文献阅读 | 中国实现碳中和对改善空气质量的协同效益

题目

Air quality benefits of achieving carbon neutrality in China

作者

Xurong Shi, Yixuan Zheng, Yu Lei, Wenbo Xue, Gang Yan, Xin Liu, Bofeng Cai, Dan Tong, Jinnan Wang.

期刊

Science of the Total Environment

时间

2021年6月

一作

单位

Center of Air Quality Simulation and System Analysis, Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing, China

链接

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148784

研究背景

      中国正面临空气污染和气候变化双重问题。化石燃料作为温室气体和大气污染物共同的排放源，其大量使用造就了中国空气污染和气候问题同根同源的特征。细颗粒物（PM2.5）、臭氧（O3）等大气污染物会影响人体健康和经济活动：GBD（Global Burden Of Disease）2019指出中国过早死亡人数超过七百万，其中26%归因于PM2.5和O3暴露。为了减少PM2.5污染及其对健康的不利影响，中国已经采取一系列大气污染控制政策，例如2013年实施的《大气污染防治行动计划》和2018年实施的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等等。虽然对PM2.5的治理已初见成效，大气颗粒物浓度近年来显著降低，但官方监测网络显示，2020年全国平均PM2.5浓度为33μg/m^3，是世界卫生组织指导值（10μg/m^3）的3.3倍，对人类健康仍存在严重威胁。同时，臭氧污染问题在过去的几年中日益显著，尤其是在主要的城市群，如京津冀及其周边的“2+26”城市（以下简称“2+26”城市）、长三角地区（YRD）和珠三角地区（PRD）以及汾渭平原（FWP）。为从根本上改善空气质量，中国提出了“美丽中国2035”目标，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划》和《2035年远景目标纲要》中规定，全国所有城市的PM2.5年均浓度在2035年之前要达到35μg/m^3的国家标准。

      中国也正在面临着减缓气候变化的挑战。气候变化已被证实对人类健康和生态系统有不利影响，目前已引起了全球的关注。为了将气候变化的潜在风险降到最低，《巴黎协定》设定了将全球温升控制在相比工业化之前水平升高2℃以内，并争取控制在1.5℃的目标。2015年，中国正式承诺国家自主贡献（NDC）；2020年，中国宣布将努力在2030年之前达到二氧化碳排放峰值，并在2060年之前实现碳中和。要实现这一目标，必须努力加快产业和能源结构的优化。很多关键地区、部门和企业也正在探索碳达峰和碳中和路径。

在碳中和目标的驱动下，能源和产业结构有望实现快速而彻底的清洁转型，这可能会显著减少CO2和同源的空气污染物的排放，进而有效改善空气质量。中国的气候政策带来的空气质量改善的共同利益目前已被广泛研究，但很少有研究探究中国碳中和目标背景下空气质量改善的路径。

      理解碳中和目标对空气质量的影响对理解和制定中国空气质量改善的中长期路径至关重要，因此，本研究基于中国环境规划院碳路径（CAEP-CP），探究了中国追求碳中和对空气质量的共同收益。

研究结果

1. 空气污染物排放的趋势预测

       在CAEP-CP碳排放路径下，考虑末端控制技术的应用和发展，本研究预测了全国大气污染物的排放变化（图1）。预计2030年全国SO2、NOx、一次PM2.5和VOCs的排放分别为3.94、11.46、4.26和20.55Tg（百万吨），大约比2019年分别降低了42%，42%，44%和28%。在碳中和目标和“美丽中国2035”承诺的双重驱动下，全国的SO2、NOx、一次PM2.5和VOCs的排放在2035年将进一步降低至2.92、8.36、3.02和16.59Tg。在碳中和目标的持续驱动下，到2060年，全国的SO2、NOx、一次PM2.5和VOCs排放在将进一步降低至0.50、1.43、0.79和11.07Tg，相比2019年分别减少了93%、93%、90%和61%，极大地促进了空气质量的改善。除了VOCs，其它污染物在2060年的排放都将降至1Tg左右。VOCs的减排面临更大的挑战，其原因可能是随着GDP增长和市场需求的增加，与VOCs排放相关的产业也会增加，并且VOCs排放源过于分散多样，目前的末端处理措施难以有效控制。

图1. CAEP-CP路径下污染物排放预测

      随着能源和工业结构的根本性调整，以及更严格的环境政策的实施，工业部门将会淘汰落后的工业技术和产能，限制高耗能重工业的发展，以减少煤炭消耗；根据当前的节能政策，清洁能源将会在居民部门被广泛应用；交通部门将会提高能源效率，推广电力汽车等等。因此，将来这几个部门的污染物排放预计会大幅削减。如图1所示，2019-2060年，除SO2和PM2.5的居民部门减排，NOx的交通部门减排，以及VOCs的交通和居民部门减排之外，污染物减排主要由工业部门推动。到2060年，SO2、NOx、PM2.5和VOCs的排放主要来自工业部门；居民部门对PM2.5排放贡献为51%，交通部门对NOx排放的贡献为21%。由于电力部门的清洁能源替代和严格的排放标准的实施，2060年电力部门对污染物排放的贡献非常低。

      本研究还分析了2019-2060年间低碳政策和末端控制政策对主要污染物减排的分别贡献。结果表明，2035年之前，低碳政策主要限制了化石能源消费的快速增长，只能带来小幅度的减排，但在更长远的未来，低碳政策将在污染物减排中发挥关键作用（图2）。与低碳政策不同，末端控制政策在2035年之前将有助于显著减少污染物排放，但此后的减排贡献较为有限。不同于其它污染物，在不考虑末端控制的情况下，VOCs的排放在2035年前预计是增加的，这可能是因为VOCs的排放与清洁能源转型相关性较小；另一方面，由于GDP和人口的增加，石油化工、溶剂使用、食品饮料行业和纺织业等与VOCs排放源相关的产业预计会增加，导致了更多VOCs的排放。

图2. 低碳政策和末端控制对污染物减排的贡献

2. 空气质量趋势预测

      在“2030年前碳达峰、2060年前实现碳中和”的承诺及“美丽中国2035”目标的驱动下，我国预计将会实施一系列低碳和环境政策。本研究使用WRF-CAMx模型、结合上一部分的污染物排放预测模拟了2030、2035和2060年的未来的空气质量，并提出了中国环境规划院-碳和空气质量路径（CAEP-CAP）。

年平均PM2.5浓度

      随着低碳政策驱动的能源产业结构调整和环境政策驱动的更严格的末端控制政策的实施，PM2.5的浓度预计在2020-2060年间大幅降低，将会使空气质量和人体健康得到显著改善（图3）。在2030、2035和2060年，全国年平均PM2.5浓度预计分别为27μg/m^3，23μg/m^3和11μg/m^3（按官方标准四舍五入）。此外，PM2.5浓度超出中国空气质量标准（35μg/m^3）的地级市的数量将从2030年的44个减少为2035年的13个，并进一步在2060年减为0。我国的空气质量将有望达成“美丽中国2035”目标，并有可能达到现有世界卫生组织的PM2.5指导标准（WHO(2006)，10μg/m^3）。

图3. CAEP-CAP路径下PM2.5浓度空间分布

      在“美丽中国”空气质量目标的推动下，末端控制在2035年之前将持续对PM2.5的减排发挥关键作用，但其影响力会在2035年之后减弱。从长远来看，由碳中和目标驱动的低碳政策将为空气质量改善提供动力（图4）。例如，从2020到2035年，末端控制和低碳政策对PM2.5浓度降低的贡献分别为90%和10%，但从2020到2060年，二者对PM2.5浓度降低的贡献分别为18%和82%。应该注意的是，不考虑末端控制政策的情况下，2030年PM2.5的浓度预计将比2020年的水平增加3%，这可能是因为尽管能源结构调整能够限制能源消费的快速增长，但根据CAEP-CP能源发展路径的预测，化石燃料消费在2030年之前仍会持续增长，带来更多污染物的排放。

图4. CAEP-CAP路径下2020-2060年的PM2.5浓度。

注：2025年PM2.5的浓度是参考中国环境规划院“十四五”规划相关的研究进行模拟得到的

日最大8小时O3浓度90百分位数

      O3的形成机制极其复杂，其对NOx和非甲烷挥发性有机化合物（NMVOC）的排放变化呈现非线性响应，且对气象条件也十分敏感（本研究不考虑气象条件的变化）。与PM2.5相同，O3日最大八小时浓度90百分位数（O3-8h 90th）在2020-2060年间预计会大幅降低（图5）。全国平均O3-8h 90th浓度将会从2020年的138μg/m^3，在2030、2035和2060年分别降低为129μg/m^3、123μg/m^3和93μg/m^3（按照官方标准四舍五入）。此外，浓度超过中国空气质量标准160μg/m^3的地级市的数量也由2020年的56个，逐步减少到2030年的32个、2035年的8个，并进一步在2060年减小到0，且有望在2060年前实现现行WHO的标准O3指导值（日最大8h，100μg/m^3，2006）。

图5. CAEP-CAP路径下O3浓度的空间分布

      结果表明，末端控制政策可能会使O3-8h 90th浓度在2030、2035和2060年分别相比2020年降低9%、13%和5%；低碳政策在2030和2035年则预计会使O3-8h 90th浓度（相比2020年）增加约2%，而在2060年使之减少28%。总的来说，从2020到2060年，末端控制政策和低碳政策对O3-8h 90th浓度下降的贡献将分别为16%和84%。可以看出，在更远的未来，末端控制的减污潜力是有限的，而低碳政策在减排方面将会发挥更重要的作用（图6）。

图6. CAEP-CAP路径下2020-2060年O3-8h 90th浓度

注：2025年的O3-8h 90th浓度是参考中国环境规划院“十四五”规划相关的研究进行模拟得到的

空气质量达标

      2020年，全国337个地级市中约40%的城市无法达到现有的国家空气质量标准，其中，接近96%的城市的平均PM2.5和O3-8h 90th浓度无法达标。PM2.5和O3是影响当前中国空气质量的重要因素，也可能是中长期影响我国空气质量的主要因素。本研究假设：若PM2.5和O3都能达到国家标准，则认为空气质量达标。模拟结果表明，在2030年，337个地级市中82%的城市可以达到当前国家空气质量标准，“2+26”城市，FWP，YRD和PRD地区城市达标率分别为18%，45%，78%和100%；2035年，337个地级市，“2+26”城市，FWP，YRD和PRD的城市达标率分别为94%，79%，91%，95%和100%；到2060年，所有337个城市都能够达到目前的国家空气质量标准，且有约一半城市可能达到当前WHO的指导标准。

研究方法

1. 情景设计

      在中国碳目标的约束下，本研究结合IPCC的共享社会经济路径（SSPs）、中国中长期计划和中国高分辨率排放数据（CHRED）构建了CAEP-CP二氧化碳排放路径（参考阅读DOI：10.12062/cpre. 20210101）。根据CAEP-CP路径，中国预计在2025、2030和2035年左右达到其煤炭、石油和天然气消费的峰值，基于此，中国的碳排放预计在2027达到峰值，约为106亿吨（10.6Gt）。之后，碳排放将在2035年前下降至102亿吨，并在2060年前逐步下降至6亿吨。在清洁空气行动方面，本研究考虑逐步实施控制污染物的最佳可用技术（BAT）。

2. 数据来源

空气污染物排放清单

      CAMx模型的必要输入项包括SO2、NOx、一次颗粒物（PM10、PM2.5及其组分）、NH3、可挥发性有机化合物（VOCs）等主要空气污染物的排放。本研究基于MEIC2017年的排放清单，结合了2018年“2+26”的城市排放清单和2019年的主要减排措施，构建了2019年的人为空气污染物排放清单。VOCs的生物排放使用WRF提供的MEGAN模型计算。除此之外，基于2019年的排放清单，通过耦合CAEP-CP路径和空气污染末端控制水平，本研究利用排放因子法进一步估算了2030年、2035年和2060年的SO2、NOx、PM2.5和VOCs的排放，如公式所示：

能源相关部门的活动率根据CAEP-CP能源发展路径进行预测，非能源相关部门的活动率参照Tong et al.(2020)（参考阅读：https://doi.org/10.5194/acp-20-5729-2020）的预测。公式中的A反映了低碳政策驱动的社会经济发展以及能源和工业结构调整，η则反映了环境政策驱动的污染末端控制水平。

空气质量监测数据

      目标年的PM2.5和O3浓度的模拟值需要通过基准年实测和模拟的PM2.5和O3浓度进行校准，以减少系统误差。本研究使用中国生态环境部数据中心采集的337个城市的日平均PM2.5和MDA8 O3观测数据进行校准，方法如下列公式所示：

式中，等式两边的C_st分别表示目标年的校准后和模拟的PM2.5和O3的浓度，C_sb和C_mb分别表示基准年模拟的和观测的PM2.5和O3浓度。

3. 模型设置

模拟区域

      本研究采用CAMx模型模拟中国的PM2.5和O3浓度，并聚焦于几个主要城市群，包括“2+26”城市，YRD，PRD和FWP。CAMx模型采用20×20km分辨率网格单元，总共将研究区域划分为270×216个网格，使用兰伯特投影，垂直方向设置14个气压层，层间距从下到上逐渐增大。

气象模拟

      WRF模型提供了CAMx模型所需的气象场，气象数据使用美国国家环境预报中心的再分析数据（NCEP-FNL），此外，本研究利用NCEP自动数据处理（ADP）观测资料进行客观分析和数据同化。

模式评估

      以归一化平均偏差（NMB）、归一化平均误差（NMB）和相关系数（r）为参数，检验模型再现2019年日平均PM2.5和O3 MDA8浓度的性能。模拟时段从2019年1月到2019年12月。图7为“2+26”城市、FWP、YRD和PRD地区的PM2.5和O3模拟和观测的日平均值的相关性，其中n表示相应区域数据对的样本数。对PM2.5的模拟，NME值在四个地区（“2+26”城市，FWP，YRD，PRD）分别为35%，36%，39%和51%，NMB值分别为16%，-6%，27%和40%；相关系数分别为0.81，0.76，0.81和0.71。对O3的模拟，NME为21%，29%，22%和28%，NMB为-9%，0.4%，2%和4%，相关系数r为0.88，0.74，0.80和0.76。NMB和NME的结果都满足推荐基准，说明本研究所使用的排放清单较为可靠，模型表现可以接受。

图7. 观测与模拟的日平均PM2.5和MDA8 O3浓度的相关关系

结论和启示

      空气质量改善和气候变化减缓程度都是考虑未来决策的重要参考标准。本研究表明，2035年前，“美丽中国”驱动的污染物控制措施将对空气质量改善起到关键作用，能够有效抵消能源消耗增加对空气质量的负面影响。但2035年后，随着先进的末端控制技术在电力、工业等主要污染部门的广泛应用，末端控制带来的空气质量改善效益将会逐渐下降。长远来看，中国空气质量的改善面临末端控制减排潜力有限的挑战，迫切地需要更严格的低碳政策。中国承诺的碳中和很可能成为未来空气质量改善的新的核心驱动力。本研究表明，2019-2060年间，碳中和目标驱动的低碳政策对空气质量改善的贡献可能超过80%，对未来长期空气质量达标起到关键作用。总体而言，一方面，由于末端控制政策在短期内主导空气质量的改善，目前仍需继续推行更严格的环保政策；另一方面，由于长期空气质量达到WHO指导标准主要归功于清洁能源转型，所以应该更多地关注强化低碳政策。本研究讨论的低碳政策和污染控制措施对未来空气质量改善的贡献，可以为其它同样面临空气质量达标和气候减缓双重挑战的发展中国家提供有价值的参考。

      本研究也存在一些不确定性和局限性。首先，实现碳达峰和碳中和的途径多种多样，但本研究仅基于CAEP-CP碳路径展开讨论，没有考虑其它路径。其次，本研究采用的能源发展路径（CAEP-CP）没有充分考虑碳捕集、利用与存储技术（CCUS）对碳减排的贡献。随着CCUS研发项目的指数增长和更广泛的应用，其技术成本将会迅速下降。另外，如果CCUS技术的安全问题逐渐得到解决，碳中和对结构调整的驱动力可能会减弱。最后，未来应当开展中国碳中和目标的背景下，不同能源转型路径的气候减缓成本和空气质量改善的健康协同效益的相关研究，以便从成本-收益的角度更全面地评价碳中和路径。

编辑&排版：李丹阳

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