专家观点 | 邢佳：双碳背景下PM2.5和O3协同控制路径思考
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CCAPP 2022年第4期学术沙龙
“空气污染与气候变化”
视频回顾
近年来，中国实施一系列大气污染防治政策和措施，空气质量显著改善，但仍面临治理PM2.5和O3复合型污染的严峻挑战。碳达峰、碳中和目标的提出也为未来空气质量持续改善提供强有力的推动。在此背景下，亟需开展深入研究，探索科学可行的治理路径，为中国未来减污降碳协同政策措施的制定、实施和评价提供参考。
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一、大气PM2.5和O3的科学协同调控
合理减排VOCs和NOx（二次PM2.5和O3的重要前体物）对于协同控制PM2.5和O3污染、持续改善我国空气质量至关重要。但由于大气污染物排放-浓度响应关系难以准确量化，PM2.5和O3协同调控十分困难。
为解决这一问题，研究团队基于多区域多部门响应曲面模型和基于最小成本的减排需求反算模型，在京津冀及周边地区建立起大气污染物排放-浓度响应关系，并以该地区PM2.5和O3浓度在2035年达标（国家空气质量二级标准）为前提，计算VOCs和NOx不同减排比例下的最优控制成本及公众健康和生态环境效益。研究发现：
NOx深度减排是实现京津冀及周边"2+26"城市PM2.5和O3达标的关键。研究发现，只减排NOx即可实现空气质量达标，且成本最优。但受可行性、经济性、地方适应性及落实可能性等因素影响，大比例减排NOx需要时间极长。因此，为加快空气质量全面达标，需采取NOx和VOCs协同减排策略。为实现2035年空气质量达标，VOCs减排80%（较2017年）可缓解一部分NOx减排压力，减排成本额外增加96%（图1）。
图1. 2035年京津冀及周边地区PM2.5和O3达标时，
NOx和VOCs的减排需求及对应成本
（Ding et al., 2022）
实施快速的NOx和VOCs减排可带来较大公众健康和生态环境效益。研究发现，2035年PM2.5和O3浓度达标可通过分别削减75%和50%的NOx和VOCs排放实现，若2017年至2035年NOx减排速率保持7.4%不变，VOCs减排速率越快，获得的效益越大。相比在18年内完成削减50%VOCs排放的目标（较2017年），京津冀及周边地区若在5年内完成VOCs减排目标，将带来更高的环境、健康及生态效益（图2）。
图2. 不同时间段完成VOCs减排目标带来的效益
（Ding et al., 2022）
科学控制PM2.5和O3污染，冬季需加强VOCs和NOx协同减排，夏季需更注重NOx减排。以北京为例：冬季污染控制重点为PM2.5，仅减排NOx会增加二次PM2.5生成，因此需协同减排NOx和VOCs。由于夏季自然源VOCs排放量较大，二次PM2.5和O3生成对NOx的敏感性增加，需更注重NOx减排。
此外，区域联合减排VOCs能降低单个城市对VOCs减排的需求。以邯郸市为例，为实现空气质量达标，区域联控的VOCs减排需求远小于单一城市的减排需求。
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二、未来气候变化对PM2.5和O3协同调控的影响
研究团队耦合全球气候模型、中尺度气象模型、陆面天然源模型和区域空气质量模型等开展研究。在RCP8.5情景（无气候变化政策干预情景）下，气候变暖可通过影响气象条件和增加天然源排放加剧PM2.5和O3污染。若大气污染物人为源排放强度不变，2050年，气候变化将使大气中PM2.5浓度提高（较2015年）。
中国实现碳达峰、碳中和目标将推动能源结构优化调整，协同减排大气污染物和二氧化碳。另有研究发现，在温升1.5℃情景下，中国气候政策的实施将推动大气污染物的协同减排，其对空气质量的改善远大于未来气候变化的影响（图3）。
图3. 2050年全国年均PM2.5浓度和年均日最大8小时O3浓度在SSP126与SSP585两种路径下的差距（N、NW、SW、S、C、E和NE分别代表中国的北部、西北部、西南部、南部、中部、东部和东北部）
（Liu et al., 2021）
未来，气象条件变化将影响NOx和VOCs协同减排对PM2.5和O3浓度的响应。研究团队采用深度学习模型仿真数值模拟，以快速预测未来不同排放和气象条件下的大气污染物浓度。下一步，研究团队将继续研发能源-环境-气候耦合模型，实现大气污染与气候变化在排放情景、控制目标、技术路径上的动态关联，为未来协同治理提供科技支撑。
综上所述，为实现PM2.5和O3污染协同控制，促使城市空气质量全面达标，可采取“深度减排NOx，同时积极减排VOCs”的策略，并同时注重减排的季节差异性和区域协同性。此外，中国碳中和背景下的气候政策将促使空气质量持续改善，抵消并远超出气候变暖对空气质量的负面影响。
参考文献
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1. Ding, D., Xing, J., Wang, S., Dong, Z., Zhang, F., Liu, S., & Hao, J. (2022). Optimization of a NOx and VOC Cooperative Control Strategy Based on Clean Air Benefits. Environmental Science and Technology, 56(2), 739–749. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04201
2. Xing, J., Zheng, S., Li, S., Huang, L., Wang, X., Kelly, J. T., Wang, S., Liu, C., Jang, C., Zhu, Y., Zhang, J., Bian, J., Liu, T. Y., & Hao, J. (2022). Mimicking atmospheric photochemical modeling with a deep neural network. Atmospheric Research, 265, 105919.https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105919
3. Liu, S., Xing, J., Wang, S., Ding, D., Cui, Y., & Hao, J. (2021). Health Benefits of Emission Reduction under 1.5℃ Pathways Far Outweigh Climate-Related Variations in China. Environmental Science and Technology, 55(16), 10957–10966. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c01583
4. Liu, S., Xing, J., Westervelt, D. M., Liu, S., Ding, D., Fiore, A. M., Kinney, P. L., Zhang, Y., He, M. Z., Zhang, H., Sahu, S. K., Zhang, F., Zhao, B., & Wang, S. (2021). Role of emission controls in reducing the 2050 climate change penalty for PM2.5 in China. The Science of the Total Environment, 765, 144338. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144338
5. Xing, J., Lu, X., Wang, S., Wang, T., Ding, D., Yu, S., Shindell, D., Ou, Y., Morawska, L., Li, S., Ren, L., Zhang, Y., Loughlin, D., Zheng, H., Zhao, B., Liu, S., Smith, K. R., & Hao, J. (2020). The quest for improved air quality may push China to continue its CO2 reduction beyond the Paris Commitment. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(47), 29535–29542. https://doi.org/10.1073/pnas.2013297117
6. Liu, S., Xing, J., Zhang, H., Ding, D., Zhang, F., Zhao, B., Sahu, S. K., & Wang, S. (2019). Climate-driven trends of biogenic volatile organic compound emissions and their impacts on summertime ozone and secondary organic aerosol in China in the 2050s. Atmospheric Environment, 218, 117020. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.117020
专
家
简
介
邢佳
清华大学环境学院副教授
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【CCAPP实习生张星、李佳奇对本推文亦有贡献】
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