碳预算概念的发展
在气候问题成为全球议程之前，碳预算作为生态科学概念最初被应用于计算某地区或某生态 系统的碳吸收能力，即计算碳排放源或碳汇。比如， 在 20 世纪 80 年代，Rodhouse 等 [10] 利用海洋的 碳吸收能力计算碳预算数据，评估爱尔兰 Killary 港口蚌类的养殖产能；Yanagi 等 [11] 通过观测数据， 估算东京湾与临近太平洋的有机碳流量，从而计 算东京湾的碳收支预算等。在这一阶段，碳预算 仍是一个生态学概念，用于评估生态系统内大气、 海洋、土地间 CO2 的循环与收支平衡状况。而随 着气候变化在全球范围内得到广泛关注和共识， 尤其是《京都议定书》生效后，碳预算开始出现 在气候变化领域的研究中，并逐步发展成为一个具有科学和政策涵义的专业词汇。 理解碳预算，首先要从科学和政策两个层面 区分其涵义。在气候变化的自然科学领域，碳预 算意味着全球碳预算，也即碳的累积排放空间。 人类对其日趋深化的科学认识也是过去 20 多年来 气候变化科学不断向前发展的结果，包括观测手 段的改善、气候模式的进步和分析方法的提升。 虽然仍存在一定的不确定性，但基于科学认知和 主要结论，在某一排放水平下导致 2 ℃或 1.5 ℃ 温升目标的全球剩余排放空间，以及特定年份下 CO2 减排要求的基本范围是确定的，这为全球及 国家层面的气候变化决策提供了宝贵的参考依据。 在应对气候变化的政策层面，碳预算也取得 了应用发展。2008 年英国在世界上第一个通过了 《气候变化法》，公布了具有法律约束力的碳预 算计划，用于周期性地管理和执行其温室气体减 排计划并取得了实效。与此同时，世界上其他一些国家出于本国自身低碳经济转型需要也开始实施碳预算的管理方案。这些实践帮助碳预算从管 理思路转变成为国家层面应对气候变化减排或向 低碳经济转型的有效政策工具。
全球碳预算：温升目标下的全球累积排放空间
1992 年通过的《联合国气候变化框架公约》指出“公约及其相关法律条文的最终目标是将大 气中温室气体的浓度稳定在一定水平上，防止对 气候系统产生危险的人为干扰”。这在宏观上要 求稳定温室气体的浓度，却没有明确提出稳定 在何种水平上。欧盟于 1996 年在卢森堡会议上 首次提出将全球平均升温控制在 2℃以内这一目 标。当然这一升温红线并不是欧盟首创，其最 早出现在 1977 年经济学家 Nordhaus[13] 在论文中 引用的当时前沿的气候科学研究成果并提出“考 虑到当前温度，地球不能再升温超过 2 ℃ ( 或者 3 ℃ )，不然就超出过去 10 万年的温度记录范围 了”。 之 后 在 1990 年 AGGG ① (Advisory Group on Greenhouse Gases) 组织的报告中再次重提 2℃ 升温是对生态系统造成严重损害以及非线性响应 迅速增加的上限值 [14]。1995 年 German Advisory Council on Global Change 的报告也支持了这一 观点。同年，IPCC 第二次评估报告 [15] 在整合了 1000 多位科学家研究成果基础上提出，如果温度 较工业化革命前增加 2℃，气候变化产生严重影 响的风险将显著增加。之后，得益于欧盟的不断 重申和强化，2℃目标逐渐走向国际社会和谈判桌 前。2007 年，欧盟委员会又发表了“限制全球气 候变化 2 ℃”(Limiting Global Climate Change to 2 Degrees Celsius) 的政策通讯 [16]；2009 年 7 月，
G8 峰会的首脑们首次认同了 2℃的观点，随后在 同年 12 月的哥本哈根气候大会上，2℃目标得到 了国际社会的广泛认可。2015 年巴黎气候大会最终将 2℃温升目标确定为具有法律约束力的近百年气候变化目标，成为全球政治共识。
2℃温升目标下的全球碳预算
但 2℃目标能否实现取决于其能否落实为各 国的行动目标，而这其中要经历一系列的转换， 包括温升目标转换为累积排放空间、累积排放空 间对应的排放路径、排放路径落实为减排目标等， 每一步都存在着科学上的不确定性和价值取向上 的差异 [17] 。但正是因为 2℃目标的提出，才得以 产生全球碳预算的概念，即确保到 2100 年升温不 超过 2℃的前提下，碳排放的累积限值是多少， 还剩余多少排放空间。 2009 年以来的大量科学研究已经确认了全球 平均地表升温与累积 CO2 排放之间的近似线性关 系 [4-7] ，这是全球碳预算确定的科学基础。在此之 前，由于气候评估模式中没有包括碳循环，因此 只能建立温升与 CO2 浓度之间的关系。自 IPCC 第四次评估报告 (AR4) 以来，大部分气候模式中 都加入了碳循环过程，从而可以将温升与累积排 放空间直接挂钩。 2009 年 Allen 等 [4] 用观测事实和简单的碳 - 气 候模型，模拟了宽泛的 CO2 排放范围下的温度响 应并指出，CO2 累积排放量较浓度目标对变暖峰 值的预测更具约束性；人为活动所产生的累积碳 排放量已达万亿 t ( 相当于 36700 亿 t CO2，其中 约一半是工业化后排放产生的 )，这将很可能导 致 CO2 引起的变暖峰值较工业化前提高 2℃。另 外，Meinshausen 等 [6] 也利用现有模拟结果对 2℃ 目标下的温室气体排放空间进行分析，预测若将 2000—2050 年的累积排放量控制在 1000 Gt CO2 (1 Gt=109 t) 以内，则将温升控制在 2℃以内的概 率是 75%，若控制在 1440 Gt CO2 以内则概率为 50%。在这样的线性关系被确认后，科学家们陆 续基于新的排放数据和情景研究提出实现 2℃温 升目标下的排放空间、路径、措施和政策安排等 一系列结论。2014 年 IPCC 集合了来自 80 多个 国家的 800 多位科学家共同参与发布了 AR5[9, 18] 报 告，进一步明确了 2℃目标与排放空间之间的联 系。基于收集评估的约 900 个减缓情景，报告提 出 450×10-6 CO2 当量浓度情景有可能 (>66% 的 概率 ) 使 2100 年温升控制在不超过工业化革命前 的 2 ℃，但需要将自 1870 年以来所有人为来源 的 CO2 累积排放量控制在 2900 Gt CO2 以下，到 2011 年已经排放了大约 1900 Gt CO2。450×10-6 CO2 当量浓度情景下，2011—2050 年的全球累积 CO2 排放空间为 530 ～ 1300 Gt，2011—2100 年 的全球累积 CO2 排放空间为 630 ～ 1180 Gt。报 告认为，将升温幅度控制在 2℃以内是可行的， 但将带来显著的技术、经济、社会和制度挑战， 这进一步强调了 2℃目标的紧迫性和必要性。
1.5℃目标下的全球碳预算
根据《巴黎协定》，IPCC 将在 2018 年就相 比工业化前水平全球升温 1.5 ℃的影响及其有关 的温室气体排放路径编写一份特别报告。目前已 有一些研究发布了与 1.5 ℃目标相匹配的情景结 果。Millar 等 [19] 称《巴黎协定》要求的 1.5 ℃温 升目标并非不可能。研究显示，在没有其他气候 因子减缓的情况下，如将 2015 年后 CO2 的累积 排放控制在 200 Gt C 以内，那么将很可能 ( 模式 模拟的 66% 以上 ) 使 2015 年后的温升幅度控制 在 0.6 ℃以内。这一结论也被随后利用地球系统 模式和观测研究 [20] 证实，如果自 2017 年起碳的 累积排放控制在 195 ～ 205 Pg C（1 Pg C=1 Gt C)（>66% 的模拟情景中 ) 和 395 ～ 455 Pg C 范 围内，那么将可能分别实现 1.5 ℃和 2 ℃温控目 。中国学者崔学勤等 [21] 利用截至目前最新的全 球情景研究结果出，2011—2100 年累积碳排放 在 1.5℃目标下相对于 2℃目标将削减一半，仅余 460（160 ～ 580）Gt CO2；2010 年全球能源燃烧 和工业过程相关的 CO2 排放为 33.8 Gt，若维持此 水平，那么 1.5℃目标下全球剩余碳预算将在 15 年以内用尽。 很明显，1.5℃目标下的碳预算要求近期采取 减排行动的力度更强，同时对负排放技术的依赖 度更高。其中，生物能结合二氧化碳捕获和封存 (BECCS) 和植树造林是最具成本效益的碳移除技术，被广泛考虑进 1.5℃目标下的减排措施。
1.5℃目标下的全球碳预算
根据《巴黎协定》，IPCC 将在 2018 年就相 比工业化前水平全球升温 1.5 ℃的影响及其有关 的温室气体排放路径编写一份特别报告。目前已 有一些研究发布了与 1.5 ℃目标相匹配的情景结 果。Millar 等 [19] 称《巴黎协定》要求的 1.5 ℃温 升目标并非不可能。研究显示，在没有其他气候 因子减缓的情况下，如将 2015 年后 CO2 的累积 排放控制在 200 Gt C 以内，那么将很可能 ( 模式 模拟的 66% 以上 ) 使 2015 年后的温升幅度控制 在 0.6 ℃以内。这一结论也被随后利用地球系统 模式和观测研究 [20] 证实，如果自 2017 年起碳的 累积排放控制在 195 ～ 205 Pg C（1 Pg C=1 Gt C)（>66% 的模拟情景中 ) 和 395 ～ 455 Pg C 范 围内，那么将可能分别实现 1.5 ℃和 2 ℃温控目 。中国学者崔学勤等 [21] 利用截至目前最新的全 球情景研究结果出，2011—2100 年累积碳排放 在 1.5℃目标下相对于 2℃目标将削减一半，仅余 460（160 ～ 580）Gt CO2；2010 年全球能源燃烧 和工业过程相关的 CO2 排放为 33.8 Gt，若维持此 水平，那么 1.5℃目标下全球剩余碳预算将在 15 年以内用尽。 很明显，1.5℃目标下的碳预算要求近期采取 减排行动的力度更强，同时对负排放技术的依赖 度更高。其中，生物能结合二氧化碳捕获和封存 (BECCS) 和植树造林是最具成本效益的碳移除技术，被广泛考虑进 1.5℃目标下的减排措施。
全球碳预算的不确定性
在所有针对 CO2 累积排放空间或全球碳预算
的科学研究中，都会强调来自科学上的不确定性
和价值取向上的差异。首先，温升与 CO2 当量浓
度挂钩取决于温度对 CO2 浓度的敏感性，即气候
敏感性。由于各模式处理碳循环和气候反馈的方
式不同，因此得出的气候敏感度也不尽相同。同
时，由于预估气候变化的地球系统模式自身的复
杂性，及由此导致的各模式预估结果的不一致等
也使温升目标与累积排放之间的关系及对排放空
间的估算产生较大差异。另外，不同的排放基准
时间定义、碳移除技术和负排放技术的应用、土
地利用方式改变，以及非 CO2 排放因子对气候变
暖影响等因素都将对碳预算的规模和成本产生很
大的影响。总体来说，预算类型、基本数据和模式、
情景选择、温度响应的时间尺度、CO2 排放和非
CO2 温室气体排放的增暖贡献、适用性等均是产
生碳预算差别的驱动因素 [22]。