英文原题：
Rapid Estimation of Climate–Air Quality Interactions in Integrated Assessment Using a Response Surface Model
通讯作者：Sebastian D. Eastham，麻省理工学院航空与环境实验室
作者：Sebastian D. Eastham*, Erwan Monier, Daniel Rothenberg, Sergey Paltsev, and Noelle E. Selin
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内容简介
空气质量和气候变化是可持续发展中相互关联的重要挑战。由于准确评估这些挑战的计算成本很高，用于政策制定的综合评估模型（IAMs）通常使用全球范围或区域范围的边际响应因素来计算气候情景变化对空气质量的影响。因此，麻省理工学院 Sebastian D. Eastham 团队开发了一种高效的模拟量化气候和空气质量综合干预措施如何影响空气质量的方法，且该方法可以捕捉空间异质性和复杂大气化学过程，以期弥补综合评估模型与高分辨率模拟之间的差距。
文章解读
背景
方法：
研究进行了一系列的大气化学模拟，以预测21世纪末不同气候和污染物排放情景下的空气质量。使用全球大气化学模型，模拟了两种不同气候情景（对应于2100年的3.7和10 W/m2）下的空气质量，采用五种不同的目标，以及包括对NOx、SOx、挥发性有机化合物（VOCs）和氨（NH3）排放的改变。
从这50个模拟中，我们拟合每个曲面网格点的响应面，这使我们得到一个简化模型，能够评估实现空气质量目标而可能需要的减排量。对于每个结果（例如，地表臭氧）和两个干预措施（如全球平均地表温度（T）和NOx排放，或SOx排放和氨排放）的组合，每个位置都拟合一个单独的响应面，确保捕获特定位置的化学机制和响应。
可视化减排效果：
研究使用GCHP模拟了21世纪末的全球空气质量，基于2014年NOx、SOx、VOCs和NH3的人为排放量。使用2014年的排放数据是为了提供一个已知的基线分布和排放规模，后续研究可能会考虑使用基于未来排放变化的合理情景的预测。该模拟重复四次，每种污染物的全球排放量减少10%（即共进行五次模拟）。图2显示了我们如何拟合上述模拟的结果，其中响应面已被拟合到单个位置的四个点上。我们在没有明确计算响应的地方进行外推或内插，在图中由不透明/蓝色过渡到透明/红色表示。
图2 响应曲面拟合的演示。对于每个单独的单元，我们计算了4种情景下（黑点），20年后5次模拟的结果。然后通过这20个点拟合出一个平面，以提供当地臭氧对气候（由全球地表温度变化表示）或（例如）氮氧化物排放变化的线性化估计。颜色表明我们在哪些地方进行了较少（蓝色，不透明）或较多（红色，透明）的内插或外推。
在本工作中的应用及结论：
图4将气候变化作为一个自变量，显示了四个不同区域范围（全球、美国、中国和欧盟27国）在2100年全球变暖和氮氧化物排放减少的情况下，高于目标暴露水平的人口比例如何变化。并外推结果到覆盖全球平均地表温度变化0至5°C的范围。在全球范围内，我们发现每个自变量与暴露大于给定臭氧目标的人口比例之间存在近似线性关系。将2080-2100年的升温幅度从5°C降低到0°C，这一比例将从46%降低到44%。同样温度保持在5°C，将NOx排放量减少到50%，具有类似的效果，这一比例将再次降低到44%。温室效应和氮氧化物排放的共同减少产生了额外的非线性效益，将这一比例降低到35%。同样，无论是升温幅度减少还是氮氧化物排放的减少，也会导致欧盟27国地区超过目标暴露的人口比例单调下降。
图4 2080-2100年地表臭氧对未来全球平均地表温度下降（x轴）和NOx排放减少的响应（y轴）结果显示的是暴露在50 ppbv以上的目标区域人口的百分比。不同的面板表示不同的区域。阴影表示垂直轴上的值，如颜色标尺所示。最暗的区域表示仅为模拟插值的结果，相邻区域显示的外推值小于基准范围的三倍，最亮的区域显示的外推值超过基准范围的三倍。
图5显示了四个区域的人为源（与天然源对应）PM2.5对温度变化和氨（NH3）排放的响应。结果表明，中国和全球人为源PM2.5对温度和氨的变化几乎不敏感。然而，在美国和欧盟27国，减少氨排放会减少暴露在目标以上的人口比例。在高变暖水平（5°C）下，当氨排放减少50%时，美国11%的人口和欧盟27国4.8%的人口将从目标暴露之上变为目标暴露之下。然而，在欧盟27国地区，地表温度每降低5°C，这种敏感性就会降低2.8%。在中国，无论地表温度或NH3排放水平如何，超标部分仍保持在99 - 100%之间。在全球范围，当NH3排放减少时，82%的人口暴露量超过目标，而不减少时则为85%，该比例对温度相对不敏感，当地表温度变化从5°C减少到0°C时，这一比例从85%下降到84%。
图5 2080-2100年地表人为源PM2.5对未来全球平均地表温度（x轴）和NH3排放减少的响应（y轴）。结果显示的是暴露量高于5 μg/m3的目标区域人口的百分比。不同的面板表示不同的区域。阴影表示垂直轴上的值，如颜色标尺所示。最暗的区域表示仅为模拟插值的结果，相邻区域显示的外推值小于基准范围的三倍，最亮的区域显示的外推值超过基准范围的三倍。
综上研究表明，气候政策（减少地表温度变化）所带来的空气质量效益相对于空气质量政策（减少前体物排放）的效益因地区而有显著差异，这表明不同地区需合理考虑气候和空气质量政策之间的平衡。这种新方法使气候-空气质量相互作用的快速评估建模成为可能。这种方法还可以进一步扩展到空气质量结果之外，以应用于调查相互作用的空气污染物或任何其它环境政策问题。
*感谢南开大学宋少洁教授撰写本文的中文导读。
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ACS Environ. Au 2023, ASAP
Publication Date: Feb. 14, 2023
https://doi.org/10.1021/acsenvironau.2c00054
Copyright © 2023 The Authors. Published by American Chemical Society
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