碳中和目标下气候政策研究的前沿问题①

王 灿，蔡闻佳，郑馨竺，邓红梅，张诗卉

（1. 清华大学 环境学院，北京 100084；
2. 清华大学 地球系统科学系，北京 100084；
3. 中国石油大学(北京)经济管理学院，北京 102249；
4. 交通运输部水运科学研究院 环保节能中心，北京 100088）

为应对日益严峻的气候变化挑战，全球迄今已有134个国家明确提出了碳中和目标，覆盖全球83%的碳排放、91%的GDP和80%的人口②https://zerotracker.net/，检索于2022年6月28日。。碳中和目标之所以被如此多国家接受，得益于20世纪60年代以来气候科学的不断突破和政策研究的蓬勃发展。尤其是2015年《巴黎协定》签订后，气候政策相关研究呈现指数级增长态势。以“气候政策”为关键词在Web of Science核心合集数据库中检索发现，2015—2021年与气候政策相关的发文量是此前该主题下文章数量总和的两倍多，且仅2021年一年相关的发文量就达到一万篇左右。然而实现碳中和目标的任务非常艰巨，其所需参与范围之广、行动力度之大及其影响之深远均前所未有，因此也给气候政策研究带来了新的任务与挑战，迫切需要结合更宽阔的学科视野、更系统的决策机制分析优化碳中和转型力度和节奏的合理路径。鉴于此，总结提炼出碳中和目标下气候政策研究的若干前沿问题，以期为新时期气候政策研究的开展提供建议和参考。

碳中和目标下气候政策研究的新任务和新挑战主要体现在三个方面：第一，碳中和目标要求的减排力度前所未有，可能导致跨系统、多维度的风险非线性增加。尽管这一过程伴随着显著的减排效益和气候变化风险改善，但不同减排路径间风险和效益差异的可预见性较低，且时空分布格局不清，亟需对风险和效益及其时空分布进行科学预判，指导减排路径设计；
第二，碳中和背景下，气候行动不再局限于少数行业、地区和供给侧，而是需要全行业、全地区、供给和需求侧的共同参与。当前对行业、地区和供给侧的转型决策机制研究相对较多，亟需开展对需求侧多主体响应机制和行为干预措施的研究，从而保证碳中和目标的顺利实现；
第三，碳中和目标确定后，趋利避害地优化设计碳中和目标施工图就成为迫切需要回答的政策问题，亟需结合上述多维风险、效益及其时空分布以及多主体的行为决策机制开展多目标优化，确保经济系统的高质量可持续发展、实现不同系统间的相互协调和产业链间的相互匹配、增强不同主体间的公平。为应对上述新任务和新挑战，碳中和目标下气候政策研究亟需回答以下三个科学问题：（1） 不同减排技术路径的多维风险和效益总量及时空分布格局如何？（2） 面向深度减排需求的多主体行为响应机制会发生怎样的变化？（3） 如何结合风险和效益以及行为响应机制给出优化的碳中和转型路径建议？

（一）不同减排技术路线的多维风险和效益的总量及时空分布格局

面向碳中和目标的低碳转型，将对社会经济系统和自然系统产生深远的影响。一方面，低碳、零碳和负碳技术的大规模部署可能带来潜在的跨系统风险。例如，高比例可再生能源可能引发化石能源资产搁浅和供电稳定性等问题；
部分资源依赖型低碳技术高速发展可能引发新的全球资源竞争问题等。另一方面，零碳转型过程中的产业升级、技术进步以及环境健康影响，有望带来经济系统的非线性变化，从而使碳减排由短期内经济发展的增量成本转变为中长期促进经济发展的新动能。此外，上述风险和效益往往兼具非线性和空间异质性等特征，不同技术路径带来的风险或/和效益在时空叠加下还有可能产生新的风险和效益（又称级联效应）。因此，碳中和目标的实现力度之大、风险和效益作用机制之复杂、可预见性之低，对生产侧的技术路径部署提出更高的政策研究需求，亟需解决以下子问题：（1）碳中和技术的大规模部署在短期和长期可能产生哪些跨系统风险？规模多大？（2）新旧技术的更迭中可能通过何种机制产生多大规模的潜在影响？形成低碳转型正向促进效益的社会经济临界点在哪里？（3）不同技术路径风险和效益的时空分布特征是怎样的？叠加以后在什么情况下可能会触发级联效应，带来哪些新的风险和效益？

1.碳中和技术大规模部署的跨系统风险

尽早实现碳中和技术的创新和大规模部署是实现净零排放目标的核心支撑，而技术路径的选择，很有可能在短期内引发自然系统和社会经济系统的跨系统风险。例如，许多低碳、零碳和负碳关键技术装备的生产需要使用关键金属和矿产资源[1]。因此，这些技术的大规模部署会导致对关键金属和矿产资源的需求上升，并最终导致相关金属资源行业的竞争加剧。这种竞争将产生跨系统的影响−大幅增加其开采与利用过程中的环境影响，而对于大量进口这些资源的国家而言，则会面临更加激烈的金属资源竞争及更大的供应链安全风险[2]。此外，碳中和目标的实现还将面临大量现有高碳基础设施的退出问题。而大多数发展中国家现有的高碳基础设施尚存在较强的“碳锁定”效应[3]，强制淘汰它们可能导致大规模的搁浅资产，使基础设施领域的变革传导至金融系统，带来银行坏账和金融风险[4]。以占中国二氧化碳排放量超四成的煤电机组为例，其平均运营年限为14.8年，而1 000兆瓦以上的大型机组平均运营年限仅为6.5年[5]，提前关停煤电造成的累积资产搁浅规模可能高达万亿级别[4]。因此，提前识别各类碳中和技术路径的短期和长期风险，包括金融和经济、能源安全、产业链、粮食安全、地缘政治和环境生态等各方面的风险，对于尽早制定和落实碳中和技术部署战略、避免锁定效应、走可持续碳中和发展路径至关重要。

2.碳中和技术的效益产生机制和正反馈临界点

碳中和转型的过程将产生显著的减排效益。在短期内，碳中和技术的应用能够减少化石能源消费相关的环境污染，进而改善公众健康；
零碳能源的部署也能够降低化石能源进口国的对外能源依存度，提高能源安全。以中国为例，多份研究指出，中国实现深度碳减排或碳中和目标所产生的与空气污染相关的健康协同效益，在货币化之后能够覆盖减排成本[6-10]。中长期来看，零碳转型有望推动产业和技术升级，提高国家竞争力，促进高质量发展。以英国可再生能源发电的技术发展为例，早期这类技术不得不依靠大量的政府补贴获得价格优势，才度过了最艰难的初步扩散阶段，并由此坚定了了投资者和社会的信心，逐步实现“政策信号—投资信心—价格优势”的正向反馈，最终其成本在无补贴情况下也具备与现存煤电的竞争力，形成了新的经济增长动力[11]。类似的现象在中国电动汽车产业中也有所体现[12]。这种正反馈机制的产生得益于政策信号、投资者行为和社会经济系统之间的动态相互作用，通过政策的早期“输血”，帮助新生技术越过技术扩散的临界点，自身产生“造血”能力，最终形成新的优势产业。这种“输血”和“造血”的临界点，取决于新旧技术的技术经济成本变化、市场环境、投融资渠道和政策工具等复杂因素。针对碳中和技术扩散的非线性特点，识别其效益的产生机制和社会经济的临界点，对于设计有效的政策工具，促进碳中和经济，有着重要的意义。

3.不同碳中和技术路线风险/效益的时空分布和相互作用

由于碳中和转型技术路线力度和节奏的不同、以及区域间产业结构、人口构成、自然条件和资源禀赋的差异，碳中和技术革新产生的风险和效益的分布也存在较大的时空和人群差异。如前文所述，清洁能源技术对化石能源的替代，可能导致与化石能源资产搁浅相关的金融风险和失业问题，同时也会创造与清洁能源产业相关的投资与就业机会。然而，碳中和转型的风险与收益经常存在一定的时空错配，即有些地区/人群受益、有些受损，或者短期风险超过收益、而长期收益超过风险，如果没有把握好降碳和产业更迭的力度和节奏，可能会影响社会安定；
反之，也有可能成为盘活区域资源、平衡区域发展的机会。例如，在碳中和技术的区域部署上，如果能发挥乡村在碳汇和生态安全等方面的保障性作用，将减排与当地的减贫、就业、基建、教育等领域的实际发展需求相结合，往往能产生协同推进碳中和与城乡可持续发展的效果。此外，不同技术路径面临的往往不是单一的风险和效益，而是时空交叠下的多重复合风险/效益。以2021年初美国德州暴雪导致的断水断电情况为例，高比例的可再生能源发电，虽然一定程度上降低了对化石能源进口的依赖，但同时也降低了电网在极端天气下的稳定性，进而影响水、电、气、热和交通等多条城市生命线的稳定运行[13]。这种多重因素相互作用的级联式风险往往难以预见，虽然概率较小但后果严重[14-15]，在选择碳中和技术路径时需要加以重视，积极预防。

（二）面向深度减排需求的多主体行为响应机制

实现碳中和目标不仅需要技术的大规模部署，还依赖于需求侧人类行为和生活方式的转变。净零排放路径中，超过一半的减排量与人们的行为选择有关，其中8%的减排量与行为改变和减少材料使用直接相关，55%的减排量与公众和消费者参与间接相关[16]。这意味着，需求侧减排不但是供给侧减排的有力补充，也是驱动产业绿色低碳转型、实现节能降耗减排的重要引擎。然而，与供给侧减排相关的文献相比，需求侧减排的研究力度相对不足，相关研究近十年才呈现显著增长[17]。在深度减排需求下，需求侧行为响应机制面临的新任务和挑战主要表现在以下三个方面：（1）哪些规范、价值观、偏好和结构性因素决定了需求侧的温室气体排放，这些因素之间有何交互关系？（2）哪些措施可以深度减少需求方的温室气体排放，采取这些措施的条件是什么？（3）需求侧减排如何兼顾公平福祉和其他的可持续发展目标？

1.需求侧减排行为的多元驱动因素及其交互作用

从行为的驱动机制来看，减排行为既与基础设施和技术选择等“硬”条件密切相关，也受到社会规范、文化价值观等“软”环境的影响。例如，延长产品的使用寿命不仅需要改进产品质量，还需要在社会面倡导勤俭节约的文化风气；
推行紧凑型住房可减少住宅能耗，但这不仅需要城市规划环节建设配套的基础设施，还需要在文化价值观层面倡导适度消费，转变越大越好的住房观念；
使用人工培育的人造肉替代动物肉虽然能够在技术上实现口感与动物肉完全一样，也需要人们在心理上真正地接纳等。与基础设施和技术选择相比，传统气候政策研究对个人偏好、价值观和社会文化的关注相对较少[18]，但其在向低碳经济过渡过程中发生的转变，可在全球层面提供十亿吨级的碳减排潜力，也可能成为引爆点触发社会经济系统的快速变革。“软”环境和“硬”条件的共同作用还可能产生非线性的叠加效应，改变人们对最佳技术或政策实践的认识。因此，需求侧的系统性变革需要两方面高度配合，“软硬兼施”、协调一致地推进减排工作。从研究的层面，则迫切需要探索需求侧减排行为的多元驱动因素及其交互作用，以便更好地支撑需求侧减排政策的制定。

2.需求侧减排的多主体响应机制和行为干预措施

需求侧减排措施涉及的范围较广且相对琐碎庞杂，覆盖饮食、住宅、出行等多个方面。尽管单一措施的减排贡献可能相对有限，但这些举措加总起来的人均减排量可达9吨[19]。多措并举条件下的低能源需求情景不但可以减轻供给侧的减排压力，还可以降低总体的减排成本。根据国际能源署对低能源需求情景的设置，减少能源和资源使用的行为变化相比于部署低碳电力和氢能，可在2021—2050年累计节省4万亿美元的减排成本[20]。虽然减排效益可观，但推动和落实这些举措任重道远，需要多个社会角色的共同参与。例如，低碳出行的行为尽管由家庭或个人直接做出选择，但其同样受榜样和新的社会规范推动，需要城市空间规划者、出行服务提供者以及政策制定者提供适当的基础设施和技术选择支持。因此，为从需求侧发力推动碳中和目标的实现，亟需研究多个角色在减排中发挥的作用，提出促进角色间协调配合的机制建议；
建立产品级的碳排放数据清单，在更高分辨率和更全生命周期系统边界上算清需求侧的“碳账”；
研究依托大数据、物联网等技术将产品级碳排放清单与微观个体的消费行为和各行为主体的减排责任相匹配的技术装备，在此基础上研究制定针对性的管理策略以激励更有效的减排行为。

3.需求侧减排与公平福祉的联动关系和协同实现路径

需求侧减排以人为行动和决策的主体，与人的发展息息相关。需求侧减排方案的设计需以不折损人们的幸福感和生活质量为前提，在兼顾公平福祉等可持续发展目标的同时，提升公众对气候政策接纳程度。事实上，近80%的需求侧减排措施有利于改善民生福祉[21]。相较于生物质能和碳捕获与封存（BECCS）等负碳关键技术，需求侧解决方案带来的环境风险也更小[22]。IPCC第六次评估报告[19]提出，应通过让所有人达到体面生活标准来实现公平、福祉和减排目标的协同，但推动该目标的具体落实还面临着多重瓶颈。在未来的研究中亟待解决的问题包括：如何建立可比的、同时体现共性需求和个体差异的量化指标来度量福祉和幸福感；
如何凸出幸福感和基本需求的社会属性[23]，在特定的社会环境中动态改进对基本需求的认识；
如何因地制宜地构建福祉驱动而非传统GDP增长驱动的可持续发展范式等。

（三）考虑多重影响的碳中和转型路线优化

正因为碳中和目标的实现会带来广泛而深刻的经济社会系统性变革，碳中和转型路径的选择不仅仅是一个技术经济问题，更是一个综合系统优化问题，需要充分考虑会对碳排放和碳中和进程产生影响的显著性因素，需要权衡碳中和技术的多维风险和效益，需要利用需求侧多重主体的响应机制，最终追求效率和公平的双重优化。传统的“就碳论碳”、单向评估有限减排路径综合影响的研究范式已难以满足上述需求。此外，碳中和转型施工图的研究还需要突破传统以行政区划为最小决策单元的能源经济模型的局限。为寻找优化的碳中和转型路径，需要至少回答下列关键问题：（1）社会经济发展和自然环境新局势（如人口、疫情、战争、国际关系、气候变化等）会对碳排放、碳中和进程和转型路线选择产生何种影响？（2）支撑碳中和关键技术部署需要何种格局的产业配套和社会经济联动关系？（3）通过哪些创新方法可以动态得到考虑多重政策目标的碳中和技术路线优选和高时空精度技术部署施工图？

1.社会经济发展和自然环境新局势后会对碳排放和碳中和进程产生的影响

碳中和目标的实现需要与社会经济和自然环境的缓慢变化趋势（如人口和经济结构转型、意识形态变化、气候变化等）或短时间内的强烈冲击（如疫情、经济危机和战争等）紧密联系在一起。将这些社会经济发展和自然环境新局势考虑在内，可以以更宽阔的学科视野把握影响温室气体排放的诸多因素，修正对温室气体排放、减排成本和潜力的认识，最终抓住促进碳中和转型的契机，为提前部署趋利避害的转型路径方案提供支撑。由于正向影响、负向作用和反弹效应的共同存在，当前老龄化、数字革命、共享经济、新冠疫情、俄乌冲突和气候变化等局势最终会如何影响减排潜力并不明晰。有研究表明，发达国家老年人的碳足迹更高，因此其老龄化进程会加大需求侧减排的挑战[24]，但这一结论是否适用于中国等发展中国家还需要进一步论证。短期内暴发的新冠疫情为重塑人类行为，形成新的社会经济范式带来了契机[25]，但疫情之后人们的排放会呈现何种走势依然难以预判。数字变革虽然能够通过远程办公、自动驾驶等生活方式的转变显著减少碳排放，但在线的电子文化娱乐或者3D打印材料等数字化技术也会带来碳排放增加，同时数据中心的高能耗或对服务需求增加的反弹效应可能会进一步强化这一负面影响[26]考虑到各国碳减排避免的气候变化损失后，各国最优碳中和进程会调整，但这种影响反馈机制受到气候变化影响不确定性、国家责任分担和合作策略等因素影响，气候变化如何纳入各国碳中和目标设计中仍需论证[27]。为了厘清这些新局势对碳排放、碳中和进程和转型路线选择产生的影响，需要加大对相关数据的收集并开展供给和需求响应机制的研究，构建考虑新发展局势的温室气体排放和减排综合评估模型，以指导技术和政策投资决策。

2.支撑碳中和关键技术部署的产业配套需求和社会经济联动关系

关键碳中和技术的部署需要技术之间的配合、产业之间的配套与互补。以风能和太阳能的发展为例，这两项技术的部署规模很大程度上受到储能设施的发展影响。储能能力越强，风光系统的稳定性越高。有研究显示，配备12小时长时储能系统可将发电系统的可靠性提升至83%～94%。储能能力越强，光伏占比越高。无储能条件下，最优风电占比在65%～85%，而配备12小时长时储能系统可将光伏发电占比提升至70%左右[28]。关键碳中和技术的部署还需要识别新的投入产出关联、新的产业结构和社会经济系统的联动。以氢能为例，氢能的大规模发展需要上游可再生能源大规模部署和下游终端用能部门高电气化的支撑[29]。因此，为了使产业链跟上碳中和转型的步伐，亟需尽早研究碳中和关键技术部署所需要的配套产业、以及碳中和变革可能带来的更为广泛和深远的社会经济联动关系，以确保碳中和目标的顺利实现。

3.考虑多重政策目标的碳中和技术路线优选和高时空精度技术部署施工图

如何把跨系统的多维风险和效益考虑在内，实现碳中和技术路线的优选，是确定碳中和技术路线图过程中的关键挑战。有研究综合考虑了多种碳中和路线的经济成本和健康协同效益，将后者融入碳中和路线的综合成本核算中并对其进行优化，从而给出了碳中和技术路线的优选方案。更进一步地，碳中和技术的落地需要高时空精度的施工图，传统以行政区划为最小模拟单元的能源经济系统模型已无法满足这一需求。以燃煤电厂的退役为例，普林斯顿大学以厂级电厂技术参数、网格级的碳封存潜力、冷却水资源、土地利用类型和管道运输能力等数据库为基础，综合了技术成本、环境风险和就业影响等因素，模拟美国厂级电力系统碳中和转型施工图，给出了近5年的厂级退役和新增选址方案：2035年以前，淘汰全部现存燃煤电厂，并实施东西海岸和中部部分地区的燃气电厂的大规模改造；
2035—2050年，在中西部地区新建大量高能效低排放的燃气轮机发电厂，并在西南部和加州的碳储存盆地和传输管道附近新建具有碳捕集与利用技术的燃气电厂[30]。实现上述多目标优化的高精度施工图模拟，需要开发新一代综合评估模型，在模型中考虑风险感知、技术扩散、气候投融资、消费者行为和政策影响与反馈等动态转型机制[31]，并在必要时对接高精度的排放源和基础设施数据库，解决微观数据不确定性模拟与宏观综合评估模型的耦合问题，从而满足模型对高时空分辨率和多政策目标协同的模拟需求。

考虑到气候政策研究的前沿需求，中国应积极开展以下几方面的工作：

1. 厘清碳中和转型中技术演进和减排行为的动态机制，识别其非线性变化特征、系统跃迁临界点和跨系统反馈，并基于上述研究结果丰富未来气候情景设置；

2. 融合多源数据，依托来自社交媒体、移动电话、卫星遥感和传感器等的新数据类型和来源，发展集成自然要素和人为要素的观测系统（例如全球地球观测系统）和数据集，提高数据精度与规模，为低碳转型过程中系统非线性变化的驱动因素和影响机制识别提供数据基础；

3. 强化供给侧厂级/机组级、需求侧产品级的碳排放清单编制与数据共享机制建设，建立多元主体排放责任分担机制；

4. 通过耦合自上而下的宏观范式与自下而上的微观个体特征，开发细化需求侧行为特征的综合评估模型，考虑老龄化、数字革命和经济冲击等新发展趋势提前部署趋利避害的投资决策与政策；

5. 提高碳中和路径模拟的时空精度，基于微观机制识别、高精度数据库、宏观模型降尺度和模型耦合等手段，提高宏观模型的模拟精度；

6. 增强碳中和政策的优化与反馈，充分考虑来自多重风险与效益的不确定性，并考虑多个政策目标之间的协同实现可能性。

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