黑炭的全球排放和大氣遷移及其暴露風(fēng)險(xiǎn)和輻射強(qiáng)迫評(píng)估.pdf

1、黑炭(Black carbon, BC)是含碳燃料在不完全燃燒過(guò)程中生成的一種氣溶膠組分,由于其在全球氣候變化和區(qū)域空氣質(zhì)量中的雙重作用,黑炭的氣候效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為全球大氣科學(xué)的一個(gè)最受關(guān)注的研究領(lǐng)域,其評(píng)估結(jié)果是聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告和世界健康組織全球健康評(píng)估報(bào)告的主要關(guān)注點(diǎn)之一。本研究結(jié)合最新黑炭研究的需求,從全球黑炭氣候效應(yīng)和健康影響評(píng)估的基礎(chǔ)出發(fā),重新建立了黑炭的全球排放清單,其中,特別針對(duì)清單估算的

2、兩個(gè)核心內(nèi)容,即全球燃料源數(shù)據(jù)和不同活動(dòng)的黑炭排放因子數(shù)據(jù),總結(jié)了過(guò)去清單中這兩個(gè)因素的不足,并進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn),提高了全球燃燒源數(shù)據(jù)的空間分辨率,同時(shí)研究了黑炭排放因子的時(shí)空變化,在此基礎(chǔ)上,建立了高分辨10 km×10 km的北京大學(xué)全球燃燒源清單PKU-FUEL-2007、二氧化碳清單PKU-CO2-2007、黑炭清單PKU-BC-2007。在新排放清單的基礎(chǔ)上,應(yīng)用了全球尺度的大氣氣溶膠傳輸模型LMDZ-INCA(Laborato

3、ire de Météorologie Dynamique and Interactions between Aerosols and Chemistry),對(duì)全球和亞洲區(qū)域尺度的黑炭大氣遷移和時(shí)空分布進(jìn)行模擬和評(píng)估,進(jìn)而估算了全球范圍的黑炭通過(guò)呼吸暴露被人體攝入量,以及黑炭的直接輻射強(qiáng)迫。同時(shí),還自主開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于軌跡計(jì)算的全球黑炭遷移概率模型,計(jì)算了北極地區(qū)大氣中黑炭的空間來(lái)源。本研究填補(bǔ)了我國(guó)在全球燃料源數(shù)據(jù)庫(kù)和黑炭排放清單研究的

4、空白。
　　結(jié)果表明,通過(guò)亞國(guó)家插值方法得到的2007年全球高分辨(0.1°×0.1°)燃燒源清單(PKU-FUEL-2007),可以顯著地降低燃燒源數(shù)據(jù)在空間分布上不確定性。例如在墨西哥、歐洲、中國(guó)和美國(guó),由于PKU-FUEL-2007使用了縣級(jí)別的數(shù)據(jù)和插值方法,當(dāng)將其與使用國(guó)家人口插值的清單相比時(shí),可以發(fā)現(xiàn),新清單在柵格驚訝上可以消除的系統(tǒng)誤差分別為80％、72%、61%和53%。新燃燒源清單與國(guó)外開(kāi)發(fā)的另外一個(gè)應(yīng)用于全球尺

5、度的ODIAC清單相比,可以更準(zhǔn)確地識(shí)別農(nóng)村地區(qū)的能源消耗以及相應(yīng)的二氧化碳排放,而與美國(guó)區(qū)域尺度高分辨的VULCAN清單相比,新清單與其有較高的吻合度。
　　根據(jù)全球高分辨(0.1°×0.1°)黑炭排放清單PKU-BC-2007,2007年全球64種燃料源向大氣中排放的黑炭總量為8895千噸,其中亞洲排放3700千噸/年,占全球排放比例為42%,非洲、南美、歐洲、北美和大洋洲分別貢獻(xiàn)了全球總排放的24%、13.2%、8.5%、6

6、.3%和2.0%。中國(guó)、巴西、印度的排放量排名第一、第二和第三,分別為1992、805和630千噸/年,美國(guó)排放量為330 Gg/y,排名第四,尼日利亞、印度尼西亞、剛果、俄羅斯、安哥拉分列第5到10位。全球排放總量中,民用煤和生物質(zhì)燃料燃燒是黑炭排放的最重要來(lái)源,對(duì)全球黑炭排放的貢獻(xiàn)為32%,其次是柴油機(jī)動(dòng)車、草原火災(zāi)、工業(yè)制磚、去森林化火災(zāi)等。
　　中國(guó)是全球最重要的黑炭排放國(guó),民用煤和生物質(zhì)燃料燃燒是最主要的黑炭排放源,貢獻(xiàn)

7、了中國(guó)排放總量的50%,其次是工業(yè)活動(dòng)、交通運(yùn)輸,分別貢獻(xiàn)了33%和10%。在空間分布上,東部的排放高于西部,排放密度較高的地區(qū)包括華北平原、渭河平原、四川盆地、貴州高原和東北平原。在動(dòng)態(tài)趨勢(shì)上,上世紀(jì)九十年代中期之前,是中國(guó)黑炭排放高速增長(zhǎng)的階段,隨后由于國(guó)家調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高工業(yè)除塵效率、積極控制工業(yè)土焦,中國(guó)黑炭排放已經(jīng)處于穩(wěn)定和略有下降的階段,在未來(lái)的幾十年內(nèi),機(jī)動(dòng)車的持續(xù)增長(zhǎng)是可能導(dǎo)致中國(guó)黑炭排放增加的主要因素,控制機(jī)動(dòng)車數(shù)量

8、、提高機(jī)動(dòng)車的排放標(biāo)準(zhǔn)、使用清潔燃料替代傳統(tǒng)煤和生物質(zhì)燃料,是未來(lái)控制中國(guó)黑炭排放最有效的措施。
　　本研究將全球大氣氣溶膠模型的模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行了比較驗(yàn)證,包括黑炭地表濃度的時(shí)空分布和黑炭的吸光光學(xué)厚度,并比較了不同清單、不同分辨模型對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的影響,結(jié)果表明,使用高分辨的INCA-zA模型,并結(jié)合本研究得到的PKU-BC-2007排放清單,可以得到最佳的模型驗(yàn)證,特別是對(duì)高濃度地區(qū)的模擬,相比于以往研究的低估有顯著的改

9、進(jìn),同時(shí),對(duì)黑炭地表濃度的季節(jié)變化、黑炭濃度的垂直分布,都取得比較好的模擬結(jié)果,與實(shí)測(cè)的分布趨勢(shì)較好吻合。
　　本研究建立的基于軌跡的全球黑炭遷移概率模型TrajP-BC,可以成功模擬在北極Alert站點(diǎn)上觀測(cè)的黑炭濃度及其季節(jié)變化,根據(jù)源貢獻(xiàn)函數(shù),在該站點(diǎn)冬季和春季的黑炭濃度較高,夏季和秋季濃度較低,其季節(jié)變化主要是由大氣環(huán)境中OH自由基濃度、降雨降雪類型、以及大氣傳輸氣象條件等控制。Alert站點(diǎn)上黑炭的主要來(lái)源主要是北半球中

10、緯度和中高緯度的排放源區(qū),包括歐洲北部俄羅斯、挪威和芬蘭、北美東部五大湖地區(qū)和西部的沿海城市地區(qū),以及較遠(yuǎn)的中國(guó)華北平原、日本和韓國(guó),其排放的黑炭在春季有相當(dāng)高的概率可以傳輸?shù)竭_(dá)北極。
　　根據(jù)高分辨清單和模型的模擬結(jié)果,全球大氣層頂黑炭的直接輻射強(qiáng)迫為0.39 W/m2,比使用以往清單的估算結(jié)果增加了0.05 W/m2,本研究與IPCC第四次評(píng)估報(bào)告中報(bào)道的結(jié)果相比略有升高。在空間分布上,本研究的結(jié)果可以得到比過(guò)去研究更高分辨率

11、的結(jié)果,成功模擬出亞洲地區(qū)的輻射強(qiáng)迫的熱點(diǎn)地區(qū)。全球黑炭直接輻射強(qiáng)迫最高的地區(qū)是中國(guó)的四川盆地,原因是該地區(qū)有密集的民用煤和生物質(zhì)燃料燃燒源,同時(shí),由于擴(kuò)散條件較弱,黑炭容易累積;黑炭直接輻射強(qiáng)迫次高的地區(qū)是中國(guó)的華北平原、云貴高原、以及印度的恒河三角洲,也與當(dāng)?shù)氐母吲欧庞嘘P(guān)。
　　為評(píng)估黑炭對(duì)健康的影響,本研究估算了人群終生室外暴露攝入的黑炭量(lifetime average daily intake),全球2007年室外暴露

12、攝入的黑炭量前十位的國(guó)家分別為中國(guó)(132 ng/kg/day)、孟加拉(123 ng/kg/day)、巴基斯坦(87 ng/kg/day)、印度(81 ng/kg/day)、尼泊爾(80 ng/kg/day)、越南(79 ng/kg/day)、不丹(75 ng/kg/day)、朝鮮(70 ng/kg/day)、柬埔寨(66 ng/kg/day)、和尼日利亞(51 ng/kg/day),雖然目前由于缺乏黑炭的劑量響應(yīng)關(guān)系,但是可以預(yù)測(cè)這

13、些發(fā)展中國(guó)家是全球的黑炭暴露高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。黑炭暴露量的結(jié)果主要是受排放與人口的關(guān)系影響,根據(jù)本研究的高分辨清單和模型,證明了高人口的地區(qū)往往對(duì)應(yīng)高排放和較高的黑炭暴露濃度,使得人群的暴露量顯著增加。
　　最后,根據(jù)對(duì)未來(lái)黑炭排放的預(yù)測(cè),在未來(lái)20年里,如果不采取任何黑炭的減排措施,2030年黑炭的排放量會(huì)在2007年的基礎(chǔ)上增加30%,其在大氣層頂?shù)娜蛑苯虞椛鋸?qiáng)迫值會(huì)達(dá)到0.48 W/m2,但如果能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的最高減排目標(biāo),全球黑

14、炭直接輻射強(qiáng)迫值會(huì)降到0.21 W/m2。在減排過(guò)程中,使用沼氣替代民用生物質(zhì)、使用天然氣替代民用原煤、使用型煤替代民用原煤是最有效的減排措施,相比,在發(fā)達(dá)國(guó)家提高工業(yè)和農(nóng)業(yè)柴油機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)、控制機(jī)動(dòng)車排放、控制機(jī)焦排放是減排效率最低的三個(gè)方案,可以看到,由于發(fā)達(dá)國(guó)家的各種燃燒技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn),在其目前的基礎(chǔ)上如果繼續(xù)減排黑炭排放,難度較大,而通過(guò)發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家共同努力,在發(fā)展中國(guó)家減排黑炭,將是全球應(yīng)對(duì)氣候變化和提高區(qū)域空間質(zhì)