基于STIRPAT 模型的天津市碳達峰和碳中和分析

劉茂輝 劉勝楠 孫猛 李婧 岳亞云 劉佳泓*

（1. 天津市生態環境監測中心，天津 300191；2. 天津天濱瑞成環境技術工程有限公司，天津 300190）

1 引言

黨中央經過深思熟慮作出了“力爭2030 年前實現碳排放達峰，2060 年前實現碳排放中和”的重大戰略決策，這一決策關乎中華民族的永續發展和人類命運共同體的構建，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》和中央財經委員會第九次會議對這一決策作了重要部署。為嚴格落實黨中央的決策部署，天津市在《天津市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》和2021 年天津市生態環境保護工作中對碳達峰和碳中和工作作了安排。為了對天津市碳排放管理提供決策支持，眾多學者開展了天津市碳排放的研究，主要研究內容包括碳排放影響因素分析［1-7］、碳排放情景預測分析［6-8］和碳減排潛力分析［9-10］。天津市碳排放影響因素可以分為四大類：經濟發展因素、產業因素、人口因素和能源因素。其中，經濟發展因素包括GDP、GDP 增速、人均GDP、外商直接投資（FDI）；產業因素包括第二產業比率；第三產業比率、第二產業能源消耗占比、第三產業能源消耗占比；人口因素包括常住人口數、城市化率，能源因素包括能源消耗總量、能源強度、生活能源占比、煤炭消耗占比、石油消耗占比、天然氣消耗占比、能源效率、碳排放系數。在碳排放情景預測分析方面，孫鈺等［8］基于Kaya 恒等式分基準情景、節能情景、低碳情景和強化低碳情景等4 個情景對天津市碳排放進行了預測分析，結果顯示，在節能情景下，天津市可完成2020 年減排承諾，同時，天津市按低碳模式發展下將在2020—2035 年間達到碳排放的高峰；李健等［6］基于1995—2013 年的數據，利用灰色模型預測天津市2020 年能源強度，結果表明，2020 年天津市能源強度為2005 年的44.76%，降幅達到55.24%，優于全國的減排標準；李雪梅等［7］在天津市2000—2016 年碳排放測算的基礎上，基于STIRPAT（Stochastic Impacts by Regression on Population，Affluence，and Technology，可拓展的隨機性的環境影響評估）模型預測天津市碳排放變化趨勢，結果顯示，中增長強減排情景模式是天津市最佳發展模式。在碳排放減排潛力分析方面，苑清敏等［9］運用系統動力學方法探求影響因素對未來天津市碳排放的影響，結果表明，在天津市碳排放量達到峰值后，結構調整、低碳技術水平和碳匯能力繼續為碳減排發揮積極作用。李健等［10］運用Tapio 脫鉤模型和LMDI 分解探討天津市碳減排驅動因素，結果顯示，經濟增長是促進碳排放增長的主要原因，能源效率始終是促進天津市實現脫鉤的關鍵。然而，碳達峰和碳中和目標提出之后，天津市碳達峰目標能否完成，天津市碳中和路徑是怎樣的，目前還沒有學者開展研究。

本研究通過核算2000—2019 年天津市的碳排放量，選取天津市人口總量、城鎮化率、地區生產總值、能源強度（單位地區生產總值能源消耗）、高技術比重（高技術包括制造業增加值占規模以上工業增加值比重）等變量構建可拓展的STIRPAT 模型，分析各影響因素對天津市碳排放量的影響，依據天津市“十四五”時期部分經濟社會發展指標評估天津市能否按時完成碳達峰目標，并探討天津市碳中和路徑。

2 研究方法和數據來源

2.1 碳排放量核算

研究依據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》來開展碳排放量核算，該指南總體上遵循《IPCC 國家溫室氣體清單指南》的基本方法，并借鑒了1994年和2005 年我國能源活動溫室氣體清單編制好的做法。其中，能源活動化石燃料燃燒溫室氣體清單編制采用以詳細技術為基礎的部門方法，該方法基于分部門、分燃料品種、分設備的燃料消費量等活動水平數據以及相應的排放因子等參數，通過逐層累加綜合計算得到總排放量，計算公式如下：

式中，EF 為排放因子，kg/TJ；Activity 為燃料消費量，TJ；i 為燃料類型；j 為部門活動；k 為技術類型。

2.2 STIRPAT 模型

STIRPAT 模型源于IPAT 等式［11］，IPAT 等式為：

式中，I 為環境負荷；P 為人口規模；A 為富裕度；T 為技術水平。

基于IPAT 等式，York 等［12］構建了STIRPAT 模型，其表達式為：

式中，a 為常數；P，A，T 含義同式（2）；b，c，d 分別為P，A，T 的指數項；e 為誤差項。

STIRPAT 模型作為定量分析各影響因素對環境負荷的一種有效方法，已被廣泛地應用于碳排放研究中。孫義等［13］采用STIRPAT 模型分析了吉林省碳排放驅動因素；潘棟等［14］基于中國東部11 省市1997—2017 年的面板數據，采用STIRPAT 模型來預測不同情景下的碳排放趨勢，并據此分析東部地區整體碳排放達峰的可能性；張國興等［15］構建擴展的STIRPAT 模型預測黃河流域交通運輸碳排放趨勢。在利用STIRPAT 模型研究碳排放過程中，可以依據研究區域實際情況，引入其他可以對碳排放造成影響的因素，構建擴展的STIRPAT 模型［16］。研究選取人口總量（P）、城鎮化率（U）、地區生產總值（A）、能源強度（T）、高技術比重（H）等5 項因素作為自變量，對STIRPAT 模型進行擴展，構建擴展后的模型為：

為了消除模型中可能存在的異方差影響，研究將所有變量進行對數化處理，對數化之后的擴展STIRPAT 模型為：

公式（5）中模型各變量說明見表1。

表1 STIRPAT 模型各變量說明

在使用STIRPAT 模型研究碳排放影響因素時，構建的多元線性回歸模型易產生多重共線的問題［17］，為解決這一問題，研究參照文獻［16］的方法，使用偏最小二乘法（PLS）進行多元線性回歸模型的構建。

2.3 數據來源

2000—2019 年碳排放所需活動水平數據、人口總量、城鎮化率、地區生產總值、第三產業比重、能源強度和高技術比重數據均來源于歷年天津統計年鑒和《天津市國民經濟和社會發展統計公報》。為排除通貨膨脹等物價上漲因素，地區生產總值采用2000年不變價進行折算。

2.4 情景設置

依據《天津市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》中城鎮化率、地區生產總值、能源強度和高技術比重以及近3 年人口總量變化率預測天津市碳達峰情況，并將以上數據作為基準情景。在基準情景的基礎之上，低碳發展加嚴40%作為低碳情景，即城鎮化率、地區生產總值的增長幅度下降40%，人口總量和高技術比重的增長幅度增加40%，能源強度的下降幅度增加40%；在基準情景的基礎之上，低碳發展加嚴80%作為超低碳情景，即城鎮化率、地區生產總值的增長幅度下降80%，人口總量和高技術比重的增長幅度增加80%，能源強度的下降幅度增加80%。各情景下各參數具體設置見表2。

表2 情景設置

3 結果與分析

3.1 回歸結果分析

表3 為各參數的Pearson 相關系數。由表3 可知，各自變量參數的相關性均大于0.9，說明各參數之間均有較高的相關性。

表3 Pearson 相關系數矩陣

以公式（5）為模型進行線性回歸分析，結果見 表4。

表4 線性回歸結果

由表4 可知，城鎮化率對數系數的方差膨脹因子（VIF）最高（744.639），其次是地區生產總值（572.361），高技術比重最低（64.249），但各參數的方差膨脹因子均遠高于10，說明各自變量之間存在著顯著的多重共線性，若采用此線性回歸擬合出的模型進行預測分析，可靠性較低，因此需要引入PLS 來消除自變量的多重共線性缺陷。首先使用主成分分析提取主成分，得到4 個主成分的累計方差貢獻依次為99.11%，99.59%，99.90%，99.99%，可以充分地解釋自變量的信息。使用主成分分析步驟確定的主成分數據，提取4 個主成分。首先對原數據的因變量和自變量都進行標準化，再通過PLS 算法，得到回歸方程為：

從得到的回歸方程式（6）來看，對于天津地區，在保持其他變量不變的情況下，人口總量每提高1%，則碳排放平均減少1.10%；城鎮化率每提高1%，則碳排放平均增加9.46%；地區生產總值每提高1%，則碳排放平均增加0.70%；能源強度每降低1%，則碳排放平均減少0.98%；高技術比重每增加1%，則碳排放平均減少0.42%。實際排放與擬合排放結果如圖1 所示，誤差在－5.6%～4.0%。由此可見，城鎮化率、富裕程度、能源強度與碳排放呈正相關，與上海市［16］、江蘇省［18］、昆明市［19］和天津市［4］是一致的，但人口總量與碳排放呈負相關，這與以上城市或省份的研究是不一致的，主要是因為2013 年以來天津市的碳排放是呈下降趨勢的，而人口總量則是呈上升趨勢的，以上城市的數據結果并未呈現類似規律，所以導致了本研究的人口總量的系數與其他城市或省份的研究不一致的結果。

圖1 天津市碳排放實際排放與擬合排放誤差分析

3.2 碳排放達峰分析

目前對于中國城市碳達峰還沒有明確的定義和概念，參照張立等［20］的研究，城市碳達峰是指城市的二氧化碳排放在一段時間內達到峰值，之后進入平臺期并可能在一定范圍內波動，但不能超過峰值，然后進入平穩下降階段。本研究將碳達峰定義為碳排放出現峰值隨后經歷平臺期并進入顯著下降階段（P＜0.01）。

基于STIRPAT 模型的模擬結果，對天津市“十四五”期間碳達峰情況進行預測，具體公式為：

“十四五”時期是天津在全面建成高質量小康社會基礎上，開啟全面建設社會主義現代化大都市新征程的第一個五年，是推動高質量發展、構建新發展格局的關鍵時期，基于《天津市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》《2020 年天津市國民經濟和社會發展統計公報》《天津市2021 年政府工作報告》，2020—2025 年期間，天津市人口總量年均增長0.159%，城鎮化率2020年為83.6%、2025 年為85%、年均增長0.28%，地區生產總值2020 年為1.5%、2021 年為6.5%、2022—2025 年為6%，能源強度2020 年5 年累計降低17%、2025 年5 年累計降低15%，高技術比重2020年為15.4%、2025 年為30%以上。基于以上數據和公式（7）模擬天津市“十四五”碳達峰情況，結果顯示，天津市2013 年碳排放達到峰值之后，2014—2020年碳排放處于平臺期，之后穩定下降，并于2024 年顯著下降（P＜0.01）。說明目前天津市采取的低碳發展策略可以確保在2025 年之前實現碳達峰。

由于對碳達峰的定義不同，對于碳達峰的年份預判也會略有差別。臧宏寬等［21］的碳達峰定義為近5 年內，能源相關的碳排放出現高峰并逐漸下降或波動下降，同時碳排放與地區生產總值之間處于強脫鉤或弱脫鉤狀態，按照其研究，天津市在2020 年之前的近5 年碳排放量出現了峰值并呈降低趨勢，且經濟增長與碳排放呈強脫鉤狀態，已經處于達峰狀態。而本研究中也顯示天津市碳排放在2020 年之前已經出現峰值并呈下降狀態，從這一點上看兩者的研究是一致的，由于本研究限定碳排放顯著下降才可定義為碳達峰，因此，碳達峰的判斷年份出現了不一致的情形。李雪梅等［7］研究顯示“中增長強減排情景模式”是天津市最佳發展模式，在此情景下，天津市將于2025 年達峰，對于達峰年份的判斷與本研究較為接近。綜上，天津市按照“十四五”既定情形發展可以在2025 年之前實現碳達峰。天津市碳排放達峰預測分析見圖2。

圖2 天津市碳排放達峰預測分析

3.3 碳排放中和分析

碳排放中和一般是指進入大氣的二氧化碳排放和吸收的匯之間達到平衡［22］，本研究基于天津市“十四五”規劃設置了基準情景、低碳情景和超低碳情景，其中，地區生產總值的設置參考了文獻［23］中“中國未來GDP 增速預測”，基于公式（7）模擬天津市3 種情景下碳排放情況。結果顯示，在基準情景下，天津市的碳排放在2021—2030 年逐漸下降，但2031 年開始逐漸升高，直至升到2060 年的4.6 億t；在低碳情景下，天津市碳達峰之后碳的排放顯著下降，直至降到2060 年的1.1 億t；在超低碳情景下，天津市碳達峰之后碳的排放更為顯著地下降，直至降到2060 年的0.2 億t。2020 年天津市森林覆蓋率為13%，2025 年為13.6%，按年均增加0.12%計，到2060 年天津市森林覆蓋率為17.8%，碳匯能力為29萬t/a。因此，在基準情景下，天津市無法實現碳中和；在低碳情景和超低碳情景下，天津市需要實施碳匯工程，并確保碳匯在2060 年分別穩定達到1.1 億t和0.2 億t，才能實現碳中和。天津市碳排放中和預測分析見圖3。

圖3 天津市碳排放中和預測分析

4 結論

對天津市碳排放影響最大的因素是城鎮化率，城鎮化率每提高1%，則碳排放平均增加9.46%；其次是人口總量和能源強度，人口總量每提高1%，則碳排放平均減少1.10%；能源強度每降低1%，則碳排放平均減少0.98%。嚴格落實“十四五”規劃中碳排放相關各項措施，天津市可以在2025 年之前實現碳達峰。天津市要在2060 年之前實現碳排放中和，需要適時實施碳捕集等碳匯工程。