我国碳排放预测模型的构建及应用

我国碳排放预测模型的构建及应用

根据国家间气候变化专业委员会（picc）第4次评估报告，全球气候变化主要是由于人类活动引起的温室气体排放，尤其是由石化能源使用引起的co排放。因此,减少化石能源使用并提高能源利用效率,从而减少CO2排放是减缓气候变化的最主要途径。削减碳排放需要发达国家和发展中国家之间的有效磋商与合作,其关键在于确定不同国家的减排目标,而预测全球和不同国家的未来碳排放则是制定减排目标的基础之一。改革开放以来,中国取得了举世瞩目的经济发展成就,同时,所消耗的能源和带来的CO2排放也显著增加。1978—2002年我国能源消费年均增长4.2%,2002—2008年均增长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年中国的碳排放量超过美国,占世界碳排放总量的20%。由于中国在世界碳排放问题上具有举足轻重的影响,因此中国未来碳排放的变化趋势受到广泛关注,已有多位学者和研究机构从不同角度对中国未来碳排放进行了预测。本文基于对我国未来GDP和GDP碳排放强度的预测,对我国2050年碳排放进行了预测,以期为我国的气候变化政策制定和有效参与国际气候变化谈判提供研究基础。1中国20年碳排放的预测模型碳排放预测的主要工具包括模型和情景。模型描述了影响碳排放的经济、社会和技术因素的作用机制,其中包含了表征这些因素的参数。而情景是对未来经济、社会和技术发展路径的预期,不同预期通过赋予模型参数不同数值实现,将参数输入模型,就可以进行碳排放预测。预测模型包括简单模型和复杂模型。国内外碳排放预测中广泛使用的IPTA恒等式就是一种预测碳排放的简单模型,又称为Kaya恒等式。Kaya恒等式将碳排放分解为不同因子的乘积,即式中,C为碳排放,P为人口,G为GDP,E为能源消费量;g=G/P表示人均GDP,e=E/G表示GDP能源强度,c=C/E表示能源碳排放强度。Sheehan等基于对GDP增长、GDP能源弹性以及能源构成和不同能源碳排放因子的预测,预测了中国2030年前的碳排放,其方法本质上也是Kaya模型的变种。复杂模型主要包括投入产出模型和综合性的自顶向下和自底向上模型等。Blanford等利用MERGE模型预测了2030年前中国的碳排放。MERGE模型是一个考虑经济自顶向下的总体均衡和能源技术自底向上的综合优化模型。中国学者姜克隽等利用IPAC(IntegratedPolicyAssessmentmodelinChina,中国政策综合评价模型)模型对中国2050年前的碳排放进行了预测,IPAC是一个包含社会经济与能源活动、能源技术、土地利用、工业过程排放等多个模型的综合评价模型。本研究基于对我国未来GDP和GDP碳强度的预测,以2005年为起始年,对我国2050年前碳排放进行了预测。公式为其中G为GDP,Cg为GDP碳强度。我国未来GDP按照我国经济发展三步走战略进行预测(表1),即到2020年实现人均国内生产总值比2005年翻一番,2050年时经济达到目前中等发达国家的水平。根据这一假设,预计2000—2050年,中国经济保持年均6.4%的增长速度。对于我国未来GDP碳强度的变化,设置3组情景:1)根据我国GDP碳强度历史变化及碳强度五年计划设定;2)根据历史上主要发达国家GDP碳强度的衰减规律;3)基于我国2050年碳强度假定情景,即假定到2050年时,我国碳强度依指数衰减至主要发达国家2005年的碳强度水平。本研究使用的中国碳排放历史数据引自美国橡树岭国家实验室二氧化碳信息分析中心统计的全球不同国家碳排放数据。碳强度数据引自美国能源部能源信息署(EIA),包括世界各国1980—2006年GDP碳强度数据(根据基于市场汇率的GDP计算,以2000年美元计价)(1)。为了计算人均碳排放,使用美国人口调查局网站公布的中国2050年前人口预测数据(2)(表1)。2结果与讨论2.1我国碳排放总量预测1980年以来,我国GDP碳强度迅速下降,1980—2000年平均每5年下降约20%。国家“十一五”规划(2006—2010年)也将能源强度降低20%作为目标,因此,本文的“五年计划”情景之一是假定未来我国碳强度变化将延续这一趋势,2006—2050年我国GDP碳强度每5年降低20%(“五年计划1”情景)。“五年计划”情景之二是假设2006—2020年碳强度每5年下降15%,2020—2035年每5年下降20%,2035—2050年每5年降低25%(“五年计划2”情景)。这一情景设置是考虑到我国目前仍然处于重工业化阶段,短期内碳强度降低幅度可能较小;而远期随着新能源等低碳技术的发展和应用,碳强度下降速率可能呈加速趋势。图1展示了两个“五年计划”情景下我国未来碳排放总量及人均排放量的预测结果。表2给出了不同情景下的2006—2050年累计总排放量、累计人均排放量和排放峰值情况。两种情景预测的未来碳排放峰值年份比较接近,均在2035年左右,“五年计划2”的排放峰值高于“五年计划1”。二者2050年的碳排放量相同,2006—2050年累计碳排放“五年计划2”预测高于“五年计划1”。2.2历史碳强度衰减速率对主要发达国家历史碳强度变化的研究表明,碳强度达到峰值后随时间的下降过程可以用指数函数进行描述:其中CI为某年碳强度,CI0为峰值年碳强度,Δt为某年(t)与基准年(t0)的时间差(Δt=t-t0),b为碳强度衰减指数。主要发达国家的碳强度年衰减速率分别为:美国1.34%,德国2.39%,英国1.69%,日本1.2%,G8国家(不含俄罗斯)(1)平均为1.18%(2)。假定2050年前我国碳强度遵循与发达国家类似的衰减过程,分别按照美、德、英、日及G8平均GDP碳强度衰减速率对我国未来碳排放进行预测,结果见图2。为便于比较,图2也给出了“五年计划”情景的预测结果。基于发达国家历史碳强度变化规律的预测结果普遍高于五年计划情景的预测,2006—2050年,碳排放总量和人均排放量均呈持续增加趋势,没有出现拐点。根据不同国家碳强度衰减速率预测的2050年碳排放量介于8~15PgC,人均年排放量介于6~10tC,这一水平不低于美国历史人均碳排放的峰值。实际上,按照发达国家历史碳强度变化预测的碳排放路径实现可能性较小,甚至不可能发生。一方面,我国承受了较大的国际减排压力,在哥本哈根气候大会召开前做出了2020年碳强度在2005年水平上降低40%~45%的承诺。在这一承诺下我国碳强度衰减速率远高于发达国家的历史速率(衰减速率为3.4%~4%);另一方面,虽然我国目前仍处于工业化阶段,未来仍需要较大的碳排放空间,但与发达国家历史上的工业化相比,我国所面临的发展路径选择空间和技术选择空间都要更大一些,这意味着我国有机会选择低消耗、低排放的可持续发展道路,从而能够比发达国家历史上更快的降低碳排放强度。2.3不同国家碳强度假定情景预测结果对比这一预测仍然假定中国的碳强度在2050年前指数衰减,但2050年时碳强度降至发达国家2005年的水平。根据这一假设,我国碳排放强度年均下降速率分别为:3.62%(按美国),4.10%(按德国),4.53%(按英国),5.27%(按日本)以及4.10%(按G8平均)。这一组情景的预测结果展示于图3,表3给出了不同情景预测的累计总碳排放、累计人均排放以及排放峰值。按照不同国家碳强度假定情景的预测结果差别较大。其中,年碳排放和人均碳排放峰值按美国碳强度预测的最高,分别为4.9PgC和3.4tC;而按日本预测的最低,分别为2.8PgC和1.9tC,按德国、G8和按英国预测的结果介于按美国和日本之间。2006—2050年中国累计总碳排放为110~170PgC,人均累计碳排放为76~117tC。2050年碳强度假定情景的预测与两个“五年计划”的预测具有可比性。“五年计划1”的预测介于按照G8和按照英国的预测之间。“五年计划2”预测的2030年前碳排放与按照美国的预测相似,2030年后下降较快,2050年的碳排放低于按照G8的预测,略高于按照英国的预测。2.4我国未来碳排放最佳可能范围的预测本节拟把上述预测结果与国内其他预测结果进行比较,提出我国未来碳排放最佳可能范围。由于基于发达国家历史碳强度变化情景的预测结果实现可能性较小,因此比较时不再考虑这一情景。我们选择了目前国内比较权威的其他两个未来碳排放预测与本研究的预测进行比较,分别是国家发改委能源研究所(以下称发改委能源所)利用IPAC模型的预测结果和中国《气候变化国家评估报告》(以下称国家评估报告)的碳排放预测结果。其中,发改委能源所的预测包括3个排放情景:基准情景、低碳情景和强化低碳情景。国家评估报告在综合回顾当时国内有关研究的基础上,基于GDP、GDP能源强度和能源碳强度预测对我国2050年碳排放进行了预测。为便于比较,上述两个预测结果,连同本研究前述的预测结果一并展示于图4。图4(b)给出了1950—2050年发达国家和美国的人均碳排放情况,2005年前是实际值,2005年后是预测值,预测方法见表4注释。国家评估报告预测2040年时碳排放量略低于2PgC/a,而根据荷兰环境评价署的估算,中国2008年的碳排放已经达到了2.05PgC/a。因此,国家评估报告的预测明显偏低。发改委能源所基准情景的预测结果与按照碳强度每5年降低20%的预测结果基本一致,基准情景是假设我国不采取气候变化对策,国内产业结构根据经济发展程度自行调整能够达到的碳排放,两者相一致表明对我国而言,未来碳强度每5年降低20%可能是比较现实的路径。然而,考虑到我国重工业化过程仍将持续,而新能源技术和高能效技术在短期内又难以突破,在未来短期内碳强度降低幅度可能较小,而未来远期的降幅可能较大,因此,本研究认为A2情景(即“五年计划2”情景)最有可能代表应对气候变化较小压力下我国未来碳排放的路径,可以作为未来碳排放最佳可能范围的上限。根据“五年计划2”情景,到2020年,中国的碳排放强度将比2005年降低39%,与不久前我国做出的2020年碳强度比2005年降低40%~45%的承诺非常接近。美国2005碳强度情景(A3情景)的预测值最高,可以作为我国未来碳排放的最大预测情景。发改委能源所的预测结果中,低碳情景(B2情景)侧重依靠我国自身实力,采取积极应对气候变化的国内政策,该预测值可以作为未来碳排放最佳可能范围的下限;强化低碳情景(B3情景)强调了在全球一致减缓气候变化的共同愿景下,重大低碳技术成本下降更快、发达国家政策逐渐扩散到发展中国家的情景下,中国可以实现的进一步减排,可以作为未来碳排放的最小预测情景。综上所述,B2和A2情景作为未来碳排放最佳可能范围的下限和上限,B3和A3情景作为未来碳排放的最小和最大可能预测。这样,2050年我国碳排放的最小预测和最大预测分别为1.4和4.8PgC/a,最佳可能范围为2.4~3.3PgC/a;2050年人均碳排放的最小预测和最大预测分别为1.0和3.4tC,最佳可能范围为1.7~2.3tC。根据最佳可能预测上限,碳排放在2035年达到峰值,峰值排放量为4.4PgC/a,人均碳排放峰值为3.0tC。我国未来人均碳排放预测的最大峰值与发达国家历史人均排放峰值基本持平,约是美国历史人均排放峰值的一半。表4给出了最小预测、最大预测和最佳可能范围的2006—2050年碳排放累计值和峰值情况。2.5预测结果偏高表5中列出了国内外其他研究预测的中国未来碳排放情况,并将上面提出的未来我国碳排放最小预测、最大预测和最佳可能范围与表中所列出的预测结果进行比较。包括本研究在内,2000—2030年不同研究预测的未来碳排放年增长速率为2.4%~6.5%,最高增长速率为最低速率的2倍还多,其差别主要源于对未来经济发展速度和能源消耗估计的不同。早期预测的增长速率普遍较低[10,17,18,19,20,21],最近的预测结果偏高。这可能是由于中国碳排放2002年后增长速率大大提高,由1978—2002年的年平均增长速率3.8%提高到2002—2008年的11.5%,而早期研究均未能预见到这一增长。近期的研究充分考虑了2002年后中国碳排放的增长趋势,因此对于未来碳排放增长的预期普遍提高。根据2.4节中提出的我国未来碳排放的最小预测、最大预测和最佳可能范围,2000—2030年我国碳排放年增长率的最小和最大可能预测为3.2%和5.2%,最佳可能范围为3.4%~5.2%,与其他研究得出的年增长速率比较相似。最佳可能范围上限与Blanford等的非常接近,下限与国务院发展研究中心的情景B(积极政策)比较接近。由于2050年碳排放属于远期预测,超出了目前在任决策者们所能控制的期限,因此仅有较少研究涉及2050年的碳排放预测。VanVuuren等的预测结果表明2030—2050年中国碳排放持续增长,与本研究预测的2030—2050年中国碳排放将出现拐点或极其微弱的增长不同。这是因为VanVuuren等预测的2000—2030年中国碳排放增长速率远远低于本研究的预测,其预测的结果为中国碳排放将经历长期但较为缓慢的增长。3我国总碳排放总结前述预测和分析,2050年我国未来碳排放的最小预测情景为发改委能源所的强化