热点研究 | 2℃目标下中国低碳路径的空气质量协同效益

 

原文题目：Air Quality Improvement Co-benefits of Low-Carbon Pathways toward Well Below the 2 °C Climate Target in China

发表期刊：Environ. Sci. Technol.

作者：Nan Li, Wenying Chen, Peter Rafaj et al.

第一作者机构：Institute of Energy, Environment and Economy, Energy Science Building, Tsinghua University, Beijing 100084, China

出版时间：2019年5月

研究背景

近年来，中国积极寻求实现国家自主贡献（NDC）目标和空气质量改善目标的发展途径。考虑到中国空气质量与其他可持续性问题密切相关，定量评估碳减排对改善空气质量的潜在影响可能有助于气候政策的制定和实施。Rafaj等结合能源模型、排放模型、大气化学模型和健康评估模型，研究得出积极的能源政策可以使中国2030年的污染物浓度下降12%-32%。也有部分研究侧重于重点部门，Cai等人的研究指出发电成本增加的18%-62%可以通过健康效益弥补；Zhang等人采用成本曲线和GAINS模型的研究表明改善能源结构方面的投资可以使中国钢铁和水泥工业大气污染物控制的成本显著下降。但已有研究很少细致讨论各部门的能源消耗和空气污染控制；也未曾综合评估包括空气质量改善、过早死亡减少、减排成本降低在内的多种协同效益。这篇研究通过耦合China-Times和GAINS模型，综合分析了中国2℃目标下的协同效益。

研究方法

TIMES是IEA开发的综合能源模型，China-TIMES基于中国的市场分配模型开发，逐渐被用作评估中国碳减排战略和未来能源系统的可靠工具。China-TIMES可以确定在一定能源服务需求下，成本最低的燃料和技术组合；China-TIMES可以提供整个能源系统的详细技术信息，包括能源供应、能源转换与运输、终端能源消耗等；不同子行业（交通、工业、建筑、农业）的能源需求由不同的子模型驱动。GAINS是IIASA开发的污染物与温室气体综合评估模型，可以通过设置外生情景，反映出能源和气候政策引起的能源系统变化；GAINS模型已被广泛用于评估碳减排和空气质量改善间的协同作用。此外，GAINS采用简化形式的源-受体关系定义了一个区域内空气质量对前体物排放变化的响应，通过大气化学传输模型EMEP的敏感性模拟样本得出源-受体关系。GAINS-China将研究尺度细化到中国的32个省区。

Fig1显示了这篇研究中TIMES-China和GAINS-China的连接框架；采用CD-LINKS项目开发的能源路径，该研究将NDC和WBD2目标共同引入TIMES-China模型，由TIMES-China生成的能耗数据作为活动水平驱动GAINS模型量化大气污染物的排放，以及在没有额外空气污染控制技术下的潜在空气质量改善和健康效益。基于减排目标，采用TIMES-China求解出技术和燃料的最优组合，以及相应的碳减排成本。之后通过设置不同的空气污染控制情景，进一步评估了不同政策组合下的协同效益。

研究从碳减排和空气污染控制两方面入手，设置了不同的情景组合，如Table1所示。

碳减排方面设置了四组减排路径：NPi代表了影响能源系统和气候变化的当前国家政策情景；NDC2030代表了在2030年实现碳排放峰值，此后保持不变；NDCCUM代表了NDC减排路径，但保证2010-2050的累积碳排放在400Gt；WBD2通过将2010-2050的累积碳排放控制在290Gt实现2℃目标情景。在空气污染控制方面设置了三组不同的排放控制策略，并在GAINS-China中进行模拟：NFC假定不考虑2015年之后的额外污染控制政策；CLE充分考虑了当前的污染控制政策，“即将出台的政策”在一定的基础设施和经济发展下将充分实施；MFR代表了GAINS-China中所有空气污染物在可行基础上的最大实现。

结果与讨论

（1）碳减排途径与能源系统变革

气候目标将对中国的能源系统转型产生深远影响。在NPI-NFC情景下，CO2排放量将在2040年达到14亿吨的峰值，比2015年的排放水平高55%左右；低碳情景下碳排放将显著降低，NDC2030-NFC中CO2排放量在2030年达到11亿吨的峰值；NDCCUM-NFC和WBD2-NFC通过累积碳排放的限制，2050年时的CO2排放量将分别减少到8Gt和3Gt。至2050年，核能和可再生能源在后三组低碳情景下的份额将分别达到32%、48%和62%，远高于NPi-NFC中的24%。

由于能源服务需求的下降和能效的提升，终端用能将显著下降，如Fig2A所示。在行业构成方面，由于产业结构调整和节能技术推广，工业部门的能耗较建筑和交通部门将提前减少。工业、建筑、交通部门在各低碳情景下的能源消耗情况如Fig2所示。建筑部门中，传统生物质能份额将不断降低，天然气份额将提升至20%-23%；电力消耗则会从2015年的20%提升至50%-60%。交通部门的能耗在2050年时持续升高，主要考虑交通部门的低碳技术尚未成熟，相关基础设施建设较为欠缺，因此交通部门的低碳转型成本较高，随着碳减排约束的提升，其能耗和工业及建筑部门的差异将不断增大。

（2）大气污染物减排

不同情景下，2050年时各部门对主要大气污染物的减排贡献如Fig3所示。在NPi-NFC情景下，SO2排放将在2030年达峰，约2350Mt；NOx排放则约在2025年达峰，约32.8亿吨。在当前政策情景下（NPi-CLE），2050年时SO2、NOx、PM2.5排放较2015年将分别降低75%、55%和68%；NPi-MFR下则将进一步下降至42%、36%和29%。

低碳情景WBD2-CLE中，随着低碳能源发展和脱硫技术升级，电力和工业部门在2050年时可以实现77%的SO2减排；由于中国成品油中硫含量较小，交通部门贡献的SO2减排相对较低。电力和工业部门同样是减少NOx排放的主要来源，电力部门的减排贡献在NDC情景下更为显著，WBD2情景下则是工业部门更为显著。由于交通部门燃料结构转变滞后于其他部门，因此对NOx减排的贡献同样较小。

（3）空气质量改善

为应对严峻的环境污染形势，中国不断建立更严格的空气质量标准，但距离10μg/m³的WHO标准仍有一段距离。如Fig4所示，随着气候政策和空气污染治理措施的实施，中国的空气污染状况有望进一步改善。

以北京为例，在低碳能源发展下，北京2050年时人口加权PM2.5浓度将从NPi-NFC的91下降至86（NDC2030-NFC）、81（NDCCUM-NFC）和72（WBD2-NFC）μg/m³。通过强化污染物末端治理，WBD2-MFR情景下北京的PM2.5浓度将进一步下降至34μg/m³。另一方面，空气重污染区域将不断减少，在2050年时，WBD2-MFR情景下30个省份均可达到国家二级空气质量标准，但只有5个省份可以达到WHO标准；且京津冀区域仍然是PM2.5浓度的高值区，在未来应该仍是空气质量相关政策的重点区域。

（4）健康影响

该研究利用IER方程进一步计算了不同情景下的人口过早死亡，结果如Fig5所示。2050年时，没有气候政策限制时，NPi-CLE下由于PM2.5暴露导致的过早死亡约是161万，在NDC2050、NDCCUM、WBD2情景下则会分别降低2%、5%和11%。但随着人口老龄化和基线死亡率的上升，各情景下的过早死亡人数可能会有所增加。为减少由于PM2.5引起的过早死亡，需要采取更接近MFR的更严格的控制策略及低碳目标。

（5）不确定性分析

研究也存在一定的局限性，主要有如下几个方面：

1）低碳目标的不确定性，其会显著影响能源消耗和碳排放；该研究的低碳目标设置与CF-LINKS项目中的中国模型保持一致，有利于下阶段与全球模型的比较。

2）不同空气污染控制策略的应用率有较大不确定性，其将影响协同效益的评估；该研究的控制策略均来自GAINS-China数据库，下一步应通过最新政策对该数据库进行更新。

3）健康影响计算的不确定性；近年来已开发了诸多不同的评估方法，因此趋势分析相较于绝对数字结论可能更具参考意义。

该研究耦合了TIMES-China和GAINS-China模型，以评估NDC和WBD2目标下空气质量改善的协同效益。结果表明，在气候政策下，工业部门的能源消耗将提前于建筑和交通部门降低，且对实现气候目标的贡献更为显著；电气化将是建筑部门主要的脱碳方式；为加快交通运输部门的转型，降低成本和完善电动车、强化新能源车基础设施建设的投资至关重要。

【 E文载道 整理发布】

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