清华新闻网8月27日电 随着气候变暖和海冰消退正在提升北极航道的可达性，有望显著缩短传统航线的行驶里程。但航运排放的大气污染物和温室气体，尤其是沉降于雪冰表面的黑碳，可能加剧北极区域增暖。如何在全球贸易持续增长、北极航运经济吸引力不断提升的背景下，统筹船队能源与技术迭代、经济效益变化和空间格局调整，科学预测未来全球及北极海运活动产生的大气污染物和温室气体排放及其气候效应，助力北极生态环境保护与可持续治理，已成为全球可持续发展中的重要前沿问题。
近日，清华大学环境学院刘欢教授团队与合作者围绕全球航运低碳转型及北极航运可持续发展这一前沿问题取得系列研究进展。团队针对未来航运活动与排放受气候变化、全球贸易、能源转型及经济效益等多重因素共同驱动，构建了从全球航运船队迭代和排放趋势预测、北极航运驱动与跨圈层环境影响解析，到跨北极航运“驱动力—活动—排放—气候效应”定量评估的链式研究体系，为认识未来全球航运发展与脱碳进程、评估北极航运环境气候风险及制定协同治理路径提供了新的系统视角和科学依据。
团队基于非集计动力法的船舶排放清单模型SEIM（Ship Emission Inventory Model），发展了国际航运排放预测模型SEIM-forecast，将未来国际贸易需求、船队更新、能源转型、运营减排措施、碳捕集技术和空间航线分布纳入统一框架，在24种“贸易-能源-技术”组合情景下预测了至2050年的国际航运CO2排放路径及空间格局。相较于仅依据贸易活动或单一能源情景的预测，该框架显式连接了宏观贸易演变与微观船队更新过程，为评估国际海事组织（IMO）2023年温室气体减排战略的实现条件提供了更细致的量化工具。
研究发现，在其他条件不变时，国际海运贸易需求增长将使2050年航运CO2排放较2021年增加81.0%-96.9%，成为抵消能效提升和技术减排成效的强劲驱动力。若船舶平均服役寿命保持25年，要使排放路径与IMO 2050年前后实现净零排放的目标相衔接，新造船舶需最迟在2035年全面采用零碳燃料；若这一节点推迟至2040年，则需通过提前淘汰或深度改造，将现有船舶平均服役寿命缩短约5年（图1）。研究同时指出，能效提升和运营减排措施有助于近中期减排，但长期深度脱碳仍主要依赖大规模能源转型。
图1.关键决策变量对国际航运CO2排放路径的影响
未来航运排放格局还将随贸易重心变化而重塑。传统化石燃料运输通道的排放强度将随着全球能源结构清洁化而逐渐下降；受南南贸易增长驱动，泰国湾、安达曼海和亚丁湾等海域的相对排放强度预计明显上升。这意味着绿色航运基础设施、替代燃料供应和区域减排能力建设需要更多关注新兴经济体及相关航线，并关注贸易与航线格局变化带来的区域环境公平问题。
团队系统梳理了229篇研究，首次从跨圈层视角提出了北极航运“驱动-发展-影响-再驱动”链式反馈框架。研究从空间覆盖范围、证据类型、环境影响程度和证据置信度等维度，对现有研究证据进行分析，识别北极航运对大气圈、冰冻圈、水圈和生物圈的跨圈层环境效应的影响量级、空间异质性及关键知识缺口。同时，从经济激励、治理框架、气候变化、技术与基础设施四个维度归纳北极航运发展的关键驱动因素，揭示了北极航运发展及其环境效应之间相互耦合的链式关系（图2）。
图2.北极航运的多圈层环境影响及已有证据信度
量化评估揭示了北极航运环境影响显著的跨圈层差异。在大气圈，船舶活动可使北极局地NOx、PM2.5和O3浓度分别增加10%–80%、1%–15%和约5%；在冰冻圈，黑碳沉降降低雪冰反照率，形成“海冰减少-航运增加-黑碳沉降-进一步融冰”的正反馈。在水圈，船舶废水可使局地微塑料浓度提高1–4个数量级；在生物圈，超过40%的相关观测记录显示航运对动物行为产生明显影响，船舶活动可使外来物种入侵风险提高3–20倍。此外，研究揭示了不同环境问题的研究基础高度不均衡：生物圈影响已有较强观测和动物追踪证据支撑，而大气环境影响、冰冻圈影响和水污染领域仍存在明显的观测空白和源归因困难。
基于这些证据，研究强调，北极航运可持续发展不能依赖单一技术或单一国家政策，而应协同推进清洁能源、污染控制、海冰预报、通信导航、港口和搜救设施建设，并探索环境附加费、碳定价与多边治理机制。
团队进一步把上述系统认知推进到全球尺度的定量评估，构建了北极航运经济效益与气候影响评估模型，综合510个港口和18557条国际港到港航线，以及海冰厚度、贸易需求、船舶能源转型、燃料价格、过境费、保险费、资本成本和周转收益等因素，形成五类全球—北极耦合情景，逐月评估跨北极航运至2050年的经济收益、排放转移与气候影响。
研究发现，在295组可通过北极航线缩短航程的港口对中，综合各项成本与收益后，最多有249组能够获得正向净收益；到2050年，跨北极航运每年可带来最高23亿美元经济收益。与此同时，跨北极航运黑碳排放可能增至约2200吨。尽管航程缩短有助于减少全球航运CO2排放，但黑碳在北极雪冰表面的沉降具有更强的区域增暖效应：按当前航运能源转型力度估算，每10亿美元经济收益可能对应2.0 mK-2.9 mK的最大区域温度响应（图3）。
图3.跨北极航运至2050年的排放及气候影响
研究还发现，经济收益与黑碳排放并非必然同步增长。加快航运能源转型，可使经济收益与气候影响更早“脱钩”；若能源转型较慢，则可利用过境费、保险费、环境附加费等政策工具调节北极航线的相对吸引力。该成果首次在全球港口—航线尺度上将北极航运的经济决策与黑碳气候影响直接关联，为船东开展航线及船型选择和北极环境治理方案设计提供了科学支撑。
上述研究回答了全球航运在贸易持续增长压力下“如何减排、何时转型、重点区域在哪里”，继而系统解释北极航运“为何增长、影响什么、如何治理”，最后进一步量化了未来跨北极航运“能获得多少收益、付出何种气候代价、如何实现收益与影响脱钩”，形成了完整的“复杂驱动力-排放-气候影响”研究链条。
相关成果分别以“未来国际航运二氧化碳排放路径及地理格局”（Pathways and geographical patterns of international shipping CO₂ emissions in the future）、“北极航运的驱动因素与环境影响”（Drivers and environmental impacts of Arctic shipping）和“至2050年经济性驱动的跨北极航运的黑碳排放及气候影响”（Black carbon emissions and climate impacts of cost-saving Arctic transit shipping through 2050）为题，分别发表于《科学通报》（Science Bulletin）、《自然综述：地球与环境》（Nature Reviews Earth & Environment）和《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）。
清华大学环境学院2021级博士生易文为三篇论文的第一作者，刘欢教授为三篇论文通讯作者，清华大学环境学院博士后罗震宇为《自然综述：地球与环境》论文的共同通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院贺克斌院士，清华大学地球系统科学系张强院士，国际应用系统分析研究所和莫斯科国立大学埃琳娜・罗文斯卡娅（Elena Rovenskaya）博士和尼基塔・斯特雷尔科夫斯基（Nikita Strelkovskii）博士，北京工业大学王小桐博士，清华大学能源环境经济研究所张达副教授和黄晓丹博士，自然资源部第三海洋研究所蔡锋研究员，新加坡国立大学黄思慧（Szu Hui Ng）博士，南洋理工大学鄢然博士，以及清华大学环境学院博士研究生何廷堃、彭丽、王雪晴、张唯唯、刘子珞、杨泽宇、宫一航、郑嵩鑫。
系列研究得到国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.004
https://doi.org/10.1038/s43017-026-00790-2
https://www.nature.com/articles/s41893-026-01877-w
供稿：环境学院
编辑：李华山
审核：王晓霞
