客观日本

中国的黑碳排放量过去10年来大幅减少40%,IPCC气候模型需相应修改

2020年06月15日 能源环境

日本国立研究开发法人海洋研究开发机构(以下简称“JAMSTEC”)地球环境部门地球表层系统研究中心的金谷有刚主任代理等人与神户大学和国立环境研究所等共同对长崎县福江岛的大气实施了长期观测,由此确认中国排放的黑碳(BC)在过去10年里大幅减少了40%。

黑碳是化石燃料等未完全燃烧排放到大气中的“烟尘”颗粒,会通过直接吸收阳光和降低冰雪表面的反射率而导致地球变暖,因此需要与二氧化碳等一起掌握其排放量变化,评估气候影响。黑碳的排放量是根据社会经济统计信息推算出来的,但其不确定性范围的中位数高达1/2~2倍,另外,关于排放量占全球30%的中国排放量是在增加还是在减少也一直没有定论。

中国的大气污染物容易随着偏西风到达的福江岛,研究团队从2009年至2019年连续10年以上持续观测了大气中的黑碳浓度,并根据浓度变化趋势,推算了排放量及其变化。推算时,整合了两种高度可靠的测量仪的数值,并结合数值模拟,消除了气候的年际变化影响。由此将中国的黑碳排放量的不确定性范围缩小到了±27%,同时发现,中国最近10年的排放量大幅减少40%。

预定2021年发布、目前正在编写之中的IPCC第六次评估报告以中国的黑碳排放量直到2014年一直以增加为前提来评估其对气候的影响,但此次的研究结果首次明确呈现出相反的趋势。排放量减少的理由是,随着中国实施PM2.5削减政策,其成分之一的黑碳排放也得到了抑制。

这个结果意味着,黑碳对地球变暖的影响实际上低于今后公开的IPCC第六次评估报告的评估结果。此次的成果有助于改进IPCC第七个评估周期的模拟,同时还有望用来创建在该周期内新启动的“短寿命气候强迫因子(SLCFs)”排放清单等。

研究背景

作为引起地球变暖的物质,二氧化碳等“长寿命温室气体(GHGs)”广为人知,但对于同样是大气污染物,而且会影响气候的“短寿命气候强迫因子(SLCFs)”,量化其排放量和气候影响,从而进行削减也很重要。例如,黑碳颗粒就是典型的SLCF,会通过直接吸收阳光和降低冰雪表面的反射率加剧地球变暖。黑碳的排放量是根据社会经济统计信息推算出来的,但其不确定性范围的中位数高达1/2~2倍,另外,关于排放量占全球30%的中国的排放量是在增加还是在减少也一直没有定论。一般来说,比较有效的排放量验证法是根据独立信息——大气中的浓度观测值进行倒推。

例如,氮氧化物(NOx)的主要成分NO2主要根据卫星观测,CO2根据多个地点的现场高精度观测来推算和验证排放量。但黑碳缺乏可靠的长期观测数据,无法进行这样的验证。而且决定其在大气中的停留时间的“降水去除速度”的不确实性也比较高,所以被认为很难根据大气中的浓度推算排放量。因此,即使是中国这样的大污染源,也很少通过观测来评估黑碳的排放量及其变化,在各种大气污染物中,对黑碳的解析也非常滞后。

JAMSTEC从2009年开始在长崎县福江岛的大气环境观测设施(图1)对PM2.5和黑碳等大气成分的浓度进行长期测量,明确了大气污染物随着偏西风从巨大的污染源中国飘到福江岛的过程。此次进一步扩大观测范围,作为2009-2019年这10年间的长期数据,评估了这一期间中国的黑碳排放量和变化趋势。

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图1:长崎县福江岛的位置。
地图的背景是黑碳的排放量推算图。大气从中国中北地区和中南地区等主要排放源经东海上空飘至福江岛,历时约6~46个小时。

成果

首先,通过在福江岛进行长期观测发现,黑碳浓度发生了显著变化,在2010年至2018年间减少了48%(年率为-5.8±1.5%) (图2)。在偏远地区进行的无人长期观测容易受台风和停电等影响遗漏数据,但本研究从不容易受共存的其他气溶胶颗粒(硫酸盐等)干扰的角度出发,同时运行了两种高度可靠的测量仪(COSMOS、MAAP),通过整合两台仪器的数据,即使有数据遗漏也能相互补充,由此获得了122个月的无遗漏测量数据,最终成功评估了长期趋势。

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图2:福江岛的大气黑碳浓度长期呈减少趋势。
通过同时使用高度可靠的两种测量仪(COSMOS、MAAP)并对数据进行整合,即使因单个仪器发生故障而出现测量遗漏也可以相互弥补,由此获得了122个月的无缺失数据。

这样记录下来的浓度变化不仅是排放量变化,还可能受到了天气因素的影响。因此,本研究为排除天气因素而仅评估排放量的影响,采取了两项措施。首先,为排除将黑碳从大气中冲洗掉的“降水”变化的影响,仅解析了气团到达福江岛的路线上的累积降水量小于1mm的观测数据 (图3a,中央的蓝线。根据累积降水量分离排放量与除湿的影响进行评估的方法见2016年8月31日 (JAMSTEC网站)的报告)。

其次,除降水外,还通过“基于气象化学耦合模型WRF/CMAQ的数值模拟”,推算了与大气污染物被从发生源头吹到福江岛的难易程度有关的“风系”年际变化的影响(图3a,中央的灰线),并在解析中予以考虑。此时,排放量是固定的,使用基准年的数值 (REASver2.1 Inventory中的2008年排放量,图1的背景),仅天气利用每年的实际信息。实际上,在2011年和2014年等污染容易流入的年份,观测浓度和模拟浓度都呈升高趋势,说明受到了风系的年际变化影响。然后,通过用每年观测到的平均浓度除以同一年的WRF/CMAQ模型模拟数值,消除了风系的影响,并提出了模拟中唯一没有考虑到的“每年的排放量变化”的修正项(图3a,右图)。修正项以年均-5.3±0.7%速度显著降低,因此得出了浓度变化的主要原因实际上是“排放量变化”的结论。

研究团队对气团到达福江岛前经过的各主要排放地区(中国东北部、中北部、中南部、南部)分别进行解析,评估各地区的排放量变化趋势(图3b)时发现,南部2个地区(-5.9~-6.3%/年)的减少率存在高于北部2个地区(-2.1~-5.2%/年)的趋势。

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图3(左)进入福江的气团的路径分布,(中央)黑碳浓度的年际变化(观测:蓝线,WRF/CMAQ模型(排放量固定,对风引起的变化建模):灰线),(右)将观测/模型比作为“排放修正项”评估,将去除风系影响的修正项的长期变化作为排放量变化评估。(a)不对气团路径进行分类,对所有地区进行评估时,(b)分别对中国4个地区进行评估。

这里的修正项可以视为通过数值模拟再现每年的观测浓度所需的值。因此,通过用模拟中作为标准的“REASver2.1 Inventory的2008年排放量”乘以这个修正项,推算了中国4个地区每年的准确排放量。另外还将4个地区的总和相加,推算了中国整体的排放量变化。推算得出,2018年中国的黑碳排放量由2009年的1.61Tg/年减至1.06Tg/年,大幅减少了35%(年率为-4.6%,图4a红线)。这10年的减少速度达到40%,被评价与日美欧等发达国家的NOx排放量削减速度相当(例:2017年1月27日 (JAMSTEC网站) 的报告) 。另外,根据观测和模型的不确定性等推算,利用此次的方法,黑碳排放量推算值的不确定性为±27%,大幅降低了此前高达200%(中位数的1/2~2倍)的不确定性。

研究团队在根据社会经济信息推算的中国黑碳排放量清单的比较评估中,利用了根据观测推算的排放量(图4a)。此前关于排放量并没有定论,在不同的清单中,中国的黑碳排放量相差近2倍,近年来的变化趋势也是既有上升也有下降等。例如,IPCC第六次评估报告使用的CEDS清单的数值明显偏高,而且认为排放量直到2014年一直在增加,这与本次研究证明的下降趋势相反,未得到支持。另一方面,MEIC1.3和ECLIPSEv6b等结合了中国PM2.5改善政策的排放量削减效果的清单则呈下降趋势,与本次研究的结果一致。因此,可以认为中国的PM2.5削减政策发挥了作用,其中的黑碳的排放量也减少。

此外,还在以2012-2015年为标准的相对值的基础上,将推算的黑碳排放变化速度(-4.6%/年),与IPCC第六次评估报告中用于预测未来气候的各种社会经济方案(SSP1~5)下的中国未来黑碳排放趋势进行了比较(图4b)。结果显示,黑碳减排速度超过了设想早期开始实施最严格削减政策的SSP1-19和SSP1-26方案下的减排速度(-3.9, -3.5%/年),表明黑碳排放量正在以非常快的速度削减。

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图4(a)本次研究推算中国的黑碳排放量呈减少趋势(红线)。在IPCC AR6采用的排放清单CEDS中,黑碳排放量呈上升趋势,与此次的研究结果相反。REAS3.1、MEIC1.3和ECLIPSEv6b等结合了中国的PM2.5对策等取得的效果的清单均呈减少趋势,与本次研究的结果一致。(b)本次研究中的减少趋势是相对于2012-2015年的数值而言的,并与各种社会经济方案(SSP1~5)下的中国黑碳排放量进行了比较。本次研究推算的黑碳减排速度与设想采取最严格削减政策的SSP1-19和SSP1-26方案下的减排速度相当。

未来展望

通过观测继续验证中国今后能否始终保持如此快的黑碳减排速度至关重要。另外,此次的研究结果还显示,中国东北部(也是北极地区的黑碳来源地)的黑碳减排速度比较慢,单从冬季来看的话,2017年以前一直呈增加趋势。从对地球变暖明显加剧的北极地区的气候影响来看,密切关注其走势也很重要。

本次研究未能解析最近哪个领域(工业领域、汽车等运输领域、家庭领域等)削减了黑碳排放,以及目前主要的排放源是在哪个领域,不过根据放射性碳同位素的测量结果推断,化石燃料燃烧是主要的排放源(2019年10月1日(JAMSTEC网站)的报告),研究团队计划以此为线索,同时对2020年春季新型冠状病毒蔓延导致工业活动大幅减少所带来的黑碳浓度减少等进行解析,从而按排放领域进行评估。

此次的研究显示,中国的黑碳排放量低于IPCC第六次评估报告中用于当前的气候模拟的数值,而且存在明显的减少趋势,这表明,黑碳对地球变暖的实际影响低于该评估报告中的评估。但另一方面,让天气变冷的硫酸气溶胶的浓度等也显著减少,减幅略高于黑碳,从而出现了加剧地球变暖的趋势,因此,此次明确的黑碳减排进展的效果被认为只是抵消了硫酸气溶胶减少造成的部分影响。这个结果有助于改进IPCC第七个评估周期的模拟,同时还有望用来创建在该周期内新启动的SLCF排放清单等。

论文信息
题目:Rapid reduction of black carbon emissions from China: evidence from 2009–2019 observations on Fukue Island, Japan
期刊:《Atmospheric Chemistry and Physics》
DOI:10.5194/acp-2019-1054

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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