文献阅读 | 《蓝天三年行动计划》对中国“2+26”城市减少大气污染和减缓气候变化效果分析

题目

Analysis of the air pollution reduction and climate change mitigation effects of the Three-Year Action Plan for Blue Skies on the “2+26” Citiesin China

作者

Yun Shu, Jingnan Hu, Shaohui Zhang, Wolfgang Schopp, Wei Tang, Jinhong Du,Janusz Cofala, Gregor Kiesewetter, Robert Sander, Wilfried Winiwarter,Zbigniew Klimont, Jens Borken-Kleefeld , Markus Amann, Haisheng Li, Youjiang He,Jinmin Zhao, Deyuan Xie

期刊

Journal of Environmental Management  

时间

2022年6月

一作

单位

State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences

链接

 DOI:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.115455

摘要

       中国城市群在减少大气污染物和温室气体(GHG)排放方面发挥着重要作用，这主要是因为它们的化石能源消耗水平较高。近年来，“2+26”城市，即北京、天津和中国北方的其他26个完善城市，经历了严重的空气污染。我们采用适用于2+26城市的温室气体与大气污染相互作用和协同效应模型(GAINS-JJJ)，评估在蓝天三年行动计划(三年行动计划)下，工业、能源、交通和土地利用四大领域的结构调整对“2+26”城市主要大气污染物和二氧化碳排放的影响。结果表明，“2+26”城市三年行动计划将空气动力学直径≤2.5 μm（PM_2.5）的一次细颗粒物（PM_2.5）、SO₂、NOx、NH₃和CO₂排放总量减少了从 2017 年到 2020 年，分别为 17%、25%、21%、3% 和 1%。28个地州的减排潜力差异很大，这可能是由于能源结构、产业结构和政策执行率的差异。在四个行业中，产业结构调整因其较高的二氧化碳减排潜力而获得最高的二氧化碳减排和大气污染控制的协同效益，而能源和交通结构调整的协同效益则要低得多，尽管它们减少的空气污染物排放量相对较高，主要是由于电力改革政策导致煤电负荷和相关碳排放的增加。

引言

       中国城市化进程消耗的大量化石能源导致每年有大量的空气污染物和温室气体（GHGs）排放到大气中，从而导致空气污染和气候变化。研究报告称，省会城市消耗了 40% 的能源消耗总量，贡献了中国近一半的排放量。高空气污染物排放通过二次空气污染物的形成和迁移导致区域性空气污染更加复杂。近几十年来，中国74个主要城市和“2+26”城市（包括京津冀及周边地区的北京、天津等26个地级市）频繁发生重度雾霾事件。污染最严重（中华人民共和国生态环境部，2018）。2017年，空气污染最严重的10个城市中有9个在“2+26”城市中。此外，有充分证据表明，暴露于高浓度的环境 PM_2.5（空气动力学直径≤2.5 μm 的细颗粒物）会导致显着负担公共卫生和经济发展，尽管仍然缺乏准确的量化。

       鉴于此，中国政府先后出台了多项减少污染物排放、保障公众健康的政策。国务院发布了《大气污染防治行动计划》。据测算，从 2013 年到 2017 年，SO₂、NOx 和初级 PM_2.5 的排放量有所下降。鉴于《大气污染防治行动计划》效果显着，中国政府于2018年发布《蓝天保卫战三年行动计划（三年行动计划）》。“2+26”城市实施集约化大气污染治理政策，大力推动电力、工业、交通等行业化石燃料集中消费，大幅降低主要大气污染物排放总量，协同增效减少温室气体排放。

      为配合“三年行动计划”，在工业、能源、交通、用地等四大重点领域实施重大结构调整，涵盖淘汰落后产能、实施和更新车辆等多个方面。排放标准，清洁燃料替代，加强秸秆综合利用。技术减排措施包含在各重点领域的结构调整中。表 S1 中列出了有关每项措施的详细信息。为应对严峻的大气污染物和温室气体减排压力，北京、天津、河北、河南、山东、山西等多个省份根据国家政策出台了地方行动计划。

         此前，大气污染防治措施和政策已取得显着的污染物减排效果。例如，王等人发现，随着“十一五”和“十二五”国家控制政策的实施，2010 年和 2015 年全国 SO2 和 NOx 排放量分别下降了 14% 和 10%。蔡等人。(2017) 选择京津冀地区作为案例研究，表明大气污染防治行动计划导致 SO₂、NOx 和 PM_2.5 排放量分别减少 36%、31% 和 30% .张等人评估，随着上述5年行动计划的实施，中国的SO₂、NOx和初级PM_2.5排放量分别减少了16.4、8.0和3.5 Tg。阿曼等人报告说，印度德里空气质量的有效改善需要与邻国合作。目前的大多数研究仅涵盖国家、省或单市层面的政策评估。城市群作为能源消费的主要区域，减排空间大，是实现大气污染控制目标的核心区域。“2+26”城市虽然只占中国国土面积的7.2%，却消耗了中国33%的煤炭。单位面积排放强度约为全国平均水平的 4 倍。然而，很少有研究考察空气污染控制政策对城市群的综合影响。在这方面，我们的研究侧重于城市群，并通过考虑“2+26”城市来填补这一空白。

        相关研究表明，许多空气污染控制措施可能会减少温室气体(主要是二氧化碳)排放，此外，许多旨在减少温室气体排放的政策可能会减少空气污染物的排放。这是因为大多数空气污染物和二氧化碳共享共同的来源，如化石燃料燃烧。例如，《大气污染防治行动计划》中的能源相关措施导致了二氧化碳排放的共同减少。对温室气体、二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物的合理协同控制效果可通过在发电厂、钢铁、水泥和交通等关键行业实施节能减排政策来实现可持续发展目标。

       本研究以“2+26”城市为研究对象，采用“2+26”城市温室气体-大气污染相互作用与协同效应模型(GAINS-JJJ)，定量评价《三年行动计划》中四个主要部门的结构调整对主要大气污染物(PM_2.5、SO₂、NOx、NH₃)和CO₂排放的影响。GAINS-JJJ模式是与国际应用系统分析研究所(IIASA)合作开发的，是GAINS模式的区域版本。首先，制定了2017年基准年“2+26”城市的排放清单和2020年和2030年的排放情景。第二，在认真审查《三年行动计划》的基础上，将一种政策设想纳入了GAINS-JJJ模式，并研究了各种政策的影响。第三，估算了2020年大气污染物和二氧化碳的特定来源减排，确定了具有较高共同效益潜力的措施或地市。最后，对政策影响进行了分析，以突出进一步缓解的机会。

结果与讨论

（1）基准年排放清单

       2017年，全国2+26城市初级PM_2.5、SO₂、NOx、NH₃、CO₂人为排放量分别达到972 kt、1041 kt、2923 kt、1404 kt、1891 kt。为了确保一致性，本研究中估计的排放量与其他以京津冀及周边地区为重点的研究进行了比较(表S2)。初级PM_2.5、SO₂、NOx和NH₃的排放量与MEE数据库中的排放量相当吻合，但低于MEIC清单中的排放量。本研究中的工业产品活动仅占大型企业的活动，这可能是与MEIC结果相比排放量较低的原因。

       图1显示了2017年的地级排放量。正如预期的那样，由于人口状况和经济发展水平的不同，以及城市和产业结构的不同，“2+26”城市的空气污染物和二氧化碳排放总量差异很大。一般来说，能源消耗量大的城市，如唐山、滨州、邯郸、天津和石家庄(图S2)，排放较多的空气污染物(NH₃除外)和二氧化碳。在2+26城市中，唐山是初级PM_2.5(12%)、SO₂(10%)、NOx(8%)和CO₂(10%)排放量的最大贡献者。济宁是我国重要的农产品基地，NH₃排放贡献率最大(8%)，其次是菏泽(7%)和沧州(7%)。

Figure 1 Prefectural emissions in baseline 2017 scenario. (a) geographical location of the “2 + 26” Cities, (b) primary PM_2.5, (c) SO₂, (d) NOx, (e) NH₃, (f) CO₂.  

       在部门排放方面(图2)，由于燃烧效率相对较低和缺乏控制，居民燃烧(33%)是一次PM_2.5排放的重要来源(郑等人，2018年)，工业过程贡献了21%，燃料转换贡献了16%。关于二氧化硫，三类来源产生的排放量相似：工业燃烧(29%)、住宅燃烧(28%)和工业过程(25%)。相比之下，电力部门(15%)是一个较小的来源，这与先前研究报告的结果不一致。这是因为2013年至2017年，由于燃煤发电的超低排放改造，中国出现了显著的二氧化硫减排。交通运输(40%)，尤其是重型柴油车(25%)是NOx排放的主要来源，其次是工业燃烧和加工(36%)和发电厂(11%)。与上述污染物相比，90%以上的NH₃排放来自农业的化肥，包括牲畜粪便(猪、家禽和其他牛)和合成肥料的使用(尿素和碳酸氢铵的使用)。关于二氧化碳，工业燃烧(34%)和发电厂(29%)的排放占主导地位，这主要是由于这两个部门大量消耗煤炭。

Figure 2  Prefectural emissions by key sectors in the baseline 2017 scenario. (a) primary PM_2.5, (b) SO₂, (c) NOx, (d) NH₃, (e) CO₂.  

       值得注意的是，在“2+26”城市中，部门对总排放量的贡献差异很大。例如，在华北平原的城市，如保定、沧州和衡水，居民燃烧是PM_2.5的主要排放者，而对于华中平原的城市，如安阳、郑州和新乡，它的贡献很小，因为华中地区冬季对住宅供暖的需求不是很大。此外，我们选择了对空气污染和二氧化碳排放有相当大贡献的几个分部门。如图所示，在拥有钢铁、焦炭和水泥厂的唐山、邯郸和安阳等城市，很大一部分排放来自工业燃烧和工艺中的五个子行业，即烧结厂-烧结厂、碱性氧气炉、工业炉、焦炉和水泥和石灰。在人口较多、更依赖第三产业的城市，如北京和保定，居民部门的烹饪和取暖炉以及交通部门的重型柴油车和汽车是初级PM_2.5、SO₂、NOx和CO₂的主要排放来源。上述部门差距表明，在规划今后的缓解措施时，有必要予以注意。

（2） 政策级模拟结果分析

  ①减少大气污染物和二氧化碳排放

       表1列出了在基线和政策情景下从2017年到2020年至2030年的空气污染物和二氧化碳的估计排放量。2017年至2030年这些污染物的部门排放量显示在图3.在2020年基准情景下，“2+26”城市的空气污染物排放量(二氧化硫除外)由于一次能源使用总量的增长而增加(表S3和S4)，而在基准2030年情景下，尽管能源总消费量增加，但由于煤炭使用绝对量的减少，空气污染物的排放量减少(表S3和表S5)。2020年和2030年基准情景下的二氧化碳排放量均较2017年水平有所增加。随着三年行动计划的实施，在能源使用总量增加的情况下(表S6)，2017-2020年一次PM2.5、SO2和NOx的排放总量明显分别减少17%、25%和21%，NH3和CO2排放也略有下降(NH3排放减少3%，CO2排放减少1%)。然而，如果没有新的清洁空气行动，2020年后的进一步减排是温和的：2020年至2030年期间，空气污染物排放量仅下降3%-11%；相反，到2030年，二氧化碳排放量略有增加。对关键部门排放量的分析表明，在执行《三年行动计划》之后，部门排放量的变化模式导致了不同的来源贡献。例如，居民燃烧对初级PM2.5的贡献率从2017年的33%下降到2020年政策情景的25%和2030年政策情景的19%，对二氧化硫的贡献从28%下降到17%和12%，对二氧化碳的贡献从6%下降到4%和5%。相比之下，动力和非道路机械行业呈现增长趋势；即发电厂对SO2的贡献从2017年的15%增长到2020年政策情景的23%和2030年政策情景的28%，非道路机械对NOx的贡献分别增加13%和16%。

Table 1 Air pollutant and CO₂ emissions in 2017, baseline (2020 and 2030) and policy (2020 and 2030) scenarios in “2 + 26” Cities.  

Figure 3  Air pollutant and CO₂ emissions by key sectors in the baseline and policy scenarios in 2017–2030.  

 ②单项政策执行情况分析

       三年行动计划实施以来，工业、能源、交通、土地利用等方面进行了结构调整。图4显示了具体政策对减排的贡献。每项措施都从空气污染物和二氧化碳减排的角度进行了分析(图S5)。与基准2020年情景相比，政策2020年情景下的上述四种结构调整减少了原始PM2.5排放173kt，SO2排放245kt，NOx排放749kt，NH3排放59kt，CO2排放168kt。但需要注意的是，某些结构性措施在取得良好的大气污染减排效果的同时，也对二氧化碳等其他污染物产生了负面减排效果。

Figure 4Contribution of each structural policy under the policy 2020 scenario to the emission reductions compared with the baseline 2020 scenario. (a) adjustment of  industrial structure, (b) adjustment of energy structure, (c) adjustment of transport structure, (d) adjustment of land use structure. Note: The positive horizontal axis shows the reduction amount, and the negative horizontal axis shows negative emission reduction and refers to an increase in the emissions. 

（3）协同效益分析

       表2说明了2017-2020年三年行动计划下不同的结构性措施所产生的基于参数R的二氧化碳共同惠益。显然，在四项结构性措施中，行业结构调整在减少二氧化碳和控制空气污染方面取得了最高的共同效益，这主要是因为它具有很高的二氧化碳减排潜力(图4)。共还原速率分别约为2.7 Mt CO₂/kt PM_2.5、1.7 Mt CO₂/kt SO₂和0.9 Mt CO₂/ktNOx。相比之下，能源和运输结构调整措施产生的协同效益要低得多，尽管它们减少的空气污染物排放量相对较高。这一发现的一个原因是，这两项措施导致的二氧化碳减排幅度很小。另一个促成因素是政策干预对二氧化碳排放的负面减排效应。在土地利用结构调整方面，由于二氧化碳排放量在政策干预下变化不大，因此没有获得二氧化碳减排的共同效益。此外，在三种大气污染物中，CO₂/PM_2.5的减排率最高，这与Lu等人的结果一致。(2019)京津冀PM_2.5与二氧化碳协同效益最高。

Table 2 Co-benefits between the total emission reduction of CO₂ and air pollutants from various structural measures during 2017–2020 in the “2 + 26” Cities.

      图5显示了2017至2020年间“2+26”城市减少二氧化碳和空气污染的共同效益。X轴和y轴表示二氧化碳和主要空气污染物(主要PM_2.5、SO₂和NOx)的减少量。坐标系中的每一点代表某一城市二氧化碳和某种大气污染物的减排量。关于建立共同控制效果坐标系统的详细情况载于补充资料第2节。对于CO₂和三种大气污染物的共同控制效应，大部分点位位于第一象限和第二象限，表明大多数城市对初级PM_2.5、SO₂和NOx表现出正的减少效应。其中，近一半的地市能够为减少二氧化碳和大气污染物排放做出积极贡献。天津、北京、太原和新乡的联合效益显著，二氧化碳和主要大气污染物的排放量分别减少8-19万吨和3-39万吨。相比之下，另一半人看到了二氧化碳的负面减少效果，尽管他们可以同时减少空气污染物的排放。

Figure 5 CO₂ reduction versus the major air pollutant emission reductions in the “2 + 26” Cities in 2017–2020. (a) emission reductions of CO₂ and primary PM_2.5, (b) emission reductions of CO₂ and SO₂, (c) emission reductions of CO₂ and NOx. 

（4）讨论和政策启示

       我们估计，在“2+26”城市中，结构性转型为减少空气污染物排放而引入的工业、能源、交通和土地使用四个部门也产生了二氧化碳减排的共同效益。28个城市之间减排潜力的差异(图S4)可能归因于几个因素。第一，减排潜力与排放量一致，主要受能源消耗和经济规模驱动，因此唐山、邯郸和天津具有较高的减排潜力。第二，各城市产业结构差异显著。在唐山、邯郸和安阳等重工业集聚城市(如钢铁、焦炭和水泥)，很大一部分减排潜力归因于工业燃烧和加工。在人口密集、严重依赖第三产业的城市，如北京和保定，住宅和交通部门似乎是减排的主要贡献者。第三，结构调整政策执行情况不一。例如，河南省禁止焦炭、电解铝、水泥和玻璃行业新增产能，而天津没有实施这一限制。

       我们的研究包含一些不确定性和局限性。不确定性的第一个来源是缺乏关于量化《三年行动计划》具体措施的详细信息。例如，这里没有调查非道路运输管制措施的影响，这可能导致低估了三年行动计划的总效益。第二，基线设想的构建过程中的不确定性也可能造成差异。具体地说，当某些县无法获得预测的能源使用数据时，需要进行简化和假设。第三，排放因素带来了不确定性。尽管GAINS-JJJ模型包含了基于中国当地信息从文献中检索到的最新信息，但仍然无法获得“2+26”城市不同行业和流程的排放因子。

       总之，在地方政府中，空气污染物减排政策受到很大关注，而温室气体减排往往被视为政策设计过程中的一项附属福利。因此，建议地方政府对温室气体排放和空气污染控制给予同样的重视。例如，加强政府机构和部门之间的协调与合作，在能源相关政策中明确温室气体减排目标，对于在当地实现全面和显著的共同效益是必要的。

结论

       研究运用GAINS-JJJ模型评价了三年行动计划中产业结构、能源结构、交通结构和土地利用结构调整对主要大气污染物和二氧化碳排放的影响。实施三年行动计划，2017年至2020年，一次PM_2.5、SO₂、NOx排放总量明显下降17%、25%和21%。此外，NH₃和CO₂排放量也略有下降(NH₃排放量下降3%，CO₂排放量下降1%)。然而，如果没有新的清洁空气行动，2020年后的进一步减排是温和的：2020年至2030年期间，空气污染物排放量仅下降3%-11%；相反，到2030年，二氧化碳排放量略有增加。在四个行业中，产业结构调整因其较高的二氧化碳减排潜力，获得了最高的二氧化碳减排和大气污染治理的协同效益。相比之下，由于电力消费改革导致煤电负荷和相关排放大幅增加，导致能源和交通结构调整措施的协同效益要低得多。在“2+26”城市中，近一半的地区在减少空气污染物排放的同时，二氧化碳排放量也在增加。因此，政府应该检查任何新政策和现有政策之间的潜在不兼容性。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

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