IMED研究 | GEC: 气候变化下日本PM2.5和臭氧相关的健康挑战

题目

PM2.5 and ozone pollution-related health challenges in Japan with regards to climate change

作者

Yin Long, Yazheng Wu, Yang Xie*, Liqiao Huang, Wentao Wang, Xiaorui Liu, Ziqiao Zhou, Yuqiang Zhang, Tatsuya Hanaoka, Yiyi Ju, Yuan Li, Bin Chen, Yoshikuni Yoshida

期刊

Global Environmental Change

时间

2023年2月

一作

单位

Graduate School of Engineering, University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8654, Japan.

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959378023000067?dgcid=coauthor

摘要

人类活动造成的空气污染严重威胁着人类健康。而空气质量改善措施会产生额外的经济成本。本研究通过耦合AIM/Enduse模型、CAM-chem模型和IMED|HEL模型，分析了基于空气质量控制和气候变化减缓情景下的未来日本PM_2.5和O₃浓度分布，进而评估末端控制技术和电气化的环境效益，同时评估了对人群健康和社会经济的影响。结果显示在2010-2050年，日本建筑和交通部门的末端控制技术和电气化将使由PM_2.5和O₃暴露造成的过早死亡人数每年减少65500人；此外，可使2050年的人均工作时间损失和经济损失分别减少3.64小时和54.3亿美元。从区域角度分析日本西部从PM_2.5 空气质量改善中受益较多，而整个日本将从O₃污染减少中受益。

研究背景

空气污染会导致多种健康问题，不同国家相继制定了多种的措施来减少空气污染。联合国政府间气候变化专门委员会提出全球努力的目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并努力把升温幅度控制在1.5℃之内。在老龄化背景下，在空气质量较好的发达国家为实现气候减缓目标而采取的措施依旧可以减少空气污染物排放，改善空气质量，带来健康效益。

此外，多种措施已被用来改善当前的环境污染问题，如调整能源消费结构、采用预燃烧和末端控制技术等。但是，其中一些措施可能会减缓经济增长和加剧贫困。只有绿色转型才能实现社会可持续发展。因此，在制定政策时应该考虑对人群健康的协同效益。

PM_2.5和O₃是目前主要的大气污染物，而作为发达国家的日本依旧面临着空气污染的威胁，特别是O₃污染；同时，日本有大量的老年人口，是全世界有着高老龄化率的国家之一，人口老龄化加剧了健康负担。因此，本研究模拟了基于2℃目标和空气质量控制技术情景下的PM_2.5和O₃污染情况和浓度分布，评估了对健康和经济的协同效应。研究结果有助于了解2℃目标、末端控制技术和电气化将如何影响日本各地的PM_2.5和O₃浓度和分布，以及相关的健康终点、医疗支出、工作时间和经济损失。

研究方法

本研究综合运用了AIM/Enduse模型、CAM-Chem模型和IMDE|HEL模型。首先，使用AIM/Enduse模型，预测空气污染物（包括SO₂、NOx、PM_2.5、PM₁₀、OC、CO、NMVOC和NH₃）的排放情况。其次，运用CAM-Chem模型来模拟年平均PM_2.5 和O₃日最大8小时平均浓度。然后，使用IMED|HEL模型来计算健康和经济效益，包括致病、致死、工作时间损失、医疗支出和经济损失。

    图1.研究方法

情景设置

本研究设定了五种情景，包括基准情景（不考虑2℃目标）、EcoPmid情景（考虑2℃目标和中等末端控制技术），以及其他三种情景（将电气化措施分别加入到住宅、建筑和交通部门）。

    表1.模型情景设置

研究结果

未来PM_2.5和O₃浓度分布

各情景下的未来PM_2.5浓度均有所下降，不同情景之间的PM_2.5浓度差异较小。对PM_2.5而言，2010年日本年均PM_2.5浓度为16 μg/m³，在2050年，EoPmid情景中的年均PM_2.5浓度将下降至8 μg/m³。与CCSBLD、RESTRT和RESBLDTRT情景对比发现，电气化只能将PM_2.5 的浓度降低1-2 μg/m³。与日本东北部相比，日本西部和中部的PM_2.5浓度更高，这与工业分布是一致的。在基准情景下，2050年日本西部地区的PM_2.5浓度将达到30 μg/m³，这一数值EoPmid情景下2030年PM_2.5浓度水平（35 μg/m³）相近。这表明， 相比于基准情景，EoPmid情景下采取的末端控制技术和电气化措施可以帮助日本西部提前20年实现相近水平的空气质量。

与PM_2.5相比，日本O₃污染更严重。2010年日本O₃日最大8小时平均浓度为127 μg/m³，基准情景下，在2010-2050年，基准情景下的O₃浓度十分稳定，EoPmid情景中的O₃浓度有所下降。与PM_2.5浓度的地理分布不平衡现象有所差异，日本各地的O₃污染均较为严重。在基准情景下，2050年日本O₃浓度为106 μg/m³，EoPmid情景下的2050年O₃浓度将下降8 μg/m³。相比于基准情景，EoPmid情景下采取的末端控制技术和电气化措施可以显著降低O₃浓度。

    图2.各个情景下日本2010、2030和2050年PM_2.5 和臭氧浓度

控制措施的协同效益

尽管日本的PM_2.5浓度较低，但实施控制措施对死亡率的影响是超出预期的。2010年，日本每百万人口中因PM_2.5暴露而过早死亡的人数约为10.3万。实施末端控制技术可在2050年避免3.5万人过早死亡。2050年，2D_EoPmid_RESBLDTRT情景中的可避免的过早死亡人数为2万人。由O₃暴露导致的过早死亡率远低于PM_2.5。2010年，日本每百万人口中因O₃暴露而过早死亡的人数约为5.3万。2050年，分别由实施末端控制技术和电气化而避免的O₃暴露过早死亡人数仅为1.8和1.0万人。

与PM_2.5相关的发病显著低于比O₃。2010年，日本每百万人口中因PM_2.5和O₃暴露而导致的致病例数分别为160万和1.04亿，总致病例数为1.06亿。在2050年，EoPmid情景中的可避免总致病例数为3100万，其中与PM2.5暴露相关的致病例数分别为55万。慢性支气管炎和哮喘在发病率中占主导地位。实施末端控制技术可在2050年分别减少的慢性支气管炎和哮喘致病例数为3000万和1200万。

图3：日本每百万人因PM_2.5 和臭氧暴露造成的过早死亡和致病

采用末端控制技术和电气化措施可以减少由PM_2.5 和O₃暴露造成的工作时间损失。在基准情景下，2030年人均工作时间损失为5.5小时。在2D_EoPmid_RESBLDTRT情景中2030年人均工作时间损失将减少2.6小时。经济效益方面，采取应对措施可减少由过早死亡造成的经济损失。在基准情景下，2030年由PM_2.5 和O₃暴露造成的经济损失分别为8080亿美元（占GDP的12%）和2560亿美元（占GDP的3.5%），2D_EoPmid_RESBLDTRT情景中2030年可减少的经济损失分别为1550亿美元（占GDP的2%）和550亿美元（占GDP的0.7%）。

由于PM_2.5、O₃浓度和暴露人口的变化，基准情景中日本的健康支出将有2010年的75亿美元上升至2050年的104亿美元。实施末端控制技术可减少日本的健康支出，在2030年和2050年分别节省24亿和34亿美元健康支出。与基准情景相比，采用电气化技术将在一定程度上增加2030年日本的健康支出，而在2050年可减少健康支出。对比由PM_2.5和O₃暴露造成的健康支出发现，控制措施对减少与O₃有关的健康支出要高于PM_2.5。此外，暴露于PM_2.5 和O₃的人口数量在空间分布上有所差异。2050年，区域内暴露于PM_2.5的最大人口数为32,763人，而暴露于O₃的最大人口数为1,919,365人。O₃的影响在大型城市地区更为明显，如东京、大阪和名古屋；受影响的人数呈现出从西到东的下降趋势。

    图4.日本PM_2.5 和臭氧造成的经济损失和劳动时间损失

研究结论

本研究深度耦合AIM/Enduse模型、CAM-chem模型和IMED|HEL模型，以评估日本基于气候目标和不同末端技术情景下的PM_2.5和O₃浓度，以及其带来的人群健康和社会经济影响。

研究表明，在综合政策情景下，日本2030年PM_2.5浓度将达到WHO空气质量指导值，而O₃浓度在2050年仍难以达到WHO空气质量指导值。从区域来看，最明显的改善发生在日本中部和西部地区，且与基准情景相比，综合政策情景可以帮助日本西部提前20年实现类似的环境目标。

研究还发现，虽然PM_2.5 造成的健康后果比O₃更严重，但O₃造成的致病数量远高于PM_2.5。通过评估经济损失发现，通过采用最前沿的技术，到2050年，由PM_2.5 造成的经济损失可以减少46.3亿美元，而与O₃ 相关的经济损失将减少14.6亿美元。对日本2050年暴露于PM_2.5和O₃的人口地理分布分析表明，与PM_2.5 相比，受O₃影响的人数更多，且集中在发达城市，如日本中部和西部的东京、大阪和名古屋。值得注意的是，即使日本社会呈现人口老龄化特征，但大多数人生活在大城市，这是否会加剧由PM_2.5和O₃暴露导致的健康经济影响，仍有待进一步的观察。这些结果显示，除了努力缓解的气候变化外，日本应加强与邻国的生态和环境合作，以促进绿色发展。同时，日本也可以为其他发达国家实现空气质量目标提供一个发展思路。

作者简介

第一作者：龙吟

龙吟，东京大学工学部工学研究科副教授，博士生导师。日本学术振兴学会卓越研究员，东京大学卓越研究员。于2019年博士毕业于东京大学获博士学位（环境学）。曾就职于日本国立环境研究所，日本东京理科大学等科研单位。过去五年在Cell子刊One Earth，Nature 子刊Nature Climate Change等发表SCI/SSCI检索文章70余篇。目前研究课题为家庭消费行为碳足迹和城市空间碳足迹分布。

招生信息：目前该研究室招收2023秋季硕博新生并有全奖名额。全额奖学金包括：两年硕士/三年博士学费；生活费（约144万日元/年）。注：本研究室鼓励学生积极申请校内外奖学金与学费减免，奖学金与研究室补贴叠加不可超过学校规定。

要求：

1.  与本研究室研究背景相关（环境经济学/数据科学/气候经济学/地理信息科学/其他相关学科）本科/硕士学历。完成本研究科博士课程以及顺利答辩后授予工学硕士/博士学位，学制二/三年。

2.  原则托福95分以上（科研成果突出可适当放宽），或同水平英文要求。无日语要求。

3.  有SCI英文期刊发表经验。会熟练使用至少一种编程语言学生优先考虑。

4.  需通过2023年夏季统一入学考试（英语+数学）。研究计划与细节建议提早与导师联系。本招生截止日期：2023.3月31日

有意申请者请准备好以下材料并联系

[e-mail] 

1.  简历（中文和英文）以及科研成果说明（英文）

2.  研究计划介绍（英文）

3.  英文成绩证明（英文）

通讯作者：谢杨

北京航空航天大学经济管理学院副教授。北京大学医学博士、东京工业大学管理科学与工程专业博士，日本国立环境研究所环境经济研究室博士后。研究方向为碳减排协同效益分析、气候变化应对和空气污染健康影响以及社会可持续发展。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目、重点项目子课题，科技部政府间国合重点专项子课题、香港大学项目资助委员会（UGC）合作研究基金（CRF）子课题、北航“青年拔尖人才支持计划项目”，北航“卓越百人计划”。参与科技部重点研发和社科重点项目。在环境健康领域Lancet Regional Health-West Pacific、Global Environmental Change、Environmental Science & Technology、Environment International, Environmental Research Letters、Lancet、 Lancet Public Health、Environmental Health Perspectives等环境健康领域顶级期刊发表50余篇，ESI前1%高被引论文累计6篇。《柳叶刀健康与气候变化倒计时：中国报告》2020,2021&2022作者，《中国碳中和与清洁空气协同路径年度报告》2021&2022科学评估报告作者和《全球疾病负担》合作者，IPCC AR6报告评审人。

编辑：徐萌

排版：赵梦丹

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