文献阅读 | 中国城市跨行业碳减排行动与当地健康的共同利益

题目

Urban cross-sector actions for carbon mitigation with local health co-benefits in China

作者

Anu Ramaswami, Kangkang Tong, Andrew Fang, Raj M. Lal, Ajay Singh Nagpure, Yang Li, Huajun Yu, Daqian Jiang, Armistead G. Russell, Lei Shi, Marian Chertow, Yangjun Wang & Shuxiao Wang

期刊

Nature Climate Change

时间

2017年9月

一作

单位

University of Minnesota, Twin Cities Campus, Minneapolis, Minnesota 55455, USA

链接

https://www.nature.com/articles/nclimate3373

研究背景

支撑城市家庭、企业、工业、交通、建筑、水和废物基础设施部门运转的能源供应与全球70%以上的碳（CO₂）排放有关，与化石燃料有关的细颗粒物（<2.5微米：PM_2.5）的室外/环境空气污染导致全球470多万人过早死亡，其中大部分发生在人口众多的城市地区。因此，减少使用化石燃料的城市战略在实现全球碳减排和地方健康保护目标方面具有巨大潜力。

然而，量化碳和健康的共同利益潜力对城市来说一直是个挑战。首先，各个城市现在往往都是通过不同的足迹观点，研究关于本地（直接）燃料使用和供应链所需的跨界二氧化碳排放，但并没有整合为一个国家所有城市的所有活动部门的能源使用和能源供应数据；其次，城市通过住宅-商业-工业活动的共同协调为二氧化碳减排提供另类的减排机会尚未得到充分评估（通过重新利用同城的家庭、商业建筑、工业和各种基础设施部门的“废物”能源来提高全系统的能源效率，这些战略被称为“城市-工业共生”）；由于城市行动引起的边际内外燃料使用的减少，各个城市所受到的二氧化碳和PM_2.5的共同利益是值得关注的。

本文试图回答一个经常被问及的问题——城市规模的行动对国家脱碳目标的个人和集体影响是什么？以及，在各个城市实现的与PM_2.5污染相关的地方健康效益如何？本文通过开发中国所有637个城市的新数据集，开发新的算法来估计基于不同城市的共生潜力，并推进城市内部、城市、腹地和国家尺度的多尺度系统联系，以量化城市-工业跨部门互动的去碳化和健康共同利益（图1）。

图1. 跨城市内部、腹地、省、网格区域和国家尺度相连的多尺度建模，以评估城市-工业共生的当地健康和国家二氧化碳效益

中国占全球人为二氧化碳排放量的27%，中国城市可以成为国家（乃至全球）二氧化碳减排工作的重要参与者。2014年，中国的城市容纳了中国54%的人口，并贡献了超过75%的国家国内生产总值（GDP）。然而，中国城市正经历着高水平的空气污染，年平均环境空气中的PM_2.5浓度超过国际准则，导致中国每天有超过4000人因污染而死亡。在中国最近的一些城市规模的能源规划研究中探讨了城市-工业共生战略。在中国这样的工业国家，城市-工业共生的潜力可能很大，全国化石燃料使用总量的70%发生在产生废热的工业和电力部门，而商业-住宅部门只有20%，可以重新利用这些废热，最大限度地发挥交换潜力。在中国的一些城市中，已经存在地区供热网络和生态工业园区，它们为实现跨部门的能源-材料交换提供了物理基础设施，并且可以使之更加有效。此外，冷却钢渣的新技术提供了更好的材料-能源回收途径。因此，在中国，技术创新和城市-工业共生的广泛实施可以大大促进国家的脱碳，同时减少与燃料有关的PM_2.5排放。

研究方法

为了量化城市规模的行动对全国二氧化碳减排的集体贡献，本文开发了一个全新的中国城市工业-基础设施（CCII）数据库，它收集了2010年中国大陆637个城市的家庭、企业和工业的能源使用，其方式与全国总能源使用和二氧化碳排放一致，同时还有定点的能源生产系统信息，即发电厂和当地城市供热系统。能源级联和材料交换算法是与CCII数据集一起开发的，以量化各个城市利用共址数据实现城市-工业共生的潜力。能源级联算法将每个城市特定行业产生的高、中、低档工业废热与这些城市中合适的再利用 “汇”相匹配，包括重新利用家庭和商业建筑中低档热量的先进区域能源系统。还模拟了两种主要的材料交换途径，其中来自钢铁厂和发电厂的废料取代了建筑中的水泥使用，其他潜在的材料交换没有被评估。这产生了对中国城市跨行业城市-工业共生潜力的保守估计（见表1和表2），因为当单个部门变得更有效率时，跨部门的共生潜力就会减少，城市跨部门共生情景战略（表2）是在全国范围内对建筑、发电厂、水泥、钢铁和其他部门采取常规的单部门效率行动后建立的模型。

表1. 五年计划-效率加共生情景案例中，中国能源使用量和二氧化碳排放量相对于2010年基准案例的减少情况：中国2010-2015年五年计划（FYP）中传统单一部门战略影响

表2. 五年计划-效率加共生情景案例中，中国全国能源使用量和二氧化碳排放量相对于2010年基准案例的减少情况：额外跨部门城市-工业共生战略影响

本文开发并实施了一种多尺度综合系统建模方法，将城市中不同的人类活动（单一部门、跨部门、使用和生产）与多尺度的燃料使用减少、碳减排模型、PM_2.5大气传输模型以及大量城市健康风险评估定量地联系起来，并与国家数据保持一致。

研究发现

637个城市的直接二氧化碳排放（范围1）加起来占中国二氧化碳总量的62%。城市的直接二氧化碳排放量与城市人口（R² = 0.612）和城市GDP（R² = 0.611）相关，因此在空间上的分布模式与中国的城市人口中心相对应。按经济结构对城市进行分类，14%是高度商业化的城市（第三产业GDP占城市GDP总量的比重>49.1%），13%是高度工业化的城市（第二产业GDP比重>64.4%），其余是工业和商业混合型城市。平均而言，工业城市表现出更高的直接二氧化碳排放强度（0.37 kg-CO₂/元），相比之下，商业城市（0.2 kg-CO₂/元）和混合经济城市（0.25kg-CO₂/元），确定此类城市为共生干预的重点地区。

图2显示了“五年计划-效率加共生”情景下的二氧化碳减排潜力。中国2010年五年计划（FYP）的单一行业效率目标（表1）适用于所有行业，并在全国范围内汇总。假设这些目标完全实现，与2010年的基线相比，将产生9.0%（7.54亿吨（Mt））的二氧化碳减排。其中城市减排贡献约65%（4.9亿吨）。本文所评估的城市跨部门共生干预措施（表2）为全国二氧化碳减排贡献了3.1%（2.7亿吨）（图2）。这意味着与国家单一部门的FYP-效率战略（7.54亿）相比，额外减少了36%（2.7亿）的二氧化碳排放，揭示了同城化使城市-工业共生成为一个重要的去碳化战略，应该被纳入未来的能源模型。材料交换的贡献（图2）似乎相对较小，因为在中国已经进行了大量的材料交换。  

图2. 根据中国2010-2015年五年计划的目标，按单一部门的效率分类的中国全国领土二氧化碳减排潜力。在此基础上，采取一些跨部门的城市-工业共生干预措施，包括在现有的和技术先进的区域能源系统（DES）中对热量进行再利用。如果中国在2010年个别行业达到国际最佳工业效率，单个行业的节约量与基准情景相比几乎翻了一番（从7.54亿到14.76亿二氧化碳），而与中国五年计划（FYP）效率加共生情景相比，城市跨行业战略的影响有所下降（图2），因为可用于交换的废热较少，但相对于单一部门的节余（14.76亿吨二氧化碳）而言，仍有14.9%（2.18亿吨二氧化碳）的缓解作用。因此，未来即使单一部门的效率很高，中国也会有足够的余热来支持城市与工业的共生。

中国各个城市在“五年计划-效率加共生”情景下与2010年基准情景下的二氧化碳直接减排量差异较大（<1%到37%）（图3a）。在能够利用废热的部门城市中，热交换带来的燃料减排量最大（图3b；峰值出现在热源与汇的比例在对数尺度上接近1的地方），从而为识别那些最适合共生的城市提供了启发；这种潜力也受到气候区的影响（显著性水平，α=0.001），决定了加热-冷却需求。比较城市类型，工业城市的平均二氧化碳减排量略高（15.3%±5.7%（平均值）），而高度商业化的城市和混合经济的城市分别为9.9%±5.5%和11.3%±5.6%，表明即使中国城市的经济结构发生变化，城市-工业共生仍有希望，因为预计未来会出现这种情况。

图3. 中国大陆637个城市的直接二氧化碳减排潜力。a. 各城市与基础情景相比二氧化碳减排百分比；b.仅通过热交换的城市二氧化碳减排百分比。

PM_2.5的影响和健康效益。所有部门（不包括农业）的年平均PM_2.5排放总量在各城市的单位地理面积上从<1到30.6 gm^-2yr^-1不等。2010年基准案例中模拟的空气中PM_2.5浓度（µgm^-3）在中国城市测量的浓度范围内，说明模型结果是合理的。从整个中国城市来看，健康效益——即与基础案例相比，“五年计划-效率加共生”方案每年减少的过早死亡人数为47,230（+10,240/-21,874）。这个估计可能是保守的，因为本文没有考虑到来自工业的气态二氧化硫和氮氧化物排放所形成的二次PM_2.5。

由于空气污染动态变化，加上637个城市不同的人口年龄结构，在本文的模型中，只有175个城市同时经历了高于平均水平的二氧化碳效益和高于平均水平的健康效益（图4a）。这是一个重要的、反直觉的结果，对协同效益分析很重要，即城市可能实现高水平的二氧化碳减排（相对于基准案例的百分比），但不一定避免高水平的过早死亡。图4b显示了具有高于平均健康水平和高于平均二氧化碳效益的城市（高-高）、具有低于平均健康水平和低于平均二氧化碳减排水平的城市（低-低）以及其余城市（高碳和低健康，以及低碳和高健康共同效益）的空间分布。

图4.  中国大陆637个城市的碳减排和健康的共同效益

编辑：王明皓

排版：江琴

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