中国臭氧-颗粒物和温室气体协同控制的中长期战略研究

中国臭氧、颗粒物和温室气体协同控制的中长期战略研究 Mediumandlong-termstrategiesforsynergisticcontrolofozone,PM2.5andgreenhousegasesinChina 北京大学2023.5.12 PekingUniversityMay12,2023 ! "g$%&'()*+,.%/01234562789 ACKNOWLEDGEMENT ThisreportisaproductofPekingUniversityandisfundedbyEnergyFoundationChina. !" 目录I 第一章立项背景、总体思路和研究内容1 第二章气候变化对中国臭氧背景值的影响3 2.1中国背景值变化3 2.1.1数据来源3 2.1.2臭氧背景值计算方法3 2.1.3中国重点城市群臭氧背景浓度分析4 2.2气象因素对中国臭氧浓度变化的影响7 2.3气候变化对中国臭氧背景值浓度变化的影响9 第三章中国臭氧、颗粒物和温室气体达标方案制定与分析13 3.1基于臭氧污染达标的分省排放控制目标制定13 3.1.1空气质量模型的模拟改善与敏感性试验设置14 3.1.2臭氧生成对前体物敏感性的分区域分析及减排路径设计18 3.1.3臭氧前体物减排的PM2.5污染减缓协同效益分析23 3.1.4结果总结及不确定性分析24 3.2中国协同减排路径方法与情景设置25 3.2.1能源经济模型：IMED|CGE25 3.2.2情景设置27 3.2.3末端去除率设定31 第四章协同减排路径双向效果效益评估33 4.1减排政策对空气污染物的协同权衡与阶段性边际效应33 4.1.1二氧化碳与空气污染物的排放特征33 4.1.2碳减排对于空气污染物的减排成本与协同权衡作用分析37 4.2臭氧中长期目标对碳减排的协同权衡44 4.2.1臭氧中长期目标下二氧化碳和臭氧前体物排放趋势44 4.2.2臭氧中长期目标的碳减排潜力及关键减排部门45 4.3未来多种情景下全国一次污染物排放及PM2.5和O3浓度变化路径45 4.3.1不同情景下全国一次污染物排放变化47 4.3.2不同情景下全国PM2.5和O3浓度变化路径49 第五章温室气体、臭氧与气候变化协同治理55 5.1历史时期甲烷浓度变化55 5.1.1全球甲烷浓度变化55 5.1.2中国甲烷浓度变化57 5.2历史时期甲烷变化对对流层臭氧变化的影响59 5.3未来甲烷排放协同控制对对流层臭氧和气候变化的贡献61 5.3.1甲烷排放协同调控对全球对流层臭氧的影响61 5.3.2甲烷减排对中国对流层臭氧的影响63 5.4甲烷排放协同调控对未来气温变化的影响65 5.4.1甲烷排放协同调控对全球气温变化的影响65 5.4.2甲烷排放协同调控O3对气温变化的影响67 5.5不同减排路径下的大气氧化性与温室气体变化69 5.5.1研究原理69 5.4.2未来大气氧化性和温室气体变化70 第六章结论与建议72 6.1结论72 6.2建议74 参考文献76 ø$%&fi()*+,-./123 2013年《大气污染防治行动计划》等空气污染治理实施以来，我国环境空气质量明显改善，二氧化硫、细颗粒物（PM2.5）等一次污染物浓度较之2013年降幅达到30-50%。但是，近几年来，臭氧（O3）已经成为影响空气质量达标的重要因素，2015至2019年全国O3年均浓度、污染范围和持续时间呈逐年缓慢上升趋势，2020年年均浓度虽有所降低，但整体态势并没有完全扭转。仅依靠空气污染物末端治理难以实现空气质量目标，减少与化石燃料使用、传统制造业转型等源头改进也十分重要。为应对全球气候变化的挑战，中国承诺力争在2030年 前实现碳达峰，努力争取在2060年前实现碳中和。常规大气污染物和二氧化碳 （CO2）大都源于化石燃料的燃烧，空气质量改善需求也将有利于低碳转型目标的推进。同时各地区气象条件、污染物排放特征、发展阶段、产业结构和能源结构等都存在差异。在这一背景下，中国省级及区域空气质量目标的实现路径及其对气候减缓的协同效益，无疑成为亟需探讨的重要课题。在我国提出的双碳目标下，基于O3、PM2.5与温室气体之间的相互影响机制，O3和PM2.5污染协同防控在气候变化的大背景下，如何科学地走下去，今后的协同控制指标体系应如何建立？如何更高地对接世界卫生组织（WHO）的标准？这一系列问题都亟待解决。作为近年来我国发展最为迅猛的世界级城市群，中国对于粤港澳大湾区 （Guangdong-Hongkong-MacaoGreaterBayArea,GBA）的环境空气质量工作提出了要主动适应气候变化的要求。GBA需要更积极探索在实现双碳目标下，如何走出一条以能源调整、消费控制为主、末端治理为辅的减排路径。O3综合防控技术和CO2深度减排已成为当前包括GBA区在内等区域的重大需求。区域环境空气质量管理中不仅要树立多污染物非线性协同控制战略，更要考虑温室气体和大气污染物协同减排战略，建立大气二次污染物前体物非线性减排、温室气体协同减排的创新绿色低碳发展模式，实施区域甚至是跨区域的污染联防联控。 然而，已有相关研究多集中在评估碳减排的空气质量协同效益分析方面，而对于各地区实现O3达标对CO2减排影响则缺乏探讨。针对上述问题，基于基础资料收集和模型模拟，本项目立足于气候变化下温室气体与O3和PM2.5相互作 用机制的研究，拟从国家和区域层面对与碳目标匹配的O3和PM2.5协同控制指标进行初步探究，为我国新阶段的环境大气污染物的控制与标准的建立提供科学的指导。 ø4%56789:;<=()>n@A 在全球气候变暖愈发强烈的背景下，中国大部分城市的O3污染不降反升，并且PM2.5浓度仍然居高不下。同时，中国在2015年提交了《巴黎协定》国家自主贡献，在2020年提出了国家碳中和目标，未来的治理措施将逐渐转变为减污降碳协同治理，以源头治理为主，末端治理为辅。实际上，空气污染与气候变化同根同源，相互联系。在此背景下，本章通过量化2015-2022年期间的中国所有观测站点的O3背景值浓度现有浓度水平及O3削减空间，评估气候变化与中国O3背景值时空变化的相关关系，为中国整体层面及重点区域未来逐步落实气候变化与空气污染协同应对提供理论依据和数据支撑。 2.1!"ø$%&' 2.1.1!g#$ 中国各站点的空气质量监测数据来自中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台（http://106.37.208.233:20035/），时间跨度为2015-2021年，时间分辨率为1小时，监测物种包括PM2.5、PM10、O3、一氧化碳（CO）、二氧化氮 （NO2）、二氧化硫（SO2）。 气象数据来源为美国国家气候数据中心（NCDC） （https://www.ncei.noaa.gov/），气象数据要素包括气温、气压、露点、风向风速、云量、降水量，时间跨度为2015-2022年，时间分辨率为1小时。2015-2022年的逐月厄尔尼诺指数数据来自于中国气候中心（http://cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_enso.php?product=cn_enso_nino_indices）。2015-2022年的东亚夏季风指数数据来自于中国海洋大学李建平教授公开发布的数据平台 （http://lijianping.cn/dct/page/1）。 2.1.2%&ø()*+,- O3背景值的定义并不唯一，其定义随研究目的的变化而改变。本章采纳的定 义如下：某一地区人为源排放为0时对应的O3浓度。由于O3浓度存在显著的日 变化，因此O3小时浓度均值不能反映其对生态系统和人体健康的影响，故在管理和研究中常采用O3日最大8小时浓度均值（O3MDA8）作为评估指标，本章讨论的O3背景浓度也是指O3MDA8的背景浓度（O3MDA8Baseline）。 本章采用NO2截距法来计算O3MDA8背景值。根据大气化学经典理论，NO2光解是对流层O3唯一的天然来源，而近地面NO2主要来自人为源排放，因此可以认为当某一气团的日间NO2浓度接近零时，该气团基本不受人为源的影响，气团中O3浓度为该区域的背景O3浓度，对应的O3MDA8亦即其背景值。以2022年8约广州市九龙镇站点为例（图2-1），以NO2浓度为横坐标，O3MDA8为纵坐标作箱线图，O3MDA8均值随NO2浓度先升高后下降，当NO2浓度接近0时，可以得到该站点的O3MDA8背景值（约27.0±2.0ppb）。 图2-1广州市监测中心NO2-O3MDA8箱线图（2022） 2.1.3./01234%&ø(5678 本章采用2015-2022年全国环境监测站点的O3浓度数据计算了各站点O3MDA8背景值的8年平均值。从全国尺度来看，O3MDA8背景值大致分布在30-60ppb（即约60-120μg/m3）之间。由图2-2可见，全国O3MDA8背景的高值区出现在华北平原、华东地区和西北地区，且背景值呈现出由中部（30-40°N）向南北递减的规律。 图2-22015-2021年中国臭氧背景浓度分析结果 北纬30°-40°附近上空的副热带高压造成的下沉气流运动，会阻碍近地面污染物的扩散和传输，这可能是造成该地区的O3MDA8背景值偏高的主要原因。此外，太行ft脉的阻隔更使得污染物难以向西扩散，进一步造成华北平原、以及长三角北部O3MDA8背景值的抬升。在新疆北部与西藏南部地区，O3MDA8背景值也略高于全国平均。由于西伯利亚地区强大冷高压的存在，使新疆北部盛行北风，但由于天ftft脉的阻隔作用，使O3积聚、O3MDA8背景值升高。此外，由于西藏南部海拔较高，太阳紫外辐射较强，加之受印度等国跨境传输的影响，也可能使O3MDA8背景浓度略有抬升。 图2-3展示的是长三角（YRD）、京津冀（NCP）、珠三角（PRD）和四川盆地（SCB）四个重点城市群的八年平均O3MDA8背景值。长三角、京津冀地区的平均O3MDA8背景值（43.6±3.0ppb和43.1±3.5ppb）显著高于四川盆地和珠三角（34.4±2.4ppb和36.0±1.7ppb）（p<0.05），其主要原因可能包括如下几个方面：1）华东、华北平原天然源VOCs排放量高，因此即使在NO2浓度极低的条件下，仍然有部分O3的产生；2）太行ft脉的阻隔作用使O3积聚；3）北纬30°-40°附近气流的下沉运动阻碍O3扩散；4）北纬30°以北相对高温、干燥的气相条件有利于O3的生成；而四川盆地与大湾区多雨潮湿的气候条 件则有利于O3的去除，使O3背景值下降。 图2-32015-2022年全国各地区平均O3MDA8背景值 图2-4是我国O3MDA8背景值的年际变化。由图可见，2017年以来长三角、京津冀、粤港澳大湾区和四川盆地地区的O3MDA8背景浓度在均值附近上下波动，没有显著的下降或上升趋势。该结果也侧面证明，NO2截距法是一种较稳定的O3背景浓度定量方法，能够提供较可靠的O3MDA8背景值。然而，由于站点监测数据可用年限较短，2015-2022年之间的O3MDA8背景值的短期变化可能难以反映其长期演变趋势，给本研究的结论带来一定不确定性。 图2-42015-2022年全国各地区平均O3MDA8背景值的年际变化 O3MDA8背景值的量化有助于判断区域O3未来的削减空间。夏季是一年中 O3污染最高发的时段，量化夏季O3MDA8的削减空间对O3污染控制有重要意义。如表2-1所示，2022年夏季，京津冀、长三角、四川盆地和珠三角的O3MDA8背景值分别为56ppb、50ppb、41ppb和34ppb，O3MDA8削减空间分别约为20ppb、17ppb、23ppb和9ppb。该结果表明，目前全国重点城市群污染季节O3MDA8的削减空间仍然较大，未来必须重视VOCs与NOx的协同减排，以期最大程度地削减O3浓度、降低其对人体健康和生态系统的危害。 表2-12022年全国重点城市群夏季O3MDA8背景