 EC 在完善我们对碳预算与全球变暖关系的理解方面的作用，重点介绍该研究领域的最新进展、挑战和未来方向。

什么是新兴约束？

新兴约束是气候科学中用于减少未来气候预测不确定性的一种相对较新的方法。它们通过识别当前或过去可观察到的变量之间的稳健关系来发挥作用，这些变量与不确定的未来气候结果密切相关。在碳预算的背景下，新兴约束通常将可观察量（例如历史全球温度或二氧化碳浓度）与未来温度上升和碳排放的模型预测联系起来。

新兴约束的主要目标之一是缩小未来可能情景的范围，提高碳预算和相关气候模型的准确性。这一点至关重要，因为由于气候碳循环反馈（例如陆地和海洋碳汇对气温上升的反应）的表示存在不确定性，不同的模型会预测各种可能的未来气候结果。

碳预算中新兴约束的重点研究

确定在将全球气温升幅控制在特定阈值（例如 1.5°C 或 2°C）内的情况下可以排放多少二氧化碳是气候政策的一个关键方面。

估算全球碳预算的一大挑战是气候碳循环反馈的不确定性。这些反馈代表碳循环（包括二氧化碳排放、吸收和储存）与气候变量（如温度和降水）之间的相互作用。例如，随着全球气温上升，预计森林和海洋等天然碳汇吸收二氧化碳的效率可能会降低，从而降低地球抵消排放的能力。

新兴约束在此过程中发挥着至关重要的作用，有助于提高碳预算的准确性。2019年的一项综述中讨论了这些反馈，评估了新兴约束如何有助于减少围绕气候-碳循环相互作用的不确定性。通过将观测数据纳入模型，这种方法有助于完善我们对不同全球变暖情景下反馈将如何演变的理解。

2023年，Avakumović的一项研究，调查了碳预算如何受到排放轨迹偏差的影响，并深入了解了这些偏差如何影响政策决策。这项研究探讨了累积碳排放对全球变暖的影响，并对将变暖限制在 1.5°C 以下所需的碳预算进行了精确估计。

目前的气候模型在模拟这些过程方面取得了重大进展，但仍存在很大的不确定性，尤其是生态系统对高温的反应。新出现的制约因素有助于缩小基于当前观测的可能结果范围，但在全面捕捉气候与碳循环之间的动态相互作用方面仍然存在重大挑战。

近年来，研究越来越多地转向使用 CMIP6 地球系统模型 (ESM) 进行历史模拟，以估算碳预算。这些模型模拟过去和未来的气候条件，为了解气候系统如何应对温室气体浓度的增加提供了关键见解。通过将历史数据与未来预测相结合，研究人员可以更好地了解未来排放的限制。

新的研究发现

英国埃克塞特大学一项新的研究，提出了一种替代方法，将地球系统模型(ESM) 的历史模拟和未来预测与迄今为止全球变暖和人类活动产生的二氧化碳排放量的观测估计值相结合，以得出作为全球变暖函数的碳预算的新兴约束。这种综合方法使研究人员能够对剩余的碳预算得出更可靠的估计。

研究估计，将全球变暖限制在1.5 ° C和2 °C的累计碳预算分别为812 PgC （范围为691-933 PgC ）和1048 PgC （范围为881-1216 PgC ），这些估计值比CMIP6模型以前的集合平均值高出10 %以上​​。研究发现，累积排放量与全球变暖之间的线性关系至少在全球变暖达到4 ° C之前保持这与有效瞬态气候响应排放(eTCRE) 2.1 °C / 1000 PgC相一致（可能范围为1.8-2.6 ° C /1000 PgC ） 。

研究推断，与过去相比，未来的平均特定碳预算将减少，这主要是由于冷却大气气溶胶的减少。

研究结果表明，通过使用 新兴约束 (EC) ，可以将当前的碳循环观测与未来的全球变暖预测联系起来，从而有助于减少气候预测中的不确定性。该研究将历史地球系统模型 (ESM) 模拟与当前观测相结合，以增进对不同变暖情景下未来碳预算的理解。

这项关于新兴约束 (EC) 的研究为了解地球碳预算如何应对全球气温上升提供了新的见解。

思考

虽然新出现的限制因素提供了宝贵的全球见解，但对当地或区域反馈如何影响碳预算的理解仍未得到充分探索。局部温度和碳循环响应可能如何与全球趋势不同？是否存在可以预测临界阈值的新兴关系，超过该阈值反馈回路将变为非线性或不可逆，例如永久冻土或泥炭地的碳释放？

参考文献：Peter M. Cox, Mark S. Williamson, Pierre Friedlingstein, Chris D. Jones, Nina Raoult, Joeri Rogelj & Rebecca M. Varney ,Emergent constraints on carbon budgets as a function of global warming. Nature Communications volume 15, Article number: 1885 (2024) .doi.s41467-024-46137-7

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