北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展.pdf
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1、第 35 卷第 3 期 极地研究 Vol.35,No.3 2023 年 9 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH September 2023 收稿日期 2022 年 7 月收到来稿,2022 年 11 月收到修改稿 基金项目 国家重点研发计划项目(2020YFA0608504)资助 作者简介 郭红翔,男,1996 年生。博士研究生,主要从事遥感大数据分析与应用研究。E-mail: 通信作者 朱文泉,E-mail: 北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展 郭红翔1,2 朱文泉1,2 赵涔良1,2 陈力原1,2 谢志英3(1北京师范大学地理科学学部,遥感科学
2、国家重点实验室,北京 100875;2北京师范大学地理科学学部,遥感科学与工程研究院,北京市陆表遥感数据产品工程技术研究中心,北京 100875;3北京师范大学水科学研究院,北京 100875)摘要 气候变暖在北极呈现了“放大效应”,这使得北极气候和陆地环境变化更为显著,这些变化对北极乃至全球的工业经济产生了影响。本文针对北极采矿业、制造业、建筑业、生产和供应业 4 个工业部门,分别总结了它们在北极地区的经济体量,并按各自生产要素,综述了它们受北极气候和陆地环境变化影响的方式及现有研究进展。最后,从北极气候和陆地环境变化对工业影响方式、现有研究对各工业部门及工业整体的认识、适应性策略的制定和实
3、施、多样化数据和方法的探索、对中国参与北极工业建设活动的启发和意义 5 个方面,对现有关于北极气候和陆地环境变化对工业经济影响研究所存在的问题进行了分析与总结,并对未来趋势进行了展望。研究结果可为探索和认识北极,以及中国参与北极环境保护、工业投资和建设提供参考。关键词 北极 气候变化 陆地环境变化 工业 doi:10.13679/j.jdyj.20220404 0 引言 北极地区拥有丰富的石油、天然气、矿产等自然资源1,这些资源不仅推动了当地工业经济的发展,也对全球的能源格局、政治经济、生态环境有重要影响2。近几十年来的全球气候变暖在北极呈现了“放大效应”3,这种“放大效应”导致北极陆地环境变
4、化更为显著4。自2000年以来,已有多份综合报告分析了北极气候“放大效应”对工业经济的影响。2004 年出版的北极变暖的影响:北极气候变化影响评估3报告指出,油气等自然资源开采是北极经济活动的重要组成部分,该报告初步分析了北极地区冻土融化对油气管道、建筑物等基础设施所产生的影响,认为冰雪覆盖的减少会增加北极航道对工业产品的运输能力,也会使得更多的矿产资源更容易开采等。2005 年出版的北极气候变化影响评估5报告分析了北极土壤冻融变化、海岸线侵蚀、自然灾害等陆地环境的时序变化情况及未来可能的发展趋势,并就建筑物、道路交通、地下管道等要素,指出这些陆地环境变化对基础设施已经产生的影响。2014 年
5、驱动北极变化的社会经济因素6报告中指出,北极地区的矿区数量较少,但各矿区开采规模大,北极采矿业主要受到市场经济、冰雪覆盖和政治因素等的影响。在 2021 年的 北极气候变化 2021:主要趋势和影响4报告中指出,北极气温升高比预期快,近 40 年平均升温幅度接近全球升温幅度的 3倍,通过分析北极一些区域的具体案例,表明气候变化已经对陆地环境变化和人类生活的各方面产生了显著影响。2022 年联合国政府间气候变化 第 3 期 郭红翔等:北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展 461 委员会(IPCC)发布了 气候变迁第六次评估报告,其“极地区域”章节系统梳理了北极地区气候变化对当地的影响,重点
6、分析了气候变化对生态环境和交通运输的影响,并指出了一些陆地环境变化会对基础设施、文化古迹产生影响7。可以看出,这些综合报告中关于北极陆地环境变化对工业影响的相关分析,关注度最高的是北极油气、矿产等自然资源以及工业相关的基础设施。除了上述北极综合报告以外,也有一些综述性论文涉及了北极气候和陆地环境变化对工业的影响。Stephen8指出气候变化是北极陆地环境变化的主要驱动因素,认为在关于气候变化对北极社会经济的影响中,最受关注的是气候变化所导致的北极资源开采和运输的难易程度的变化,特别是随着冰雪减少,海底的油气资源开采成本逐渐降低;其次关注度较高的是开采这些资源所造成的影响及应对措施。Wang 等
7、9指出全球冰冻圈变化会加剧冰雪相关灾害发生的频率,分析了冰冻圈中冰雪相关灾害的类型、时空变化等特征,并结合典型案例讨论了冰雪相关灾害对冰冻圈地区的人类生命财产安全、交通、基础设施、农牧业、冰雪旅游、国防安全等领域的影响。Liu 等10分析了气候变化和碳减排政策对采矿业、制造业、供应行业和建筑业造成的影响,并对相关方法和模型进行了总结,但其综述内容主要是针对中国区域的工业体系。现有的综合报告和综述论文虽然均有关于北极气候和陆地环境变化对工业影响的分析,但缺乏专门针对这些影响的系统性梳理,也缺乏这些影响给中国参与北极工业建设活动带来的新机遇的分析和总结。北极气候和陆地环境变化对工业影响方式和程度的
8、差异,不仅体现在不同的工业部门(如采矿业、制造业等)之间,也体现在各工业部门内部不同要素(如采矿业内部的作业人员、作业环境等)之间,因此有必要分别针对各工业部门以及各工业部门内部的主要生产要素,系统梳理北极气候和陆地环境变化对它们的影响。北极的气候和陆地环境变化对当地工业经济造成影响的同时,也给中国参与北极的能源开发和利用、航道及矿区合作发展、基础设施建设等工业活动带来了很多新的发展机遇,因此有必要对这些新机遇进行深入思考和系统梳理。本文将针对 4 个主要的工业部门:采矿业、制造业、建筑业、生产和供应业,按照它们各自的生产要素,整理分析北极气候和陆地环境变化对各工业部门的影响方式及研究进展,并
9、总结现有研究存在的问题,对未来研究趋势及中国参与北极环境保护和工业投资建设的启发及意义进行展望。1 北极气候和陆地环境变化对各工业部门影响的研究现状 1.1 对采矿业影响的研究现状 北极地区拥有大量的石油和天然气等不可再生能源以及丰富的矿产资源11。北极地区石油产量达到了全球的10%,天然气产量在全球的占比高达25%,其中约有90%的石油和天然气生产分布在俄罗斯、美国阿拉斯加和丹麦格陵兰岛6。美国地质调查局(USGS)评估结果显示,北极仍有大约占世界30%的天然气和13%的石油未被发现12。北极地区也蕴藏着丰富的金属矿物,尽管金属矿场整体数量较少,且将近一半位于俄罗斯境内,但现有的矿场开采规模
10、较大,如俄罗斯拥有世界上最大的镍-铜-钯矿区,瑞典拥有世界上最大的地下铁矿厂等。北极地区生产全球约40%的钯矿,25%的钻石,15%铂矿,钨、锌等金属矿物的产量也非常高13。采矿业是北极地区经济的重要组成部分3,不可避免地会受到气候和陆地环境变化的影响。北极气候和陆地环境变化对采矿业的影响,可以分为对采矿业的作业人员、矿区的基础设施、工业设备和作业环境4个要素的影响(图1,表1)。对作业人员的影响,主要包括对工人安全、工人效率和工作时长 3 个方面,这 3 方面的影响都会直接作用到采矿业的经济效益,在非北极区域已经有对这些影响因素的定量化研究。张保国14引入环境指标、心理指标和安全性指标,量化
11、了矿井温度和湿度对工人安全和效率的影响;王建国等15基于心率和直肠温度两项指标,评估了矿工在不同风速下的生理状态,认为适当增加风速可以提高矿工安全工作极限时间,这些研究为矿区制定合理的工作时长提供了参考,但针对北极地区的研究仍有待加强。对矿区基础设施的影响,主要包括对矿区冰面交通、道路交通和矿 462 极地研究 第 35 卷 区厂房的影响。其中,对矿区厂房的影响可能直接影响到矿区的运营状态,对冰面和道路交通的影响会传递到采矿业原材料和产品的运输成本,进而间接影响到矿区的经济效益。目前,冰面和道路所受的影响已经受到了广泛关注和深入研究16-17,但缺乏对采矿业产生的间接影响的深入研究18。采矿业
12、工业设备中,受影响比较明显的是矿区排水设施和采矿设备,工业设备所受的影响会直接作用到采矿业,但关于采矿设备所受影响也缺乏深入研究11。矿区作业环境受气候和陆地环境变化影响的范围比较广泛,这些作业环境中,能够直接影响到采矿业的是矿区的开采难度、矿区周边的水源和地质灾害等,能够间接影响到采矿业的是矿区周边的航道、解冻的污染物、生态恢复情况等,其中,冰雪覆盖减少对矿产资源开采难度的影响12和对航道19的影响已经得到了广泛的关注和比较深入的分析。Harsem 等20认为北极冰的结构和范围变化会是未来油气资源开采面临的重要问题,冰川减少会改善油气资源开采条件,并增加航道通行时间,但移动冰块数量变多可能增
13、加其与钻井平台和船只碰撞的风险。总体上看,气候和陆地环境变化对采矿业的影响更多地表现为直接影响,如冰雪覆盖减少会直接导致资源开采难度下降1,极端天气会直接影响矿区的作业人员、矿区设备和厂房3等,也会影响到航道、道路等交通运输,进而间接影响到采矿业21。目前的研究中,对于石油、天然气等矿产资源开采关注度非常高20,冰雪的变化会给矿产资源开采带来新的机遇和挑战,尽管不同学科领域已经开展了很多研究,但整体上看仍然处在初步分析阶段,需要增加对北极矿产资源空间分布精细化的认识,尽可能量化气候和陆地环境变化对其影响的程度,并针对这些影响研发出适应性更强的开采和运输技术。北极气候和陆地环境变化对基础设施和航
14、道的影响也得到了较高的关注,这些影响会间接传递到采矿业,目前的研究集中在对航道通行时长、航行路线的研究19,未来需要在此基础上进一步深入探讨航道变化对采矿业的影响。图 1 北极气候和陆地环境变化对采矿业各要素的影响 Fig.1.The elements of mining industry affected by Arctic climate and terrestrial environments changes 第 3 期 郭红翔等:北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展 463 表 1 北极气候和陆地环境变化对采矿业各要素的影响方式 Table 1.The ways of Arcti
15、c climate and terrestrial environments changes affecting the elements of mining industry 采矿业要素 气候和陆地环境变化 影响方式 气温变暖 提高工人工作效率;延长矿区适宜的工作时间 作业人员 暴风雪、地质灾害 影响工人安全22 极端降水、暴风雪 损坏道路交通等运输设施,间接提高产品运输成本23 损坏矿区厂房,增加维护成本4 冻土融化 损坏道路交通等运输设施,提高产品运输成本4 基础设施 冰雪覆盖减少 减少部分冰面可通行时间,提高矿区运输成本24 冻土融化 矿物污染物解冻扩散,影响生态环境11 地质灾害 影
16、响矿区安全7 使得矿产资源更加容易开采,进而增加采矿规模3,25 冰雪覆盖减少 增加航道通行时间,间接降低矿区运输成本26-27 气温升高、降水增加 促进一些植被的生长,加快矿区生态环境恢复11 作业环境 水文变化 河流、地下水等水量增加,保障矿区所需的水源充足 降水增加、水文变化 需要增加矿区排水设备 工业设备 暴风雪 损坏采矿设备 1.2 对制造业影响的研究现状 北极地区制造业的发展比较缓慢,很多制造业产品需要从其他地区进口,但也有一些比较传统的制造业,如,矿物和金属加工、食品加工、纸产品加工、运输设备生产等28。其中,矿物和金属加工在北极制造业中所占的比例较高,俄罗斯在北极地区加工的矿物
17、产品占全国矿物产品的20%,但其他制造业产品仅占全国的 2%29;芬兰和挪威的制造业中石油化工业、金属加工业和食品加工业所占比例很高30-31。尽管北极地区制造业规模相对其他工业部门较小,但也会受气候和陆地环境变化的影响。北极气候和陆地环境变化对制造业的影响,主要包括对生产原料、生产过程和产品运输的影响(图 2,表 2)。北极制造业的生产原料大多数为第一产业(农业、林业、畜牧业、渔业)或其他工业部门的产品,如,食品加工业的原料来自农业、畜牧业和渔业的产品,造纸业的原料来自林业的产品,制造业所需的能源来自采矿业生产的石油和天然气等。目前,已有广泛的研究报道第一产业受气候和陆地环境变化的影响32-
18、34,对北极石油、天然气等能源所受影响也有了比较深刻的分析1,但这些产业所受影响对制造业造成间接影响过程的梳理和分析仍然比较缺乏。制造业的生产过程,会受到人为控制温室气体排放、减轻环境污染等条件约束,低碳环保生产方案的研发和应用成为了发展趋势。Hansen 等35分析了驯鹿饲料在生产和使用过程中甲烷的排放量,认为减少饲料生产规模,尽量使用地衣等作为驯鹿的食物,能够减少甲烷的排放;Druzyanova 等36提出了 1种回收动物粪便生产有机肥的技术方案,能够减轻化肥对环境的污染等。制造业产品运输也会受到气候和陆地环境变化的影响,如,冰雪覆盖减少和冻土融化对道路、冰路、海上航道等通行状态的影响4,
19、19会间接增加制造业产品的运输成本。总体上看,北极气候和陆地环境变化对制造业的影响,大多数情况下是通过影响与制造业相关的其他行业,如第一产业、采矿业、交通运输业等,进而间接影响到制造业。现有的研究关注到了与制造业相关的其他行业,但对于制造业所受间接影响过程和程度的分析比较匮乏,针对北极制造业的研究主要是一些碳减排技术和适应性方案的研发。未来的研究中,一方面需要梳理制造业所受影响的具体过程和途径,建立概念模型,并对这些概念模型开展定量化评估;另一方面需要从提高自身生产和运输效率37-38、减少污染物和温室气体排放39、生产适用性更强的制造业产品等方面,增加制造业中新技术的研发,实现制造业产业结构
20、调整升级。464 极地研究 第 35 卷 图 2 北极气候和陆地环境变化对制造业各要素的影响 Fig.2.The elements of manufacturing industry affected by Arctic climate and terrestrial environments changes 表 2 北极气候和陆地环境变化对制造业各要素的影响方式 Table 2.The ways of Arctic climate and terrestrial environments changes affecting the elements of manufacturing indu
21、stry 制造业 要素 气候和陆地环境变化 影响方式 水温变化 直接影响了渔业生产过程,进而间接影响到食品加工业中鱼类的供应32,40 气温变化、降水变化、极端天气 直接影响了种植业和畜牧业,进而间接影响到食品加工业、纺织业、造纸业等所需原料41-42生产原料 冰雪覆盖减少 影响了采矿业种类和规模,进而间接影响制造业所需能源和金属原料11 环境污染 影响人类的环保理念,进而间接影响当地饲料、化肥等的生产工艺流程35-36,43 生产过程 温室气体增加 改变制造业的能源供应结构,提高对使用清洁能源的重视程度39,44 产品运输 冰雪覆盖减少、冻土融化影响运输过程中道路、冰面、海上航道等的通行状态
22、,间接增加产品的运输成本26-27 1.3 对生产和供应业影响的研究现状 生产和供应业包括热力、燃气、电力和水的生产和供应过程。北极地区的生产和供应业为当地乃至全世界的人民日常生活、各行各业生产活动提供了直接保障。北极的油气等不可再生能源在全球供应中占有重要地位6,45。北极地区地广人稀,对于一些偏远社区的电力、热力和燃气供应,通常需要很长的电路、管道等基础设施46,特别是在俄罗斯远东部分地区,每年用于保障能源供应业的财政支出比例超过了 30%47,这是北极地区供应业面临的主要困难。近年来,太阳能、风能等新能源的快速发展,为解决偏远地区的能源供应问题提供了新方法47-48。北极地区日常用水也是
23、当地生产和供应业的重要组成部分,在水的生产和供应过程中,通常是将水源经过初级加工(例如,沉淀、消毒等),通过管道或卡车运输的方式供给到用户,但也有一些偏远地区的居民会直接使用未经处理过的水源49。第 3 期 郭红翔等:北极气候和陆地环境变化对工业影响的研究进展 465 北极气候和陆地环境变化对生产和供应业的影响,主要包括对生产原料、基础设施、供应需求的影响(图 3,表 3)。对生产原料的影响中,包括对水质和能源结构等的影响。水资源的供应会受到冻土融化的影响,冻土融化会增加地下水含量,但也会使得冰封的重金属污染物、病原体等有害物质释放到水源中,使得水质变差,直接影响人类的健康50-51。现有研究
24、对于北极气候和陆地环境变化对水质和人类安全影响关注度相对较高,在加拿大北部、芬兰和挪威的一些地区,已经有了关于水污染过程的概念模型的梳理。Daley 等52提出了 1 个针对加拿大北极地区的水资源微 图 3 北极气候和陆地环境变化对生产和供应业各要素的影响 Fig.3.The elements of production and supply industry affected by Arctic climate and terrestrial environments changes 表 3 北极气候和陆地环境变化对生产和供应业各要素的影响方式 Table 3.The ways of Arc
25、tic climate and terrestrial environments changes affecting the elements of production and supply industry 生产和供应业要素 气候和陆地环境变化 影响方式 损坏运输管道,影响供应的稳定性46 冻土融化 影响生产设备的正常运行46 影响生产设备的正常运行7 影响输电设施,导致电力供应不稳定21 基础设施 极端天气、地质灾害 影响道路、冰面的交通运输,增加部分地区运输成本4 冻土融化 污染物、病原体等的释放影响水源的健康和安全50 降水增加、水文变化 可开采的地下水增加50 风速变化 影响风力发
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