覃栎课题组与合作者在Nature Geoscience发文揭示我国碳中和目标下空气质量-人群健康-清洁能源协同效应的正反馈机制

我国2060年前实现碳中和目标需要深刻的能源结构转型,尤其是大幅增加风光等可再生能源在我国一次能源结构中的比重。由于大气污染物和温室气体的同根同源性,风光资源对化石能源的替代在减缓碳排放的同时,还能显著的改善空气质量及其健康影响;与此同时,污染物减排所带来的气溶胶气象反馈作用的削弱可进一步增加地表太阳辐射并形成更好的空气污染扩散条件,提升我国东部地区风光的资源潜力及其稳定性(可再生能源-空气污染-气象反馈机制)。值得强调的是,风光资源潜力和稳定性的提升,可进一步推进可再生能源的利用,为我国的能源结构转型形成正反馈(人类社会-气候系统反馈放大机制)。准确解析我国碳中和目标实现下的双重反馈机制,并深化其空气质量-人体健康-清洁能源的交互机制和综合协同效益的认知,对我国科学规划碳达峰碳中和路径具有重要的实际意义。

北京大学覃栎课题组与南京大学黄昕课题组,以及清华大学、普林斯顿大学等资深研究团队合作,共同构建气象-化学在线耦合的综合评估模型框架(基于GCAM-China和DPEC模型发展而来的中国碳中和路径;气象-化学耦合的空气质量模型WRF-Chem和全球暴露死亡模型GEMM,以及风光资源评估模型)并开展了大量情景的数值模拟实验,系统评估了考虑正反馈机制时,中国到2060年实现碳中和目标所带来的空气质量、人类健康和可再生能源性能的协同效应。

研究发现,相较于2060年基线情景,由于污染物排放量的减少以及气溶胶气象反馈效应的加成,到2060年实现中国碳中和目标将使全国人口加权的PM2.5浓度降低约39μg/m3,并避免57%过早死亡人数(113万人;95%置信区间:0.97—1.29百万人)。老龄化人口往往会抵消中国碳中和目标的健康效益,但基线死亡率的降低则会充分补偿老龄化带来的健康效益损失。其中,降低的气溶胶气象反馈效应在京津冀地区能分别带来7.1(6.5%), 5.6(6.9%), 4.3(6.6%)μg/m3的人口加权PM2.5浓度降低,并相应减少23,000(21,000—26,000)由于PM2.5导致的过早死亡人数。同时,大气中气溶胶负荷的减少将增加到达地表的太阳辐射,并加强垂直方向的动量交换,导致太阳能和风能的容量因子提升且变异性减少。省级太阳能(风能)潜力最多提升约10%(~6%),且资源稳定性普遍提高。

中国碳中和目标带来的空气质量、人类健康和可再生能源协同效应主要集中在中部、北部和东部电网,这些地区的省级空气污染和人口暴露度普遍减少约80%(>40μg/m3),相应的省级避免过早死亡人数大多超过60%(~50,000),太阳能和风能容量因子的增加可达到10%和6%,并降低了小时变异性。实现碳中和后,人口加权PM2.5浓度的降低程度尤为显著,并且最显著的可再生能源增加发生在能源需求最高的东部省份,有助于缓解能源供需之间的地理不匹配。总体而言,中国碳中和目标带来的空气质量、人类健康和可再生能源协同效应主要集中在空气质量亟需改善和能源需求较大的地域。

然而,中国实现碳中和后的空气质量(约12.1µg/m3)仍然超出了世界卫生组织制定的最新空气质量指南,57%和99%的人口暴露于超过10和5µg/m3的PM2.5浓度。增加的可再生能源资源潜力可能为实现碳中和后解决剩余空气污染和相关健康损害提供额外助力。研究结果显示,全球发展中和污染国家对碳中和的承诺可能会在气溶胶减排、空气质量改善和可再生能源资源潜力提升之间产生重要的正反馈效应,这些效应可以通过减弱的气溶胶气象反馈作用和更好的空气污染扩散条件而被放大。

以上研究成果以“Amplified positive effects on air quality, health, and renewable energy under China's carbon neutral target”为题发表在Nature Geoscience上。覃栎为论文共同第一作者及共同通讯作者,普林斯顿大学博士后研究员周密为论文共同第一作者,黄昕为论文共同通讯作者。论文其他合作者还包括北京大学朱彤教授、陈琦副教授、张川研究员,南京大学丁爱军教授、周德荣高级工程师,清华大学同丹研究员,加州大学尔湾分校程静研究员,21世纪中心何霄佳研究员等相关领域知名专家,以及南京大学和北京大学的研究生郝月婷、黄亮点、顾蔚译和王立诚。该研究工作得到了国家自然科学基金(42325506, 42277482)等项目的支持。

作为该成果的前期基础,课题组还在Nature Sustainability, Nature Water, PNAS等期刊发表了系列基于人地系统耦合的气候变化下的能源环境反馈机制及影响效应研究。

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