世界碳中和科技发展报告2021之气候变化：科技支撑，全球通往碳中和之路

科技支撑全球通往碳中和之路 rQsNpPoOmQsNmMuMnPsOoM9P9RaQsQmMoMoPlOqRnPfQpNtPbRqRpOuOmNyQNZnOrR科技创新将在兑现中国“双碳”承诺中 发挥重要作用▪许志龙 科技日报社总编辑2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上向国际社会作出碳达峰、碳中和的郑重承诺，中国将力争2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和，并强调要抓住新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇，推动疫情后世界经济“绿色复苏”，汇聚起可持续发展的强大合力。我国是世界上最大的发展中国家，目前还在中高速发展阶段，工业化、城镇化仍在推进之中，减碳并非轻松可以实现。习近平主席向《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会世界领导人峰会发表书面致辞中提出三条建议。他建议加速绿色转型，强调“要以科技创新为驱动，推进能源资源、产业结构、消费结构转型升级，推动经济社会绿色发展，探索发展与保护相协同的路径”。科技创新将在兑现中国“双碳”承诺中发挥重要作用。科技日报社作为中央主流媒体，多年来持续关注生态环境保护与节能减排等可持续发展绿色科技的进步成果。近年来，更是大量跟踪报道科技界和产业界对“双碳”目标达成的多重探索。全球科技界对气候变化有着基于科学研究视角和历史维度的深刻理解，考察基于文献计量方法的全球气候变化相关基础研究和前沿热点，对帮助全社会各阶层达成共识，具有显著的说服力。科睿唯安作为科技日报社率先发起成立的国际科技传播联盟（IUSTC）首批成员单位，多年来与我社国际部共同发布了新中国成立70周年科技进步等多个主题报告，在重大科技议题上发挥了关键影响力。01前言 此次，两家机构组成核心课题组，共同研究、策划并组织《科技支撑全球通往碳中和之路》系列报告，力求结合新闻热点，从专业角度参与讨论这一当下热度较高的重大课题，将深藏在全球知名、权威的文献和专利数据库中不同层面的图景，呈现给社会各相关领域的广大受众，为相关决策层提供治理参考。此次发布的《科技支撑全球通往碳中和之路⸺世界碳中和科技发展报告2021之气候变化》定量分析报告，是科睿唯安基于Web of Science核心合集TM（Web of Science Core CollectionTM）数据库，对全球过去20年间有关气候变化的基础研究开展了多维度分析，特别是通过引文数据库发现了相关研究的前沿和热点，并借助科学的分析方法和工具，得出了相关定量研究结论。科技日报社邀请该领域权威业界专家，对该报告进行专业解读：一方面结合报告，对学科研究和技术趋势开展中观分析；另一方面针对气候变化的国际合作，提出相关建议。明年，《科技支撑全球通往碳中和之路》系列研究还将继续关注数字经济等新兴产业自身及助力碳中和研究、碳捕集、利用与封存（CCUS）的进步及成熟度研究、碳交易与碳市场等经济领域技术趋势分析等。期待全社会携手应对气候变化挑战，合力保护人类共同的地球家园。 02前言 科技支撑全球通往碳中和之路——世界碳中和科技发展报告2021之气候变化人类正面临全球气候变化和能源消费的巨大挑战，全球气候变化不仅意味着热浪高温天气增多、空气污染加重，人们的劳动生产效率受到影响，在某种程度上还加速了某些传染病的扩散，对人们的健康产生了恶劣影响[1]。2021年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告明确指出，人类活动导致大气、海洋和陆地增暖是毋庸置疑的[2]。人类的影响包括排放诸如二氧化碳、甲烷等温室气体，其中二氧化碳排放量自1970年以来增加了约90%[3]。作为能源消耗的化石燃料燃烧（煤炭、石油和天然气）是这些排放的主要来源，此外农业、森林砍伐和制造业等也产生排放[4]。为应对气候变化挑战，2015年12月12日，近200个缔约方在联合国气候峰会上通过《巴黎协定》，期望能共同遏阻全球变暖趋势。 《巴黎协定》的主要目标之一是“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内”， 为了实现这一温控目标，据统计全球已有超过100个国家加入“气候雄心联盟”（Climate Ambition Alliance：Net Zero 2050），希望通过努力到2050年实现净零排放[5]。而我国也在2020 年第七十五届联合国大会上，向世界郑重承诺力争在 2030 年前实现碳达峰，在 2060 年前实现碳中和。03世界碳中和科技发展报告2021之气候变化 ▪ 气候变化科研论文发表趋势尽管世界气象组织在1966年提出“气候变化（Climatic Change）”这一术语，用以描述十年以上时间尺度上、不考虑成因的所有形式的气候易变性（Climatic variability）[6]，但学术界对这一现象的研究与记载可以上溯至十九世纪。回顾气候变化科学的百年征程，其中有很多具有里程碑意义的贡献。1827年，法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶发现了温室效应；1861年，英国物理学家约翰·丁达尔在实验室里证明二氧化碳将导致全球温度变化。Web of Science平台记录了二十世纪以来人类对气候变化的研究。1896年，诺贝尔化学奖得主、瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯首次使用物理化学的基本原理来计算通过温室效应，大气二氧化碳增加将增加地球表面温度的程度[7]；1901年，瑞典气象学家尼尔斯·古斯塔夫·埃科赫姆第一次使用“温室效应”这个词来描述大气吸热与逆辐射过程[8]。1949年，剑桥大学R.M.古迪提出利用辐射-对流过程来解释对流层和平流层低层温度的热力平衡[9];1956年加拿大物理学家吉尔伯特·普拉斯发表论文[10]，对20世纪全球大气中二氧化碳水平的增加及其对地球平均温度的影响进行了预测，与半个世纪后的测量结果非常接近。1967年，美国普林斯顿大学真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德利用简化的一维辐射对流平衡模型，真实地模拟重现了观测的大气垂直温度廓线，并定量估算了二氧化碳导致的全球增暖，提出了其中水汽的重要反馈作用[11]。1976年，德国学者哈塞尔曼提出了随机气候模型，认为快速变化的白噪声天气的变率，可能造成气候系统的慢变红噪声响应[12]; 他的另一项贡献是提出包括温室气体在内的影响因子会在气候变化序列中留下特定的信号，这种特定的信号可以被称为“指纹”，通过分离出这种指纹，我们可以检测出人类活动对气候变化的影响。这是我们开展气候变化检测归因研究的理论基础[13]。 2021年，美国学者真锅淑郎和德国学者哈塞尔曼因对“地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖，这是气候学家首次被授予物理学奖[14]。百年间，关于气候变化的科研论文不断增长，特别是近20年间，这一期间发表的论文占气候变化相关论文总量的95%，且相比于数据库的总体收录论文的增长，此类研究的增长更为快速（图 1）。20世纪90年代初期，气候变化相关论文每年的全球产出不足1000篇，但进入21世纪以来快速增长，2011年首次超过1万篇，特别是2015年以后，每年的产出量增长均超过2000篇，至2020年全球的相关产出达32663篇。04科技支撑全球通往碳中和之路 气候变化相关论文Web of Science全球论文35000002001200220032004200520062007200820092010201120122013201520172014201620182019202050005000001000000150000020000001000015000200002500030000气候变化相关论文Web of Science全球论文图 1 2001年以来Web of Science每年标引的文献数量（研究论文和综述） 以及气候变化相关论文数量。数据范围：2001-2020数据来源： 科睿唯安Web of Science核心合集过去20年间有关气候变化的基础研究所涉及的学科领域也在悄悄发生变化。环境科学一直是气候变化的首要领域，并且所占的比重呈现上升的趋势（图2），从2001年至2005年的23%，增长至最近五年（2016年至2020年）的31%，增长幅度达到35%。排在第二位的生态学，在2006年至2015年间占比一度增长，但近五年占比明显下降。气象与大气科学、多学科地球科学、自然地理学等学科的研究占比也持续下降，能源与燃料、绿色与可持续科技、环境工程和环境研究等新兴学科研究占比则持续上升。此外，气候变化相关研究所涉及的学科越来越广泛，例如与2001年至2005年涉及的学科相比，近五年涌现出很多新的学科，如医疗科学与服务、卫生政策与服务等医疗卫生相关的学科，甚至在文学、语言、戏剧等人文学科也有相关的文献发表。05世界碳中和科技发展报告2021之气候变化 多学科地球科学海洋学化学工程环境工程环境科学环境研究经济学林业绿色与可持续科技能源与燃料农艺学气象与大气科学生态学生物多样性保护水生生物学水资源土木工程土壤学植物学自然地理学2001-20052006-20102011-20152016-2020图 2 过去20年间气候变化相关研究的学科变化。数据范围：2001-2020数据来源： 科睿唯安InCites▪ 谁发表了这些科研论文？作为联合国可持续发展目标中的第十三项，气候变化是全人类需要共同面对的问题。在相关的基础研究中，全球有219个国家和地区积极参与并发表了论文。图 3展示了全球发表气候变化相关论文最多的十个国家/地区的论文产出趋势。可以看到大部分国家/地区在2010年以后论文产出增速加快，美国则早在2006年相关论文的产出就开始快速增长。中国内地相关论文在2012年以后才开始出现明显增长，但增长速度最快，在2014年论文数量超过英国，并逐步缩小与美国的差距。截止到2020年，中国内地的相关论文总数列全球第二。06科技支撑全球通往碳中和之路 气候变化相关论文700080009000020012002200320042005200620072008200920102011201220132015201720142016201820192020100020003000400050006000美国中国内地英国德国澳大利亚加拿大法国西班牙意大利意大利图 3 发表气候变化相关论文产出Top 10国家/地区。数据范围：2001-2020数据来源： 科睿唯安InCites ▪ 他们关注哪些具体主题？之前的分析显示气候变化相关研究涉及的学科十分广泛，那么在过去的20年间全球各国所进行的研究中，又涉及哪些具体主题，各国的关注点又是否存在异同？通过进一步分析了以上论文产出最多的10个国家/地区论文发表量最多的10个微观引文主题*。可以看到这些主题大部分集中在地球科学和环境科学的范畴，涵盖了最大熵模型、蒸散、热浪、厄尔尼诺与南方涛动、海平面上升、多年冻土等自然科学基础研究。同时亦包含了气候影响和适应等相关研究，如环境库兹涅茨曲线、适应气候变化、可再生能源等。很多主题是多国共同关注的焦点。如“蒸散”，这一植被及地面整体向大气输送的水汽总通量研究是其中九个国家/地区论文发表量最多的微观引文主题。“环境库兹涅茨曲线”、“全新世研究”、“微生物生物量”也是各国共同关注的Top 10微观引文主题。此外，各国的Top 10微观引文主题也各具特色，如“归一化植被指数”只出现在中国内地的Top 1007世界碳中和科技发展报告2021之气候变化 微观引文主题中；“可再生能源”与“科学交流”只出现在英国的Top 10微观引文主题中；关于“热浪”的研究只出现在澳大利亚的Top 10微观引文主题中；“生命周期评估”和“种子传播”只出现在西班牙的Top 10微观引文主题中；“食用昆虫”则只出现在意大利的Top 10微观引文主题中。还有一些产出较多的引文主题与国家的自然地理环境或经济产业相关，如澳大利亚与法国关注的“珊瑚礁”研究，西班牙与荷兰关注的“海平面上升”，加拿大与西班牙所关注的