不确定性分析-中国气候变化信息网

国家温室气体清单估算中的不确定性分析中国科学院猜测科学争论中心中国科学院数学与系统科学争论院刘秀丽2023-06-251提纲不确定性理论的产生和进展清单中的不确定性来源不确定性的主要处理方法：分级法、外推法、代理变量法、专家阅历法等描述不确定性的两种方法误差传播公式举例蒙特卡罗方法举例担当科研工程简介2不确定性理论的提出关于“不确定性”一词,早在1836年詹姆斯·穆勒临终前发表的《政治经济学是否有用》一文中就已明确提出。不确定理论是概率论、可信性理论、信任性理论的统称。作为不确定性的第一种——随机性,荷兰著名天文、物理兼数学家惠更斯早在他1657年出版的著作《论时机玩耍的计算》中就已提出并进展了争论。但随机性问题真正为人类所重视,还要归功于前苏联数学家柯尔莫哥洛夫,他于1933年在其专著《概率论的根本概念》中首次提出并建立了在测度论根底上的概率论与公理化方法。3不确定性理论的进展1965年,才由美国学者扎德(L.A.Zaden)创立了模糊集合论,给出了模糊信息的概念,进展了不确定性的争论领域。1982年,由我国邓聚龙教授创立了灰色系统理论,在此根底上建立了灰色集合,产生了灰色数学。1990年,由我国工程院院士王光远教授提出了未确知信息,产生了未确知数学。1991年,王清印建立了泛灰集,使之包含了以上全部类型的不确定性信息。(不能根源地反映事物本质特性的信息,称为不确定性信息。)温室气体清单估算中的

不确定性来源来自定义的不确定性(例如意义不完整、不清晰或者错误定义了一种排放或吸取)；

来自产生排放或吸取过程的自然变率的不确定性；

来自对过程或量的评估结果的不确定性，依据所使用的方法，包括：来自测量的不确定性；来自取样的不确定性；来自未被完整描述的参考数据的不确定性；来自专家推断的不确定性。5不确定性的一些处理方法由不良定义引起的不确定性与源类别的完整性及其归属有关，应当在进展不确定性分析之前尽早地消退。由自然变率引起的不确定性是排放过程所固有的,可以通过对代表性数据进展统计分析来处理。不确定性的主要影响因素国际标准组织(ISO,1993)强调,对于自然物质,由取样及获得代表性样本的需求引起的不确定性可能超过由测量技术引起的不确定性。取样问题涉及到对清单不确定性的评估,获得代表性取样的成功或失败则直接影响清单的不确定性。确定清单不确定性的问题混合了误差分析中的统计问题以及把统计学和清单概念与真实世界发生

大事相匹配的问题。7优良作法的几个根本原则抱负的情形是:输入量有几百个测量数据,可以通过经典统计方法估算置信区间。然而,在大多数状况下,只能获得少量数据或完全没有数据。四种类型的信息能以不同程度处理特定的状况,它们是:

可以获得的输入量的测量数据；

有关输入量极值的信息；

有关掌握输入量及其方差的根本过程的信息；专家推断。8专家推断法当不太可能获得牢靠数据或者现有的清单数据缺乏足够的统计信息时，必需引出专家关于输入数据本质和特性的推断。通常，只有少量的观测数据被用来确定清单的输入数据，因此在很大程度上必需依靠于专家推断。专家可能不情愿供给关于数据质量和不确定性的定量信息，相反更情愿供给不确定性或其它定性输入的相对水平。假设必要的话，应当让专家知道，在缺乏专家推断时，可以应用IPCC缺省的不确定性范围。假设专家推断考虑了全部可以获得的数据，包括对被检测输入量具有特地学问或阅历的人的合理意见，并且假设专家推断已形成文件，这些文件可以清晰地解释专家推断以满足外界的具体审查，那么利用专家推断进展不确定性的定量估算是可以承受的(Cullen和Frey1999)。通过专家推断或其它方式进展不确定性估算的关键要求是考虑全部可能的不确定性来源。注：清单不确定性定量分析的结果最多只是供给了对清单不确定性的一种估算，而且这些置信区间本身也存在很大的不确定性。9外推法和代理变量法在很多状况下,无法获得某一地区或某一特定过程的活动数据和排放因子。因而，需要利用在不同地区或依据不同类型过程确定的排放因子来估算排放,这就是外推过程。外推法基于对IPCC指南的算法以及对全国清单年份输入量的了解。另外，有可能利用代理变量来计算排放值。当利用外推或代理变量时，必需对所选数值的代表性进展评估，假设使用类似的条件或过程，那么数据的代表性越强，结果也越准确。〔制度变量是描述制度环境、制度安排和制度变迁的变量，具有抽象难以量化等特点，但现实中并不存在这样一个独立的变量，因此必需找到能够近似描述整体制度以及制度变迁的一系列经济变量和政治变量的集合，这些变量就是所谓制度的代理变量。〕10分级法假设可用数据来自随机取样，应用统计方法可以估算与外推相关的不确定性。不过，在国家清单的情形下,很少有数据来自随机取样。因此,考虑到温室气体排放和吸取的不均匀特性,关于外推的关键问题是与非代表性或代表性取样相关的不确定性。例如，把从浇灌水稻得到的排放速率外推到包括雨养水稻的乡村地区将会带来很大的不确定性，相反,可以把农村的活动数据划分成浇灌水稻和雨养水稻，从而得到特别牢靠的分析。在生物圈中，均一性很少存在，因此分级是一种治理和削减清单估算不确定性的强有力方法。在活动数据和排放因子之间存在协方差的状况下，分级取样是一种有用的方法。可以通过把活动数据和排放因子分成认真选择的集合来降低协方差，在IPCC清单方法学中，这种方法已经得到广泛应用。11分级取样的步骤第一步需要识别对所考虑排放具有重大影响的变量(环境变量、技术变量等),有关这些变量影响的学问可能来自试验室争论、理论模拟、田间观测或其它途径。识别出关键变量后，必需估算清单范围内这些变量的累积分布。最终，必需检查核对，依据这些分布，可用的观测结果是否构成具有代表性的样本，假设没有，可以对分布进展分级，设计并执行一个取样程序，以获得代表性数据，这些代表性数据可用来修正排放算法。基于代表性数据集的排放算法是高质量清单的一个必要的先决条件。12分级+外推+专家推断假设具备充分的资源，就可以进展监测活动，设计测量结果的分级样本，选择最适合的变量对样本(产品、过程、工厂、领土、人口)进展分级，完整的数据集可用来估算概率密度函数和简要统计量，然后利用统计工具来计算平均值的偏差和方差，置信区间及误差分布。当区域水平上的数据丧失时，假设细心选择具有类似来源特征的数据，就有可能依据现有文献来外推出相关信息，在此情形下，需要专家推断。1314有关代表性数据问题的例子——旱地作物施肥中的N2O排放用来构建当前IPCC清单算法以及全球排放因子缺省值的大局部数据来自北半球温带耕作制，Bouwman(1996)提出了一种极好的对源自施肥的N2O排放数据(当时可以获得的)进展系统分析的方法，推导出一种只基于氮肥施用量和一个排放因子的算法。然而正如Bouwman(1996)所成认的那样，土壤科学指出，存在其它对排放变化起作用的关键因子，包括土壤温度、土壤肥力、降雨频率、降雨量、土壤涝渍以及肥料成分。其结果是，主要依据北半球温带耕作制推导出的排放因子可能在热带炎热气候下并不适合，那里相关的环境变量如土壤温度和降雨频率完全不同于温带地区，当在热带地区应用IPCC算法和排放因子(基于可以得到的最正确数据)时，得到的排放估算可能产生无意的偏差，潜在的偏差来源于缺乏适当的热带排放数据。因此，存在有关源自施肥的N2O排放根本数据代表性的问题，在缺乏关键排放或吸取的代表性数据的状况下(例如上述源自施肥的N2O排放的例子)，必需建立适当的测量，之后对算法和排放因子进展评审，在诸如此类的状况下，全球排放因子缺省值应当被(更适当的)区域缺省值所取代。这一评审数据代表性和填补关键数据空白的过程将会极大地增加清单估算的信度，这是一个降低清单不确定性的关键问题，代表了优良作法，这个例子仅是改进关键数据代表性的很多例子中的一个。15描述不确定性分析的两种方法方法1：使用误差传播公式并通过规章A和B来估算源类别的不确定性，源类别的不确定性的简洁合并就可以估算一年的总体不确定性以及趋势的不确定性。方法2：使用蒙特卡洛分析来估算源类别的不确定性，然后使用蒙特卡罗技术来估算一年的总体不确定性以及趋势的不确定性。16A型和B型两种敏感性A型敏感性：基年和当年之间总排放差异的变化，以百分比表示，是由于基年和当年的某一特定源类别和气体的排放增加1%而引起的。B型敏感性：基年和当年之间总排放差异的变化，以百分比表示，是由于当年的某一特定源类别和气体的排放增加1%而引起的。A型敏感性是由于同等地影响基年和当年排放的不确定性而引起的，B型敏感性则是由于只影响当年的不确定性而引起的。不同年份之间的完全相关的不确定性将与A型敏感性相联系，不同年份之间不相关的不确定性将与B型敏感性相联系。排放因子的不确定性倾向于具有A型敏感性。活动水平数据的不确定性倾向于具有B型敏感性。17使用误差传播方程的条件排放的不确定性可以通过误差传播方程从活动和排放因子的不确定性中传播(Mandel984Bevington和Robinson1992)，使用这种方法的条件是：

不确定性相对较小，标准偏差除以平均值要小于0.3;

不确定性具有高斯(正态)分布;

不确定性没有重大的协方差;注:协方差是描述两个随机变量X和Y相关程度的量,协方差为0的两个随机变量称为是不相关的。18192021MonteCarlo方法的来源蒙特卡罗(MonteCarlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战研制原子弹的“曼哈顿打算”。该打算的主持人之一、数学家冯·诺伊曼用著名世界的赌城—摩纳哥的MonteCarlo—来命名这种方法，为它蒙上了一层奇妙颜色。MonteCarlo方法的进展MonteCarlo方法的根本思想很早以前就被人们所觉察和利用。早在17世纪，人们就知道用大事发生的“频率”来打算大事的“概率”。本世纪40年月电子计算机的消失，特殊是近年来高速电子计算机的消失，使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。用MonteCarlo方法求“图形”面积考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个外形不规章的“图形”，如何求出这个“图形”的面积呢？MonteCarlo方法是这样一种“随机化”的方法：向该正方形“随机地”投掷N个点，假设有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。该方法是依据实际问题所遵循的概率统计规律，用电子计算机直接进展抽样试验，然后计算其统计参数。也称直接MonteCarlo方法。蒙特卡洛方法的根本思想当问题可以抽象为某个确定的数学问题时，应当首先建立一个恰当的概率模型，即确定某个随机大事A或随机变量X，使得待求的解等于随机大事消失的概率或随机变量的数学期望值。然后进展模拟试验，即重复屡次地模拟随机大事A或随机变量X。最终对随机试验结果进展统计平均，求出A消失的频数或X的平均值作为问题的近似解。该方法也称间接蒙特卡洛方法。25蒙特卡洛方法的理论根底26，均27用蒙特卡洛方法来确定不确定性步骤1:确定源类别的不确定性确定根本数据的不确定性，包括排放因子和活动数据及其相关的平均值和概率分布函数，以及不同源类别之间的任何穿插相关。步骤2:建立软件包包括排放清单计算、概率密度函数和相关值等。步骤3:选择随机变量对于每一个输入数据项〔排放因子或活动数据〕，可以从该变量的概率密度函数中随机选择一个数值。步骤4:估算排放步骤5:重复和监控结果2829(1)使用可以获得的观测结果和专家推断来确定输入量的不确定性；

(2)系统、透亮地记录这些输入资料；

(3)检测可以获得的排放数据以确定是否进展了代表性取样；

(4)设计另外的取样.假设没有得到代表性取样,对关键源类别的参数缺省值和算法进展修正；

(5)利用各领域的优良作法指南,选择一个可以表示数据的概率密度函数；

(6)评估输入量之间任何重要的相关(协方差)；

(7)假设不确定性很小且为高斯分布，通过近似法传播不确定性；

(8)否则，在可以获得资源的状况下，通过蒙特卡罗方法传播不确定性;(9)记录不确定性。确定排放和吸取估算不确定性的优良作法的关键特征例子：近似数定点运算的误差分析

担当科研工程简介(19项)能源环境类:中华人民共和国住房和城乡建设部重大工程“建筑节能标准对国民经济和社会进展影响的模型测算”与美国ILLINOIS大学的合作争论“全球变暖背景下中国、美国能源消耗及温室气体排放的比较和应对措施争论”中国科学院学部询问评议工程“我国温室气体排放的猜测模型探究”争论中国科学院学问创新重要方向工程“节能减排的经济环境影响评价争论”其他类工程:国家自然科学青年基金工程:“可持续进展水资源治理的投入占用产出模型争论和应用”中国科学院重点工程“全国粮食产量猜测”水利部重大工程“水利与国民经济协调进展争论”国家自然科学基金跨学部重点工程“非线性和动态投入占用产出技术及其应用争论”……

32中华人民共和国住房和城乡建设部工程“建筑节能标准对国民经济和社会进展影响的模型测算”

33李京文院士为首的专家组的有关评审意见

34第一届国际应用能源

会议的论文接收函35工程和计算科学世界大会(IEEE)论文接收函将发表在EnergyandBuildings(SCI)上的论文征求修改意见函36AwardforIntellectualContributionstoRegionalEconomicsApplicationsLaboratory2023372023年获“北京市科学技术奖一等奖”团体奖3839已完成政策建议和争论报告(22篇)被国办或中办承受13篇，获得国家主要领导人的重要批示30次，被承受报告标题如下：扩大居民消费提振经济，政策措施应因产业部门而异“十一五”建筑节能目标可超额完成，既有建筑节能改造仍有很大潜力可挖关于建立科学的衡量能源消费水平指标的建议中科院专家关于暴雪和冻雨灾难对我国农业生产影响的分析与对策建议2023-2023年全国粮食、棉花和油料产量猜测报告〔9份〕中心主要领导局部批示胡锦涛：“家宝并培炎、良玉同志：猜测棉花减产，我储藏状况如何？是否需增加进口？请酌。胡锦涛1/5”。(2023年5月1日)李克强:“如何挖掘国内居民消费潜力以替代因国际市场需求骤减造成的出口消费品等力量过大，这是一篇大文章。要对例如“家电下乡”等一些重要的措施想成的效果做全面测算。并争论实行新举措以带动产业，促进就业。”(2023年1月28号)曾庆红：“这是有科学依据的好消息。特别赞成中科院重视农业科技的意见，这是解决三农问题的具体表达”。(2023年5月9日〕刘延东：“猜测中心以解决现实问题促进理论创新，以理论创新提升力量水平，为国家宏观决策效劳，这一争论方向和科学态度值得赞许和发扬。”〔2023年7月9日〕陈至立：“猜测争论很好，为国家供给了重要的根底性数据。望连续发挥中科院多学科争论的综合优势，争取更大突破”〔2023年5月8日〕40已发表论文(41篇)41其中34篇是第一作者，代表性论文：XiuliLiu,XikangChen,ShouyangWang,Evaluating

and

Predicting

Shadow

Prices

of

Water

Resources

in

China

and

Its

Nine

Major

River

Basins,WaterResourceManagement,2023,AcceptedXiuliLiu,XikangChen,MethodsforapproximatingshadowpriceofwaterinChina,EconomicSystemsResearch，Vol(20)，No.2，2023,pp.173-185.XiuliLiu,XikangChen,TheNon-linearImportantCoefficientsInput-Holding-OutputModel,InternationalJournalofAppliedEconomicsandEconometrics,2023,Vol.13,No.3,pp.429-438.XiuliLiu,CPE-IHOModeltoCalculatetheDirect,CompleteandConjunctImpactofUnfairImportationonImportCountry’sEconomy,InternationalJournalofAppliedEconomicsandEconometrics,2023,Vol.14,No.1,