文献阅读 | 碳中和背景下中国中长期空气质量改善路径
题目
Pathways of China's PM2.5 air quality 2015–2060 in the context of carbon neutrality
作者
Jing Cheng, Dan Tong, Qiang Zhang, Yang Liu, Yu Lei, Gang Yan, Liu Yan, Sha Yu, Ryna Yiyun Cui, Leon Clarke, Guannan Geng, Bo Zheng, Xiaoye Zhang, Steven J Davis, Kebin He
期刊
National Science Review
时间
29 April 2021
一作
单位
Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modelling, Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China
链接
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab078
摘要
近年来，通过大量实施末端控制措施，中国的清洁空气政策已经大大改善了空气质量。然而，要想进一步达到世界卫生组织（WHO）指导值可能依赖于气候行动所带来的空气质量协同效益。在此，本研究评估了在将全球和中国气候减缓路径（即全球2℃和1.5℃路径、国家自主贡献（NDC）承诺和碳中和目标）与清洁空气政策相结合的情景下，2015年至2060年中国空气质量路径。本研究发现，中国通过履行NDC承诺和继续实施空气污染控制政策，可以在2030年实现近期气候目标（达峰）和PM2.5空气质量年度标准（35μg/m3）。然而，末端控制减排的潜力可能将在2030年之前基本耗尽，若要将PM2.5浓度降低到10μg/m3以下，可能需要更严格的气候政策，比如碳中和目标和全球1.5℃的路径。
引言
每年有数百万人死于暴露于室外细颗粒物污染引起的疾病，其中超过四分之一的过早死亡发生在中国。自2013年以来，我国实施了一系列空气污染控制政策，空气质量有了实质性的改善。然而，80%以上的中国人口仍然暴露在年均浓度超过35μg/m3的PM2.5中，并且99%以上的人口暴露在超过世界卫生组织（WHO）空气质量指南10μg/m3的浓度中。此外，随着老龄化的加剧，空气污染对健康的影响预计将随着时间的推移而增加，需要采取更加积极的清洁空气行动。除了空气污染控制政策，旨在减少化石燃料消费的气候行动也有显著的空气质量效益。2020年9月，中国宣布了到2060年实现碳中和的气候承诺，这可能将是在中国实现长期空气质量改善的有效途径。
在此，本研究结合了综合评估模型（GCAM-China）、基于技术的排放预测模型（Dynamic Projection for Emission in China,DPEC）和化学传输模型（Weather Research and Forecasting, and Community Multiscale Air Quality, WRF-CMAQ），动态评估了中国在一系列不同气候和清洁空气政策路径下的空气质量改善潜力。具体来说，本研究使用GCAM-China模型来预测中国的能源系统在碳中和目标以及全球气候-社会经济情景下CMIP6的演变。与污染控制措施相互作用，设计了一组排放情景，将不同的气候目标与国家清洁空气行动联系起来（表1）。其中，基线情景（Baseline）是指在2015年水平的基础上没有气候目标（即RCP6.0）和没有新的清洁空气政策。基于政策的 "当前目标 "情景（Current-goals）将通过履行NDC承诺和实施已发布的清洁空气行动来实现中期空气质量目标。另外四个政策情景反映了不同气候目标（表S1），侧重于长期（即2060年，碳中和的目标年）的空气质量改善。然后，本研究利用DPEC模型动态预测中国在这些情景组合下的未来人为排放路径。最后，本研究利用WRF-CMAQ化学传输模拟在各种能源和人为排放轨迹下中国未来的PM2.5暴露总量（即人为和自然来源）。
表1：情景设置
研究结果
在当前的清洁空气政策和NDC承诺（即Current-goals）下，中国的一次能源中煤炭占比将从2015年的65%稳步下降到2060年的48%（图1B）。因此，在电力和工业部门低碳能源转型的推动下，2030年人为二氧化碳年排放量达到峰值12.4Gt（比2015年的水平高18%），然后在2060年回落到9.1Gt（比2015年的水平低13%；图1A的橙色曲线）（图S4）。同时，与2015年的水平相比，在目前的政策下，中国46%-52%的污染物排放将在2030年被去除，主要贡献部门是工业和电力以及交通部门（图1C）。然而，如果没有新的清洁空气和气候行动，2030年以后的减排将变缓。在2030年和2060年之间，二氧化碳减少了27%，其他污染物排放只减少了4%-31%。
图1：中国未来人为源排放路径和能源转型。
(A) 2015-2060年人为二氧化碳排放量，(B) 2015年、2030年和2060年一次能源结构(左Y轴柱状图)和煤炭消费量(右Y轴红色圆圈)，(C) 2015 年、2030 年和 2060 年在不同减缓途径下按行业划分的未来空气污染物排放量
相比之下，碳中和气候政策和非常严格的污染控制政策的结合（即Ambitious-pollution-Neutral-goals）导致2015-2030年期间相对于NDC目标情景（Current-goals 和Ambitious-pollution-NDC-goals；图1B）的化石燃料降低20%，二氧化碳排放减少15%（图1A的绿色曲线）和污染排放减少58%-67%。同样，主要是在电力和工业部门，以及交通部门的氮氧化物排放（图1C）。在实现碳中和目标的路径下，2030年后仍有大量的减排潜力。2060年人为二氧化碳年排放量减少到0.68Gt，考虑到还有0.7Gt的二氧化碳自然碳汇，可达到二氧化碳净零排放，同时2030-2060年可以进一步实现67%-83%的污染减排量。除了电力和工业部门，交通和居民部门氮氧化物和PM2.5排放也大幅降低。
与全球气候目标相比，本研究发现中国的碳中和目标（即Ambitious-pollution-Neutral-goals）下的二氧化碳排放路径位于1.5℃和2℃的气候目标之间。与碳中和目标相比，更积极的1.5°C全球气候目标导致2060年一次能源结构中的化石燃料部分降低10%--在2060年进一步减少0.45Gt二氧化碳排放（图1A中的绿色和蓝色曲线）和20%-50%污染排放（图1C）。相反，与碳中和目标相比，2°C气候政策导致2060年的二氧化碳排放量增加1.2Gt，污染排放量增加29%-61%（图1C）。本研究注意到，在1.5℃的气候目标下，2060年的二氧化碳排放量为负值（-0.07Gt，Ambitious-pollution-1.5℃-goals），而空气污染排放量则相当大。这是因为碳捕获和储存技术以及负碳技术的广泛应用，可以在2060年吸收1.26Gt的二氧化碳，从而中和化石燃料产生的所有二氧化碳排放（1.19Gt），但这些负排放技术并不能减少空气污染物排放。
图2：中国未来气候目标和空气质量改善
气候政策和清洁空气行动都可以改善空气质量。图2展示了2030年（图2A）和2060年（图2B）的PM2.5暴露和碳排放。在宽松的气候和清洁空气政策下（即基准情景），中国将无法实现目前的气候目标或空气质量标准。相反，2030年的二氧化碳排放量将比NDC目标高出16%（图2A中的蓝色虚线），人口加权的PM2.5暴露量将比目前的标准35μg/m3高出63%（图S7）。在当前目标下，中国的二氧化碳排放将达到峰值，其目前的PM2.5目标将在2030年实现（即人口加权的PM2.5暴露下降50%至27.6μg/m3，79%的人口低于35μg/m3的标准）。然而，这些目前的政策（Current-goals）在2030年后只能带来很小的空气质量改善：2060年人口加权的PM2.5暴露量为20.2μg/m3，是世界卫生组织10μg/m3指导值的两倍多（几乎94%的人口12亿人暴露在高于世界卫生组织指南的污染浓度中；图3B）。即使在更严格的清洁空气政策下（即Ambitious-pollution-NDC-goals），到2060年，总人口的72%（9.182亿人）仍然暴露在超过世界卫生组织指导值的PM2.5污染中（图3C）。
图3：2060年PM 2.5浓度和能源转型的区域差异
在本研究分析的情景中，只有将严格的清洁空气政策与雄心勃勃的气候政策结合起来的情景才能在2060年达到世界卫生组织认可的低污染水平。有了严格的清洁空气政策和更积极的气候目标(Ambitious-pollution-2°C-goals, Ambitious-pollution-Neutral-goals和Ambitious-pollution-1.5°C-goals)，到2030年再逐步淘汰16%-25%的化石燃料（与当前目标相比）--将减少2.7-4.9Gt的二氧化碳排放，到2030年空气质量将大大低于25微克/立方米（20.0-22.3微克/立方米）。此外，空气质量在2030年以后还可以继续改善。到2060年，非化石燃料为主的能源结构（18%-40%化石燃料）加上严格的清洁空气政策，将使PM2.5浓度远低于世界卫生组织的10微克/立方米的准则（Ambitious-pollution-2°C-goals, Ambitious-pollution-Neutral-goals和Ambitious-pollution-1.5°C-goals分别为9.5、7.9和6.7微克/立方米）。相应地，严格的清洁空气政策加上碳中和目标（Ambitious-pollution-Neutral-goals）可能意味着78%的人口（9.436亿人）暴露在10微克/立方米以下的PM2.5污染中。因此，严格的气候目标中雄心勃勃的低碳转型在长期的空气污染暴露改善中起着关键作用。
中国PM2.5污染的空间区域差异和相应的能源结构差异揭示了能源转型和可实现的空气质量改善方面的不同挑战。本研究选择了五个污染严重、人口密集的重点地区（即京津冀及周边地区（BTHS）、汾渭平原（FWP）、长江三角洲（YRD）、四川盆地（SCB）和珠江三角洲（PRD））来探索不同路径下的PM2.5暴露的区域模式。图3显示了到2060年未来PM2.5暴露的区域差异和能源结构的演变。作为污染最严重的地区，无论实施哪种清洁空气和气候减缓政策，京津冀及周边地区几乎聚集了前10%最高的PM2.5暴露人口（图3A-F）。具体来说，碳中和途径加上严格的清洁空气政策只能使京津冀及周边地区的PM2.5空气污染暴露在2060年达到14.4微克/立方米（雄心勃勃的污染中和目标），这仍然比世界卫生组织指导值高出44%。在Ambitious-pollution-Neutral-goals下，2060年中国有超过60%的人口暴露在高于世卫组织准则的污染水平下，主要位于京津冀及周边地区。
京津冀及周边地区的严重空气污染主要是由于重工业和居民部门的大量排放（目前都是以化石燃料为主），再加上不利的地形和气象条件。目前，河北省占全球原钢产量的13%。尽管中国只有8%的人口居住在这里，但消耗了中国所有居民部门12%的化石燃料。与其他地区相比，这造成了更大的转型挑战（图3H）。同时，京津冀及周边地区向非化石能源的缓慢转型（例如，在Ambitious-pollution-Neutral-goals下，2015年至2060年仅减少46%的化石燃料；图3H）带来了巨大的健康负担。京津冀及周边地区那些难以实现低碳的行业（如钢铁和水泥行业）将带来长期的空气污染和健康威胁。因此，京津冀地区空气质量的改善在很大程度上依赖于低碳能源转型。
编辑：刘晓瑞
排版：刘晓瑞
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