黑炭的全球排放和大氣遷移及其暴露風(fēng)險和輻射強迫評估.pdf

1、黑炭(Black carbon, BC)是含碳燃料在不完全燃燒過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)險已經(jīng)成為全球大氣科學(xué)的一個最受關(guān)注的研究領(lǐng)域,其評估結(jié)果是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告和世界健康組織全球健康評估報告的主要關(guān)注點之一。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,特別針對清單估算的

2、兩個核心內(nèi)容,即全球燃料源數(shù)據(jù)和不同活動的黑炭排放因子數(shù)據(jù),總結(jié)了過去清單中這兩個因素的不足,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,同時研究了黑炭排放因子的時空變化,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),對全球和亞洲區(qū)域尺度的黑炭大氣遷移和時空分布進(jìn)行模擬和評估,進(jìn)而估算了全球范圍的黑炭通過呼吸暴露被人體攝入量,以及黑炭的直接輻射強迫。同時,還自主開發(fā)了一個基于軌跡計算的全球黑炭遷移概率模型,計算了北極地區(qū)大氣中黑炭的空間來源。本研究填補了我國在全球燃料源數(shù)據(jù)庫和黑炭排放清單研究的

4、空白。
　　結(jié)果表明,通過亞國家插值方法得到的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、中國和美國,由于PKU-FUEL-2007使用了縣級別的數(shù)據(jù)和插值方法,當(dāng)將其與使用國家人口插值的清單相比時,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%。新燃燒源清單與國外開發(fā)的另外一個應(yīng)用于全球尺

5、度的ODIAC清單相比,可以更準(zhǔn)確地識別農(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、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源,對全球黑炭排放的貢獻(xiàn)為32%,其次是柴油機動車、草原火災(zāi)、工業(yè)制磚、去森林化火災(zāi)等。
　　中國是全球最重要的黑炭排放國,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、了中國排放總量的50%,其次是工業(yè)活動、交通運輸,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。在動態(tài)趨勢上,上世紀(jì)九十年代中期之前,是中國黑炭排放高速增長的階段,隨后由于國家調(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,中國黑炭排放已經(jīng)處于穩(wěn)定和略有下降的階段,在未來的幾十年內(nèi),機動車的持續(xù)增長是可能導(dǎo)致中國黑炭排放增加的主要因素,控制機動車數(shù)量

8、、提高機動車的排放標(biāo)準(zhǔn)、使用清潔燃料替代傳統(tǒng)煤和生物質(zhì)燃料,是未來控制中國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)果和實際觀測值進(jìn)行了比較驗證,包括黑炭地表濃度的時空分布和黑炭的吸光光學(xué)厚度,并比較了不同清單、不同分辨模型對驗證結(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證,特別是對高濃度地區(qū)的模擬,相比于以往研究的低估有顯著的改

9、進(jìn),同時,對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,與實測的分布趨勢較好吻合。
　　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站點上觀測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站點上黑炭的主要來源主要是北半球中

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)的中國華北平原、日本和韓國,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第四次評估報告中報道的結(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)的輻射強迫的熱點地區(qū)。全球黑炭直接輻射強迫最高的地區(qū)是中國的四川盆地,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,由于擴散條件較弱,黑炭容易累積;黑炭直接輻射強迫次高的地區(qū)是中國的華北平原、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)。
　　為評估黑炭對健康的影響,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家分別為中國(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)測這

13、些發(fā)展中國家是全球的黑炭暴露高風(fēng)險地區(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)對未來黑炭排放的預(yù)測,在未來20年里,如果不采取任何黑炭的減排措施,2030年黑炭的排放量會在2007年的基礎(chǔ)上增加30%,其在大氣層頂?shù)娜蛑苯虞椛鋸娖戎禃_(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、炭直接輻射強迫值會降到0.21 W/m2。在減排過程中,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)國家提高工業(yè)和農(nóng)業(yè)柴油機械的排放標(biāo)準(zhǔn)、控制機動車排放、控制機焦排放是減排效率最低的三個方案,可以看到,由于發(fā)達(dá)國家的各種燃燒技術(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,而通過發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家共同努力,在發(fā)展中國家減排黑炭,將是全球應(yīng)對氣候變化和提高區(qū)域空間質(zhì)