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應(yīng)對氣候變化與低碳發(fā)展中國碳中和目標(biāo)下的二氧化碳排放路徑

2021-03-24 11:32:50蔡博峰曹麗斌雷宇
中國人口·資源與環(huán)境 2021年1期

蔡博峰 曹麗斌 雷宇

摘要 結(jié)合中國中長期規(guī)劃研究成果和國內(nèi)外學(xué)術(shù)文獻(xiàn),充分考慮中國現(xiàn)階段以工業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤為主的能源結(jié)構(gòu),以及新技術(shù)研發(fā)和投入使用周期,利用中國高空間分辨率排放網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(China high resolution emission gridded database,CHRED),自上而下(基于中國中長期排放和強度目標(biāo)并參考IPCC-SSPs排放情景)和自下而上(基于CHRED 50 km網(wǎng)格分部門排放,利用空間公平趨同模型),建立中國碳中和目標(biāo)下的2020—2060年二氧化碳排放路徑(CAEP-CP 1.1)。CAEP-CP 1.1表明,中國2027年左右達(dá)峰,二氧化碳排放峰值為106億t,達(dá)峰后經(jīng)歷5~7年平臺期,2030年二氧化碳排放量為105億t。CAEP-CP 1.1空間格局(50 km)在2030年和IPCC排放情景基本一致,但2060年差異較為顯著,主要由于CAEP-CP 1.1是基于中國2060年碳中和的目標(biāo),相比IPCC情景減排力度更強。2060年排放格局下,中國基本實現(xiàn)超低排放,絕大部分區(qū)域(50 km×50 km)排放量都低于100萬t,而在IPCC的情境下,中國2060年仍有不少區(qū)域排放量超過1 000萬t。CAEP-CP 1.1空間化排放數(shù)據(jù)可與IPCC-SSPs(0.5°網(wǎng)格)比對和分析,路徑數(shù)據(jù)可實現(xiàn)部門、區(qū)域?qū)?biāo)分析和橫縱向比較,國家-區(qū)域-部門-網(wǎng)格數(shù)據(jù)聯(lián)動和雙向反饋,可追溯性強(可分析每個50 km空間網(wǎng)格分部門排放和相關(guān)參數(shù)),便于根據(jù)實際發(fā)展、國家重大決策變化和認(rèn)知提升等動態(tài)調(diào)整和迭代升級路徑數(shù)據(jù),有利于決策者在國家-區(qū)域-部門層面模擬和推演不同政策措施下的排放情景,為二氧化碳排放管控科學(xué)化、精準(zhǔn)化提供重要支撐。

關(guān)鍵詞 中國;二氧化碳排放路徑;空間化;碳中和

氣候變化是全球最大的環(huán)境挑戰(zhàn),人為活動導(dǎo)致的溫室氣體排放是20世紀(jì)中葉以來全球變暖的主要原因。IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)第五次評估報告詳細(xì)分析了全球以及不同區(qū)域二氧化碳排放路徑下的全球升溫狀態(tài)[1]?;谌驊?yīng)對氣候變化目標(biāo)建立國家和區(qū)域二氧化碳排放路徑,從而進一步分析減排情景、政策和成本-效益,成為全球氣候變化研究的重要范式[1-4]?!栋屠鑵f(xié)定》提出將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi),并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)[5],為全球二氧化碳排放路徑研究和減排確定了新的目標(biāo)和錨點。《全球升溫1.5 ℃特別報告》更加明確了將全球變暖限制在1.5 ℃需要到2030年全球二氧化碳排放比2010年下降約45%,到2050年左右達(dá)到“凈零”排放,并在報告中提出4種實現(xiàn)路徑[6]?!度蛏郎?.5 ℃特別報告》對全球碳排放路徑提出更加嚴(yán)格和更加清晰的路徑要求,全球主要國家基于此都進一步明確和強化了自主貢獻(xiàn)目標(biāo)[7-10]。

中國是全球二氧化碳排放大國,中國2020—2050—2060年二氧化碳排放路徑研究備受關(guān)注[11-13]。中國在2015年提出2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早實現(xiàn),2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%。2020年習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布我國力爭于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值,努力爭取于2060年前實現(xiàn)碳中和。這些重大宣示為中國二氧化碳排放路徑研究確定了關(guān)鍵性錨點,也使得更加清晰、明確的中國二氧化碳排放路徑研究成為可能。研究建立中國2020—2060年二氧化碳排放路徑是落實習(xí)近平總書記聯(lián)合國大會承諾的基礎(chǔ)性工作,也是中國社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展路線圖的重要支撐。

本研究基于中國關(guān)鍵年份二氧化碳排放和強度目標(biāo),參考IPCC全球共享社會經(jīng)濟路徑(shared socioeconomic pathways,SSPs)數(shù)據(jù),結(jié)合中國中長期規(guī)劃研究成果和國內(nèi)外學(xué)術(shù)文獻(xiàn),充分考慮中國現(xiàn)階段以工業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤為主的能源結(jié)構(gòu),以及新技術(shù)研發(fā)和投入使用周期,利用中國高空間分辨率排放網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(China high resolution emission gridded database,CHRED),自上而下(基于中國中長期排放和強度目標(biāo)并參考IPCC-SSPs排放情景)和自下而上(基于CHRED 50 km網(wǎng)格的分部門排放)方法相結(jié)合,建立中國2020—2060年二氧化碳排放路徑(Chinese Academy of Environmental Planning Carbon Pathways, CAEP-CP 1.1),實現(xiàn)全國、分省、分部門的排放路徑分析和情景模擬,為決策者建立可科學(xué)計算、可精準(zhǔn)研判和可落地分析的二氧化碳排放管控路徑和措施提供重要支撐。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究框架

CAEP-CP 1.1研究中的二氧化碳排放僅考慮化石能源燃燒二氧化碳排放。借鑒IPCC路徑情景方法學(xué)、排放機理模型、統(tǒng)計學(xué)模型和GIS空間分析模型等方法,結(jié)合文獻(xiàn)分析、數(shù)據(jù)挖掘和專家研討等多種形式開展研究工作,詳細(xì)研究路線如圖1所示。CAEP-CP 1.1中包括5個部門,分別是火電、工業(yè)(非火電)、交通、建筑(農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活、服務(wù)業(yè))和農(nóng)業(yè)。

1.2 中國二氧化碳排放數(shù)據(jù)

中國二氧化碳網(wǎng)格化排放數(shù)據(jù)(2018年基準(zhǔn)年)來自中國高空間分辨率排放網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(CHRED)。CHRED參考國際主流自下而上的空間化方法,結(jié)合中國的實際情況和數(shù)據(jù)特點,基于點排放源自下而上的空間化方法,結(jié)合點排放源和其他線源(交通源)、面源(農(nóng)業(yè)、生活源等)數(shù)據(jù),建立1 km 二氧化碳排放網(wǎng)格數(shù)據(jù),確定數(shù)據(jù)的空間精度和不確定性分析方法。本研究采用CHRED中5個部門的50 km空間分辨率排放清單數(shù)據(jù)[14-15],與IPCC-SSPs全球排放情景數(shù)據(jù)(0.5 ℃)空間分辨率保持一致,也便于比較分析。中國2020年二氧化碳排放數(shù)據(jù)使用中國碳情速報(China Carbon Watch,CCW)研究數(shù)據(jù)[16]。

1.3 部門排放趨勢特征

根據(jù)部門歷史排放特征(2010—2019年數(shù)據(jù))、中國碳情速報研究數(shù)據(jù)(2020年數(shù)據(jù)),參考國內(nèi)外研究文獻(xiàn)中關(guān)于中國相關(guān)部門排放趨勢分析,以及相關(guān)政策和行業(yè)專家判斷,確定部門排放趨勢特征。

火電是中國最大的二氧化碳排放行業(yè),超低排放改造措施在2020年已基本完成,通過控制大氣污染物排放進一步減排二氧化碳的空間有限。實現(xiàn)火電部門的低碳減排,需要使用多種轉(zhuǎn)型方案組合?;痣娕欧盘卣髭厔輩⒖剂薒iu等[17]、Li等[18]和Zhao等[19]的研究,火電行業(yè)排放會受到嚴(yán)格限制,同時加強對燃煤發(fā)電機組總裝機容量的控制,加大對可再生能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā);工業(yè)(非火電)參考了Wang等[20]和Wu等[21]研究中情景走勢,體現(xiàn)了各類措施的最大減排潛力,同時考慮了能源強度和經(jīng)濟活動這兩個因素,以及相關(guān)的國內(nèi)政策;交通部門的趨勢特征參考了Hao等[22]、Yin等[23]和Wang等[24]相關(guān)研究中情景走勢;建筑(農(nóng)村/城鎮(zhèn)生活/服務(wù)業(yè))部門參考了Tan等[25]、Yang等[26]和Xiao等[27]研究中情景特征,考慮了18項代表性政策,并且在建筑行業(yè)低碳政策的推動下,充分考慮終端設(shè)備節(jié)能、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、可再生能源等管理和技術(shù)因素。

1.4 IPCC二氧化碳排放數(shù)據(jù)

IPCC-SSPs是IPCC基于全球升溫控制和排放特征,結(jié)合排放與社會經(jīng)濟發(fā)展情景,提出的氣候變化約束下的全球共享社會經(jīng)濟路徑,用以闡述全球社會經(jīng)濟發(fā)展的可能狀態(tài)和演變趨勢[28-29]。IPCC-SSPs數(shù)據(jù)庫提供了較為完善且具有國際權(quán)威的2020—2100年全球空間化溫室氣體排放數(shù)據(jù)(0.5°網(wǎng)格,約50 km分辨率),對于IPCC各類評估報告、UNFCCC(聯(lián)合國氣候變化框架公約)談判和各國政府氣候決策發(fā)揮了關(guān)鍵支撐作用。SSPs情景已經(jīng)應(yīng)用于IPCC第五次評估報告[1]。SSP1是可持續(xù)路徑(Sustainability),也是IPCC-SSPs情景中溫室氣體減排最為嚴(yán)格的一種情景。本研究主要使用IPCC-SSP1中典型年份的二氧化碳排放數(shù)據(jù)。

1.5 植被碳匯

根據(jù)最新的國家溫室氣體清單,中國2014年土地利用、土地利用變化與林業(yè)領(lǐng)域的碳匯量約為11.51億t二氧化碳當(dāng)量[30]。結(jié)合已有學(xué)術(shù)研究成果,中國森林植被的碳匯量有可能在2020—2030年左右達(dá)到峰值,之后會呈下降趨勢[31-35]。未來中國森林碳匯潛力可能會受到多重因素的影響,主要包括:①未來依靠新增森林面積的途徑增加森林碳匯潛力有限。全國尚有各類宜林地面積不足5 000萬hm2[36],主要分布在內(nèi)蒙古和西部地區(qū),且大多只適宜營造灌木林。②中國森林當(dāng)前的齡組結(jié)構(gòu)以幼、中齡林為主,處于生長較快速的時期,固碳能力較強。隨著森林的生長,加上嚴(yán)格的森林保護與禁伐措施,未來中國森林齡組結(jié)構(gòu)將趨于老齡化,生長速率下降影響固碳功能[34]。③未來氣候變化的復(fù)雜影響。溫度升高可能導(dǎo)致森林生產(chǎn)力下降,而生長期延長和大氣二氧化碳濃度增加對森林生長有促進作用[35]。火災(zāi)、干旱等風(fēng)險加劇又可能導(dǎo)致森林死亡和固定的碳重新釋放回大氣中。

1.6 空間公平趨同模型

空間公平趨同模型(spatial-equity based emission convergence model,SEECM)基于2018年基準(zhǔn)年CHRED 50 km分部門二氧化碳排放網(wǎng)格,結(jié)合全國總量和分部門排放,實現(xiàn)CAEP-CP 1.1情景下未來不同年份的排放空間化。SEECM模型主要基于2個原則。

(1)國家主義(又稱祖父原則)。現(xiàn)有排放格局有其合理性,按照現(xiàn)有排放格局對未來的溫室氣體排放權(quán)進行管控。祖父原則是《京都議定書》中對具有強制性減排義務(wù)的附件一國家分配減排義務(wù)所采用的方法。在國家主義的指導(dǎo)下,現(xiàn)有排放格局得以維持,降低了減排的社會成本[37-41]。

(2)公平原則(減排能力原則)。能力原則認(rèn)為具有較強負(fù)擔(dān)能力的一方應(yīng)當(dāng)承擔(dān)更多,通常情況下較強負(fù)擔(dān)能力即意味著GDP或收入水平更高[37-42]。1993 年Smith 等[43]建議采用GDP 作為衡量各國減排支付能力的基礎(chǔ),減排責(zé)任份額的比例與GDP的占比成正比,同時設(shè)定一個收入的閾值線,以保障閾值線以下國家的生存發(fā)展需求,依此設(shè)定了排放分配的支付能力方案。本研究按支付能力減排逐步趨同方案[44]。這一方案的單位網(wǎng)格排放量計算方式如下:

式中,ts表示排放分解的起始年份,tcape表示趨同于等比例減排的趨同年份;χcapi,ts為起始年份排放單元i的排放份額,χcapi,te為趨同年份排放單元i的排放份額;χcapi,t為排放單元i在t年所分解得的排放份額,Ecapi,t為其排放絕對量。

考慮到本研究中的分配對象在時間尺度上屬于中長期(2020—2060年),因而可將趨同年份設(shè)定至2070年,以反映碳排放格局從現(xiàn)狀至理想情況逐漸轉(zhuǎn)變的過程。

本研究選定權(quán)重均為0.5,表明在趨同方案中同等程度地考慮兩種公平維度。

2 CAEP-CP 1.1排放路徑分析

2.1 全國排放路徑

CAEP-CP 1.1關(guān)鍵年份數(shù)據(jù)見表1和圖2。2021—2025年:基于中國全口徑地級行政單位2005—2019年二氧化碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[45-47],以“十四五”生態(tài)環(huán)境規(guī)劃前期研究成果為參考,利用中國城市碳排放演化模型[48]和城市標(biāo)桿法,2025年二氧化碳排放量約103億t。

2025—2035年:中國2027—2028年之間預(yù)計增長達(dá)到峰值,IPCC-SSP1情景下二氧化碳峰值為108億t(2020年)。CAEP-CP 1.1情景的達(dá)峰峰值在106 億t左右(2027—2028年);基于國際經(jīng)驗,二氧化碳達(dá)峰后經(jīng)歷5~7年平臺期,同時考慮強化的國家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)(2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右)[50],2030年二氧化碳排放量為105億t。2035—2050年:基于五中全會目標(biāo)(二氧化碳排放穩(wěn)中有降)和縮短達(dá)峰平臺期,二氧化碳排放下降到“十四五”水平,2035年二氧化碳排放量為102億t左右??紤]IPCC-SSP1情景排放和中國進入二氧化碳快速下降階段,2050年二氧化碳排放量約為39億t。

基于CAEP-CP 1.1,參考《中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要2035》(征求意見稿)[54]、《BP世界能源展望》[55]和《2050年世界與中國能源展望》[56]等文件,咨詢相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)<?,明確中國能源消費結(jié)構(gòu)(表2)。

碳中和路徑下,中國在二氧化碳減排上會做出巨大努力和卓絕貢獻(xiàn),CAEP-CP 1.1路徑中,中國2030年排放量比常規(guī)情景(根據(jù)2010—2020年10年排放的趨勢外推)減排5.6億t,2035年排放量比常規(guī)情景減排14.9億t。

2.2 空間排放特征

CAEP-CP 1.1中的中國2030年和2060年排放空間格局見圖3和圖4。2030年的排放格局和IPCC的排放空間格局基本一致。2030年排放總量相比2018年基準(zhǔn)年排放總量略有增加,重點部門排放陸續(xù)達(dá)峰或者已經(jīng)進入平臺期和下降期,2030年排放空間格局與2018年基準(zhǔn)年排放空間格局沒有顯著差異。河北、山東、廣東、長三角等都是排放重點區(qū)域,重點城市和城市群仍然是排放的熱點。

CAEP-CP 1.1中的2060年排放情景相比IPCC排放情景,顯示出了較為顯著的差異。由于CAEP-CP 1.1是基于中國2060年碳中和的目標(biāo),相比IPCC情景碳減排力度更強。2060年排放格局下,中國全國基本實現(xiàn)超低排放,絕大部分區(qū)域(50 km×50 km)排放量都低于100萬t,少量區(qū)域排放量在100~500萬t之間,僅北京和上海(主要由于航空和道路交通排放)的排放量超過500萬t(但低于1 000萬t),而在IPCC的情境下,中國2060年仍有不少區(qū)域排放量超過1 000萬t。

3 結(jié)論與討論

本研究自上而下(基于中國中長期排放和強度目標(biāo)并參考IPCC-SSPs排放情景)和自下而上(基于CHRED 50 km網(wǎng)格的分部門排放)建立中國2020—2060年二氧化碳排放路徑(CAEP-CP 1.1),該路徑體系可以現(xiàn)實全國、分省、分部門的排放路徑分析與情景模擬。CAEP-CP 1.1中,中國2027年左右達(dá)峰,二氧化碳排放峰值為106億t,達(dá)峰后經(jīng)歷5~7年平臺期,2030年二氧化碳排放量為105億t。CAEP-CP 1.1空間格局(50 km)在2030年和IPCC排放情景基本一致,但2060年差異較為顯著,主要由于CAEP-CP 1.1是基于中國2060年碳中和的目標(biāo),相比IPCC情景碳減排力度更強。2060年排放格局下,中國全國基本實現(xiàn)超低排放,絕大部分區(qū)域(50 km×50 km)排放量都低于100萬t,而在IPCC的情境下,中國2060年仍有不少區(qū)域排放量超過1 000萬t以上。CAEP-CP 1.1仍在不斷完善和升級中,當(dāng)前版本(1.1)仍存在諸多不足,例如對未來重點能源布局調(diào)整、新能源的開發(fā)利用和新興技術(shù)突破等考慮不足,后期將繼續(xù)完善和升級迭代,從而更好支撐國家和地方排放達(dá)峰與碳中和研究和決策。

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