研究分享 | LEEEP研究: 华南地区实现碳中和与空气质量双重目标的路径评估

同时实现2060年碳中和目标和空气质量目标是中国各省可持续发展面临的共同挑战。本研究基于多模型（IMED与GAINS）耦合的评估方法，考察了我国南方六个省份实现上述双重目标的成本和效益，捕捉了与区域间经济关联相关的不均衡的空气质量和健康负担。研究发现，实现碳中和可以显著改善空气质量，并产生可观的健康协同效益，然而各省在路径选择上存在很大的异质性。随着末端控制措施的减排潜力减弱，更严格的空气质量标准将越来越依赖于由碳中和目标驱动的能源和经济体系的深刻变革，而碳减排政策将通过重塑贸易结构改变二氧化碳和空气污染物在区域间和部门间的隐含流动，进而更有效地促进减污降碳双重目标的协同实现。此外，省级碳配额分配方式显著影响到GDP损失，进而影响到碳减排政策的净效益。本研究展示了同时实现碳中和和空气质量目标的可行性。决策者在制定区域绿色转型蓝图时，应将空气质量目标与低碳发展目标相结合，实现减污降碳管理的有机结合。

研究成果发表在中国工程院主管期刊《工程管理前沿》（Frontiers of Engineering Management，FEM）上。

本研究建立了一个由IMED|CGE模型、GAINS模型和IMED|HEL模型组成的综合评估框架(图1)。

图1.  综合评估框架

第一步，利用IMED|CGE宏观能源经济模型模拟基准年2017年到目标年2050年期间的社会经济发展、能源消耗和碳排放趋势。

第二步，利用GAINS模型估算空气污染物排放和PM_2.5浓度。IMED/CGE模型的能耗数据通过部门尺度转换传递到GAINS模型，以保持活动水平的一致性。 

第三步，利用IMED|HEL模型评估PM_2.5污染的健康相关经济效益，包括过早死亡对应的统计生命价值(VSL)。

最后，进行成本效益分析。效益包括由IMED|HEL模型计算的人口健康效益，即与基线情景相比，政策情景下所避免的VSL损失。成本为IMED|CGE模型评估的宏观碳减排成本，即碳中和情景与基准情景相比的GDP损失。

本研究从两个维度共建立了八种情景。

在气候政策方面，在IMED|CGE中设置了无碳排放约束的基准情景（BaU）和碳中和情景（Net zero）。BaU情景假设中国将实现其国家自主贡献(NDCs)承诺，碳排放将在2030年左右达到峰值。碳中和情景的目标是到2060年实现碳中和，并假设与BaU情景相比，电力替代的速度将更快，技术进步水平更高。预计在碳中和情景下，到2060年我国的碳汇和负排放总量将达到30亿吨，因此将2060年的全国碳排放限额设定在30亿吨，并通过人均碳排放趋同的方式分配到华南六省。

在空气污染物的末端控制方面，本研究考虑了三种不同程度的空气污染物控制水平，包括延续当前控制水平（CLE）、以最小控制成本实现PM_2.5浓度目标（POLICY）、以及最大技术可行减排控制水平（MTFR）。 

表1. 情景设置

表2. POLICY情景下PM2.5浓度控制目标（单位：μg/m3）

如图2所示，在BaU情景下，六个省份的人均GDP都将持续增加。到2050年，广东、江西、湖南、福建、广西、海南的人均GDP将分别是2017年的3.9倍、4.4倍、4.0倍、3.9倍、3.5倍和6.0倍。随着经济发展，到2030年，这六省对一次化石能源的需求也将比2017年分别增长25.2%、21.6%、15.4%、27.3%、41.8%和46.5%。碳排放量也将呈现类似的增长趋势，分别增长24.4%、22.2%、21.1%、28.4%、36.4%和20.6%。其中，广东的碳排放量最高，其次是湖南、福建、广西、江西和海南。 

随着能源结构的转型，2030-2050年各省对化石燃料的需求和碳排放将逐步下降，而用电量将持续增加。在碳中和情景下，与BaU情景相比，六个省份的化石燃料需求、碳排放和碳强度都将进一步减少。其中，2050年广西、福建、广东、湖南、江西和海南的碳排放量分别降低26.6%、40.2%、24.4%、21.8%、17.9%和9.8%。除海南外，各地区化石燃料需求分别下降20.7%、39.3%、31.5%和23.0%。

图2. 华南地区能源、环境、经济变化趋势

在碳中和情景下，六个省份的能源消费均呈现先增长后下降的趋势，碳中和目标的实现将显著改变其能源结构，如图3所示。在碳中和情景下，预计福建、江西、湖南、广东、广西和海南的一次化石燃料消费将分别在2040年、2050年、2035年、2045年、2035年和2035年达到峰值。此外，与BaU情景相比，2050年福建、江西、湖南、广东、广西和海南的最终能源总需求预计将分别下降22.6%、11.3%、16.8%、17.7%、21.5%和15.8%，煤炭比例预计将分别下降4.5%、2.0%、7.6%、2.6%、5.5%和0.2%。

图3. 各省不同情景下的最终能源需求

为实现碳中和目标，到2050年，福建、江西、湖南、广东、广西和海南的二氧化碳减排量需要分别达到8550万吨、3100万吨、5700万吨、17980万吨、5930万吨和360万吨 (图4(b))。到2050年，由于产业结构的差异，对碳减排贡献最大的行业将因省而异，福建、江西、广西为电力和金属冶炼部门，湖南为居民和制造业部门，海南为电力和交通运输部门。

图4. 2017-2050年BaU情景CO₂排放量(a)和2050年碳中和情景与BaU相比的CO₂排放量变化(b) 

在当前末端控制水平控制CLE(图5a-5b)下，大气污染物排放可以得到有效控制。然而，在大多数省份，这还不足以实现空气质量控制目标。要达到空气质量目标，必须大幅减少空气污染物的排放。大气污染物的优先控制部门因地区、污染物有所不同。

图5. 2025年、2035年和2050年BaU_CLE (a)和Net zero_CLE (b)的空气污染物排放量，以及BaU_POLICY中与BaU_CLE (c)和Net zero_POLICY中与Net zero_CLE(d)相比的空气污染物减排量

另外，研究结果部分的3.4和3.5节还分别讨论了区域间经济和环境联系以及成本效益分析。

本研究采用综合评估框架评估了实现碳中和和空气质量目标的成本效益。研究结果表明，如果没有进一步的气候减缓政策和加强末端控制措施(BaU_CLE)，到2050年，这6个省份的CO₂排放量将与2017年持平，PM_2.5污染也几乎没有改善。相反，当实现碳中和目标时，即使不加强末端控制措施，在Net Zero_CLE情景下2050年PM_2.5比BaU_CLE情景可进一步减少4.4 ~ 10.5μg/m³(29.3%~43.9%)，人群健康协同效益可达51-947亿美元，其中江西和湖南两省净效益为正。

研究的主要结论如下：（1）由于产业结构和能源结构的差异，各省碳减排的关键部门存在差异。在福建、江西和广西，发电和金属冶炼是关键行业，而在湖南是居民和制造业，在海南是发电和交通业。（2）碳中和对实现空气质量目标的贡献程度因地区而异。通过实现碳中和目标，福建、广西、海南和湖南可以在2035年实现其空气质量目标，从而在减少污染和碳排放方面产生显著的协同效益。与2050年BaU_CLE情景相比，即使在Net zero_CLE情景下，福建、江西、湖南、广东、广西和海南的PM2.5浓度也可分别减少6.6、7.9、10.5、9.7、9.9和4.4μg/m³。然而，在2050年Net Zero_MTFR情景下，福建尚不能实现空气质量目标，末端控制的减排空间有限。（3）碳减排政策将重塑贸易结构，改变隐含CO₂和空气污染物的隐含流动。在碳中和情景下，广东省可以通过调整省际贸易减少经济损失和污染向外省转移。湖南、江西等处于产业链中低端的省份可以加大能源密集型产业的省际转移，这也将加大减排压力。（4）外向型经济对气候政策冲击的适应能力更强，可以通过增加低碳产品的省际调出与出口来降低气候政策冲击对经济的负面影响。此外，省级碳配额显著影响碳减排的成本效益比。净收益对GDP损失更为敏感，而GDP损失则对各省的碳配额分配较为敏感。 

总而言之，实现碳中和将显著改善空气质量，并带来人群健康效益。然而，末端控制措施潜力有限，难以进一步满足严格的空气质量标准，因此需要对能源和经济系统进一步优化。在我国南方地区，同时实现CO₂减排和改善空气质量的目标是可行的。此外，碳中和目标可以降低空气污染物控制的成本。因此，决策者在制定区域绿色转型计划时，应将空气质量目标与低碳发展目标结合起来，从而协同实现空气质量和碳减排双重目标。 

《工程管理前沿》（Frontiers of Engineering Management，FEM）于2014年创刊，是由中国工程院主管，中国工程院、高等教育出版社、清华大学和华中科技大学联合主办，致力于促进工程管理理论发展、实践优化、人才培养，为管理学与工程管理学科科研与教学工作者、工程管理机构理论与实践工作者、工程管理一线实践工作者提供高品质国际交流平台的全英文季刊。2023年影响因子(IF)为：9.1，JCR分区Q1。

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编辑 & 排版：王   鑫

审核：戴瀚程、刘晓瑞