2023中国城市空气质量达标与碳排放达峰方法及案例研究.docx
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1、中国城市空气质量达标与碳排放达峰方法及案例研究2023目录CATALOG中国城市空气质量达标与碳排放达峰方法及案例研究1研究背景和目标11.l研究背景21.1.1中国空气质量达标与碳排放达峰所面临的挑战21.1.2城市空气质量达标及碳排放达峰协同路径的意义31.2研究目标32城市大气污染物与碳排放清单编制及措施评估方法41 .1城市大气污染物及二氧化碳排放清单编制方法52 .2措施评估方法82.1.1 措施分类82.1.2 措施评估193中国城市碳达峰与空气质量改善协同效益评估213.1 已有研究进展223.2 城市空气质量达标与碳排放达峰协同分析方法233.2.1 城市类型划分233.2.2
2、 中国城市尺度排放预测模型建立253.2.3 情景设计方法293.3 全国城市碳达峰与空气质量改善协同效益评估303.3.1 碳达峰目标对城市空气质量改善的协同作用303.3.2 协同目标对全国城市碳达峰与空气质量改善的推动作用374城市编制“双达”路径技术指南461.1 城市大气污染物及二氧化碳排放特征及变化趋势分析471.2 城市编制“双达”路径工作思路524. 3城市编制“双达”路径工作内容535典型城市案例564.1 综合服务业型城市574.1.1 北京市“双达”路径分析574.1.2 深圳市“双达”路径分析665. 2偏轻工业型城市755.1.1 济南市“双达”路径分析755.1.2
3、 成都市“双达”路径分析845.1.3 苏州市“双达”路径分析935.1.4 合肥市“双达”路径分析IOl5.3偏重工业型城市1085.3.1 唐山市“双达”路径分析1085.3.2 郑州市“双达”路径分析1155.3.3 石家庄市“双达”路径分析1236不同类型城市协同减排路径1336.1 综合服务业型城市1346.2偏轻工业型城市1356.3偏重工业型城市1366.4能源生产型城市1376. 5旅游型城市1386.6农业型城市1397结论与展望1407. 1结论1417. 2减排措施总结1427. 3城市“双达”建议142研究背景和目标在经济发展和快速城市化背景下,我国面临着来自空气污染和
4、气候变化问题的双重挑战。以化石燃料为主的一次能源结构决定了我国温室气体和大气污染物排放具有高度同源性的特点,加强顶层设计、加快结构调整、深挖协同减排潜力将是我国应对空气污染和气1.1 研究背景1.1.1 中国空气质量达标与碳排放达峰所面临的挑战在经济发展和快速城市化背景下,我国的经济发展取得了举世瞩目的成就,但经济的快速增长对生态环境造成了一定程度的破坏。改革开放以来,我国面临着来自空气污染和气候变化问题的双重挑战。近年来,以PM”为特征的大气复合污染给我国人民身体健康和社会经济发展造成了不利影响。全国主要城市群地区均出现了不同程度的区域大气污染问题,空气质量达标与碳排放达峰,引发公众广泛关注
5、。党的十八大以来,我国的生态文明建设和生态环境保护进入了一个新的历史阶段,特别是随着2013年我国政府启动向污染宣战,相继发布了“大气十条”“水十条”和“土十条”后,大气污染防治取得了前所未有的成就。“十三五”时期,是我国生态环境质量改善成效最大、工作推进成效最好、得到公众乃至国际社会高度认可的五年,全面完成规定的各项任务,超额实现“十三五”提出的总体目标和量化指标。2021年全国339个地级以上城市中,218个城市环境空气质量达标,占比64.3%。其中,细颗粒物(PM一)年均浓度已实现“十三五”以来的“六连降”,浓度平均为30g113,空气质量优良天数比率达到87.5%,京津冀及周边地区、长
6、三角地区、汾渭平原等重点区域空气质量改善明显。但就目前来看,我国产业结构、能源结构、运输结构还未发生根本性改变,资源环境承载能力接近或达到上限,依旧面临生态环境风险累积高发的局面。2021年全国339个地级及以上城市中仍有121个城市环境空气质量未达标,空气质量未达标城市数量超过1/3,与世界生态环境先进水平相比,与2035年美丽中国基本建成目标相比,与我国自身的法律法规和环境标准要求相比,差距仍然很大。由于能源、工业以及民用领域的固定源污染减排潜力逐渐缩小,未来空气污染防治难度将加大,我国城市空气质量依然面临严峻挑战,以城市为单元的大气污染防治措施将持续推进与升级。联合国政府间气候变化专门委
7、员会(IPCC)第五次报告指出,人类活动很可能是造成气候变暖的主要原因。有证据显示,1750年至今的总人为辐射强度相比2005年报告中的数值提高了43%o在过去50年里,全球共发生1.1万多起由天气、气候和水导致的灾害,造成了200万人死亡和3.6万亿美元经济损失。由于气候变化的原因,极端天气和气候事件的发生频率、强度及严重性有所增加,各方已经在巴黎协定达成共识,在本世纪末,将全球平均气温较工业化前水平升高控制在2之内设定为基本目标,并为把升温控制在1.5C之内而努力。IPCC第六次报告指出,自1850-1900年以来,全球地表平均温度已上升约1C,并指出从未来20年的平均温度变化来看,全球温
8、升预计将达到或超过1.5C,并对未来超过1.5的全球升温水平的可能性进行了新的估计,指出除非立即、迅速和大规模地减少温室气体排放,否则将升温限制在接近1.59或甚至是2将是无法实现的。中国目前是世界上最大的能源消耗国和碳排放国。作为负责任的大国,中国向联合国气候变化框架公约提交强化应对气候变化行动一一中国国家自主贡献文件,确定了到2030年的自主贡献目标,包括2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取尽早达峰、单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60-65%o在第75届联合国大会一般性辩论上的讲话(2020年9月22日):中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放
9、力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。从中国政府首次在联合国气候峰会上提出“努力争取二氧化碳排放总量尽早达到峰值”以来,我国开始积极应对气候变化。2013-2016中国碳排放总体呈平稳下降的趋势,然而CDlAC.UN、BP多个机构数据显示,2017年受到经济上行等因素的影响,我国能源消费呈现出回暖态势,中国碳排放出现反弹。研究表明,2018年中国碳排放相比2017年进一步上升,碳排放强度下降带来的减排量被重工业生产回暖和天然气使用增加带来的碳排放增量所抵消。截至2020年,中国碳排放强度比2015年降低了18.8%,比2005年降低48.4%,超过了向国际社会承诺的40%
10、-45%的目标,基本扭转了二氧化碳排放快速增长的局面。但未来一段时间,我国能源需求总量还会持续增长,而非化石能源准备周期和建设周期长、投入高的特点将导致我国能源系统向非化石资源转型面临较大的阻力。综合来看,中国实现2030年达峰目标仍然面临着挑战。1.1.2 城市空气质量达标及碳排放达峰协同路径的意义在经济发展和快速城市化背景下,我国面临着来自空气污染和气候变化问题的双重挑战。以化石燃料为主的一次能源结构决定了我国温室气体和大气污染物排放具有高度同源性的特点,加强顶层设计、加快结构调整、深挖协同减排潜力将是我国应对空气污染和气候变化挑战的有效途径。城市是政策落地实施的基本单元,是未来实现协同减
11、排的关健区域。目前,广州、大连、成都等城市已经开展空气质量达标规划研究,北京、武汉等城市提出了碳排放达峰目标,但能将两者统一起来的城市不多。根据各地区官网政策公开信息统计,截至2022年4月,全国31个省(区、市)目前仅有26%的省(区、市)制定并出台了推进碳达峰碳中和战略行动的实施意见。受资源禀赋、产业基础、区位特征等多方面因素的影响,各城市发展水平不一,产业结构和排放特征也有较大差异,未来的发展战略和减排路径也将显著不同。因此根据不同城市特点制订协同减排路径、探究我国空气质量达标和城市碳达峰间的协同作用,对实现我国城市尺度的协同减排具有关键意义;然后选择不同类型的城市,总结不同类型城市协同
12、减排措施,编制城市协同减排典型案例集,并结合典型案例,提出不同类型城市开展协同减排工作的重点和思路,可供省、市两级生态环境管理部门和地方技术支撑部门开展协同“双达”培训、不同类型城市开展协同“双达”政策实践交流使用;同时也为决策者出台协同“双达”政策提供参考。1-2研究目标(1)建立基于统一源分类体系与源排放表征技术方法的城市尺度温室气体和大气污染物排放的清单编制方法;(2)建立经济-能源-排放耦合动态响应分析方法以及城市空气质量达标与碳排放达峰协同分析框架;(3)以北京、深圳、成都、合肥等城市为典型案例城市,进行能源、经济发展预测,制定符合其城市发展的城市协同“双达”路径,综合评估产业、能源
13、、交通、用地结构调整各措施带来的减排效益。(4)基于典型城市的实践案例,探讨空气质量目标导向下城市“双达”的路径和策略,为国家和地方机构改革背景下“双达”在城市层面的实践提供研究参考和决策依据。1城市大气污染物与碳排放2清单编制及措施评估方法建立高精度的城市排放清单是摸清城市排放现状、指导城市未来协同减排路径的基础。在我国步入减污降碳协同治理新阶段的大背景下,分析历史城市尺度大气污染物和碳排放特征、变化趋势及其驱动力具有重要意义。然而,目前仍然缺乏统一污染物与碳排放的、覆盖所有全国城市的高分辨率排放清单序列,以及对应的措施评估方法。2.1 城市大气污染物及二氧化碳排放清单编制方法建立高精度的城
14、市排放清单是摸清城市排放现状、指导城市未来协同减排路径的基础。在我国步入减污降碳协同治理新阶段的大背景下,分析历史城市尺度大气污染物和碳排放特征、变化趋势及其驱动力具有重要意义。然而,目前仍然缺乏统一污染物与碳排放的、覆盖所有全国城市的高分辨率排放清单序列。一方面,由于大气污染物和二氧化碳协同减排的概念在近年来我国提出“碳达峰碳中和”目标后才逐渐受到关注,过去我国城市大气污染物排放清单和碳排放清单的发展相对独立,并未形成统一的方法学。2013年以来以“2+26”区域为代表的部分城市基于自身空气质量管理的需求已经在城市大气污染物排放清单手册指导下初步建立了相对完整的大气污染物排放清单,但并未关注
15、碳排放。另外有一些研究收集公开的城市年鉴数据(主要包括能源、工业产品产量等)统一估算了中国部分城市的碳排放,但这类研究往往不讨论城市大气污染物排放或仅通过简化方法估算。另一方面,缺乏完整的城市层面的基础数据成为制约全国城市尺度高分辨率排放清单发展的主要因素。由于基于代用参数将省级排放直接分配到城市无法反映精细尺度上的真实排放分布情况,应当尽可能使用城市级别的基础数据自下而上地建立城市排放清单以保证清单精度和准确性。然而,目前缺乏完整的、可支持建立全国大气污染物和碳排放清单的城市级基础数据,如城市能源消耗量、产品产量、各行业污染控制水平等。城市本地调研数据获取周期长且往往不对外公开,从城市统计年
16、鉴中获取数据则存在数据缺失及口径不统一的问题。为解决以上问题,本研究首先基于多源数据融合方法形成了完整的全国城市排放计算参数数据库,通过引入大量可定位至城市的电力和工业点源信息、在县一级开展机动车活动水平和排放因子的拟合及修正等方法保证各城市尽可能使用本地化的排放计算参数,进而提升城市排放清单的表征精度。然后,针对不同排放源使用基于技术和动态过程的排放表征方法计算排放,建立起2012-2018年覆盖碳排放和主要大气污染物排放的中国城市尺度高分辨率排放清单,经空间化分配过程后可进一步与空气质量模式进行对接。本研究建立的2012-2018年中国城市尺度高分辨率排放清单估算了在城市行政区划边界内产生
17、的直接排放,包括SO2,NOx,PM25,CO,VOC,BC,0C,NH3和CO2排放。图2-1展示了基于多源数据融合方法建立2012-2018年中国城市排放清单的技术路线。本研究将城市排放清单源分类划分为电力、工业、交通、民用、溶剂使用、其他,共六大类,并针对污染物产生机理和排放特征的差异按照部门/行业、燃料/产品、燃烧/工艺技术以及末端控制技术将每类排放源分为四级,自第一级至第四级逐级建立完整的排放源分类分级体系。由于单一数据源无法满足基于四级排放源建立城市级排放清单相关数据需求,本研究使用了多源数据融合方法建立了完整覆盖全国城市所有源分类的排放数据库,通过引入大量点源及区县尺度参数保证了
18、各城市排放计算参数具有较高的本地化率,从而提升城市排放清单的精度,涉及的数据源的具体信息见表2-1o对于可直接获取点源排放计算参数的排放源,即电力源、工业源中被点源数据库覆盖的部分,通过基于企业/设备和工序的点源排放表征模型精确刻画各城市的电力及重点工业行业排放特征。首先从数据库中获取逐点源的燃料使用量、工业产品产量、硫份、灰分、末端控制信息等计算参数,然后基于宏观统计数据、演替模型和中国多尺度排放清单模型(Multi-resolutionEmissionInventoryfor多个数据源直接获得面源耦合补充约束排放源I电力I!工业!交通! I民用II溶剂使用I其它末端控 制信息面源 排放代用
19、参数网络化排放图2-1基于多源数据融合方法建立2012-2018年中国城市排放清单技术路线表2-1数据源信息数据源对应源精度信息I中国燃煤电厂数据库(CPED)电力源-煤电机组燃料使用量、燃料硫份、燃料灰分、燃烧技术、末端控制信息CCEDki原-水泥生产线燃料使用量、燃料硫份、燃料灰分、生产工艺、末端控制信息生态环境部重点工业基础信息的未公开统计结果(全门径数据)工业源-平板玻璃生产线燃料使用量、燃料硫份、末端控制信息中国钢铁工业点源数据库1一蹴生产线燃料使用量、燃料硫份、燃料灰分、生产工艺、末端控制信息生态环境部环境统计数据(环境统计数据)工业源-钢铁、油气生产、其他火电、焦炭、有色金属、工
20、业锅炉企业燃料使用量、燃料硫份、燃料灰分、部分生产工艺和燃烧技术信息、部分末端控制信息区县尺度机动车排放数据库交通源-机动车区县分区县排放量中国多尺度排放清单模型(MEIC)所有源省分省排放量CEADs所有源省分省分行业能源使用情况分省能源平衡表所有源省分省能源消费量分省工业产品产量所有源省分省工业产品产量China,简称MElC,http:/meicmodel.org)提供的排放因子与末端控制信息数据库对计算参数进行补充约束,最终形成四级排放源分类下标准化的活动水平、排放因子和污染物去除效率,计算点源排放并可进一步聚合至城市。对于无法获取点源排放计算参数的排放源或非点源的排放源,使用耦合面源
21、排放的方法进行补充。对于交通源中的机动车部门,使用Zheng等人开发的区县尺度机动车排放模型估算获得的区县尺度机动车排放按城市聚合,即得到了城市机动车排放量。该模型在县一级进行了活动水平拟合和排放因子表征技术方法的修正,通过将排放分配误差约束在县域范围减少后续网格化过程引入的空间分配误差,因此也能够保证城市尺度机动车排放表征的精确度。对于电力源、工业源中未能被点源数据库覆盖的部分,交通源中的非道路机械部门,民用源,溶剂使用源和其他源,由于它们具有面源排放特征且缺少城市层面可用数据,统一采用将MEIC提供的省级排放基于代用参数向下分配至城市的方法。最终,各类源排放在省级尺度上受到MEIC省级排放
22、约束后形成中国城市尺度高分辨率排放清单。各类源排放的编制方法参考了贺克斌等人编制的中国城市空气质量改善和温室气体协同减排方法指南。为支持空气质量模式的输入,需要进一步对排放进行网格化处理,点源排放从相应的数据库中获取经纬度位置直接进行定位。机动车排放根据各车型活动规律和不同类型道路行驶里程分配权重将县级排放量分配到各类型道路,通过各类道路的高精度路网数据最终将排放分配到网格。对于其他面源,首先基于不同区县活动水平参数将排放分配到区县,然后通过总人口/城市人口/农村人口栅格数据将区县排放分配到网格。至此,本研究建立的中国城市尺度高分辨率排放清单既可以支持全国城市尺度的排放分析,又能与大气化学模式
23、所需的网格化输入对接支持空气质量模拟。2.2 措施评估方法2.2.1 措施分类2.2.1.1 能源结构能源结构指能源总生产量或总消费量中各类一次能源、二次能源的构成及其比例关系,直接影响国民经济各部门的最终用能方式,并反映人民的生活水平,是中国能源发展面临的重要任务之一,也是保证中国能源安全的重要组成部分。世界能源统计年鉴2021数据显示,2020年,全球一次能源消费量为556.63EJ,同比下降4.5%,2009年至2019年平均增长1.9%o中国连续12年保持全球一次能源消费量最大国的地位,全年一次能源消费量为145.46EJ,同比增长2.1%,2009年至2019年平均增长3.8%,占世
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