ERL编辑优选：审视多年冻土变化产生的碳反馈与经济影响

文章介绍

Yang Zhu（朱杨）, Kang Wang（王康）, Wenxian Jiao（焦文献） and Jinlong Xu（许金龙）

通讯作者：

• 王康，华东师范大学地理科学学院
• 焦文献，河南大学地理与环境学院

研究背景：

多年冻土占据了北半球陆地表面的四分之一，这里寒冷的环境封存着地球土壤中约一半的有机碳。然而，气候变化导致的多年冻土状态变化可能通过碳循环影响气候系统和社会经济系统。以往研究已经尝试将多年冻土碳反馈纳入地球系统模型中，但这些模型往往复杂且需要很多参数，很难实现在代际间的优化目标。另一方面，也有一些研究尝试在集成评估模型中纳入多年冻土碳循环过程，然而，往往缺乏必要的物理基础，比如用气温和多年冻土面积建立联系来估算碳储量变化。本研究则尝试将半物理基础的多年冻土融化模型和碳分解模块纳入集成气候与经济动态（DICE）模型，来重新审视多年冻土碳反馈效应及其可能的经济影响。

研究内容：

将多年冻土碳模块纳入DICE-2016R3模型，考虑了由冻土融化释放的碳对大气碳水平的潜在贡献（图1）。使用简化的Stefan方程计算活动层厚度，并假设全球温度距平与多年冻土区的平均融化指数之间的相关性相对稳定；根据活动层厚度的变化来估计新融化冻土中的有机碳量，进而计算了释放的CO₂和CH₄的量。

图1. 多年冻土碳循环模块与DICE模型的耦合方式示意图

研究发现，到2100年，多年冻土区释放的总碳量为30.5GtC，由冻土释放的CO₂和CH₄加剧了气候变化，导致到2100年全球平均气温额外增加大约0.038°C（图2），这种温度增加导致了0.779万亿美元的经济损失。同时还比较了基于多年冻土面积变化的结果，发现用面积变化来估算多年冻土反馈的结果显著偏高。

图2. 预测21世纪的多年冻土碳反馈强度。(a)多年冻土累积碳排放量；(b) 额外的增温幅度。不同颜色代表不同方法，其中，红色表示本研究使用的方法，橙色表示Kessler （2017）的方法，青色表示Wirths等（2018）的方法。

这项研究为审视多年冻土融化引起的气候反馈和相关经济影响提供了一种新的视角和方法，增强了气候变化经济学模型中多年冻土变化的物理基础。这项研究估算得到的碳释放量和反馈强度相较前人研究偏低，但并不意味着否认多年冻土碳反馈的重要贡献。更加值得关注的是，尽管夏季多年冻土融化过程至关重要，未来的研究可能更应关注非生长季节的碳过程以及多年冻土突变引发的碳循环物理过程。此外，人文社会经济系统的时空分辨率与自然过程的不匹配问题也是集成模拟工作中的一个重要障碍。

作者介绍

王康  研究员

华东师范大学

• 王康，华东师范大学地理科学学院研究员（2020至今）。2015年于兰州大学获得博士学位。主要从事冻土与气候变化相关研究，Email: kwang@geo.ecnu.edu.cn

焦文献  副教授

河南大学

• 焦文献，河南大学地理与环境学院副教授（2012至今），2010年于中科院寒旱所获博士学位。主要从事环境经济学相关研究, Email: jwx@henu.edu.cn