基于IPAT模型的江西省碳排放峰值預(yù)測(cè)研究

席細(xì)平，謝運(yùn)生，王賀禮，范 敏，石金明，羅成龍

(1.江西省科學(xué)院能源研究所，330096，南昌；2.江西省低碳經(jīng)濟(jì)研究中心，330096，南昌)

基于IPAT模型的江西省碳排放峰值預(yù)測(cè)研究

席細(xì)平1,2，謝運(yùn)生1，王賀禮1，范 敏1，石金明1，羅成龍1

(1.江西省科學(xué)院能源研究所，330096，南昌；2.江西省低碳經(jīng)濟(jì)研究中心，330096，南昌)

通過(guò)對(duì)江西省1995-2012年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，利用IPAT模型對(duì)未來(lái)江西省碳排放峰值出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。可以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)進(jìn)步對(duì)峰值的影響較為重要。按照江西省目前發(fā)展趨勢(shì)，若經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)保持能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度合理下降，江西省的峰值到達(dá)時(shí)間約在2032-2035年之間。因此，保持能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度的不斷下降對(duì)江西省盡快出現(xiàn)碳排放峰值至關(guān)重要，健全應(yīng)對(duì)氣候變化機(jī)制、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高清潔能源消費(fèi)比重應(yīng)成為江西省今后的重點(diǎn)工作任務(wù)。

IPAT模型；碳排放；峰值預(yù)測(cè)；能源強(qiáng)度

0 引言

全球氣候變暖已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)際社會(huì)和我國(guó)均采取措施應(yīng)對(duì)全球氣候變化、減緩溫室效應(yīng)。碳排放峰值問(wèn)題已成為全球氣候變化科學(xué)和談判關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)低碳發(fā)展的標(biāo)志性指標(biāo)，是引領(lǐng)政府、企業(yè)和社會(huì)各界共同奮斗的目標(biāo)[1]。2009年12月，我國(guó)政府提出到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。我國(guó)42個(gè)低碳試點(diǎn)省市均提出了碳排放峰值目標(biāo)，如上海、溫州、廣元等城市的峰值年份分別為2020年、2019年和2030年，江西省的贛州市和景德鎮(zhèn)市預(yù)期峰值年份都為2023年。目前，江西省正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，能源消耗帶來(lái)的碳排放量快速增加，這對(duì)控制溫室氣體排放措施的實(shí)施提出了新的要求，因此預(yù)判碳排放峰值年份和研究應(yīng)對(duì)策略已成為擺在江西面前的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)碳排放峰值預(yù)測(cè)方面的研究主要集中在能源消費(fèi)的碳排放量峰值方面，研究主要方法集中在運(yùn)用 STIRPAT模型、LEAP模型、MARKAL-MACRO模型、環(huán)境庫(kù)茲涅茨(EKC)曲線，根據(jù)能源消耗量計(jì)算碳排放量、根據(jù)碳排放強(qiáng)度對(duì)碳排放峰值的研究等。林伯強(qiáng)[2]等利用傳統(tǒng)的EKC曲線模擬與在二氧化碳排放預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)2種方法，對(duì)中國(guó)的二氧化碳庫(kù)茲涅茨曲線做了對(duì)比研究和預(yù)測(cè)，結(jié)果存在較大差異：簡(jiǎn)單的EKC曲線模擬計(jì)算，人均GDP在37 170元處達(dá)到人均二氧化碳排放的最大值是中國(guó)二氧化碳排放的理論拐點(diǎn)，依據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，拐點(diǎn)出現(xiàn)在 2020年左右；從能源需求角度分析中國(guó)二氧化碳的庫(kù)茲涅茨曲線到2040年還沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn)。姜克雋[3]等利用IPAC模型, 對(duì)我國(guó)未來(lái)中長(zhǎng)期的能源需求與溫室氣體排放情景進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：基準(zhǔn)情景下,中國(guó)化石燃料產(chǎn)生的碳排放將于2040年達(dá)到峰值；強(qiáng)化低碳情景下，中國(guó)將于2030年達(dá)到峰值。

1 江西省碳排放現(xiàn)狀

近年來(lái)，江西省工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，2012年GDP達(dá)到12 948.5億元，同時(shí)也消耗了大量的能源，能源消費(fèi)總量達(dá)7 232.9萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭所占比重為70%。大量化石能源的消耗也造成了二氧化碳排放總量的快速增長(zhǎng)，2012年江西省二氧化碳排放約1.85億t，其中煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳量最大，占比達(dá)83.1%，石油、天然氣和電力調(diào)入消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳量占比分別為15.1%、1.4%和0.4%，人均二氧化碳排放4.11 t，低于國(guó)家平均水平6.6 t。

從各產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放來(lái)看，2012年江西省第二產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放量最大，比重達(dá)到73.1%，其次為第三產(chǎn)業(yè)、居民生活和第一產(chǎn)業(yè)，所占比重分別為16.0%、8.5%和2.4%。在工業(yè)各部門的二氧化碳排放中，規(guī)模以上工業(yè)部門二氧化碳排放量貢獻(xiàn)率最大的是電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)，2個(gè)行業(yè)部門的二氧化碳排放量約占規(guī)模以上工業(yè)部門總二氧化碳排放量的52%，其次是石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、塑料制品業(yè)、煤炭開采和洗選業(yè)。10大耗能行業(yè)的二氧化碳排放量約占規(guī)模以上工業(yè)部門總二氧化碳排放量的98%。

圖1 2012年江西省規(guī)模以上工業(yè)部門二氧化碳排放貢獻(xiàn)情況

2 模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)處理

目前，各個(gè)權(quán)威部門認(rèn)為，人類活動(dòng)的二氧化碳排放 90%以上來(lái)源于能源的使用。在現(xiàn)階段的各個(gè)研究中，大部分學(xué)者將該區(qū)域的能源消費(fèi)總量的二氧化碳排放看成是實(shí)際該地區(qū)的二氧化碳排放總量，國(guó)家碳指標(biāo)下降考核中二氧化碳排放量目前也是以煤油氣大類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行核算。本文也將江西省能源消費(fèi)總量的二氧化碳排放當(dāng)做是江西省的碳排放總量，不考慮電力調(diào)入調(diào)出產(chǎn)生的二氧化碳排放。在二氧化碳排放量計(jì)算公式上，參考國(guó)家發(fā)改委考核各地區(qū)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放降低目標(biāo)制定的“二氧化碳排放核算方法”的算法，其二氧化碳排放計(jì)算公式為：

Qt=Ecζ1+Eoζ2+Enζ3

式中：Qt為二氧化碳排放總量，Ec為煤炭消耗標(biāo)準(zhǔn)量(t標(biāo)準(zhǔn)煤)，ζ1為煤炭燃燒過(guò)程二氧化碳排放因子(tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤)，Eo為石油消耗標(biāo)準(zhǔn)量(tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤)，ζ2為石油燃燒過(guò)程二氧化碳排放因子(tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤)，En為天然氣消耗標(biāo)準(zhǔn)量(t標(biāo)準(zhǔn)煤)，ζ3為天然氣燃燒過(guò)程二氧化碳排放因子(tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤)。

ζ1、ζ2、ζ3采用2005年國(guó)家溫室氣體清單的初步數(shù)據(jù)，即ζ1為2.64 tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤，ζ2為2.08 tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤，ζ3為1.63 tCO2/t標(biāo)準(zhǔn)煤。Ec、Eo、En可通過(guò)查閱《2013年江西統(tǒng)計(jì)年鑒》[4]中能源消費(fèi)總量和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，由此可計(jì)算出各年度的二氧化碳排放量。數(shù)據(jù)處理后，將二氧化碳排放量、能源消費(fèi)總量、能源結(jié)構(gòu)中煤炭和石油所占比例、人口、人均GDP和能源強(qiáng)度等數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 1995-2012年江西省二氧化碳排放量等指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2模型構(gòu)建

lnIi=lna+blnPi+clnAi+dlnTi

式中：Ii表示為對(duì)環(huán)境的影響，Pi為人口因素，Ai為財(cái)富情況，Ti為技術(shù)情況。

在碳排放研究中，Ii表示為二氧化碳排放總量，Pi為人口數(shù)量，Ai為人均GDP，Ti為能源強(qiáng)度。借鑒溫景光[6]碳排放的因素分解分析，影響江西省碳排放因素不光只有IPAT模型中的人口因素、人均GDP因素和能源強(qiáng)度因素，其能源結(jié)構(gòu)因素在江西省碳排放中也有著很重要的影響作用。因此，在修正的IPAT模型中，添加煤炭所占比例(R1)和石油所占比例(R2)作為模型的新解釋變量，并得到下式：

lnIi=lna+blnPi+clnAi+dlnTi+elnR1i+flnR2i+β

將1995-2012年江西省二氧化碳排放量等指標(biāo)數(shù)據(jù)在MATLAB中構(gòu)建模型，用最小二乘法回歸，得到以下結(jié)果：

lnIi=0.353 2 lnPi+1.015 3 lnAi+0.973 1 lnTi+0.069 7 lnR1i+0.018 4 lnR2i+6.406 6

表2江西省1995-2012年碳排放模型擬合值與實(shí)際值數(shù)據(jù)對(duì)比

年份實(shí)際二氧化碳排放量/萬(wàn)t擬合二氧化碳排放量/萬(wàn)t誤差/%19956122．756140．230．2819965516．035468．66-0．8719975458．945494．690．65%19985192．705181．47-0．2219995435．655439．240．0720006412．806404．02-0．1420016727．686741．040．2020027508．487501．21-0．1020038770．568791．230．2420049763．849769．170．05200510972．1610933．63-0．35200611929．8611895．69-0．29200712934．4012959．130．19200813780．4813806．210．19200914880．0014827．17-0．36201015996．1615976．62-0．12201117736．1917774．500．22201218516．2218514．48-0．01

從擬合結(jié)果來(lái)看，人口和人均GDP的增長(zhǎng)都能使得碳排放總量增長(zhǎng)，而能源強(qiáng)度的降低會(huì)使得碳排放總量降低，這3個(gè)變量與碳排放總量都具有正相關(guān)的關(guān)系。對(duì)比二氧化碳排放總量的實(shí)際值與擬合值，各年度的誤差均不超過(guò)1%，精度都在99%以上，模型估計(jì)值與實(shí)際值具有較好的擬合度。

3 江西省碳排放峰值預(yù)測(cè)

3.1情景設(shè)定

根據(jù)IPAT模型，要預(yù)測(cè)未來(lái)江西省碳排放總量，需要知道未來(lái)人口(P)、人均GDP(A)、能源強(qiáng)度(T)、煤炭所占比例(R1)、石油所占比例(R2)的數(shù)值。人口(P)和人均GDP(A)的增長(zhǎng)率采用江西省1995-2012年中各年均增長(zhǎng)率的平均值。能源強(qiáng)度(T)的情景參考了渠慎寧[7]對(duì)能源強(qiáng)度(T)的3種低模式、中模式和高模式的情景預(yù)測(cè)，同時(shí)借鑒中國(guó)碳排放研究課題組給出的基準(zhǔn)情景、強(qiáng)節(jié)能情景和超強(qiáng)節(jié)能情景下2010年和未來(lái)2020年、2030年、2040年和2050年的能源結(jié)構(gòu)比例情況對(duì)江西省煤炭所占比例(R1)、石油所占比例(R2)進(jìn)行設(shè)定。由此，本文設(shè)定了基準(zhǔn)情景、節(jié)能情景和低碳情景等3種情景，預(yù)測(cè)了3種情景下各影響因素2010-2050年的數(shù)據(jù)(見表3)，3種情景具體構(gòu)想如下。

3.1.1 基準(zhǔn)情景 是指按照目前發(fā)展而并不采取任何強(qiáng)制措施進(jìn)行節(jié)能減排的碳排放發(fā)展情景，主要驅(qū)動(dòng)因素是經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源技術(shù)進(jìn)步與消費(fèi)結(jié)構(gòu)按照以往的歷史發(fā)展趨勢(shì)演進(jìn)，仍然以經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)作為社會(huì)發(fā)展的主要目標(biāo)，由工業(yè)化進(jìn)程所決定，能源消耗與碳排放與日俱增。

3.1.2 節(jié)能情景 是指政府、民眾、企業(yè)有節(jié)能減排意識(shí)，政府在目前區(qū)域經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)陌l(fā)展清潔能源的碳排放發(fā)展情景，主要考慮到江西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源供需矛盾、環(huán)境約束、政策導(dǎo)向等因素，通過(guò)強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)步、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、采取低能耗、低碳排放政策來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和碳排放目標(biāo)。

3.1.3 低碳情景 是指政府和民眾有較強(qiáng)節(jié)能意識(shí)，企業(yè)增大科研投入，自主創(chuàng)新，降低能源強(qiáng)度，政府大力發(fā)展清潔能源，鼓勵(lì)民眾使用清潔能源等低碳發(fā)展情況下的碳排放發(fā)展情景，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到很好的調(diào)整，能源結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，新能源開發(fā)利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，低碳能源達(dá)到相當(dāng)?shù)谋戎兀M(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持，更好地促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變。

3.2峰值預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)各情景設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均增長(zhǎng)率，可得出2010-2050 年中各年在3種情景下的數(shù)據(jù)，并根據(jù)模型擬合公式可計(jì)算未來(lái) 2013-2050年碳排放預(yù)測(cè)值。1)采取基準(zhǔn)情景，江西省到2048年達(dá)到峰值，峰值量為38 913.96萬(wàn)t，對(duì)應(yīng)的人口為5 391.2萬(wàn)人，人均GDP為15.33萬(wàn)元，能源強(qiáng)度為0.199 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，煤炭所占比例為54.16%，石油所占比例為19.27%；2)采取節(jié)能情景，江西省二氧化碳排放量在2035年達(dá)到峰值，峰值量為32 901.89萬(wàn)t，對(duì)應(yīng)的人口為5 068.2萬(wàn)人，人均GDP為10.84萬(wàn)元，能源強(qiáng)度為0.246 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，煤炭所占比例為54.66%，石油所占比例為19.35%；3)采取低碳情景，江西省二氧化碳排放量在2032年達(dá)到峰值，峰值量為29 642.41萬(wàn)t，對(duì)應(yīng)的人口為4 993.7萬(wàn)人，人均GDP為9.80萬(wàn)元，能源強(qiáng)度為0.246 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，煤炭所占比例為54.89%，石油所占比例為20.47%。

表3 江西省 2010-2050 年情景設(shè)定

圖2 3種情景下江西省 2013-2050 年二氧化碳排放總量趨勢(shì)圖

可以發(fā)現(xiàn)，在基準(zhǔn)情景、節(jié)能情景和低碳情景下江西省二氧化碳排放的總量趨勢(shì)都是經(jīng)歷了先上升后下降的階段，并且會(huì)出現(xiàn)二氧化碳排放總量的峰值，但是由于采取的情景不同，年碳排放總量的大小不同，而且峰值出現(xiàn)的時(shí)間年份和峰值量不同，預(yù)計(jì)江西省碳排放峰值將在2032-2035年間出現(xiàn)。低碳情景峰值會(huì)比節(jié)能情景峰值提前3年到達(dá)，而且峰值量會(huì)降低 3 259.48萬(wàn)t。這也說(shuō)明了隨著節(jié)能的越來(lái)越深入，降低單位GDP碳排放量所需要投入的技術(shù)等資源也會(huì)越來(lái)越多。

4 結(jié)論

按照江西省目前發(fā)展趨勢(shì), 若經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)保持能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度合理下降, 江西省碳排放峰值到達(dá)時(shí)間約在2032-2035年之間，如若經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)不重視能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度的降低, 則會(huì)導(dǎo)致峰值出現(xiàn)時(shí)間后延。因此，保持能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度的不斷下降對(duì)江西省盡快出現(xiàn)碳排放峰值至關(guān)重要, 健全應(yīng)對(duì)氣候變化機(jī)制、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高清潔能源的消費(fèi)比重應(yīng)成為江西省今后的重點(diǎn)工作任務(wù)。

[1] 徐華清,蘇明山,楊?yuàn)檴?世界主要國(guó)家和集團(tuán)溫室氣體排放峰值特征分析[EB/OL].http://www.ncsc.org.cn/article/yxcg/yjgd/201404/20140400000865.shtml.

[2]林伯強(qiáng),蔣竺均.中國(guó)二氧化碳的環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線預(yù)測(cè)及影響因素分析[J].管理世界,2009(4):27-36.

[3]姜克雋,胡秀蓮,莊幸,等.中國(guó)2050 年低碳情景和低碳發(fā)展之路[J].中外能源,2009,14 (6):21-26.

[4]江西省統(tǒng)計(jì)局,國(guó)家統(tǒng)計(jì)局江西調(diào)查總隊(duì).2013江西統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2013.

[5]聶銳,張濤,王迪 基于IPAT模型的江蘇省能源消費(fèi)與碳排放情景研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2010,25(9):1557-1564.

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ForecastofJiangxi′sCarbonEmissionstoPeakBasedonIPATModel

XI Xiping1,2,XIE Yunsheng1,WANG Heli1,FAN Min1,SHI Jinming1,LUO Chenglong1

(1.Institute of Energy Conversion,Jiangxi Academy of Sciences,330096,Nanchang,PRC;2.Jiangxi Low Carbon Economy Research Center,330096,Nanchang,PRC)

The paper uses time series regression on Jiangxi′s 1995- 2012 data to draw the trend,and utilize IPAT model to forecast of Jiangxi′s carbon emissions to peak in future. We find that the impact of technology progress on the peak is important.According to the current trends of Jiangxi,if the economic and social development while energy intensity and carbon emissions intensity keep reasonable decline,Jiangxi′s peak will arrive between 2032 and 2035.Therefore, maintaining the declining energy intensity and carbon intensity of carbon emissions is essential to realize the peak as soon as possible.Establish against climate change mechanism,adjustment industrial structure,optimization energy structure and increase the proportion of clean energy consumption should be the focus of future tasks.

IPAT model;carbon emissions;peak forecast;energy intensity

2014-10-12;

2014-11-04

席細(xì)平(1979-)，男，江西撫州人，碩士，助理研究員，主要從事能源技術(shù)與低碳經(jīng)濟(jì)研究。

江西省科技支撐計(jì)劃(2009BGB04300、2010BGB01702)；江西省高校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地招標(biāo)項(xiàng)目(JD1363)；江西省科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)(2013-YTPH2-14)；江西省科學(xué)院對(duì)外科技合作項(xiàng)目(H2014005)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.005

F206

A

1001-3679(2014)06-0768-05