微觀創(chuàng)新驅(qū)動下京津冀城市群低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型模型構(gòu)建＊

朱潛挺，熊鵬程，張馨月，吳靜

［1.中國石油大學(xué)（北京）經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 102249；2.中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京 100190］

0 引言

隨著世界各國對環(huán)境氣候問題的關(guān)注度不斷提高，二氧化碳排放被認為是加劇全球氣候變化的重要因素之一，我國作為當今世界上最大的碳排放國家，二氧化碳排放問題受到國際的特別關(guān)注。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”。為實現(xiàn)“雙碳”目標，我國需要深入了解國內(nèi)的能源消費需求和碳排放趨勢，建立科學(xué)的碳排放預(yù)測模型，為制定政策提供支持，推動經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。京津冀城市群作為我國的三大城市群之一，是我國核心經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分，也是能耗降低和碳減排任務(wù)的重點區(qū)域，并且隨著其經(jīng)濟增長和城市化水平的不斷進步，京津冀城市群的能源消耗和減少碳排放的壓力仍將持續(xù)增加。能源消費碳排放是包含經(jīng)濟、能源、環(huán)境、科技、人口等多個子系統(tǒng)的有機復(fù)合系統(tǒng)。因此，基于系統(tǒng)動力學(xué)理論，對京津冀城市群的能源消耗和碳排放進行預(yù)測，有利于尋求更好的經(jīng)濟發(fā)展方式、推進京津冀碳減排，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。

目前，已有大量國內(nèi)外學(xué)者對能源消費和碳排放預(yù)測工作進行大量的研究，預(yù)測方法主要有STIRPAT 模型［1-4］、ARIMA 模型［5-10］、支持向量機［11-14］、LEAP 模型［15-18］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［19-21］、系統(tǒng)動力學(xué)模型［22-26］等。其中，系統(tǒng)動力學(xué)具有優(yōu)勢，主要以反饋控制理論為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)入手，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，可用于研究處理復(fù)雜的社會、經(jīng)濟、生態(tài)等系統(tǒng)問題，并可在宏觀、微觀層面上對復(fù)雜、動態(tài)、非線性、多層次的大規(guī)模系統(tǒng)進行綜合研究，近年來許多學(xué)者將系統(tǒng)動力學(xué)模型用于碳排放預(yù)測的研究中。杜焱等［22］基于我國發(fā)展現(xiàn)狀，擬定經(jīng)濟、能源和碳排放3 個子系統(tǒng)構(gòu)建動力學(xué)系統(tǒng)，預(yù)測我國能源消費碳排放趨勢，探究“碳達峰”的最優(yōu)路徑；趙冬蕾等［23］基于經(jīng)濟—人口—能源—環(huán)境的動力學(xué)關(guān)系構(gòu)建了建筑業(yè)碳排放預(yù)測系統(tǒng)，通過情景分析對建筑業(yè)碳排放進行預(yù)測；宋杰鯤等［24］以山東省為研究對象，將山東省能源消費碳排放系統(tǒng)分為經(jīng)濟、能源、環(huán)境、人口與社會支持4 個子系統(tǒng)，對山東省能源消費碳排放進行預(yù)測，并結(jié)合山東省規(guī)劃目標給出明確的可行路徑。

雖然運用系統(tǒng)動力學(xué)進行建模的研究已經(jīng)比較成熟，但是這些研究大多是考慮宏觀層面，綜合考慮宏觀和微觀2個層面的研究還比較少，而事實上微觀層面的消費主體才是整個經(jīng)濟社會系統(tǒng)的主要組成部分，其技術(shù)水平和消費行為會直接引起宏觀層面的變化。因此，應(yīng)綜合考慮宏觀和微觀2 個層面的研究需要，自下而上地建模?；谧灾黧w模擬的建模思想與自下而上的建模過程十分契合?；谧灾黧w模擬的建模思想是指以若干異質(zhì)的自主體模擬客觀世界個體，以自主體間的交互模擬系統(tǒng)動態(tài)性和復(fù)雜性，目前還很少應(yīng)用于碳排放的預(yù)測研究中，主要應(yīng)用于市場交易模擬［27-28］、碳交易模擬［29-30］、土地利用模擬［31-32］、政策模擬［33-34］等研究，表明基于自主體模擬（ABS）的突出模擬能力。

因此，本文基于經(jīng)濟—能源—排放之間的動力學(xué)關(guān)系，將ABS 和投入產(chǎn)出模型相結(jié)合，構(gòu)建一個包含經(jīng)濟、能源—碳排放兩大模塊的模型，實現(xiàn)全面評估京津冀城市群的能源消耗和碳排放的趨勢，推進京津冀低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。

1 模型構(gòu)建思路

京津冀城市群的能源消費和碳排放來自各地區(qū)部門企業(yè)經(jīng)濟活動所產(chǎn)生的能源消耗和碳排放，因此本模型包括經(jīng)濟、能源—碳排放兩大模塊。京津冀城市群的經(jīng)濟模塊從微觀層面的企業(yè)入手，企業(yè)通過研發(fā)創(chuàng)新的經(jīng)濟活動實現(xiàn)技術(shù)進步和改變經(jīng)濟需求，導(dǎo)致部門之間的供給需求和經(jīng)濟發(fā)生變化，最后引起整個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)生變化。能源—碳排放模塊是通過企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新活動改變能源結(jié)構(gòu)和消費強度，影響企業(yè)的碳排放強度，導(dǎo)致整個部門的能源消費和碳排放發(fā)生變化，最終引起整個地區(qū)的能源消費和碳排放發(fā)生變化。兩大模塊互相影響，因此本文研究的模型整體思路如圖1所示。

圖1 模型整體思路圖

基于模型整體思路，本文使用基于自主體模擬對微觀層面的消費主體企業(yè)進行建模，運用投入產(chǎn)出模型表示宏觀層面各部門之間的經(jīng)濟活動，并基于經(jīng)濟—能源—排放之間的系統(tǒng)動力學(xué)關(guān)系將宏觀和微觀2個層面進行連接整合，其宏觀部門層面和微觀部門層面互動示意圖如圖2所示。

圖2 宏觀和微觀互動圖

2 模型構(gòu)建方法

2.1 經(jīng)濟模塊

基于模型構(gòu)建思路，經(jīng)濟模塊建模分為微觀企業(yè)建模和宏觀部門建模。

2.1.1 微觀企業(yè)建模

每個部門都被分為n個微觀自主體企業(yè)，每個企業(yè)有不一樣的經(jīng)濟、資源和行為。在本模塊中，每個企業(yè)都有生產(chǎn)和研發(fā)創(chuàng)新行為。

2.1.1.1 企業(yè)生產(chǎn)行為

企業(yè)的產(chǎn)出滿足Cobb-Douglas 生產(chǎn)函數(shù)，并且企業(yè)的物質(zhì)資本在基期水平上逐年累積：

其中：k、i、t分別表示部門、企業(yè)、時期；Yk,i,t、Ak,i,t、Kk,i,t、Lk,i,t分別代表k部門i企業(yè)的產(chǎn)出、勞動生產(chǎn)率、物質(zhì)資本、勞動力；αk為k部門的資本彈性；δk為k部門的物質(zhì)資本折舊率；ηk為k部門的投資率。因此，每個時期的企業(yè)勞動力可以表示如下：

勞動力的工資水平在部門層面決定，即一個部門的所有企業(yè)具有相同水平的工資率，工資水平的變化基于菲利普斯曲線修改得到：

其中：ωk,t為t時期k部門的工資率，γk為勞動力變化對工資率的影響系數(shù)。

企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)投入主要包括對其他部門產(chǎn)品的中間消耗及勞動力的工資支出，在這2個方面支出的基礎(chǔ)上進行一定幅度的加乘計算，得到產(chǎn)品的價格pk,i,t如下：

其中：μk為k部門的價格加成幅度，aj,k,t-1為t-1時期k部門對j部門的直接消耗系數(shù)。基于此，企業(yè)的利潤πk,i,t可以表示如下：

其中：zk,i,t為t時期k部門i企業(yè)的市場份額。

企業(yè)在不同的產(chǎn)品定價水平下，其市場競爭力Ek,i,t也各有不同：

其中：Ek,t為t時期k部門的綜合市場競爭力，而企業(yè)市場份額zk,i,t受到企業(yè)市場競爭力Ek,i,t的影響：

其中：?為影響系數(shù)。企業(yè)市場份額決定了企業(yè)在部門中所貢獻的產(chǎn)出：

2.1.1.2 企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新行為

基于企業(yè)的利潤，企業(yè)將進行研發(fā)創(chuàng)新活動。企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新活動將促進企業(yè)的技術(shù)進步，改進企業(yè)的直接消耗系數(shù)和勞動生產(chǎn)率。企業(yè)進行研發(fā)創(chuàng)新活動成功的概率Pk,i,t定義如下：

其中：β為企業(yè)利潤對研發(fā)創(chuàng)新成功的影響系數(shù)。若概率Pk,i,t大于一定的閾值，企業(yè)將研發(fā)創(chuàng)新成功，否則研發(fā)創(chuàng)新失敗。當企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新成功時，企業(yè)對其他部門的直接消耗系數(shù)和自身的勞動生產(chǎn)率將受到服從正態(tài)分布的隨機沖擊：

2.1.2 宏觀部門建模

根據(jù)投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，可以將產(chǎn)出劃分為3 個部分，即中間消費、最終國內(nèi)消費和凈國外消費，如公式（14）所示：

其中：Yj,t為t時期j部門的產(chǎn)出；Ij,t為t時期j部門的中間消費；Cj,t為t時期j部門的最終國內(nèi)消費；Xj,t為t時期j部門的出口量；Mj,t為t時期j部門的進口量。因此，Xj,t-Mj,t代表t時期j部門的凈出口量。

j部門的中間消費由k∈[)1,...,J部門的所有企業(yè)對該部門產(chǎn)品的總需求所構(gòu)成：

其中：aj,k,i,t為k部門i企業(yè)對j部門的直接消耗系數(shù)；zk,i,t表示k部門i企業(yè)的市場份額，市場份額將受企業(yè)競爭力的影響。公式（16）實現(xiàn)了從微觀企業(yè)創(chuàng)新所引發(fā)的中間需求變動到宏觀部門直接消耗系數(shù)的變動，反映從微觀到宏觀的演化過程。

基于直接消耗系數(shù)，可以將中間消費表示如下：

最終消費水平和出口水平均在基期消費水平的基礎(chǔ)上隨時間以指數(shù)形式增長：

其中：υc、υx分別為最終消費水平和出口水平的初始增長率；δc、δx分別為最終消費和出口水平增長率的年變化率。同時，假設(shè)進口水平與國內(nèi)中間消費和最終消費成正比，即

其中：mj為j部門進口占國內(nèi)中間消費與最終消費的比例。

因此，將公式（15）、公式（20）代入公式（14），得到：

由計算結(jié)果可以看到，部門產(chǎn)出的變動與部門直接消耗系數(shù)矩陣相關(guān)，結(jié)合公式（16）可知，微觀企業(yè)的技術(shù)進步將影響到宏觀部門產(chǎn)出的變動。

2.2 能源—碳排放模塊建模

能源—碳排放模塊建模的目標是實現(xiàn)對我國未來能源消費量、能源消費結(jié)構(gòu)和碳排放趨勢的估算，同樣也采用自下向上的基于自主體模擬進行建模。在能源—碳排放模塊，企業(yè)的研發(fā)活動也在2 個方面影響企業(yè)的能源和碳排放，一是影響企業(yè)能源強度的變化，二是對企業(yè)的能源消費結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

企業(yè)的能源消費總量Enk,i,t由企業(yè)的總產(chǎn)出Yk,i,t及其當期的能源消費強度ζk,i,t所決定：

其中：能源消費強度受企業(yè)創(chuàng)新活動的影響，即當創(chuàng)新成功時，能源消費強度將受到一次服從正態(tài)分布的隨機沖擊，企業(yè)在朝著降低能源強度的方向選擇性地更新能源強度：

企業(yè)的能源消費結(jié)構(gòu)受企業(yè)創(chuàng)新活動的影響。在基期，同一部門的所有企業(yè)具有與本部門相同的能源消費結(jié)構(gòu)，該能源消費結(jié)構(gòu)由煤、石油、天然氣、電力4種能源消費比例構(gòu)成：

其中：Sk,i,0為k部門i企業(yè)在基期的能源結(jié)構(gòu)；Ck,0、Pk,0、Gk,0、ELk,0分別為基期k部門在煤、石油、天然氣、電力中的消費比重。在系統(tǒng)演化中，由于企業(yè)創(chuàng)新活動成敗概率不同，企業(yè)的能源消費結(jié)構(gòu)演化也將呈現(xiàn)差異。當企業(yè)創(chuàng)新成功，則企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)移矩陣作用下轉(zhuǎn)移一次，表示企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)進化一步：

其中，Mk為k部門能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移矩陣。由企業(yè)的能源消費總量和企業(yè)的能源消費結(jié)構(gòu)加總得到部門的各種能源消費量：

進而得到部門的能源消費總量Enk,t及其各種能源消費比重Hk,t，能源消費結(jié)構(gòu)Sk,t如下：

碳排放在部門層面進行統(tǒng)計，由部門各種能源的消費量及各種能源的碳排放系數(shù)計算得到：

其中：βH分別可為煤、石油、天然氣的碳排放系數(shù)。

3 結(jié)語

本研究提出構(gòu)建京津冀能源消費和碳排放預(yù)測模型的總體構(gòu)建思路，基于經(jīng)濟—能源—碳排放的系統(tǒng)動力學(xué)關(guān)系，使用基于自主體模擬和投入產(chǎn)出模型，構(gòu)建一個包含經(jīng)濟、能源—碳排放兩大模塊的模型。然而，本模型還存在一些不足之處，如企業(yè)微觀自主體的構(gòu)建不夠完善、未考慮地區(qū)的差異性等，未來將根據(jù)這些不足對本模型進行不斷改進和擴展，以更好地估算地區(qū)的產(chǎn)出、能源消費量和碳排放量，評估地區(qū)的經(jīng)濟增長趨勢、能源消費趨勢和碳排放趨勢，并為京津冀實現(xiàn)碳減排和低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型提供依據(jù)和參考。