我國碳排放預(yù)測模型的構(gòu)建及應(yīng)用

根據(jù)國家間氣候變化專業(yè)委員會（picc）第4次評估報告，全球氣候變化主要是由于人類活動引起的溫室氣體排放，尤其是由石化能源使用引起的co排放。因此,減少化石能源使用并提高能源利用效率,從而減少CO2排放是減緩氣候變化的最主要途徑。削減碳排放需要發(fā)達國家和發(fā)展中國家之間的有效磋商與合作,其關(guān)鍵在于確定不同國家的減排目標(biāo),而預(yù)測全球和不同國家的未來碳排放則是制定減排目標(biāo)的基礎(chǔ)之一。改革開放以來,中國取得了舉世矚目的經(jīng)濟發(fā)展成就,同時,所消耗的能源和帶來的CO2排放也顯著增加。1978—2002年我國能源消費年均增長4.2%,2002—2008年均增長11.1%;1970—2002年碳排放年均增加5.0%,2002—2008年碳排放年均增加11.5%。2006年中國的碳排放量超過美國,占世界碳排放總量的20%。由于中國在世界碳排放問題上具有舉足輕重的影響,因此中國未來碳排放的變化趨勢受到廣泛關(guān)注,已有多位學(xué)者和研究機構(gòu)從不同角度對中國未來碳排放進行了預(yù)測。本文基于對我國未來GDP和GDP碳排放強度的預(yù)測,對我國2050年碳排放進行了預(yù)測,以期為我國的氣候變化政策制定和有效參與國際氣候變化談判提供研究基礎(chǔ)。1中國20年碳排放的預(yù)測模型碳排放預(yù)測的主要工具包括模型和情景。模型描述了影響碳排放的經(jīng)濟、社會和技術(shù)因素的作用機制,其中包含了表征這些因素的參數(shù)。而情景是對未來經(jīng)濟、社會和技術(shù)發(fā)展路徑的預(yù)期,不同預(yù)期通過賦予模型參數(shù)不同數(shù)值實現(xiàn),將參數(shù)輸入模型,就可以進行碳排放預(yù)測。預(yù)測模型包括簡單模型和復(fù)雜模型。國內(nèi)外碳排放預(yù)測中廣泛使用的IPTA恒等式就是一種預(yù)測碳排放的簡單模型,又稱為Kaya恒等式。Kaya恒等式將碳排放分解為不同因子的乘積,即式中,C為碳排放,P為人口,G為GDP,E為能源消費量;g=G/P表示人均GDP,e=E/G表示GDP能源強度,c=C/E表示能源碳排放強度。Sheehan等基于對GDP增長、GDP能源彈性以及能源構(gòu)成和不同能源碳排放因子的預(yù)測,預(yù)測了中國2030年前的碳排放,其方法本質(zhì)上也是Kaya模型的變種。復(fù)雜模型主要包括投入產(chǎn)出模型和綜合性的自頂向下和自底向上模型等。Blanford等利用MERGE模型預(yù)測了2030年前中國的碳排放。MERGE模型是一個考慮經(jīng)濟自頂向下的總體均衡和能源技術(shù)自底向上的綜合優(yōu)化模型。中國學(xué)者姜克雋等利用IPAC(IntegratedPolicyAssessmentmodelinChina,中國政策綜合評價模型)模型對中國2050年前的碳排放進行了預(yù)測,IPAC是一個包含社會經(jīng)濟與能源活動、能源技術(shù)、土地利用、工業(yè)過程排放等多個模型的綜合評價模型。本研究基于對我國未來GDP和GDP碳強度的預(yù)測,以2005年為起始年,對我國2050年前碳排放進行了預(yù)測。公式為其中G為GDP,Cg為GDP碳強度。我國未來GDP按照我國經(jīng)濟發(fā)展三步走戰(zhàn)略進行預(yù)測(表1),即到2020年實現(xiàn)人均國內(nèi)生產(chǎn)總值比2005年翻一番,2050年時經(jīng)濟達到目前中等發(fā)達國家的水平。根據(jù)這一假設(shè),預(yù)計2000—2050年,中國經(jīng)濟保持年均6.4%的增長速度。對于我國未來GDP碳強度的變化,設(shè)置3組情景:1)根據(jù)我國GDP碳強度歷史變化及碳強度五年計劃設(shè)定;2)根據(jù)歷史上主要發(fā)達國家GDP碳強度的衰減規(guī)律;3)基于我國2050年碳強度假定情景,即假定到2050年時,我國碳強度依指數(shù)衰減至主要發(fā)達國家2005年的碳強度水平。本研究使用的中國碳排放歷史數(shù)據(jù)引自美國橡樹嶺國家實驗室二氧化碳信息分析中心統(tǒng)計的全球不同國家碳排放數(shù)據(jù)。碳強度數(shù)據(jù)引自美國能源部能源信息署(EIA),包括世界各國1980—2006年GDP碳強度數(shù)據(jù)(根據(jù)基于市場匯率的GDP計算,以2000年美元計價)(1)。為了計算人均碳排放,使用美國人口調(diào)查局網(wǎng)站公布的中國2050年前人口預(yù)測數(shù)據(jù)(2)(表1)。2結(jié)果與討論2.1我國碳排放總量預(yù)測1980年以來,我國GDP碳強度迅速下降,1980—2000年平均每5年下降約20%。國家“十一五”規(guī)劃(2006—2010年)也將能源強度降低20%作為目標(biāo),因此,本文的“五年計劃”情景之一是假定未來我國碳強度變化將延續(xù)這一趨勢,2006—2050年我國GDP碳強度每5年降低20%(“五年計劃1”情景)?！拔迥暧媱潯鼻榫爸羌僭O(shè)2006—2020年碳強度每5年下降15%,2020—2035年每5年下降20%,2035—2050年每5年降低25%(“五年計劃2”情景)。這一情景設(shè)置是考慮到我國目前仍然處于重工業(yè)化階段,短期內(nèi)碳強度降低幅度可能較小;而遠期隨著新能源等低碳技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,碳強度下降速率可能呈加速趨勢。圖1展示了兩個“五年計劃”情景下我國未來碳排放總量及人均排放量的預(yù)測結(jié)果。表2給出了不同情景下的2006—2050年累計總排放量、累計人均排放量和排放峰值情況。兩種情景預(yù)測的未來碳排放峰值年份比較接近,均在2035年左右,“五年計劃2”的排放峰值高于“五年計劃1”。二者2050年的碳排放量相同,2006—2050年累計碳排放“五年計劃2”預(yù)測高于“五年計劃1”。2.2歷史碳強度衰減速率對主要發(fā)達國家歷史碳強度變化的研究表明,碳強度達到峰值后隨時間的下降過程可以用指數(shù)函數(shù)進行描述:其中CI為某年碳強度,CI0為峰值年碳強度,Δt為某年(t)與基準(zhǔn)年(t0)的時間差(Δt=t-t0),b為碳強度衰減指數(shù)。主要發(fā)達國家的碳強度年衰減速率分別為:美國1.34%,德國2.39%,英國1.69%,日本1.2%,G8國家(不含俄羅斯)(1)平均為1.18%(2)。假定2050年前我國碳強度遵循與發(fā)達國家類似的衰減過程,分別按照美、德、英、日及G8平均GDP碳強度衰減速率對我國未來碳排放進行預(yù)測,結(jié)果見圖2。為便于比較,圖2也給出了“五年計劃”情景的預(yù)測結(jié)果?；诎l(fā)達國家歷史碳強度變化規(guī)律的預(yù)測結(jié)果普遍高于五年計劃情景的預(yù)測,2006—2050年,碳排放總量和人均排放量均呈持續(xù)增加趨勢,沒有出現(xiàn)拐點。根據(jù)不同國家碳強度衰減速率預(yù)測的2050年碳排放量介于8~15PgC,人均年排放量介于6~10tC,這一水平不低于美國歷史人均碳排放的峰值。實際上,按照發(fā)達國家歷史碳強度變化預(yù)測的碳排放路徑實現(xiàn)可能性較小,甚至不可能發(fā)生。一方面,我國承受了較大的國際減排壓力,在哥本哈根氣候大會召開前做出了2020年碳強度在2005年水平上降低40%~45%的承諾。在這一承諾下我國碳強度衰減速率遠高于發(fā)達國家的歷史速率(衰減速率為3.4%~4%);另一方面,雖然我國目前仍處于工業(yè)化階段,未來仍需要較大的碳排放空間,但與發(fā)達國家歷史上的工業(yè)化相比,我國所面臨的發(fā)展路徑選擇空間和技術(shù)選擇空間都要更大一些,這意味著我國有機會選擇低消耗、低排放的可持續(xù)發(fā)展道路,從而能夠比發(fā)達國家歷史上更快的降低碳排放強度。2.3不同國家碳強度假定情景預(yù)測結(jié)果對比這一預(yù)測仍然假定中國的碳強度在2050年前指數(shù)衰減,但2050年時碳強度降至發(fā)達國家2005年的水平。根據(jù)這一假設(shè),我國碳排放強度年均下降速率分別為:3.62%(按美國),4.10%(按德國),4.53%(按英國),5.27%(按日本)以及4.10%(按G8平均)。這一組情景的預(yù)測結(jié)果展示于圖3,表3給出了不同情景預(yù)測的累計總碳排放、累計人均排放以及排放峰值。按照不同國家碳強度假定情景的預(yù)測結(jié)果差別較大。其中,年碳排放和人均碳排放峰值按美國碳強度預(yù)測的最高,分別為4.9PgC和3.4tC;而按日本預(yù)測的最低,分別為2.8PgC和1.9tC,按德國、G8和按英國預(yù)測的結(jié)果介于按美國和日本之間。2006—2050年中國累計總碳排放為110~170PgC,人均累計碳排放為76~117tC。2050年碳強度假定情景的預(yù)測與兩個“五年計劃”的預(yù)測具有可比性。“五年計劃1”的預(yù)測介于按照G8和按照英國的預(yù)測之間?！拔迥暧媱?”預(yù)測的2030年前碳排放與按照美國的預(yù)測相似,2030年后下降較快,2050年的碳排放低于按照G8的預(yù)測,略高于按照英國的預(yù)測。2.4我國未來碳排放最佳可能范圍的預(yù)測本節(jié)擬把上述預(yù)測結(jié)果與國內(nèi)其他預(yù)測結(jié)果進行比較,提出我國未來碳排放最佳可能范圍。由于基于發(fā)達國家歷史碳強度變化情景的預(yù)測結(jié)果實現(xiàn)可能性較小,因此比較時不再考慮這一情景。我們選擇了目前國內(nèi)比較權(quán)威的其他兩個未來碳排放預(yù)測與本研究的預(yù)測進行比較,分別是國家發(fā)改委能源研究所(以下稱發(fā)改委能源所)利用IPAC模型的預(yù)測結(jié)果和中國《氣候變化國家評估報告》(以下稱國家評估報告)的碳排放預(yù)測結(jié)果。其中,發(fā)改委能源所的預(yù)測包括3個排放情景:基準(zhǔn)情景、低碳情景和強化低碳情景。國家評估報告在綜合回顧當(dāng)時國內(nèi)有關(guān)研究的基礎(chǔ)上,基于GDP、GDP能源強度和能源碳強度預(yù)測對我國2050年碳排放進行了預(yù)測。為便于比較,上述兩個預(yù)測結(jié)果,連同本研究前述的預(yù)測結(jié)果一并展示于圖4。圖4(b)給出了1950—2050年發(fā)達國家和美國的人均碳排放情況,2005年前是實際值,2005年后是預(yù)測值,預(yù)測方法見表4注釋。國家評估報告預(yù)測2040年時碳排放量略低于2PgC/a,而根據(jù)荷蘭環(huán)境評價署的估算,中國2008年的碳排放已經(jīng)達到了2.05PgC/a。因此,國家評估報告的預(yù)測明顯偏低。發(fā)改委能源所基準(zhǔn)情景的預(yù)測結(jié)果與按照碳強度每5年降低20%的預(yù)測結(jié)果基本一致,基準(zhǔn)情景是假設(shè)我國不采取氣候變化對策,國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展程度自行調(diào)整能夠達到的碳排放,兩者相一致表明對我國而言,未來碳強度每5年降低20%可能是比較現(xiàn)實的路徑。然而,考慮到我國重工業(yè)化過程仍將持續(xù),而新能源技術(shù)和高能效技術(shù)在短期內(nèi)又難以突破,在未來短期內(nèi)碳強度降低幅度可能較小,而未來遠期的降幅可能較大,因此,本研究認為A2情景(即“五年計劃2”情景)最有可能代表應(yīng)對氣候變化較小壓力下我國未來碳排放的路徑,可以作為未來碳排放最佳可能范圍的上限。根據(jù)“五年計劃2”情景,到2020年,中國的碳排放強度將比2005年降低39%,與不久前我國做出的2020年碳強度比2005年降低40%~45%的承諾非常接近。美國2005碳強度情景(A3情景)的預(yù)測值最高,可以作為我國未來碳排放的最大預(yù)測情景。發(fā)改委能源所的預(yù)測結(jié)果中,低碳情景(B2情景)側(cè)重依靠我國自身實力,采取積極應(yīng)對氣候變化的國內(nèi)政策,該預(yù)測值可以作為未來碳排放最佳可能范圍的下限;強化低碳情景(B3情景)強調(diào)了在全球一致減緩氣候變化的共同愿景下,重大低碳技術(shù)成本下降更快、發(fā)達國家政策逐漸擴散到發(fā)展中國家的情景下,中國可以實現(xiàn)的進一步減排,可以作為未來碳排放的最小預(yù)測情景。綜上所述,B2和A2情景作為未來碳排放最佳可能范圍的下限和上限,B3和A3情景作為未來碳排放的最小和最大可能預(yù)測。這樣,2050年我國碳排放的最小預(yù)測和最大預(yù)測分別為1.4和4.8PgC/a,最佳可能范圍為2.4~3.3PgC/a;2050年人均碳排放的最小預(yù)測和最大預(yù)測分別為1.0和3.4tC,最佳可能范圍為1.7~2.3tC。根據(jù)最佳可能預(yù)測上限,碳排放在2035年達到峰值,峰值排放量為4.4PgC/a,人均碳排放峰值為3.0tC。我國未來人均碳排放預(yù)測的最大峰值與發(fā)達國家歷史人均排放峰值基本持平,約是美國歷史人均排放峰值的一半。表4給出了最小預(yù)測、最大預(yù)測和最佳可能范圍的2006—2050年碳排放累計值和峰值情況。2.5預(yù)測結(jié)果偏高表5中列出了國內(nèi)外其他研究預(yù)測的中國未來碳排放情況,并將上面提出的未來我國碳排放最小預(yù)測、最大預(yù)測和最佳可能范圍與表中所列出的預(yù)測結(jié)果進行比較。包括本研究在內(nèi),2000—2030年不同研究預(yù)測的未來碳排放年增長速率為2.4%~6.5%,最高增長速率為最低速率的2倍還多,其差別主要源于對未來經(jīng)濟發(fā)展速度和能源消耗估計的不同。早期預(yù)測的增長速率普遍較低[10,17,18,19,20,21],最近的預(yù)測結(jié)果偏高。這可能是由于中國碳排放2002年后增長速率大大提高,由1978—2002年的年平均增長速率3.8%提高到2002—2008年的11.5%,而早期研究均未能預(yù)見到這一增長。近期的研究充分考慮了2002年后中國碳排放的增長趨勢,因此對于未來碳排放增長的預(yù)期普遍提高。根據(jù)2.4節(jié)中提出的我國未來碳排放的最小預(yù)測、最大預(yù)測和最佳可能范圍,2000—2030年我國碳排放年增長率的最小和最大可能預(yù)測為3.2%和5.2%,最佳可能范圍為3.4%~5.2%,與其他研究得出的年增長速率比較相似。最佳可能范圍上限與Blanford等的非常接近,下限與國務(wù)院發(fā)展研究中心的情景B(積極政策)比較接近。由于2050年碳排放屬于遠期預(yù)測,超出了目前在任決策者們所能控制的期限,因此僅有較少研究涉及2050年的碳排放預(yù)測。VanVuuren等的預(yù)測結(jié)果表明2030—2050年中國碳排放持續(xù)增長,與本研究預(yù)測的2030—2050年中國碳排放將出現(xiàn)拐點或極其微弱的增長不同。這是因為VanVuuren等預(yù)測的2000—2030年中國碳排放增長速率遠遠低于本研究的預(yù)測,其預(yù)測的結(jié)果為中國碳排放將經(jīng)歷長期但較為緩慢的增長。3我國總碳排放總結(jié)前述預(yù)測和分析,2050年我國未來碳排放的最小預(yù)測情景為發(fā)改委能源所的強化