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数字赋能推进海运全球减排框架的新设计

环境学院刘欢团队首次实现海运排放与全球贸易的定量关联

清华新闻网10月8日电 海运作为国际贸易和全球经济的支柱,占世界贸易量的80%以上。然而,繁荣的海上贸易每年带来数十亿吨温室气体排放,给全球气候变化带来持续威胁。为此,国际海事组织宣布了一项减少海运温室气体(GHG)排放的“初步战略”,设定了到2050年与2008年相比减少50%以上的目标。实现该目标不仅要依靠全球船队技术迭代,一个有效和稳定的减排机制同样重要。数十年来,政府组织、学术界、产业界等做出了诸多努力来探索海运排放责任分配方法,但由于国际船舶的流动性和运营的复杂性,单一强制的责任分配难以保证气候、环境和法律等多方面的公平性,也因此国际海运温室气体排放尚并未纳入《巴黎协定》。海运GHG减排的宏伟目标和责任分配的不可行性对寻求新的减排框架提出了迫切需求。

10月7日,清华大学环境学院刘欢副教授团队在《自然·气候变化》(Nature Climate Change)在线发表题为“贸易关联的海运二氧化碳排放”(Trade-linked shipping CO2emissions)的研究论文,整合经济、交通和大气科学领域的大数据和多学科方法,创新性地开发了包含两个“自下而上”海运贸易排放评估模型的复合技术框架(VoySEIM-GTEMS),将国际海运排放表征由船队结构追溯到百万级双边贸易流,以贸易国家和商品维度解析了海运排放构成及排放效率,并挖掘了贸易伙伴优化中隐藏的可观海运减排潜力,数字赋能推进海运全球减排框架的新设计,为引导国际合作促进海运碳减排提供方法学基础和量化模型支撑。

研究首先基于全球船舶自动识别系统(AIS)大数据和国际航程出发国-到达国(OD)识别技术,开发基于航次的海运排放清单模型(VoySEIM),估算了由79万个的国际船舶航程的CO2排放和单程船舶能效运营指数(EEOI),并建立具有高空间分辨率的全球排放清单(图1a)。基于航程级别的船舶EEOI,研究进一步耦合国际双边贸易数据、建立国际标准化海运航线数据库,开发全球贸易海运排放矩阵(GTEMS)模型,实现了全球约120万精细规模全球双边贸易流驱动的国际海运排放量的评估(图1b)。模型结果均表明,在环赤道走廊,特别是在东亚、东南亚、中东和欧洲水域,船舶排放量密集,航线二氧化碳的最高排放强度高达每海里22.1 Gg,位于连接东亚和欧洲的主要通道——马六甲海峡附近。

图1 基于VoySEIM和GTEMS模型估算的国际海运排放空间分布

(a)基于船舶识别航程的VoySEIM模型所估算的海运CO2排放,(b)基于双边贸易流量的GTEMS模型估算的海运CO2排放。图b中船舶排放强度(单位为g CO2NM-1)表示通过各航线段的所有贸易运输船舶的累积排放量,而TEEI-W(贸易排放效率指数,单位为g CO2ton-1NM-1)表示该航线的海运排放强度与其运输的所有商品重量之比。

GTEMS以双边贸易数据为基础建模,能够有效克服基于AIS数据的OD航程中存在的转运难题和空载航段的不确定性,在国家层面上实现了与贸易关联的海运排放量表征(图2)。在数千个国家级的贸易排放流中,前10个高排放流累计贡献了全球海运排放量的17.2%,而以上十大贸易流对海运排放比例约为其海运贸易总额(9.4%)贡献的两倍,这种差异表明了贸易发展带来的经济利益和对气候的负面影响贡献的不对等。然而,在海运责任分配中需要考虑的因素远远超出与双边贸易国直接关联的海运排放。受贸易商品直接驱动的海运排放量需要归因于远多于其直接相关双边贸易商的国家,因为受益者还包括供应链中的上游和下游国家。可以预见,与直接贸易出口国和进口国相比,按照初始生产者或最终消费者进行的海运排放分配可能在国家一级产生不同的责任,表明按贸易分配海运排放责任方面的潜在不公平性。然而,就目前而言,GTEMS模型标志着将全球海运排放分解为贸易伙伴、出口国和进口国的方法进步,它可以作为一个评估框架,支持贸易伙伴在减排方面的合作。

图2 国际海运二氧化碳排放和贸易排放效率矩阵

(a) 海运排放矩阵,(b)以重量计的贸易排放效率指数矩阵(TEEI-W),(c)以价值计的贸易排放效率指数矩阵(TEEI-V)。

研究首次在全球尺度实现了海运排放与贸易驱动力的定量关联,构建了GTEMS-VoySEIM模型系统作为基准工具,将对国际海运排放的理解从运输载体维度扩展到了贸易驱动力。向驱动力的扩展带来了重要的新认识和应用前景。

首先,提升了贸易关联的海运排放效率的透明度,有助于加速行业技术减排。传统运输载体视角的国际海运排放评估仅反映船队效率,对决策者的管控支撑作用弱,也无法撬动贸易国这一利益相关方在海运减排上的积极性;而国家贸易视角的海运排放效率,将评估对象从船舶转移为贸易国,有助于推进各国积极寻求高效低排的海运技术方案,为先进技术营造了市场需求,从而促进海运行业减排技术的发展和应用。

其次,揭示了优化贸易对于海运减排的巨大潜力,点燃由末端治理向驱动力调控转变的星星之火。近年来船舶脱碳以船舶技术和运营措施为手段,削减量难以抵消海运需求增量,海运业实现2050减排50%目标依然困难重重。研究的模拟情景表明,在不改变各国进出口基本量的情况下,仅优化国际贸易伙伴一项措施就可以取得38%的总减排效益,潜力巨大。该定量结果有助于提振海运业脱碳信心,更重要的是,在行业内部调控策略之外,展示了驱动力调控的光明前景,促进国际社会寻求多角度系统性的海运减排。

最后,构建基准工具,促进设计基于双边贸易能效的全球船舶减排框架体系。外部性调控对学科融合要求高,研究耦合经济、交通、大气科学方法建立GTEMS-VoySEIM模型系统。面对国际海事组织设立的海运减排宏伟目标,该模型系统可以作为基准工具,长期评估耦合经济和技术减排情景的综合减排效益,支持海运业和全球贸易网共同努力应对全球气候变化。

环境学院刘欢副教授为论文通讯作者和共同第一作者,环境学院博士研究生王小桐为该文的第一作者,博士研究生吕兆丰、邓梵渊分别是第二和第三作者,贺克斌院士为共同作者。本研究受到国家自然科学基金优秀青年基金的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41558-021-01176-6

供稿:环境学院

编辑:李华山

审核:吕婷

2021年10月08日 12:00:23

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