“黑碳的農業與生活源排放對東亞氣候、空氣質量的影響及其氣候－健康效益評估”項目研究計劃簡介

丁德平孔少飛朱彬張小玲趙德龍盛久江

(1 北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089； 2 中國地質大學（武漢），武漢 430074；3 南京信息工程大學，南京 210044；4 京津冀環境氣象預報預警中心，北京 100089；5 成都信息工程大學，成都 620225）

“黑碳的農業與生活源排放對東亞氣候、空氣質量的影響及其氣候－健康效益評估”項目研究計劃簡介

丁德平1孔少飛2朱彬3張小玲4，5趙德龍1盛久江1

(1 北京市人工影響天氣辦公室，北京 100089； 2 中國地質大學（武漢），武漢 430074；3 南京信息工程大學，南京 210044；4 京津冀環境氣象預報預警中心，北京 100089；5 成都信息工程大學，成都 620225）

介紹了2016年國家重點研發計劃“全球變化及應對”方向中“黑碳的農業與生活源排放對東亞氣候、空氣質量的影響及其氣候－健康效益評估”項目的科學背景、研究設想和實施方案等內容。

黑碳，飛機觀測，排放源，氣候－健康效益

0 引言

黑碳（BC）氣溶膠對全球氣候變化、區域空氣質量和人體健康的影響已經成為當前大氣科學研究的一個熱點領域。黑碳的輻射強迫僅次于二氧化碳；其在中國重污染事件發生、發展過程中會抑制大氣邊界層的擴散，從而加重污染；在細顆粒物的化學成分中，BC對于心血管健康的影響最為顯著。農業和生活源燃料燃燒是黑碳的最重要排放源，尤其是在發展中國家，是空氣污染嚴重和人群暴露健康風險較高的地區。黑碳作為當前影響全球變暖的重要短壽命氣候強迫因子，對其制定減排措施，對緩解全球變暖意義重大。

首先，黑碳排放清單是黑碳氣候、環境和健康效應模擬的基礎，至今已有全球、區域、國家和城市尺度的多個黑碳排放清單，關注的農業和生活源包括農作物殘留燃燒、農業機械、民用燃煤、民用生物質燃料等類。在農業和生活源黑碳排放清單構建中，更多的源類需要予以考慮，排放因子也需要基于統一的方法（稀釋通道采樣）進行建立和更新。如餐飲油煙，煙花爆竹燃放，燒烤活動，寺廟焚香、祭祀活動，烤煙生產，香煙煙霧，熏烤臘肉，天然氣、煤氣、沼氣燃燒，青藏高原和草原地區牛糞燃燒等特色農業和生活源黑碳排放因子實測缺乏，在中國很多未見報道。高原地區低壓低氧和高寒地區冬季低溫環境的燃燒黑碳排放也需要予以考慮。黑碳排放過程中粒徑分布、吸收系數、混合狀態等也日益引起重視，測試方法也由濾膜采樣向不同燃燒階段黑碳濃度的實時在線監測轉變。

1 國內外研究進展

近年來隨著監測手段的發展，國外已有研究基于飛機平臺和單顆粒黑碳光度計（SP2）獲得黑碳的垂直分布、混合狀態、粒徑分布和光學特征等[1]，但是我國對黑碳的大量觀測研究基本上完全限于地面，高分辨率穩定的空中垂直觀測研究尤其缺少。

另外，目前對于源排放黑碳老化特性的研究主要集中在機動車尾氣以及生物質燃燒方面，重點關注黑碳的粒徑分布、混合狀態及其氣候效應研究；對于排放清單的構建所用排放因子大多為發達國家測試結果[2-3]，在廣大發展中國家實測仍顯不足。Peng等[4]首次發現并定量了在不同城市環境條件下黑碳性質變化的時間尺度，如在較為污染的北京，黑碳只需要2～3小時性質即發生變化。本研究將針對現有清單，將關注的農業和生活源類擴大到13類，很多具有中國和區域特色；同時充分考慮不同大氣環境條件下燃料燃燒特性及老化特性不同導致的黑碳排放特征不同，基于稀釋通道采樣系統，實測13類源黑碳排放因子；結合人口、土地利用類型、遙感影響解譯等多種手段，建立排放清單，并對其進行空間分配。

現在針對黑碳的環境與氣候效應在觀測和數值模擬方面開展了大量的研究[5-7]，觀測上主要關注黑碳的時空分布、混合狀態、光學性質及其對輻射、溫度的影響；數值模擬上，主要討論BC的直接和間接效應對能見度、邊界層、天氣的影響以及與季風等氣候尺度特征的相互作用。本研究基于黑碳立體觀測及對其輻射特性的深入認識，揭示不同地區和行業黑碳對空氣質量和氣候因子變化的定量貢獻；闡明東亞季風背景下黑碳對季風進程從候、旬、月、季節到年際多尺度變化的影響。

對于黑碳健康效應評估，現今國內外研究主要采用時間序列方法和流行病學方法研究黑碳的暴露閾值與人體健康的關系，并且表明黑碳的毒性可能比細顆粒物的毒性更強，但結果仍存在很大的不確定性[8]；同時開展了黑碳的氣候效應及其對經濟、社會、環境的影響。本課題將比較系統地研究在東亞高濃度排放背景下黑碳與人群的暴露-反應關系，特別是黑碳、細顆粒物污染以及極端氣象條件對健康影響的協同效應，建立定量評估方法，提出最優減排策略。

2 項目的研究目標和內容

本項目的研究目標為：1）獲得典型農業及生活源主導環境中黑碳氣溶膠粒徑分布、混合狀態、光學性質的時空分布和垂直廓線；2）通過實測建立農業和生活源黑碳排放因子數據庫，建立2013年具有月變化特征的全球農業和生活源黑碳排放清單（0.1°×0.1°）和中國1km×1km黑碳排放清單；3）模擬全球各區域黑碳濃度及其來源，闡明黑碳的直接、半直接、間接效應和冰雪反照效應對東亞季風的多尺度影響機制，揭示重點地區黑碳與氣象要素的反饋關系以及黑碳對空氣質量的作用機制；4）定量討論黑碳減排的氣候－健康等的費效關系，提出合理、可持續的減排策略。

主要研究內容：1）高時空分辨率的全球農業與生活源黑碳排放清單構建和評估。排放因子實測：將農業和生活源擴大到農業秸稈露天燃燒和烤煙生產，生活源擴大到室內民用燃料（蜂窩煤、塊煤、生物質燃料、天然氣和液化石油氣、青藏高原地區牛糞）、烹調油煙、煙花爆竹燃放、路邊燒烤、典型時段和區域特色生活源（如湖北、湖南、四川、廣東、河南等地臘肉制作，寺廟焚香和祭祀）等。針對不同區域不同類型農業與生活源燃料，設計不同燃料類型和爐型的組合，采用室內模擬燃燒和稀釋通道采樣技術，對各種組合排放出的煙氣進行稀釋后采樣，獲得有代表性的排放因子；針對烹調油煙、煙花爆竹燃放、路邊燒烤和特色生活源，搭建燃燒室，在實驗室模擬不同類型食用油煎炸炒等過程，采用稀釋通道，對其排放因子進行實測。同時選擇高原和平原、北方和南方典型農村地區開展外場實測，基于碳平衡方法等獲得不同海拔高度和不同溫度條件下各類燃燒源黑碳排放因子。全球黑碳源排放清單構建和評估：搜集整理有季節變化特性的源活動水平數據，結合實測排放因子，基于“自下而上”方法，建立2013年分季節的高空間分辨率的全球農業及生活源黑碳氣溶膠排放清單，采用蒙特卡羅模擬，對排放清單的不確定性進行分析。結合典型農村點位黑碳在線、離線觀測數據和數值模擬，對排放清單的準確性進行評估。2）不同大氣環境條件下典型源排放黑碳老化識別。基于室內模擬燃燒和稀釋通道，結合煙霧箱模擬實驗，設置不同氣象條件（溫度、濕度、光強）和氣態污染物濃度（SO2、NH3），對不同源排放黑碳進入到不同大氣環境后的粒徑、混合狀態、包裹層厚度、吸收系數等進行觀測，識別其參與的非均相反應機制，及對其光學性質的影響。3）農業及生活源主導環境中黑碳氣溶膠綜合立體觀測及老化機制。采用空中國王350ER型飛機觀測平臺等飛機航測手段（飛行高度高度為10000m以下），搭載SP2、氣溶膠質譜、氣體、輻射儀等設備，對典型城市和鄉村區域（以華北區域為重點）黑碳理化、光學及混合狀態等參數的尺度分布和垂直分布進行綜合觀測。地面觀測采用SP2、氣體和氣溶膠質譜等化學成分在線監測儀器，對華北某農村點位黑碳進行連續1年的觀測，分析黑碳濃度的日、月、季節變化特征，及混合狀態、包裹狀態等參數，探討及老化機制。采用濾膜采樣，在華北、華東、華中、東北、西北、西南等典型城市和鄉村同步進行一年分季節觀測，獲得我國典型城市和鄉村地區碳氣溶膠時空分布數據。采用探空氣球和無人機，搭載AE-51便攜式黑碳監測儀，對華北、華東、華中等地大氣邊界層內黑碳氣溶膠濃度進行垂直探空觀測，獲得邊界層內黑碳氣溶膠濃度的垂直分布特征。結合綜合立體觀測數據，分析黑碳氣溶膠與氣態污染物、氣象因子等的相互關系，探討可能的老化非均相和光化學反應機制。4）黑碳對氣候、環境影響的模擬及機制研究。結合典型區域黑碳氣溶膠理化特性（含光學）、混合狀態等數據，建立更加真實的非球形黑碳模型，利用數值模擬得到更加精確的黑碳及其老化后的光學特性。基于綜合立體觀測結果，結合氣象資料，綜合分析灰霾天氣形成過程中黑碳氣溶膠三維空間分布與天氣條件關系。基于WRF-Chem污染物與氣象要素反饋機制，模擬研究黑碳與氣象要素的反饋影響，探討黑碳對空氣污染加劇的影響機制。利用WRF-Chem數值模型，構建多個黑碳氣溶膠排放情景，研究不同區域、不同污染源排放黑碳顆粒物對大氣環境、能見度的影響；同時探索不同情景下黑碳氣溶膠對灰霾形成過程和機理的影響。利用地球系統模式CESM，對比分析全球黑碳高值區（東亞和南亞）農業及生活源黑碳的直接、半直接和間接效應，以及冰雪反照效應。研究亞洲季風背景下，黑碳對東亞季風從次季節（候、旬、月）、季節、年際至年代際的多尺度影響機制。5）黑碳減排策略及氣候－健康效益評估。針對農業與生活源，設定其減排措施包括清潔燃料取代居民做飯用煤、型煤取代原煤、清潔燃料取代秸稈和居民做飯薪柴、高效節能爐具推廣、農業機械安裝柴油微粒濾清器等5種措施，考慮不同的實施強度，設定低力度減排、中力度減排和高力度減排三種減排情景，更新不同減排情景下的黑碳排放清單，估算減排的成本。以典型城市為例，建立定量評估黑碳對居民健康影響的方法；獲得黑碳與居民健康效應之間的一些定量關系；利用經濟學方法結合獲得的暴露-響應關系，估算黑碳的健康和經濟損失；建立黑碳等污染物健康效應預測和評估平臺。基于此，估算黑碳減排的收益。基于上述成本收益分析，提出農業與生活源黑碳減排的最佳策略。

3 預期成果和社會效益

通過本項目的實施，預期可以解決黑碳排放及其氣候環境健康效益模擬相關的幾個關鍵問題，包括農業和生活源黑碳排放因子缺乏，尤其是發展中國家，且排放因子沒有基于統一的測試方法，不同燃燒環境下如高原地區低壓低氧和高寒地區冬季低溫環境的燃燒黑碳排放與平原地區和熱帶、亞熱帶地區的差異未見分析，以及跟黑碳氣候環境效應相關的粒徑分布、吸收系數、混合狀態等參數在源排放測試中較少被提及；黑碳排放后對氣候和環境效應評估中亟須黑碳在大氣環境中老化后的混合狀態、光學性質等參數；同時缺少中國等高濃度排放地區長時間序列監測和垂直廓線數據，以及黑碳氣溶膠的區域和行業來源及其在次季節尺度上的氣候效應；缺乏黑碳的長時間序列和高濃度環境下黑碳的人體暴露實驗及健康效應以及大氣環境濃度與人體暴露濃度的誤差校正系數和不同地區和人群的黑碳劑量響應關系，氣象條件（低溫、高濕、劇烈溫差變化）和黑碳對心肺疾病人群的影響的交互作用和協同效應尚不清楚。

上述科學問題的解決，可為我國科學家識別黑碳的高濃度排放特征，及其在高濃度排放條件下的老化機制、氣候、健康效應，提升我國科學家在黑碳領域的話語權。同時本項目所獲得的第一手中國地區黑碳氣溶膠源排放因子、時空分布、垂直分布，將為更新黑碳排放清單，識別黑碳老化機制，評估其氣候和環境健康效應提供可靠的數據支撐和方法支持，相關研究結果也可直接為國家氣候和環境外交談判提供科學依據。同時黑碳的減排對于緩解當前我國嚴峻的大氣污染形勢和降低人群健康暴露風險也將起到重要的作用。

同時農業與生活源黑碳的減排意味著大量一次污染物如SO2、NOx、VOCs、有毒有害組分（重金屬、多環芳烴）等多種污染物的同時減排，可有效降低農業與農村環境中各種污染物的排放，進而減少各種有毒有害組分在生態系統中各部分的沉降，對于農業生態系統中土壤環境、水體環境等的改善也將起到積極的推動作用。

4 創新性

1）中國農業和生活源主導環境中黑碳氣溶膠的時空分布和垂直分布特征

首次在我國開展黑碳綜合立體監測平臺，獲得我國黑碳的時空分布和垂直。采用最新型黑碳觀測儀器SP2、光學性質觀測儀器（光聲黑碳儀PSAP、濁度計）、氣溶膠質譜（AMS）、氣態污染物觀測儀器（SO2、NOx、NH3、O3、CO）、沉降缸等，基于飛機航測、系留飛艇探空觀測和典型區域地面觀測，首次系統研究中國典型區域黑碳氣溶膠的空間分布、垂直分布、長時間序列時間變化，獲得不同區域不同時間和不同空間的黑碳氣溶膠質量濃度、粒徑分布、混合狀態、吸收系數、單次反照率等，獲得典型區域黑碳的干濕沉降速率，為黑碳健康和氣候效應評估和驗證提供直接的監測數據。

2）黑碳農業與生活源類完善和不同源黑碳排放因子、物理、光學性質實測

現有黑碳排放清單涵蓋的源類只包括農作物殘留燃燒、農業機械、民用燃煤、民用生物質燃料等幾類，很多生活源如天然氣、煤氣和沼氣燃燒，餐飲油煙，煙花爆竹燃放，燒烤過程，寺廟焚香、祭祀活動，烤煙生產、香煙煙霧、熏烤臘肉，青藏高原和草原地區牛糞燃燒等特色生活源黑碳排放因子缺乏，相應的清單在中國未見報道，在全球范圍內的排放因子實測也很少見。現有黑碳排放因子實測很多未考慮稀釋采樣和區域燃燒環境的差異，如高原地區低壓低氧和高寒地區冬季低溫的環境下的測試。源排放黑碳的物理和光學性質較少被關注，如吸收系數、粒徑分布、混合狀態等。

3）黑碳農業與生活源類排放清單插值方法改進

現有黑碳排放清單在空間插值過程中均采用人口數據，其前提是人均能耗一致，這與實際情況不一致，尤其是面積較大的國家（如美國、中國）等。為此本項目課題2基于5m空間分辨率遙感影像獲得中國平房的空間分布，提取出平房面積，并通過典型區域實地調研，獲取平房面積、戶數和能源消耗量的信息，建立平房面積、農村人口數量和能源消耗的相關關系。以糾正后的農村人口—能源消耗和平房面積—能源消耗為插值依據，對排放清單進行網格化處理，比較兩種插值方法的差異。

4）區分地域和行業來源的黑碳大氣環境效應和氣候效應

由于污染物從其源到受體在大氣中要經歷復雜的物理化學變化，其產生的環境和氣候效應與其濃度之間的關系具有高度的非線性，因而以往空氣質量模式和氣候模式研究中采用的特定源關閉法或擾動法并不能很好地區分某地污染的區域來源和行業來源，也不能區分特定源的復雜氣候效應。本研究擬將自主開發的黑碳區域來源和行業來源的在線源追蹤功能引入區域空氣質量模式WRF-Chem和CESM 大氣模塊CAMChem中，揭示不同地區和行業黑碳對空氣質量和氣候因子變化的定量貢獻和比例；以黑碳減排的環境－氣候－健康綜合效益為目標，為黑碳從全球到區域、從農業到生活源減排策略提供科學支持。以往氣溶膠氣候效應的研究多關注其對季風季節變化和年際變化的影響，對黑碳等氣溶膠的候、旬、月的次季節尺度的變化研究較少。由于黑碳壽命較短（1周左右）且吸收效應很強，本研究擬闡明東亞季風背景下黑碳對季風精細進程從候、旬、月、季節到年際多尺度變化的影響，以及黑碳與東亞季風的相互作用機制。

5）基于長時間序列監測數據，定量化評估黑碳和氣象因子對人體健康影響的協同效應

當前黑碳健康效應的研究處于起步階段，很多研究基于大氣環境中黑碳氣溶膠濃度分析其與總死亡率和心血管疾病死亡率的關系。即便如此，大氣中黑碳長時間序列監測數據缺乏，暴露數據監測更鮮見報道，且黑碳與人體健康的劑量響應關系缺乏。目前國內黑碳與居民健康效應關系的工作開展得較少，缺少定量化評估黑碳對居民健康影響的研究。本項目選擇中國黑碳排放高濃度區域，選擇典型社區環境，采用個體采樣器，實時跟蹤人群的日常行為模式，獲得其黑碳真實暴露濃度，建立黑碳大氣環境濃度和真實暴露濃度的關系曲線；借助于數值模式技術，能夠試驗不同減排方案和氣候情景下的黑碳造成的人體健康損失程度，為人體健康經濟損失評估提供可靠的暴露數據；開展不同減排方案和氣候情景下研究氣象條件（熱浪、寒潮）的改變對人體健康的影響，研究黑碳與氣象要素的協同效應。

5 總結

當前對黑碳排放—老化—傳輸—暴露及其對應的氣候、環境和健康效應研究仍存在很多不足，缺乏黑碳長時間序列監測數據和垂直分布廓線、燃燒源黑碳排放因子的實測、各種源排放黑碳粒徑分布、混合狀態、光學性質等的直接觀測；清單構建過程中空間插值方法單一；各種大氣環境中黑碳的真實混合狀態，黑碳健康風險評價中的劑量－響應關系等缺失，限制了高分辨率和低不確定性排放清單構建、黑碳濃度空間分布、黑碳氣候環境和健康風險的模擬和評價，進而制約黑碳減排策略制定。這些觀測、模擬和驗證工作在發展中國家尤其缺少。

[1]Schwarz J P, Gao R S, Fahey D W, et al. Single particle measurements of mid-latitude black carbon and light-scattering aerosols from the boundary layer to the lower stratosphere. J Geophys Res Atmos,2006,111: D16207.

[2]Bond T C, Doherty S J, Fahey D W, et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. J Geophysi Res: Atmos, 2013, 118(11), 5380-5552, doi: 10.1002/ jgrd.50171.

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The Impact of Black Carbon From Agricultural and Anthropogenic Sources on Climate and Air Quality over East Asia, and the Assessment of It’s Effects on Health

Ding Deping1, Kong Shaofei2, Zhu Bin3, Zhang Xiaoling4,5, Zhao Delong1, Sheng Jiujiang1
(1 Beijing Weather Modif i cation Office, Beijing 100089 2 China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074 3 Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044 4 Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, Beijing 100089 5 Chengdu University of Information Technology, Chengdu 620225)

This article introduces the scientif i c background, research ideas and plans of “The impact of black carbon (BC) on climate and air quality over East Asia from agricultural and anthropogenic sources (AAS), and the assessment of its health effects”, the 2016 Key Program of Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China, which belongs to the Specif i c Project of “Global change and response”.

black carbon, aircraft observations, emission sources, environmental, climate impact, health effect

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.06.003

2016年10月11日

丁德平，Email: zytddp@vip.sina.com

資助信息：國家重點研發計劃（2016YFA0602001）；北京市青年自然科學基金（8164057）