中國化石能源生命周期清單分析

丁 寧，楊建新（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085）

中國化石能源生命周期清單分析

丁 寧，楊建新*（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085）

利用生命周期評價方法，建立了我國化石能源的生命周期清單模型，詳述了模型相關(guān)因子的確定方法，計算了原煤、原油、天然氣等初級能源及汽油、焦炭等幾類主要次級能源的生命周期清單，揭示了我國能源生產(chǎn)的環(huán)境負荷，為工業(yè)系統(tǒng)分析和材料、產(chǎn)品的生命周期評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).清單分析表明我國化石能源清單的主要特點為能源消耗的97%以上主要來自生產(chǎn)過程，運輸占到3%左右的比例；通過與2002年清單相比，我國化石能源生產(chǎn)的總能耗和排放出現(xiàn)不同程度變化；通過與國外能源清單相比，我國能源投入及排放整體處于較高水平.

生命周期評價；生命周期清單；化石能源；能耗；污染物排放

能源是經(jīng)濟增長和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，人類所需初級能量的80%以上來自化石能源［1］.化石能源供應(yīng)做為整個工業(yè)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，要經(jīng)過開采、處理、運輸?shù)纫幌盗辛鞒?，需要投入大量的資源和能量.同時，化石能源使用過程排放各類污染物，對環(huán)境造成巨大壓力.

目前，我國是世界第一大能源生產(chǎn)國和消費國.2010年，我國一次能源消費量32.5億t標(biāo)準煤，化石能源占91.4%，煤炭占68%［2］.煤炭消費比重過大已造成嚴重環(huán)境污染，全國SO2排放量的80%、煙塵排放量的70%、氮氧化物排放量的67%及CO2排放量的85%都來源于煤炭燃燒［3］.環(huán)境污染成為阻礙能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.

利用生命周期評價方法，一些國家建立了詳細的能源系統(tǒng)生命周期清單，揭示了本國能源供應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境負荷［4-6］.針對我國能源系統(tǒng)問題，有些研究對我國能源系統(tǒng)的經(jīng)濟效率進行不同行業(yè)或者區(qū)域的分析［7-9］.部分學(xué)者對我國的煤電鏈進行分析，主要集中在碳排放方面［10-12］，部分研究主要針對發(fā)電部分進行生命周期分析［13-14］.而對上游的化石能源生命周期評價清單研究正處在初級階段，目前的研究應(yīng)用生命周期評價方法，計算了我國化石能源生產(chǎn)的初級資源的投入和污染物排放［15-16］.相比之前的研究，本文建立了化石能源生命周期清單模型；在清單的建立環(huán)節(jié)，應(yīng)用生命周期評價專業(yè)軟件Simapro建模實現(xiàn)了能源互相利用的迭代運算；實現(xiàn)了重要參數(shù)中國本土化；并考慮了能源開采及轉(zhuǎn)化過程的效率和運輸過程的能源損耗.

本文對我國化石能源供應(yīng)系統(tǒng)進行的生命周期評價模型建立及清單分析，為工業(yè)系統(tǒng)分析和材料、產(chǎn)品的生命周期評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并闡明我國能源生產(chǎn)的環(huán)境負荷，為節(jié)能減排提供依據(jù).

1 方法與數(shù)據(jù)

生命周期評價（LCA）是通過確定和量化與評估對象相關(guān)的能源、物質(zhì)消耗及其環(huán)境排放，來評估某一產(chǎn)品、過程或事件整個生命周期過程的環(huán)境總負荷；辨別和評估改善環(huán)境的機會.根據(jù)ISO14040定義的技術(shù)框架，生命周期評價包含目標(biāo)與范圍的確定、生命周期清單分析、生命周期影響評價和生命周期解釋4個部分［17］.

1.1 目的與范圍的確定

本研究模型包括的范圍有原煤、原油、天然氣的開采、加工，以及下游的煉焦、制氣和煉油工業(yè).建立的化石能源供應(yīng)模型主要包括三部分:初級能源生產(chǎn)、主要次級能源生產(chǎn)和能源運輸，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運行不包括在系統(tǒng)邊界之內(nèi)，研究范圍如圖1所示. 研究目的為建立能源系統(tǒng)的生命周期清單，并進行初步分析.本文所研究的能源系統(tǒng)供應(yīng)包括能源生產(chǎn)和運輸兩部分.

圖1 化石能源系統(tǒng)生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界Table 1 System boundary of fossil fuel energy supply

1.2 生命周期清單計算方法

針對化石能源生產(chǎn)的特點，生命周期清單的建立選取基于流程的計算模型，以一定的功能單位為基礎(chǔ)，將與功能單位相關(guān)的各生產(chǎn)流程的直接、間接資源消耗或排放進行加和，便可得到產(chǎn)品的生命周期清單.本研究的數(shù)學(xué)模型如下:

式中: E為總能源消耗量； ei為第i個生產(chǎn)流程的能源消耗量； fi為第i個生產(chǎn)流程的能源效率；不同處理過程的能源轉(zhuǎn)化效率如表1所示［2，18］.G為某種污染物的總排放；gi為第i個生產(chǎn)流程的某種污染物的排放量.

表1 能源開采轉(zhuǎn)化效率Fig.1 Energy extraction and conversion efficiency

1.3 數(shù)據(jù)來源

進行生命周期評價研究，需要大量數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)的準確性是確保研究結(jié)果可靠的基礎(chǔ).與本研究有關(guān)的數(shù)據(jù)主要來源于我國國家層次的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［2］，非統(tǒng)計數(shù)據(jù)則來源于公開發(fā)表的行業(yè)報告及能源類文獻，各項數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，基本上反映我國化石能源工業(yè)技術(shù)的平均水平.

1.4 分配方法

部分能源生產(chǎn)是典型的多輸出系統(tǒng)，要對生產(chǎn)過程產(chǎn)出的多種產(chǎn)品進行能耗和排放的分配，首先要選定分配基準.根據(jù)化石能源產(chǎn)品的主要性質(zhì)和用途，本研究以產(chǎn)出的各種能源產(chǎn)品在總熱量中所占比重作為分配原則，熱值的計算采用平均低位發(fā)熱量［19］.

1.5 能源交叉供應(yīng)的處理

能源的生產(chǎn)供應(yīng)過程，涉及到各類能源交叉使用，比如煤的生產(chǎn)需要油的消耗，油類的生產(chǎn)同樣需要煤的供應(yīng)，由此產(chǎn)生迭代使用.本文將原始數(shù)據(jù)輸入生命周期評價專業(yè)軟件Simapro建立模型，迭代在軟件模型里實現(xiàn)，以保證數(shù)據(jù)清單的精確性.

1.6 重要因子的確定

1.6.1 化石能源運輸我國能源資源與能源需求逆向分布的國情，決定了能源大規(guī)模、遠距離運輸不可避免.我國70%以上的煤炭資源主要集中在華北、西北地區(qū)；90%的石油資源分布在西北、華北、東北地區(qū)和海洋大陸架；天然氣資源主要分布在四川、西北和海洋大陸架.而從經(jīng)濟發(fā)展情況看，東部沿海的經(jīng)濟相對比較發(fā)達，GDP、人口和用電量分別占全國的57%、41%和54%，這些地區(qū)能源資源相對貧乏，煤炭資源比重只有8%左右.因此，我國能源運輸方向集中（自西向東、自北向南）、運輸距離長（2010年鐵路煤炭平均運輸距離為622km、油品平均運輸距離為917km）的局面將長期存在［3］.

煤炭的長距離運輸主要依靠鐵路和公路完成，石油和天然氣的主要運輸通道是管道、鐵路，公路等其他運輸則作為重要的補充方式.表2和表3分別為我國主要能源的運輸距離比例及各類交通運輸工具的能耗［20-21］.在能源的運輸過程中，不可避免要產(chǎn)生損耗，國家煤炭送貨辦法實施細則中規(guī)定了煤炭運輸和換裝的物理損失上限，各損耗參數(shù)如表4所示［22］.

表2 我國能源運輸狀況（%）Table 2 Transportation of fossil energy （%）

表3 我國各類交通運輸?shù)哪芎腡able 3 The energy consumption of transportation

表4 能源運輸損耗Table 4 The quality loss during transportation

1.6.2 能源燃燒排放因子化石能源使用產(chǎn)生的各類排放物是環(huán)境污染的主要來源，準確計算這些能源燃燒的排放因子至關(guān)重要.長期以來，我國相關(guān)燃料燃燒排放中較重要的溫室氣體都采用IPCC的推薦因子，而我國煤炭分類與IPCC存在較大差異.同時，我國的煤炭分類所對應(yīng)的低位發(fā)熱量與IPCC同類煤炭的低位發(fā)熱量也存在較大差別，如果利用IPCC基于熱值的排放因子，會造成較大誤差［23］.所以，采用本土化的排放因子才能準確反應(yīng)我國化石能源系統(tǒng)的環(huán)境負荷狀況.

本研究采用我國環(huán)保部頒布的《燃料燃燒排放大氣污染物物料衡算辦法》［24］對排放因子CO2、SO2、CO、NOx進行計算，相關(guān)參數(shù)均為我國實測因子，更能反映我國的真實情況，對另外兩種重要的氣體CH4和N2O，則參考了文獻［25］.

（1） CO2排放因子

CO2是重要的溫室氣體，在溫室效應(yīng)中貢獻很大.計算公式如下:

式中:GCO2表示CO2的排放量，kg；F表示煤炭的消耗量， kg； Q表示燃料的發(fā)熱量， MJ/kg； k表示煤炭的排放系數(shù)， kg-C/MJ； 表示燃料的碳氧化率.CO2的排放根據(jù)我國實測的碳排放因子計算［26］，主要能源的排放因子和碳氧化率如表5所示.

表5 各類能源的碳排放因子及碳氧化率Table 5 The main factors for CO2emission

（2） SO2排放因子

SO2是形成酸化效應(yīng)的主要氣體.

燃煤SO2的排放因子計算公式:

燃油SO2排放因子計算公式:

燃天然氣SO2排放因子計算公式:

式中: GSO2表示SO2排放量， kg； B表示燃料量， T；S表示燃料全硫分含量， %； V表示燃氣耗量， m3；CH2S表示燃氣中H2S體積含量， %； 天然氣H2S體積含量0.05.

（3） CO排放因子

煤炭燃燒排放和燃油排放CO計算公式為:

天然氣燃燒CO排放因子計算公式:

GCO=1.25×V×Q×（VCO+VCH4+13VCmHn） （8）式中:GCO表示CO排放量，kg； B表示耗煤（油）量，T； C表示燃料中碳含量， %；煤炭:51.64%，油:90%；Q表示燃煤燃燒不完全值，%；煤炭:3.5%，油:2%；V表示燃氣耗量，m3；Q表示燃氣燃燒不完全值，%，2%； VCO表示燃氣中CO體積含量，%，5%；VCH4表示燃氣中CH4體積含量，%，95%；VCmHn表示燃氣中其他烷烴類體積含量，%.

（4） NOx排放

燃煤NOx排放計算公式:

燃油NOx排放計算公式:

式中:GNOx表示NOx排放量，kg； B表示耗煤量，T；β表示燃煤中氮的轉(zhuǎn)化率，%； N表示耗油中氮含量，%，0.14%.

1.6.3 工藝排放在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，非能源燃燒引起的，由相關(guān)工藝引起的污染物排放稱為工藝排放，煤礦開采過程中會有直接的CH4排放.由于油氣系統(tǒng)的復(fù)雜性，且油氣系統(tǒng)的甲烷逃逸排放的數(shù)量非常小，只占0.1%，因此該部分對能源領(lǐng)域排放的影響可以忽略［27］.

煤礦開采及礦后活動的CH4排放估算主要包括3個方面:煤炭開采（井下開采和露天開采）、礦后活動以及甲烷回收利用，煤炭開采排放總量計算公式［28］:

式中: ECCH4為煤炭生產(chǎn)工藝的CH4排放總量；UMCH4為井下開采排放； SMCH4為露天開采排放；AMACH4為礦后活動排放；RCH4為回收利用量.

我國煤炭開采以井工開采為主，原煤產(chǎn)量的95%左右來自地下，高瓦斯和突出礦井在全國亦占有相當(dāng)比例，因而煤礦開采CH4排放量大，是重要的排放源.露天煤礦開采深度小，煤層瓦斯含量也較低，無CH4排放的實測數(shù)據(jù).在估算其CH4排放系數(shù)時，沿用發(fā)改委的方法取全國重點煤礦低瓦斯礦井CH4排放系數(shù)的50%.礦后活動CH4排放因子根據(jù)中國礦后活動煤產(chǎn)量加權(quán)平均排放系數(shù)選定，據(jù)研究，我國加權(quán)平均排放系數(shù)1.3m3/t［29］.露天煤炭的煤層氣含量非常低，其礦后活動排放忽略不計.目前國內(nèi)煤礦CH4回收利用率仍然處于較低水平，同時沒有可供使用的權(quán)威統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以回收利用率為零.

2 生命周期清單

2.1 原煤生產(chǎn)

原煤生產(chǎn)過程中的環(huán)境負荷主要包括3部分:開采和處理過程相關(guān)的資源消耗和燃料燃燒排放；原煤開采過程的工藝排放；原煤運輸工具運行過程中產(chǎn)生的污染物排放.通過以上幾個方面的鏈接和計算，得到原煤生產(chǎn)過程的能源投入及主要排放如表6和表7所示.

表6 化石能源供應(yīng)的能源輸入Table 6 Resource and energy input of fossil energy supply

表7 化石能源供應(yīng)的主要污染物排放Table 7 The main emissions of fossil energy supply

2.2 原油和天然氣生產(chǎn)

石油和天然氣勘探、鉆井、開采及運輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)都對環(huán)境產(chǎn)生影響.本研究主要包括油氣開采、處理和運輸過程的資源投入和環(huán)境排放.石油和天然氣的生命周期清單如表6和表7所示.

2.3 煉油

原油通過精煉得到汽油、柴油等成品油，以平均低位發(fā)熱量為分配準則，計算得到原油精煉的基本物質(zhì)流（表8），即原油裂解后得到的單位產(chǎn)品所需原油數(shù)量，如下表所示.通過鏈接原油生產(chǎn)和運輸，得到主要成品油的生命周期清單，以汽油和柴油為例.

表8 成品油基本物質(zhì)流Table 8 Material flow of oil products

2.4 煉焦和制氣

在煉焦和制氣工業(yè)中，通常消耗洗精煤和其他洗煤.由于洗煤屬于二次能源，是由原煤經(jīng)過洗選得到的，因此在對煉焦和制氣工業(yè)進行分析前，需要對洗精煤過程進行分析，以建立洗煤和原煤之間的分配關(guān)系.在以低位發(fā)熱量作為分配基準的基礎(chǔ)上，計算得到每生產(chǎn)1kg洗精煤需要消耗1.36kg原煤.通過洗精煤、煉焦和制氣3個過程的綜合分析，得到焦炭和焦?fàn)t煤氣之間的分配系數(shù)為0.892和0.108.從而計算生產(chǎn)單位焦炭和焦?fàn)t煤氣的生命周期清單（表6，表7）.

3 結(jié)果分析

3.1 清單分析

本文建立了我國化石能源生命周期清單，明確了單位能源產(chǎn)出的資源投入和環(huán)境排放.對于能源產(chǎn)出的投入端，主要以煤炭基能源為主，我國電力供應(yīng)也以煤電為主，這與我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)是相符的.從工藝過程的構(gòu)成分析，能源消耗的97%以上主要來自生產(chǎn)過程，運輸占到3%左右的比例.對于排放端，主要污染物為CO2，主要貢獻也來自于生產(chǎn)過程.另一種重要的溫室氣體N2O排放，原煤和原油運輸過程占到了70%以上的份額，主要原因為運輸過程中水運占了一定的比例，而水運船舶行駛中N2O排放量達到0.0127kg/（t·1000km）［30］.對于工藝排放溫室氣體CH4，在原煤生產(chǎn)過程中的工藝排放占到了57%的比例.

3.2 對比分析

為了反映我國化石能源生產(chǎn)的資源消耗和環(huán)境排放的發(fā)展與變化，將本研究結(jié)果與2002年我國化石能源的生命周期清單［15-16］以及國內(nèi)外能源生產(chǎn)情況進行對比分析.

3.2.1 與2002年國內(nèi)比較 為了多方位揭示2010年我國化石能源清單相較2002年發(fā)生的變化，將投入端各類能源追溯到原煤、原油、天然氣三類初級能源，本文對單位能源供應(yīng)的總能源投入及各類主要輸入輸出因子分別進行比較.

將生產(chǎn)單位初級能源及汽油的2010年的總能源投入與2002年進行對比，如圖2所示.2010年，生產(chǎn)單位原煤、汽油的能耗總投入分別有12%和 4%左右的升高.原煤的生命周期能源消耗量有所增加.一方面，本文詳細考慮的原煤的運輸過程、運輸損耗及開采效率.另一方面，近年來，我國重點產(chǎn)煤區(qū)的淺部煤炭資源已開采殆盡，開采深度以每年8～12m的速度向下延伸［31］，導(dǎo)致能源投入增加.這表明我國煤炭工業(yè)除了繼續(xù)重視節(jié)能技術(shù)的推廣外，煤炭生產(chǎn)與應(yīng)用的地域差異問題也應(yīng)該受到重視.對于次級能源的生產(chǎn)，煉油工業(yè)能耗增加的原因除了本文考慮了成品油的運輸過程外，能源轉(zhuǎn)換效率下降了約1%［2］.與2002年相比，我國天然氣和原油生產(chǎn)總能耗投入均有10%～20%的下降，這與近年來原油和天然氣的生產(chǎn)比重增加及生產(chǎn)技術(shù)提升是相輔相成的.

圖2 原煤、原油、天然氣和汽油生產(chǎn)總能源投入對比圖Fig.2 Comparative analysis of energy input for raw coal，crude oil， natural gas and gasoline between 2010 and 2002

圖3 2010年與2002年原煤生產(chǎn)主要因子對比Fig.3 Comparative analysis of raw coal production between 2010 and 2002

選取生命周期清單中幾種重要因子，將我國2002年的清單數(shù)值設(shè)為1， 2010年與之比值分別表示單位能源產(chǎn)出，原煤、原油、天然氣的投入量比值以及CO2，SO2，NOx，CO，CH4，PM排放量比值.圖3～圖6分別表示了原煤、原油、天然氣、汽油的各類比值情況.

圖4 2010年與2002年原油生產(chǎn)主要因子對比Fig.4 Comparative analysis of crude oil production between 2010 and 2002

圖5 2010年與2002年天然氣生產(chǎn)主要因子對比Fig.5 Comparative analysis of nature gas production between 2010 and 2002

對四類能源的輸入端分析可得，單位原煤和原油供應(yīng)的輸入因子與2002年對比可得，天然氣輸入比值較高，這說明在能源投入結(jié)構(gòu)方面，天然氣的使用在初級資源投入中的比例有所上升.對天然氣供應(yīng)而言，能源投入總量是減少的，但原煤投入都有所升高，這與我國煤炭資源相對豐富，原油對外依存度的不斷上升有關(guān).對于次級能源代表汽油而言，初級能源投入與2002年相比，天然氣增加較為明顯，由于原油生產(chǎn)的天然氣投入有所增加，導(dǎo)致后端產(chǎn)品的天然氣投入也是增加的.

圖6 2010年與2002年汽油生產(chǎn)主要因子對比Fig.6 Comparative analysis of gasoline production between 2010 and 2002

對于各類化石能源的排放而言，溫室氣體排放均有一定程度的下降.而上升最明顯的是CO的排放，2002年的生命周期清單，CO的排放因子參考了IPCC的缺省值，本文根據(jù)環(huán)保部的計算公式對排放因子進行了本土化的修訂，導(dǎo)致排放較高.

3.2.2 與國內(nèi)其他研究對比分析 為顯示本研究的可靠性，選取部分清單結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)研究進行對比分析，如表9所示.由于選取年限、研究范圍的不同，導(dǎo)致能源投入端各類輸入有所差距，但總能源投入基本類似.在排放端，選取最主要排放CO2為例，由于選取排放因子不同，導(dǎo)致排放有一定的差距.

3.2.3 與國外研究對比分析 將本研究與國外綜述及生命周期清單數(shù)據(jù)庫ecoinvent中數(shù)據(jù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)（表9），排除年限選取的差距，我國能源投入及排放整體處于較高水平.一方面是能源結(jié)構(gòu)問題，我國以煤炭為主的能源供應(yīng)體系.另一方面是技術(shù)水平問題，我國的化石能源供應(yīng)先進與落后生產(chǎn)能力并存，整體技術(shù)水平低.以煤炭行業(yè)為例，我國煤炭行業(yè)的科技貢獻率僅為24.2%，低于世界60%的先進水平［31］.所以我國在化石能源資源消耗和排放控制方面還是需要進一步提高.

表9 生命周期清單與國內(nèi)外相關(guān)研究對比分析Table 9 Comparative analysis of life cycle inventory

4 結(jié)論

4.1 詳述了中國化石能源生命周期清單的基本計算方法，通過調(diào)查和收集相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算得到2010年中國原煤、原油和天然氣及下游單位產(chǎn)品生產(chǎn)的生命周期清單，涉及到主要資源、能源消耗和污染物排放，并對化石能源的生命周期清單結(jié)果進行了初步的分析.

4.2 進行了完整的生命周期清單分析，不僅解釋了我國化石能源的環(huán)境負荷狀況，還可以為其他材料及產(chǎn)品的生命周期評價提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).另外，本研究將能源的生命周期清單做了對比分析，通過與2002年我國化石能源清單對比發(fā)現(xiàn)，我國能源供應(yīng)的資源總投入有5%～20%左右的變化，能源投入比例有所變化，初級能源天然氣投入增加；通過與國內(nèi)相關(guān)研究對比發(fā)現(xiàn)，由于研究范圍、所選參數(shù)有所不同，清單結(jié)果有所出入，但整體在一個水平線，證明本研究的可靠性；通過與國外相關(guān)研究數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，我國能源生產(chǎn)的資源投入和污染物排放比較高，所以從生命周期角度，我國能源系統(tǒng)在節(jié)能減排技術(shù)方面還需一定程度的提高.

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Life cycle inventory analysis of fossil energy in China.

DING Ning， YANG Jian-xin*（State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology， Research center of Eco-Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085，China）. China Environmental Science， 2015，35（5）：1592～1600

This paper makes the life cycle inventory analysis of fossil energy in China by implementing the calculation model in context of such primary energy as coal， oil and natural gas， as well as second energy like petrol oil， coke. It will be helpful to identify the environmental performance of energy production in China and to make a life cycle assessment of other industrial processes and products. The inventory analysis shows that 97% of energy consumption in China is contributed by industrial process， only 3% by transportation. Based on the comparison of the results of referenced literature in 2002， it shows that the inventory of China's fossil energy varies to some extent. The fossil energy input and environmental emissions from energy production is higher than that of advanced countries.

life cycle assessment；life cycle inventory；fossil energy；energy consumption；emissions

X820.3

A

1000-6923（2015）05-1592-09

丁 寧（1986-），女，河北保定人，博士，主要從事產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)研究.發(fā)表論文2篇.

2014-09-25

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“應(yīng)對氣候變化的碳收支認證及相關(guān)問題”（XDA05140200）

* 責(zé)任作者， 研究員， yangjx@rcees.ac.cn