覃櫟課題組與南京大學、普林斯頓大學等合作在Nature Geoscience發(fā)文揭示我國碳中和目標下空氣質(zhì)量-人群健康-清潔能源協(xié)同效應的正反饋機制

發(fā)布時間：2024-06-25    閱讀次數(shù)：1464

       我國2060年前實現(xiàn)碳中和目標需要深刻的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，尤其是大幅增加風光等可再生能源在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的比重。由于大氣污染物和溫室氣體的同根同源性，風光資源對化石能源的替代在減緩碳排放的同時，還能顯著的改善空氣質(zhì)量及其健康影響；與此同時，污染物減排所帶來的氣溶膠氣象反饋作用的削弱可進一步增加地表太陽輻射并形成更好的空氣污染擴散條件，提升我國東部地區(qū)風光的資源潛力及其穩(wěn)定性（可再生能源-空氣污染-氣象反饋機制）。值得強調(diào)的是，風光資源潛力和穩(wěn)定性的提升，可進一步推進可再生能源的利用，為我國的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型形成正反饋（人類社會-氣候系統(tǒng)反饋放大機制）。準確解析我國碳中和目標實現(xiàn)下的雙重反饋機制，并深化其空氣質(zhì)量-人體健康-清潔能源的交互機制和綜合協(xié)同效益的認知，對我國科學規(guī)劃碳達峰碳中和路徑具有重要的實際意義。

       北京大學覃櫟課題組與南京大學黃昕課題組，以及清華大學、普林斯頓大學等資深研究團隊合作，共同構(gòu)建氣象-化學在線耦合的綜合評估模型框架（基于GCAM-China和DPEC模型發(fā)展而來的中國碳中和路徑；氣象-化學耦合的空氣質(zhì)量模型WRF-Chem和全球暴露死亡模型GEMM，以及風光資源評估模型）并開展了大量情景的數(shù)值模擬實驗，系統(tǒng)評估了考慮正反饋機制時，中國到2060年實現(xiàn)碳中和目標所帶來的空氣質(zhì)量、人類健康和可再生能源性能的協(xié)同效應。

研究發(fā)現(xiàn)，相較于2060年基線情景，由于污染物排放量的減少以及氣溶膠氣象反饋效應的加成，到2060年實現(xiàn)中國碳中和目標將使全國人口加權(quán)的PM2.5濃度降低約39 μg/m3，并避免57%過早死亡人數(shù)（113萬人；95%置信區(qū)間：0.97-1.29百萬人）。老齡化人口往往會抵消中國碳中和目標的健康效益，但基線死亡率的降低則會充分補償老齡化帶來的健康效益損失。其中，降低的氣溶膠氣象反饋效應在京津冀地區(qū)能分別帶來7.1 (6.5%), 5.6 (6.9%), 4.3 (6.6%) μg/m3 的人口加權(quán)PM2.5濃度降低，并相應減少23,000 (21,000-26,000) 由于PM2.5導致的過早死亡人數(shù)。同時，大氣中氣溶膠負荷的減少將增加到達地表的太陽輻射，并加強垂直方向的動量交換，導致太陽能和風能的容量因子提升且變異性減少。省級太陽能（風能）潛力最多提升約10%（~6%），且資源穩(wěn)定性普遍提高。

       中國碳中和目標帶來的空氣質(zhì)量、人類健康和可再生能源協(xié)同效應主要集中在中部、北部和東部電網(wǎng)，這些地區(qū)的省級空氣污染和人口暴露度普遍減少約80%（>40μg/m3），相應的省級避免過早死亡人數(shù)大多超過60%（~50,000），太陽能和風能容量因子的增加可達到10%和6%，并降低了小時變異性。實現(xiàn)碳中和后，人口加權(quán)PM2.5濃度的降低程度尤為顯著，并且最顯著的可再生能源增加發(fā)生在能源需求最高的東部省份，有助于緩解能源供需之間的地理不匹配?？傮w而言，中國碳中和目標帶來的空氣質(zhì)量、人類健康和可再生能源協(xié)同效應主要集中在空氣質(zhì)量亟需改善和能源需求較大的地域。

        然而，中國實現(xiàn)碳中和后的空氣質(zhì)量（約12.1 μg/m3）仍然超出了世界衛(wèi)生組織制定的最新空氣質(zhì)量指南，57%和99%的人口暴露于超過10和5 μg/m3的PM2.5濃度。增加的可再生能源資源潛力可能為實現(xiàn)碳中和后解決剩余空氣污染和相關(guān)健康損害提供額外助力。研究結(jié)果顯示，全球發(fā)展中和污染國家對碳中和的承諾可能會在氣溶膠減排、空氣質(zhì)量改善和可再生能源資源潛力提升之間產(chǎn)生重要的正反饋效應，這些效應可以通過減弱的氣溶膠氣象反饋作用和更好的空氣污染擴散條件而被放大。

以上研究成果以“Amplified positive effects on air quality, health, and renewable energy under China's carbon neutral target”為題發(fā)表在Nature Geoscience上。北京大學環(huán)境科學與工程學院覃櫟研究員為論文共同第一作者及共同通訊作者，普林斯頓大學博士后研究員周密為論文共同第一作者，南京大學黃昕教授為論文共同通訊作者。論文其他合作者還包括北京大學朱彤教授、陳琦副教授、張川研究員，南京大學丁愛軍教授、周德榮高級工程師，清華大學同丹研究員、加州大學爾灣分校程靜研究員，21世紀中心何霄佳研究員等相關(guān)領(lǐng)域知名專家，以及南京大學和北京大學的研究生郝月婷、黃亮點、顧蔚譯和王立誠。該研究工作得到了國家自然科學基金項目(42325506, 42277482) 等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01425-1

全文閱讀鏈接：https://rdcu.be/dF7KH。

作為該成果的前期基礎(chǔ)，課題組還在Nature Sustainability, Nature Water, PNAS 等期刊發(fā)表了系列基于人地系統(tǒng)耦合的氣候變化下的能源環(huán)境機制及效應研究。課題組長期招收博士后，誠邀對氣候變化及碳中和下水資源、能源和糧食系統(tǒng)脆弱性及適應性領(lǐng)域感興趣的研究者加入課題組開展合作研究。

課題組詳細信息可參考：http://scholar.pku.edu.cn/qinyue

博后招聘：https://mp.weixin.qq.com/s/imk5S8PxYnjAEjqTnBfFKA

氣候變化與能源安全相關(guān)前期研究：

Qin Y*, Wang Y, Li S, Deng H, Wanders N, Bosmans J, Huang L, Hong C*, Byers E, Gingerich D, Bielicki JM. Global assessment of water-carbon tradeoff of dry cooling for thermal power generation. Nature Water 1, 682-693 (2023).

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00120-6

Qin Y*, Zhou M, Pan D, Klimont Z, Gingerich DB, Mauzerall DL, Zhao L, Bielicki JM. Environmental Consequences of potential strategies for China to prepare for Natural Gas Disruptions. Environmental Science & Technology 56 (2), 1183-1193.  

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.1c03685

Qin Y*, Mueller ND, Siebert S, Jackson RB, AghaKouchak A, Zimmerman JB, Tong D, Hong CP, Davis SJ. Flexibility and intensity of global water use. Nature Sustainability. 2019; 2:  515-523. （Nature研究亮點報道）

https://www.nature.com/articles/s41893-019-0294-2

Qin Y*. Global competing water uses for food and energy. Environmental Research Letters. 2021; 16(6): 064091. 

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac06fa

Qin Y*, H?glund-Isaksson, L, Byers, E, Feng, KS, Wagner, F, Peng, W, Mauzerall DL. Air quality-carbon-water synergies and trade-offs in China's natural gas industry. Nature Sustainability. 2018; 1(9): 501-508.

https://www.nature.com/articles/s41893-018-0136-7

Qin, Y, Wagner, F, Scovronick, N, Peng, W, Yang, Zhu T, Smith KR, Mauzerall DL. Air quality, health, and climate implications of China's synthetic natural gas development. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2017;114(19):4887-4892. 

https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1703167114

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