文献阅读 | 2013-2020年中国清洁空气行动带来的二氧化碳减排的共同效益
题目
Co-benefits of CO2 emission reduction from China’s clean air actions between 2013-2020
作者
Qinren Shi, Bo Zheng, Yixuan Zheng, Dan Tong, Yang Liu, Hanchen Ma, Chaopeng Hong, Guannan Geng, Dabo Guan, Kebin He & Qiang Zhang
期刊
Nature Communications
时间
2022年8月
一作
单位
School of Environment, Tsinghua University, Beijing, China. Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing, China.
链接
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32656-8
研究背景
随着经济的快速发展和城市化进程，中国已经成为世界上最大的能源消费国。大量的能源消耗化石燃料的大量使用导致了严重的空气污染和二氧化碳排放的增长。为了改善空气质量，中国政府在2013年发布了《大气污染防治行动计划》（简称 "行动计划"），旨在到2017年底实现重点地区细颗粒物（PM2.5）浓度明显下降。紧接着是2018年的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，即《行动计划》的第二阶段，要求在全国范围内进一步改善空气质量。经过八年的努力，在空气污染物排放量大幅下降的推动下，中国的空气质量得到了极大的改善。
尽管最初的政策目标与气候变化无关，但清洁空气措施也可以通过影响当地的能源系统来促进二氧化碳排放的减少。中国清洁空气行动中与能源有关的措施包括能源使用上限、能源结构调整和提高能源效率，这些措施导致了化石燃料消耗的减少和二氧化碳减排的共同利益。经过几十年的爆炸性增长，中国的二氧化碳排放量在2013年左右出人意料地进入了一个四年的平稳期。目前对清洁空气政策如何影响气候变化的理解主要集中在空气污染引起的气候变化，而对减少二氧化碳的效果却知之甚少。以前以区域为重点的研究已经证明了实施清洁空气行动措施对减少二氧化碳排放的共同效益。然而，中国两阶段清洁空气行动中不同的空气污染控制措施是如何刺激二氧化碳减排的仍不清楚，并且自2013年以来，中国清洁空气行动对中国二氧化碳排放增长减速的贡献也没有被量化。
在本研究中，通过使用一个建模框架来评估清洁空气措施对空气质量改善的有效性，量化了2013年至2020年中国清洁空气行动的二氧化碳减排共同效益。基于对中国清洁空气行动的全面回顾，本文总结了中国清洁空气行动所激活或加强的六项措施，并将末端措施与其他改变能源使用效率的行动区分开来。然后，根据政府收集的每项措施的实际执行率（未公布的数据），本文进行了事后评估以量化这些能源相关措施对中国能源终端流和二氧化碳排放的影响。每项措施的二氧化碳减排共同效益是通过使用中国多分辨率排放清单（MEIC）的模型估计的。
研究方法
（一）CO2排放估计
利用MEIC模型，通过自下而上的方法估算了2005年至2020年中国二氧化碳排放的历史趋势。MEIC模型(http://www.meicmodel.org)是清华大学为中国开发的一项基于动态技术的库存模型，包括统一的源分类、排放因子数据库、基于技术的方法和云计算平台上的高分辨率排放处理系统。本研究通过将活动数据乘以相应的排放系数，估算了源自化石燃料燃烧和水泥生产的二氧化碳排放量。
（二）五种协同效益措施的二氧化碳减排量估计
根据政府事后收集的各项措施的实际执行率，对2013年至2020年中国清洁空气措施的二氧化碳减排共同效益进行了事后评估。中国自上而下的体系采用了以工程为导向的方法来设定空气质量目标，并规定了实现目标的措施。政府定期检查这些措施的实际进展，以确保规定的措施得到有效实施，并在统计报告中总结进展情况。本文将实际执行率与MEIC模型和生态环境部的数据库结合起来。结合MEIC模型和生态环境部（MEP）数据库，估算出二氧化碳减排的共同效益。在此对对评估中选定的五项协同效益措施做更详细的解释：
（a）工业锅炉的升级改造
污染严重的小型燃煤工业锅炉被更大的锅炉所取代，或转向更清洁的能源，导致能源节约。燃煤锅炉的淘汰能力从地方自检报告中收集。根据《北京市清洁空气行动计划》的估算，燃煤工业锅炉和采暖锅炉的燃煤强度分别为366吨/兆瓦和377吨/兆瓦。在2013年至2020年期间淘汰的424吉瓦燃煤锅炉中，192吉瓦被完全淘汰，95吉瓦被大型锅炉（集中供热）取代，112 GW转为NG。
（b）逐步淘汰污染严重的小工厂
由于在小型污染工厂中实施末端污染控制既不现实也不符合成本效益，因此，我们做出了巨大的努力，以消除污染严重的小工厂，这些工厂通常包括含有超级排放物的小工厂。所涉及的部门包括石灰生产、砖的生产，以及其他工业流程。
（c）逐步淘汰落后的工业产能
在这里，我们主要考虑淘汰四个关键部门的落后工业能力四个关键部门：燃煤电厂、钢铁生产（包括炼焦）、水泥生产和玻璃生产。假设过时的能力被先进的能力所取代，并且通过淘汰的落后工业产能的数量（由当地自检报告提供）和先进技术与落后技术之间的能源强度差异来估计能源节约。
（d）在住宅部门推广清洁燃料
零散的煤炭使用替代的共同减排效益是通过用清洁燃料替代煤炭的家庭数量来估计的。根据地方自查报告，2013年至2015年，在1270万户参与散煤替代的农村家庭中，54%的家庭由煤改为天然气，33%改用电，6%改用清洁，5%的家庭转为取暖，1%的家庭不再使用煤。
（e）报废黄标车和旧车
这项措施与加强车辆排放标准相对应，有报告显示，从2013年到2020年，将有超过2680万辆黄标车和老旧车退役。估计相关的能源节约考虑了淘汰的黄标车和老旧车的数量和其他参数。
（三）加强工业排放标准带来的二氧化碳排放增加的估计
除了因节能或能源转换措施而减少的二氧化碳排放量，本研究还考虑了因加强工业排放标准而增加的二氧化碳排放量。在此，我们估计了在四个关键部门（燃煤电厂、钢铁生产、水泥生产和工业锅炉）更广泛地应用管道末端技术而增加的二氧化碳排放量。以消除SO2为例，直接的二氧化碳排放是通过石灰石或消石灰和二氧化硫之间的反应产生。间接的二氧化碳排放是由于额外的电力消耗而产生的，这是根据管道末端技术所增加的能力和电力消耗的强度来估计的。
趋势分析是探索和量化空气污染年际变化及其对健康影响的不可或缺的工具。虽然线性趋势在大多数研究中被广泛使用，但它对异常值很敏感，仅适用于正态分布数据。由于空气污染物浓度始终呈非正态分布，因此本研究中使用了非参数统计检验，选择泰尔-森中值斜率来客观地代表PM2.5浓度的年际变化或PM2.5相关的过早死亡率。
除人为和自然排放外，气象条件也是影响地表PM2.5的重要因素。PM2.5和气象变量之间的关系复杂，且因地区和季节而异。因此，为了更准确地呈现中国30年来PM2.5浓度的趋势，本文使用逐步多元线性回归模型（MLR）来消除气象对PM2.5变化的影响。
研究结果
（一）2013年至2020年的排放和空气质量趋势
在MEIC模型的框架下，通过自下而上的方法估算了2013年至2020年中国主要大气污染物和二氧化碳的人为排放量。如图1所示，2013年至2020年，SO2、NOx和PM2.5的排放量估计将分别下降69%、28%和44%。因此，中国74个重点城市的PM2.5年平均浓度从2013年的72μg/m3下降到2020年的34μg/m3。虽然气象条件的变化也可能导致PM2.5浓度的变化，但在清洁空气行动期间，显著的排放减缓已被确定为国家空气质量改善的主要驱动力。
与空气污染物排放的下降趋势相反，中国同期的能源消耗和二氧化碳排放呈现出整体上升趋势。在2000年之后的快速增长之后，中国的二氧化碳排放量在2013年至2016年达到了一个高点，这与煤炭消费的下降趋势密切相关。2016年后，由于其中以电力部门为主的化石燃料消费的增长，二氧化碳排放量出现反弹。2017年的火力发电量比2016年增加了7.2%，导致电力部门的二氧化碳排放量增加了2.2亿吨。
图1 2013年至2020年中国的人为排放、PM2.5年浓度、能源消耗和GDP的趋势。（中国2013年至2020年期间PM2.5年浓度的变化趋势是根据74个重点城市的地面观测数据计算的。）
（二）具体措施的二氧化碳减排共同效益
根据估计，中国清洁空气行动的实施成功地避免了0.57亿吨的人为二氧化碳排放，占2020年现实世界排放量的5.5%（图2a）。图2b显示了2020年五项共同受益措施所推动的能源终端使用流。在2013年至2020年期间，小型、过时的燃烧设施被更大、更清洁、更高效的基础设施广泛取代，这提高了燃烧效率，减少了能源使用，特别是煤炭使用。因此，五项具有共同效益的措施在2020年提供了0.25千兆吨煤当量的净能源节约，并在2013年至2020年期间累计节约了1.06千兆吨能源。
图2c显示了每项措施在2020年的后续二氧化碳减排量。减少二氧化碳排放的两个最有效的措施包括淘汰落后的工业能力和升级工业锅炉（图2c），估计在2020年分别减少0.20和0.17Gt的二氧化碳排放。自2013年以来，一些工业部门的落后产能被淘汰，并被先进技术所取代，包括燃煤电厂总产能45GW，钢铁产能3.12亿吨，水泥产能3.88亿吨，平板玻璃产能1.92亿重量箱。容量低于7兆瓦的小型工业锅炉通常达到的燃烧效率低至65%，并且通常缺乏末端污染控制。大约424千兆瓦的燃煤小锅炉被淘汰，被更高效的锅炉取代（效率高达84%），或被转移到低碳能源，如天然气和生物质燃料。
在住宅领域推广清洁燃料有助于在2020年减少0.12Gt的二氧化碳排放。在清洁空气行动中，超过2900万户家庭放弃了燃煤供暖系统，转而使用天然气和电力，超过7.5千兆瓦的居民燃煤锅炉被淘汰。逐步淘汰污染严重的小工厂，又减少了0.07亿吨二氧化碳的排放。从2016年开始，大约66万家小型污染工厂被关闭或升级，包括生产砖、石灰、有色金属、铸造等工厂。从2017年到2020年，由于专项整顿措施，超过3000万吨的小型工业炉的零散用煤被淘汰。黄标车和老旧车辆的淘汰为二氧化碳减排贡献了0.06Gt。在2013年至2020年期间，超过2600万辆黄标车和老旧车辆（即不符合国三排放标准的汽油车和不符合国四排放标准的柴油车）被提前淘汰。另一方面，我们估计安装末端控制设备在2020年增加了0.05亿吨二氧化碳，主要贡献来自电力部门和钢铁部门。
我们的估计表明，中国的清洁空气措施与2013年至2020年期间累计减少2.66亿吨的二氧化碳排放量有关，远远大于新安装的末端污染控制设备累计增加的0.23亿吨的二氧化碳排放量（图2d）。累计净减排量达到2.43Gt，占2013年至2020年中国二氧化碳排放的3.1%。这也超过了同期中国二氧化碳排放的累计增长（2.03Gt CO2）。
图2 中国能源终端使用量的变化和具体措施对二氧化碳减排的贡献。a.有清洁空气行动措施和没有清洁空气行动措施的二氧化碳排放量估计；b.2013年至2020年期间中国能源结构的转变；c.2020年具体措施的二氧化碳减排量；d.每项措施在2013年至2020年之间的累计二氧化碳减排量。
（三）区域模式
图3进一步分析了大气污染控制措施带来的二氧化碳减排的共同效益。京津冀地区（BTH）、长三角地区（YRD）、珠三角地区（PRD）和汾渭平原地区（FW）是四个重点大气污染控制地区，占2020年中国二氧化碳减排净共同效益的53.2%。包括这些重点地区的省份主要位于中国东部，人口众多经济相对发达，PM2.5浓度高。淘汰落后的工业产能使所有重点地区的二氧化碳排放量都有相当大的下降，但每项措施所带来的减排量都显示出空间上的差异、排放模式的差异和政策重点的差异。
京津冀地区最有效的共同受益措施包括淘汰过时的工业产能、在住宅部门推广清洁燃料以及工业锅炉升级，反映了调整工业结构和减少分散煤炭使用的努力。在长三角地区，工业锅炉升级是最重要的有效的二氧化碳减排政策。淘汰小型污染工厂的共同效益在长三角也很显著，2020年减少了1260万吨二氧化碳排放量。而长三角加强工业排放标准导致的二氧化碳排放量增加在2020年达到850万吨，这归因于管道末端技术在电力部门的广泛应用。清洁空气行动导致京津冀地区、长三角地区和珠三角地区的电力消耗，同时导致向这三个地区供电的其他地区的碳排放量增加，预计2020年分别为790万吨、140万吨和20万吨二氧化碳。
图3 2020年二氧化碳排放减少共同效益的区域模式。a-d.京津冀地区（BTH）、长三角地区（YRD）、珠三角地区（PRD）和汾渭平原区（FW）六项措施的CO2减排；e.2020年省级二氧化碳排放量减少；f.政策有效性、空气质量改善和二氧化碳排放减少之间的关系。
图3e-f进一步显示了各省二氧化碳排放减少的共同效益。一般而言，污染控制政策更严格的省份往往会在环境PM2.5浓度和CO2排放量方面降低更多。由于上述原因，河北、山东、浙江、山西和河南的二氧化碳排放量减少最多共同受益措施，2020年将当地二氧化碳排放量减少5.9%至13.2%。河北和山东是重工业（如钢铁）省份，工业和住宅部门大量使用煤炭，这揭示了控制措施的明显政策有效性和PM2.5污染的大幅减少，表明产业结构的调整在很大程度上有助于实现共同效益。相比之下，西藏和海南没有实施严格的措施，因为它们的空气质量在中国最好，因此在所有省份中二氧化碳排放量的减少最少。这些结果表明，控制空气污染是2013年至2020年减少省级二氧化碳排放量的一个动机因素。
编辑&排版：赵梦丹
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