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中国及全球能源消费大气污染物排放的历史演变与未来预测

陆燕  
【摘要】:能源消费,特别是化石能源的消费,是大气污染物(包括化学物质及人为热)排放的主要来源。在过去几十年以及未来相当长的时间内,中国及全球的能源消费总量、结构、方式与空间布局等都已经或将持续发生显著变化,与此同时,大气污染物的排放格局也随之改变。因此,全面认识过去几十年及未来中国及全球尺度能源消费所引起的大气污染物排放时空特征及演变趋势,可以更好地理解大气污染物的来源以及有关环境问题的演变规律,同时对于制定科学的能源政策以及大气污染控制措施具有重要的理论和现实意义。本研究针对能源消费导致的人为热和大气化学污染物的排放,重点开展了以下三个方面的工作:(1)基于“能源清单法”,构建了 1953-2016年中国及1965-2016年全球人为热排放清单,分析了不同尺度人为热排放的演变特征,讨论了不同地区、行业、能源结构与利用方式对人为热排放的影响;(2)依据IPCC等关于全球尺度未来能源消费的预测情景,预测了 2017-2100年全球人为热在时间和空间上的演变趋势;(3)针对中国地区,基于能源消费现状以及未来社会经济、环境保护的有关规划与政策,利用“排放因子法”,分别构建了 2015、2020和2030 年大气化学污染物(包括 S02、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC 和 NH3)高分辨排放清单,分析了不同大气化学污染物排放的地区差异性、行业来源及其时空演变特征,探讨了未来大气污染物排放控制的重点与方向。另外,本研究运用Monte-Carlo模拟,对有关结果的不确定性进行了评估。本研究主要结果如下:(1)过去几十年里中国及全球能源消费在总量、结构和空间分布等方面都发生了显著变化,并且未来仍将持续改变。从1953至2016年,中国一次能源消费量从1.6 EJ/yr增长到127.9 EJ/yr。煤炭始终占主导地位,但其贡献率从1953年的94.3%下降到2016年的61.8%。工业是最大的能源消费行业,其占比始终保持在70%左右。2010年前,华南地区的增长最为突出,随后西北地区表现出强势的增长。从当前到2020和2030年,中国能源消费总量仍将持续增长。其中,火电和交通运输部门的增长较为明显,民用部门略有增长,工业行业则表现出下降趋势。从1965至2016年,全球一次能源消费量从156.2 EJ/yr增加到555.9 EJ/yr,其中化石能源一直是最主要的能源类型。石油和煤炭占总消费量的比重持续下降。中东、亚太地区、非洲和中南美洲地区的能源消费增长较快,北美洲、欧洲和欧亚大陆则相对缓慢。到2100年,全球一次能源消费总量在高、中、低三种发展情景下预计将分别达到1700、1430和1070 EJ/yr,消费的增长主要来源于非OECD国家。(2)过去几十年及未来相当长时期内,中国人为热排放量持续增长且表现出明显的阶段性和时空分布的差异性。1953-2016年,中国能源消费人为热排放量从1.6 EJ/yr增长到127.9 EJ/yr,平均热通量从0.01 W/m2增长到0.42 W/m2。2015年,全国工业、交通运输和建筑部门的人为热排放总量为107.9 EJ/yr,其中工业是第一贡献源,其次为建筑、交通运输。人为热排放总量最高的地区分别为山东、广东和江苏,但平均热通量最高的则为上海、天津和北京,其平均热通量分别为16.8、5.7和4.7 W/m2。东部地区的热通量主要集中在0.5-20 W/m2,西部地区在0-0.05 W/m2之间。交通运输和建筑的排放具有明显的日变化特征,火电行业具有明显的季节特征。到2020和2030年,全国人为热排放总量将分别达到146.5和175.8 EJ/yr,平均热通量将分别达到0.48和0.58 W/m2。高值区仍为山东、广东和江苏,但城市区域内的人为热通量将更为集中。未来火电和交通运输部门的增长较大,而工业和建筑部门的增长并不明显。(3)1965-2100年,全球人为热排放量持续增长,亚太地区的贡献越来越显著,美洲和欧洲增长缓慢。1965-2016年,全球来自能源消费的人为热排放总量从147.4 EJ/yr增加到500.2 EJ/yr,全球陆地平均热通量从0.03 W/m2增加到0.10 W/m2。北美洲、欧洲和亚欧大陆以及亚太地区贡献了全球大部分的人为热排放。不同能源类型对人为热排放的贡献存在显著的区域差异。在亚太地区,人为热排放的最大贡献源为中国主导的煤炭消费,其他地区的排放主要来自石油和天然气消费。区域间人为热排放量和平均通量的差异均十分显著。2016年,人为热通量高值主要集中在亚洲(中国华东地区、日本、韩国、泰国和印度),欧洲(俄罗斯西部和大多数其他国家),中东(伊朗和沙特阿拉伯),美国东部以及南美洲和非洲的部分地区。2100年,高、中、低三种情景下,全球人为热排放总量将分别达到1360、1160和920 EJ/yr,全球陆地平均热通量分别达到0.28、0.24和0.19 W/m2。未来人为热排放大部分的增长将来自非经合组织国家,全球人为热排放将从美洲和欧洲转向亚洲、中东地区以及非洲。(4)过去三十多年来,中国能源消费主要大气化学污染物的排放总体经历了先上升后下降的过程,未来排放总体下降的趋势更为明显,但部分因子有较大波动,甚至小幅上升。1985-2016年,SO2和烟(粉)尘的排放表现出波动中下降的趋势,NOx在2010-2016年表现出先上升后下降的趋势,各类污染物单位GDP的排放量均保持显著下降趋势。华东和华北始终是排放的主要贡献地区,1985-2016年,两大地区对SO2、烟(粉)尘和NOx总排放量的贡献率均在41-51%。2015年全国能源消费主要大气污染物排放量分别为:22.8 TgS02,19.8 Tg NOx,140.7TgCO,8.6TgPM10,5.4TgPM2.5,1.5TgBC,2.1TgOC 和 0.3Tg NH3。工业是最主要的贡献源行业,煤炭是最主要的贡献能源,其次为柴油。各类污染物排放的高值区主要集中在华北、东北、长三角地区、珠三角地区、四川盆地及黄河沿线等区域。预测结果表明,从2016到2030年,SO2、CO、PM10、PM2.5、BC和OC的排放量将逐渐降低,NH3逐渐升高,NOx的排放量将呈现“先降后升”的趋势,且由点污染向面污染转变。各类污染物的工业行业的贡献比重都持续降低,未来交通运输行业将成为我国大气污染的主要贡献源。中西部地区的发展潜势更为明显,未来污染物排放将由东向西进行转移。(5)基于Monte-Carlo的不确定性分析表明,全国和全球人为热排放量估算的总体不确定性分别为-9.0-9.8%和-16.0-15.7%;大气化学污染物SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC和NH3基准年排放总量的不确定性分别为-45-82%、-39-58%、-44-80%、-48-101%、-45-80%、-38-69%、-45-82%和-25-33%。研究结果表明,中国及全球的人为热排放总量在未来相当长时期内仍将持续增长。虽然人为热的平均排放通量相比于温室气体的辐射强迫还小得多,但由于其地表直接加热效应以及显著的时空变化,随着温室气体减排力度的加强,未来人为热排放可能对气候和环境系统产生更加显著的作用。在气候变化等科学研究中以及相关政策的制定过程中,更加关注人为热排放具有重要意义。未来中国能源消费仍是大气化学污染物排放最主要的来源,随着煤炭比例的下降以及能源清洁利用水平的提高,交通运输行业的能源消费(特别是柴油消费)对大气污染物排放的贡献将显著提高。受交通运输行业排放增强的影响,未来NOx将出现上升趋势,呈现由点污染向面污染的转变。随着未来中西部地区经济的发展,这些地区污染物的排放潜势将更为突出。因此,加强交通行业的污染控制、推进NOx等污染物的减排,重视中西部地区以及非城市地区的污染蔓延,将是未来中国能源消费大气污染控制需要进一步关注的重点。


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