文献阅读 | 空气质量改善需求或将推动我国持续减排二氧化碳并超越NDC目标

题目

The quest for improved air quality may push China to continue its CO2 reduction beyond the Paris Commitment

作者

Jia Xing, Xi Lu, Shuxiao Wang, Tong Wang, Dian Ding, Sha Yu,  Drew Shindell, Yang Ou,Lidia Morawska, Siwei Li, Lu Ren, Yuqiang Zhang, Dan Loughlin, Haotian Zheng, Bin Zhao, Shuchang Liu,Kirk R. Smith, and Jiming Hao

期刊

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)

时间

2020.11

一作

单位

School of Environment, State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, Tsinghua University

链接

https://doi.org/10.1073/pnas.2013297117

摘要

我国面临着改善空气质量和减缓气候变化的双重挑战。我国在2020年提出的“美丽中国”战略要求中提到，到2035年所有城市的PM_2.5年均浓度要达到或低于35微克/立方米。同时，我国也采取了一系列低碳政策，以实现在《巴黎协定》中承诺的国家自主贡献目标（NDC）。之前的研究表明，实施低碳能源政策对减少空气污染有协同效应。但我国实现空气质量和二氧化碳减排双重目标的路径尚未得到全面探讨。

在此，本研究通过耦合综合评估模型和空气质量模型，评估了我国在NDC目标和加强的低碳情景CBE下到2035年的空气质量。结果表明，在NDC情景下，即使采取最严格的末端控制措施，一些城市也无法在2035年达到PM_2.5目标。要实现空气质量目标，需要将多种空气污染物的排放量进一步减少6%-32%，这也将推动二氧化碳排放量相对于NDC情景额外减少22%。结果显示，CBE情景下的空气质量改善带来的健康效益超过了碳减排成本的8倍。我国实现空气质量目标所需的额外低碳能源政策也将为我国实现2℃全球温度目标的深度脱碳奠定重要基础。

研究背景

我国面临着严重的空气污染问题，特别是对人体健康有危害的PM_2.5。为保护人群健康，我国最近实施了强化的空气污染控制政策，目标是到2035年将所有城市的空气污染控制在35μg/m³以下。2013年发布的《大气污染防治行动计划》已卓有成效。然而2018年， 338个地级及以上城市中，仍有217个城市的PM_2.5年均值超过了35μg/m³的国家标准，远不及世界卫生组织（WHO）的指导值（PM_2.5年均浓度10μg/m³）。先进的末端控制技术已经在电力和工业领域得到了广泛应用，例如到2018年，90%以上的燃煤电厂已经安装了末端控制技术。因此，利用末端控制措施进一步减排的潜力可能有限，而实施低碳能源政策，制约能源消费总量，促进向清洁能源转型，有望成为进一步降低空气污染的必然选择。

在过去的几十年里，气候变化对人类和生态系统的影响在我国也受到了极大的关注，并积极采取了气候减缓措施。2016年，我国正式签署了《巴黎承诺》中的国家自主贡献（NDC），承诺2030年单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降60%至65%。此前的研究表明，以气候减缓为导向的低碳能源政策可以带来空气污染的减少。

因此，我国面临的一个重要问题是是否需要应用低碳能源技术来实现空气质量目标。气候减缓与空气改善之间的协同作用是很重要的，因为许多发展中国家（如中国和印度）目前正面临着严重的空气污染问题，而减少空气污染通常是比气候减缓更为紧迫的国家问题。即使在减缓气候变化的国际形势悲观的形势下，这也可能带来二氧化碳排放量的持续减少。在此，本研究预测了我国未来到2035年的空气质量达标情况，评估了与达到PM_2.5标准相关的二氧化碳减排协同效益，并评估了与空气质量达标导向的能源政策相关的健康和气候影响。

研究方法

本研究通过将综合评估模型GCAM与基于ABaCAS-EI模型的详细的自下而上的排放清单和空气质量模型CMAQ相结合来评估未来的空气质量和二氧化碳排放，以及利用综合暴露-反应(IER)模型来评估我国室外O₃和室内外PM_2.5暴露对健康的影响。

本研究探讨了三种路径下我国未来大气污染物和二氧化碳的排放情况（表1）。首先设置了NDC-CLE(NDC−Current Legislation，CLE)情景，代表了我国目前正在实施的能源政策和末端控制措施。为了实现空气质量达标，本研究还设置了NDC-MFR(NDC−Maximum Feasible Reduction，MFR)情景，代表实施与NDC-CLE情景相同的现行能源政策，但末端控制有所加强。此外，为了实现2035年的空气质量达标，本研究还引入了CBE-MFR路径，即实施超越NDC要求的低碳能源政策（Co-Benefit Energy scenario，CBE），并通过末端控制实现MFR水平。

如图 1A 所示，2035 年NDC和 CBE 的总能源使用量分别为 150和126 EJ。在未来经济和人口增长的推动下，分别比2015年增长24%和4%，CO2总排放量分别为11.3和8.8 Gt。电力、工业、交通、建筑和非能源相关行业实行末端控制。与2015年相比，2035年采用末端控制后，PM_2.5、NOx（以NO₂计）和SO₂的排放系数大大降低（图1B）。需要注意的是，对于难以控制的生活和农业部门，控制技术的去除效率低于50%。未来减排的挑战包括活动水平的持续增长（图1A），以及末端控制措施的减排潜力有限（图1B）。比如，末端控制措施不太可能应用于家用炉灶，现有的小型锅炉管端控制技术与电厂相比，SO₂和NOx的去除效率相对较低，仍有20多万台工业锅炉无法得到很好的控制。此外，NMVOCs（非甲烷挥发性有机化合物）和NH₃的排放也很难用现有的末端控制技术来控制。

表1 碳排放与空气污染物排放预测

图1 能源消费（A）与空气污染物排放系数（B）

研究结果

我国在NDC情景下无法实现空气质量目标

沿着同样的NDC能源路径，在NDC-CLE和NDC-MFR两种情景下，由于采取了末端控制措施，预计未来十几年所有空气污染物的排放量都会明显下降（图2）。在NDC-CLE情景下，2035年SO₂、NOx、NMVOCs、NH₃、PM_2.5和BC(黑碳)的排放量相对于2015年将分别减少62%、51%、33%、16%、61%和83%。如此大幅度的减排表明，在现行政策下，尽管能源消耗和二氧化碳排放量将继续增加，但大气污染控制的效果还是不错的。随着末端控制力度加大（NDC-MFR），所有污染物的排放量都进一步减少，特别是NH₃和NMVOCs，对溶剂使用和牲畜等农业源的控制更加有效。与CLE相比，MFR的SO₂(17%)、NOx(17%)、PM_2.5(19%)和BC(20%)的减少可以通过提高所有火力发电装置、工业锅炉和建筑材料工业的超低排放标准来实现。

图2  末端去除效果

尽管末端控制技术将继续在减少空气污染物排放方面发挥重要作用，但额外的末端应用潜力有限。如图2所示，末端控制（即从CLE到MFR的减排百分比，图2）对SO₂、PM_2.5和BC的有效性分别从2020年的26%、24%和39%下降到2035年的17%、19%和20%，这意味着末端控制措施的潜力减小，对实现长期空气质量目标的有效性降低。

从图3A和B可以看出，2015年至2035年，我国大部分城市在最大限度地进行末端控制的情况下，PM2.5浓度呈现大幅下降。338个地级及以上城市中，非达标城市的数量从2015年的258个减少到NDC-CLE下的81个，进一步减少到NDC-MFR下的21个。然而，在NDC-MFR下，河北、河南、山东三省仍分别有3、4、9个城市不能达到国家标准（图3D），影响总人口为9280万。显然，NDC即使采用最严格的末端控制(NDC-MFR)，也无法确保我国完全达到环境PM2.5标准。更重要的是，气候变化惩罚（考虑到未来气象变化对空气污染的影响）会给空气质量达标带来更多的挑战，这就需要更加加强减排力度。为实现“美丽中国”目标（即2035年我国所有城市实现PM_2.5年浓度低于35微克/立方米），需要比NDC情景下更积极的低碳能源政策。

图3 2015年（A）与2035年NDC-MFR (B)和CBE-MFR (C)情景下我国338个城市的PM2.5年平均浓度，以及各省未达标城市的数量和相关的二氧化碳排放变化(D)

空气质量达标导向的能源政策带来额外的CO2减排

CBE中的环境空气质量达标导向的能源政策与NDC情景相比，对MFR末端水平下的能源使用和大气污染物及CO2排放的影响进行了比较（图4）。首先，CBE中考虑了能源结构调整和节能两个方面的能源政策，相对于NDC，CBE中的能源结构调整将使可再生能源（与NDC相比变化+45%）和天然气（与NDC相比变化+21%）的比例更高，煤炭（与NDC相比变化-16%）和石油（与NDC相比变化-10%）的比例更低。可再生能源占比增幅略高于天然气。这主要是由于电力行业应用可再生能源的资本成本大幅下降。能源类型向天然气的转变主要是由工业部门推动的，特别是钢铁、建材、有色金属、焦炭、石化和化工行业。与可再生能源相比，天然气可以更快地替代工业部门的煤炭（如供热）。电力部门的煤炭使用量也大幅减少，同时由于终端用电部门的高电力需求，天然气和非化石能源的消耗量大幅增加。加强清洁供暖技术的实施，如集中供暖系统、电力（如用于烹饪的电磁炉和用于供暖的热泵）、分布式燃气、地热、太阳能和工业余热等，使建筑部门的煤炭使用量大幅减少。建筑领域只占能源使用总量减少的一小部分，但对大气污染减排贡献很大。

总的来说，能源结构的调整可以使2035年的PM_2.5、SO₂、NOx和BC排放量分别比NDC情景减少3%、19%、11%和20%，而且主要通过工业和建筑部门的燃料替代来实现（图4C）。此外，2035年二氧化碳排放量比NDC情景减少了0.8 Gt（7%）（图 4E），工业部门是最大贡献者。交通部门也通过以下机制对碳减排作出了显著贡献：推广公共交通和自行车，限制小型客车服务需求的增长，鼓励将货运服务需求从公路运输改为铁路和水运，以及推广清洁和新能源汽车。

图4 在最大可行的末端控制 (MFR)下，CBE与NDC在2035年的能源使用和排放变化

能源使用的变化(A、B);PM2.5、SO2、NOx排放变化(C、D);二氧化碳排放的变化(E和F)

额外的节能政策可以使总的能源使用量减少18%（图4B）。这种能源使用的减少主要来自工业部门，主要通过限制工业生产总量、促进改善能源密集度，使之达到现有最佳高效技术的水平。电力部门能源使用的减少与电力需求的减少和发电效率的提高有关。通过提高燃油经济性、推广清洁和新能源汽车技术、淘汰落后车辆，以及提高建筑设计标准和推广高能效的先进服务技术，建筑和交通部门的能源使用量也可以大幅减少。低碳能源政策（包括能源结构调整和节能）在 CBE 情景中的综合效果，可以使 2035 年 PM_2.5（22%）、SO₂（34%）、NOx（25%）、BC（28%）和 CO₂（22%）的排放量比 NDC 情景大幅降低（图4D和F）。从2020年到2035年，能源政策的有效性增加，表现出与末端控制相反的趋势，这意味着实现长期空气质量目标中能源政策的重要性。

 表2展示2035年不同能源方案组合和末端控制水平下空气污染物和二氧化碳排放量与2015年相比的未来变化矩阵。CBE-MFR中的低碳能源政策可以将SO₂、NOx、NMVOCs、PM_2.5和BC的排放量相对于2015年的水平（设为1）进一步降低到22%、30%、46%、25%和10%。这样的减排量使得我国所有城市都能在2035年实现PM_2.5的达标目标（图3C和D，CBE-MFR下仅有的5个未达标城市均位于我国西部，主要原因是沙尘）。我国338个城市的PM_2.5平均浓度从2015年的49.6μg/m³，降低到2035年NDC-MFR的21.7μg/m³，2035年CBE-MFR的18.4μg/m³。此外，CBE-MFR的大幅减排也可使我国338个地级及以上城市在2035年全部实现臭氧(O₃)达标目标(即日8小时最高浓度<160μg/m³)。

表2 2035年我国大气污染物和二氧化碳排放总量与2015年相比(2015=1)

在CBE情景中实施更强有力的低碳能源政策，可以实现PM_2.5的达标，相对于NDC情景而言，可以大幅度地额外减少二氧化碳的排放（约2.51 Gt，即22%）；此外，CBE情景还将额外减少甲烷（CH₄）的排放，相当于0.17 Gt当量的二氧化碳（CO₂-eq），主要是由于避免了煤炭开采的甲烷泄漏，这超过了天然气系统增加的散逸性。总的来说，2035 年 CBE 情景将比 NDC 情景额外减少 2.68 Gt CO₂-eq 的温室气体排放。与NDC相比，我国的空气质量目标所要求的CBE中更强的低碳能源政策在短期内鼓励更多使用可再生能源和天然气。在评估本报告以外的长期影响时，可以进一步考虑未来天然气使用量的减少和可再生能源的推广，特别是在工业部门。

更有力的低碳能源政策带来的健康效益大于相关成本

在全国范围内，从NDC-MFR到CBE-MFR情景，由于PM_2.5的进一步降低，我国每年可避免158,000例过早死亡（图5A和B），主要是在三个人口密集的省份（河南、山东和河北）。此外，O₃浓度的下降每年可避免约1.2万人过早死亡。这意味着低碳能源政策在未来改善空气质量和保护人类健康方面具有重要的协同效益。

与PM_2.5相关的健康效益中，约77%来自于室内PM_2.5暴露的减少，表明低碳能源政策(如清洁能源用于烹饪和取暖)在减少环境PM_2.5暴露之外的室内暴露方面的重要意义。低碳能源政策的实施还可以使其他省份同时避免与空气污染相关的过早死亡和减少二氧化碳的排放（图5C）。以统计生命值(VSL)为524万元人民币计算，实施低碳能源政策(CBE)可带来相当于8900亿元人民币的人类健康效益。在不考虑额外气候效益的情况下，这样的货币化效益超过了政策实施成本的8倍（图5D）。即使达到了我国目前的空气质量标准（PM_2.5年均值为35μg/m³），与空气污染相关的过早死亡率仍然很高。在2035年CBE-MFR下，归因于PM_2.5和O₃的过早死亡人数估计分别为58.4万人和7.4万人。为了进一步改善空气质量，使其达到世界卫生组织的指导标准(PM_2.5年均值为10微克/立方米)，需要通过推广可再生能源加强能源政策。

图5 低碳能源政策在减少空气污染导致的过早死亡和二氧化碳排放方面的效益

CBE−MFR (A)下2035年与PM_2.5相关的过早死亡及其低碳能源政策导致的变化(NDC−MFR减去CBE−MFR) (B);31个省避免的与PM_2.5有关的过早死亡和CO₂减排量(NDC−MFR减去CBE−MFR)，其中2015年PM_2.5浓度最高的5个省份用橙色表示;(D)货币化的健康效益和低碳能源政策的相关成本(NDC-MFR减去CBE-MFR)。

编辑：刘晓瑞

排版：刘晓瑞

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