基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究-以广州市为例

November2019HuangY,GuoHX,LiaoCP,etal.Studyonlow-c基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以广州市为例2广东工业大学建筑与城市规划学院，广州随着城镇化进程的加快和生产生活运输需求的增加，广州交通领域碳排放总量将持续增长，但增长速度有所放缓。政策情景下，广州交通领域的CO2排放将于2035年左右达到峰值，严重滞后于广州市提出和绿色低碳情景下，通过加大低碳政策措施的力度，达峰时间有望分别提前到2025年和2023年。要实现城市交通的低碳发展，促进交通碳排放提前达峰，需要大力发展铁路和水路运输，全面落实公交优先发展战略，有效控制小汽车数量和出行频率，不断提高交通工具的清洁化和能效水平，逐步形成各种运输方式协调发展的综合交通运输体系，推城市作为物质、能源消耗以及碳排放最集中的地区，同时也是受气候变化影响最大的地区之[1]。城市生产、交通及建筑碳排放约占碳排放总量的80%以上，其中交通领域约占17.5%[2-3]。的年增长率递增，在发展中国家和经济转型国家更会高达3.4%和2.2%[4]。交通的低碳发展已成为城市建设的重要目标，英国在发布《英国低碳转交通低碳发展作为低碳转型的重要途径；法国以律法形式提出人口超过10万的城市必须编制《城市交通出行规划》（PDU)，以引导城市交通的可持续发展[5]；日本也将交通的低碳化作为建设低碳社会的重要行动计划之一[6]。然而，交通领域涵盖的运输种类繁多，可选择的技术和政策措施也多种多样，采取何种发展模式和路径来实现城市交通低碳化发展成为人们关注的重点。目前，已有研究多采用自上而下的宏观预测和自下而上的微观预测方法分析交通低碳发展路径。其中，宏观预测方法以可计算一般均衡模型6期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以广州市为例671（CGE）为代表，主要适用于交通政策的投资收建CGE模型，分析了碳税、通行费、投资补贴等措施对不同交通方式的影响。由于该方法基于一般均衡理论，对节能减排技术的分析较为薄弱，加之我国市场平衡机制还不尽完善，模拟的结果可能和实际情况存在较大差异。微观预测方法则更注重对能源系统进行详细描述，预测特定目标易于阐述政策的具体发展方向和效果。典型的微观预测模型包括MARKAL、AIMEnduse和长期能源替代规划系统（LEAP）等，其中MARKAL模型侧重于提出分配机制的优化建议[10-12]；AIMEnduse模型以技术为中心，侧重于对具体技术设备的选择[13]；LEAP模型针对终端能源消费的全过程，从能源供应结构、能源技术水平、能源需求等环节，综合评价各种技术和政策措施对节能减排的影响，与城市交通低碳发展路径研究的内广州是我国华南地区的中心城市，其经济总量快速增长的同时，能源消费需求和温室气体排放也保持着持续增长的趋势。为了实现经济社会发展与生态环境保护双赢，城市低碳转型成为广州成为我国第二批低碳试点城市之一，并在2015年第一届中美气候领导峰会上，提出将于2020年广州市迫切需要开展城市低碳发展路径研究，尤其是作为经济发展和居民生活支撑的交通领域应选择何种发展路径成为广州亟待解决的问题。鉴于此，本研究以广州市为例，应用LEAP模型，模拟不同交通发展情景下广州市交通领域未来的能源消费需求和CO2排放水平，分析其未来发展方向和政策需求，从而更好地推动广州市低碳城1广州市交通能耗和碳排放现状随着经济的不断发展与人们生活水平的持续提高，广州市的交通运输需求逐年增加，由此产生的能源消费也呈持续增长的趋势，但年均增速有所放缓（图1a)。2016年全市交通领域（本研究所指交通领域包括公交车、城市轨道交通、出租车、私人小汽车、摩托车等城市客运交通，以及公路、铁路、民航、水路等客/货运营运交通，计算时均采用属地原则，涵盖在广州注册的所有车、船及航空运输器等）的能源消费量为2488万tce，约占全市能源消费总量的42%，较2005年增长了2.6倍，但其年均增长率已由“十一五”期间的12.6%下降至“十二五”期间的11.9%。能源消费量的持续增长使广州市交通领域的CO2排放也呈快速增长趋势，但年均增速也有所放缓（图1b)。2016年全市交通领域由能源消费产生的CO2排放约5386万t，约占全市由能源消费产生的CO2排放总量的44%，较2005年增长了2.7倍。从各种运输方式近10年的CO2排放变化（图2）可以看出，2005年以来广州交通领域碳排放的增长主要来自公路货运、水路货运、航5552005200720092005200720092005200720090车车车年4空客运、航空货运、私人小汽车和公路客运，其和5.9%。交通领域碳排放的快速增长已成为制约广州市实现低碳发展的重要因素，迫切需要针对交通领域开展低碳发展路径研究，以促进广州市碳排放达峰目标的实现。2研究方法与数据2.1LEAP模型LEAP模型是由瑞典斯德哥尔摩环境研究所（SEI）开发的用于能源-环境和温室气体排放的情景分析软件。它是一种自底向上的集成结构模型，即以工程技术为出发点，对各行业的能源消费、能源生产过程中所使用的终端技术进行仿人口、城市化率等宏观经济参数；输出结果为各种政策或技术组合下分部门（行业）的能源需求量、碳排放量等。可以根据部门的特征灵活构建模型结构，实现对能源终端消费部门全面、详细根据广州市交通领域的特征，构建LEAP广州交通模型，以2016年为基础年，2050年为目标年，采用情景分析的方法，分析未来广州市交模型中将广州市交通领域的数据按分层的树形结构进行组织（图3)。首先按照服务对象的地域特征和类型分为市内客运、市际客运和货运交通3种类型，其次按照终端使用的交通类型将市内客运细分为公交车、地铁、出租车等公共交通运输方式，以及私人小汽车和摩托车等私人交通运输航空和水路等交通运输方式。模型的模拟过程主要分为3个部分：能源消费需求、CO2排放量和节能减排潜力计算，主要依据不同交通发展情景下各交通运输类型的活动水平、能源利用效率和燃料类型等进行。其中，活动水平和能源利用效出租车、私人小汽车和摩托车的活动水平定义为交通工具的数量及其年行驶里程，对应的能源利用效率为单位行驶里程的综合能耗；而地铁以及义为客运/货运周转量，对应的能源利用效率为单位客运/货运周转量的综合能耗。此外，各种运输6期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以广州市为例方式的燃料类型主要根据各交通技术的发展现状以及未来的发展趋势，对不同的运输工具进行细分定义，如私人小汽车分为传统汽油小汽车、混合动力小汽车、纯电动车等，对应的能源类型包2.1.1能源消费需求计算方法交通领域的能源消费需求可根据各运输类型的活动水平和能源利用效率计算得到。考虑到数据的可获得性，公交车、出租车、私人小汽车和摩托车的能源消费需求根据其交通工具的保有其他出行方式的能源消费需求根据其客运/货运周转量以及单位客运/货运周转量综合能耗计算ET,k=Σ(Ekm,i,k×Di×Ni)+Σ(Ekm,j,k×Qj)。(1)T,k为交通领域第k种能源的消费需求（tce)；Ekm,i,k为交通工具i行驶100km消耗的第k种能源量（tce)；Di为交通工具i的年运输距离（km)；Ni为交通工具i的拥有量（辆)；i为除地铁以外的市内客运交通工具类型，如公交车、出租车、私人小汽车、摩托车等；Ekm,j,k为交通工具j运输单位客运/货运周转量消耗的第k种能具j的客运/货运周转量（人·km或t·km)；j2.1.2CO2排放的计算交通领域的CO2排放可根据交通工具消费的化石能源与排放系数计算得到。FT=ΣET,k×FCO2,k。(2)FT为交通领域CO2排放量（tCO2)；FCO2,k为第k种能源的CO2排放因子（tCO2/tce)。2.2情景设置与描述情景分析法是指在对经济、产业或技术的重大演变提出各种关键假设的基础上，通过设计不同的发展目标，探讨各种可能情景的变化空间的研究方法[20]。其最大优势是能够发现未来变化的趋势及路径，从而更好地把握研究对象的发展方向。本研究在LEAP模型基础上，选择2050年为目标年，通过对广州市交通发展趋势的预判，设置政策情景、低碳情景和绿色低碳情景（表1)，分析不同发展情景下交通领域未来的能源需求和碳排放，进而梳理未来广州市交通领域的低碳发2.3数据来源2005—2016年广州市交通出行模式、交通工具数量、客运周转量、货运周转量主要参考历年各种交通工具的运输水平、燃料类型及单位能耗主要通过调研运营公司和车主或通过查阅文献、报告等方式获得；电力的CO2排放因子主要参考国家发改委提供的广东电网平均CO2排放因子[21]，其他能源的CO2排放因子主要参考《广东省企业（单位）二氧化碳排放信息报告指南（2018年修订）》[22]中提供的燃料燃烧直接排放与间接排放的排放因子参考值。情景分析中对活动水平和燃料类型的设置主要依据广州市交通部门的历史趋势、近期出台的相关规划和政策文件以及相关研究成果预测得到，包括《交通用生物燃料技术路线图》《汽车产业中长期发展规划》《交通运输节能环保“十三五”发展规划》《广州市城市总体规划（2017—2035年）》《广州市生态文明建设规划纲要（2016—2020年）》《广州市综合交通发展第十三个五年规划》等。交通工具单位能耗的设置参考国内外主要城市交通工具能耗水平及其变化趋势，主要通过文献和实地调研获得。2.4关键参数设定2.4.1市内客运量变化趋势轮渡等公共交通出行方式以及私人小汽车等私人出行方式。广州市一直致力于发展公共交通，并于2012年实施中小客车总量调控政策，2016年全市公共交通出行占机动化出行的比例约60%，千人小汽车拥有量约125辆，低于我国平均水平（140辆)。随着未来城市人口的持续增长，市内客运出行需求也将继续增长。根据《广州市综合交通发展第十三个五年规划》等规划文件，未来广州将继续大力发展公共交通，严格控制私人小汽车的数量和出行频率，进一步提高公共交通出预计2050年政策情景、低碳情景和绿色低期间出台的各种政策措施，按照目前的注重交通工具的清洁化改造，到2022年全市公交车、出租车全面实现新能源化；交通工具的能效水平达到规划目标；城市客运继续对中小客车实施总量调控，大力发展公共交通，到2050年全市公共交通出行占机动化出行的比例达到82%，私人小汽车拥有量超过550万辆；城际交通运输中推广使用铁路运输、水路运输，以分流部分在政策情景基础上，进一步鼓励发展城提高交通工具的能源效率，加快燃料的交通运输工具的清洁化速度加快，到2020年全面实现公交车、出租车的新能源化，鼓励氢燃料和生物质燃料在公路、航空、水运运输全市公共交通出行比例提高至84%，私人小汽车拥有量控制在520万辆以内；城际交通运输中，能耗水平偏低的铁路和水路运输比例在低碳情景基础上，对广州交通领域采取力度更大的政策措施，实现交通运输出租车的纯电动化，加快氢燃料和生物质燃料在交通领域的应用速度；交通工具的能效水平达到届时的世界先进水平；2050年全市公共交通出行比例进一步提高至86%，将新能源车纳入小汽车总量调控指标；城际交通运输中铁路和水路运输量较低碳情6期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以碳情景下，广州市公共交通出行占机动化出行的比例将分别达到82%、84%和86%（表2)。考虑到新能源汽车技术的日益成熟，在现有政策条件下未来小汽车拥有量很有可能再次快速增长，预计2050年政策情景下广州市私人小汽车拥有量将达到552万辆，虽然千人小汽车拥有量仍将远低于美国、日本和英国的水平，但其绝对量较2016年增长了2倍多。其中，新能源汽车占比约为40%。低碳情景和绿色低碳情景下，预计未来广州市将会适时将新能源汽车纳入总量调控，到2050年全市私人小汽车拥有量将分别下降至515万辆和495万辆，其中新能源汽车占比将分别为45%和48%。Table2Guangzhou’s%2016年2050年0002.4.2市际客运交通周转量变化趋势我国未来的出行需求具有较高的增长潜力，已有研究预测到2050年全社会客运周转量将会较2013年水平增长1.6倍[23]。考虑到广州是我国经济较为发达的城市之一，目前的出行需求已相对超过当前德国和日本的水平（人均年出行距离1万～1.3万km）[24]，预计未来客运周转量增长的幅度将低于全国平均水平。假定2050年政策情景、低碳情景和绿色低碳情景下，广州市际客运周转量将分别较2016年水平增长0.52倍、0.47倍和0.45倍。关于市际客运交通运输结构，现有研究普遍认为航空和公路运输将仍然是未来最主要的城际出行方式[25-26]。但考虑到航空和公路运输的单位能耗高，为了促进市际客运交通的碳减排，未来将加强铁路等低碳运输方式的发展，以部分分流航空和公路客运。政策情景、低碳情景和绿色低碳情景下，广州市2050年的铁路客运周转量占比航空客运和公路客运占比有所下降，但仍将是广州市际客运交通出行的最重要的运输方式（表3)。%2016年2050年2.4.3货运交通周转量变化趋势货物运输受经济形势，特别是第二产业发展影响较大[23]。在新常态的经济发展模式下，未来广州市的经济发展速度将逐渐放缓，但产业结构将继续优化，由此必将带来货运周转量增速的减缓。参考广州市货运周转量增速与GDP增速的历史关系，假设政策情景、低碳情景和绿色低碳情景下，广州市货运周转量年均增速分别为1.3%、1.0%和0.9%，预计到2050年全市货运周转量将就运输结构而言，水运作为最经济和低碳的运输方式，未来的货运周转量将持续增长，但考虑到物流业的飞速发展以及人们对时效性要求的不断提高，预计广州市未来的公路和航空货运周转量占比将逐渐增长，而水路货运占比将有所下降。在低碳发展的要求下，需要鼓励远距离货运采用铁路和水路运输，以部分分流公路和航空货运量，有效降低其货运周转量的增长幅度。不同情景下，广州市2050年的货运周转量结构如表%2016年2050年2.4.4能源结构变化趋势广州市交通领域的能源消费以石油制品为主，约占2016年交通能耗的97%，其中柴油、航空航空客货运以及水路货运。随着能源危机、空气污染以及气候变暖问题日益突出，清洁能源和可再生能源的使用将越来越受到人们的青睐，特别是生物燃油被认为是目前实现航空和水路运输碳排放零增长的重要途径。国际能源署2013年发布的《交通用生物燃料技术路线图》预测，到2050年生物燃料占交通运输燃料总量的比重将上升到27%。此外，天然气和电力的消费比重也将逐渐结合《广州市综合交通发展第十三个五年规划》等规划文件，预计广州市交通领域未来的油品消费将得到有效控制。预计到2050年，政策情景下全市交通领域的油品消费比重将下降至67%，生物燃油增长至20%；低碳情景和绿色低碳情景下，油品的消费比重进一步下降至56%和3结果与分析3.1广州市2050年交通能源需求和碳排放趋势但增长幅度逐年减小，到2040年左右将达到能源加强，全市交通领域的能源消费需求有望在203004000(a)20152020202520302035204020452050年6期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以广州市为例输领域的CO2排放也将保持增长的趋势，但考虑排放达峰时间有望提前到2025年左右，2050年的广州市交通领域的CO2排放达峰时间将进一步提前到2023年左右，2050年的CO2现状水平。由此可见，要实现2020年碳排放总量根据模型的模拟结果（图6)，政策情景下，广州市交通领域2050年由能源消费产生的CO2排通过在现有政策基础上进一步采取强化的政策措施，低碳情景下广州市交通领域2050年的CO2排放将较政策情景减排32%，与2015年水平相当。绿色低碳情景下，全市交通领域2050年的CO2排放将进一步较低碳情景减排23%，总量减至3582的CO2排放来源，同时也将是节能减排最关键的领域（表5)。低碳情景下，公路货运的减排贡献最大，2050年较政策情景的减排量约占交通领域减排总量的43.0%；其次是航空货运、水路货运和航空客运；公路客运和私人小汽车也存在一减排的重点，其2050年的减排量分别约占交通领域减排总量的30.0%、20.6%、19.8%和13.5%；0Table5SummaryofemissionreductionpotentialsinGuangzho减排量/万t-3-0.1004货运交通是广州市交通领域碳排放最主要的来源，也是实现广州市交通领域碳减排最重要的途径。低碳情景下，2050年全市货运交通将较政策情景实现减排36.6%，约占交通领域减排总量的76.3%；绿色低碳情景下，2050年全市货运交通将进一步较低碳情景减排26.2%，约占交通领域减排(1)打造全方位综合货运系统。通过优化物流(2)提高货运交通工具能效。进一步淘汰老旧020152020202520302035204020452050年201520202025203020352040006期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以(3)优化货运交通能源结构。加快货运交通工货运中推广LNG的使用，铁路货运中增大电力机车的比重，水路货运鼓励使用岸电，港口机电气化改造等。同时，加速生物燃料和氢燃低碳情景下，2050年广州市际客运交通将较政策情景实现减排27.9%，约占交通领域减排总量的16.7%；绿色低碳情景下，2050年全市市际客运交通将进一步较低碳情景减排22.2%，约占交通领域(1)市际客运交通结构优化。通过加速高速铁(2)市际客运交通工具清洁化。加快城际客运要体现在公路客运逐渐向LNG客车和氢燃料客车(3)高能耗、低效率的老旧客运交通工具，鼓市内客运交通是市级层面最具有管辖权的运输类别。低碳情景下，2050年广州市内客运交通将较政策情景实现减排17.6%，约占交通领总量的7.0%；绿色低碳情景下，2050年市内客运行是广州市内客运出行最主要的CO2排放源，需根据广州市内客运交通现状，结合未来低碳发展的要求，提出市内客运交通低碳发展路径。公路客运公路客运铁路客运航空客运水路客运市际客9003002015202020252030203520402045市内公共交通私人小汽车摩托车市内客运交通40040020020020152020202520302035204020452050年(1)全面落实城市公交优先发展战略。深化实施公交优先发展战略，加快城市轨道交通设施建设和规划，提升轨道交通营运水平；新增和优化公交线网，完善公交专用道、公交站场的建设和管理，提升线网的整体效率；加快推进出租车行业改革，合理投放传统出租汽车运力；结合未来客流需求合理建设运营码头和船舶，提升水上巴(2)有效控制小汽车数量和出行频率。深化实施中小客车总量调控，适时提出将新能源车辆指标纳入总量调控的实施方案，有效减少本地私人控制非本地私人小汽车的出行；加强城市停车和拥堵管理，全面实行分区域、分类型、分时段差别化停车供应和收费，研究拥堵收费政策，采用经济手段有效减少私人小汽车的出行频率。(3)加速推进交通工具清洁化。继续推进新能源车在公交、出租车、公务车等领域的使用，鼓励新能源汽车在私人用车领域的使用；大力推进充电桩等基础设施的规划与建设，尤其加强在公完善新能源汽车配套基础设施。5结论与讨论随着城镇化进程的加快和生产生活运输需求的增加，交通领域的碳排放越来越成为影响城市达峰的重点和难点。本研究以广州市为例，应用LEAP模型，通过设置政策情景、低碳情景和绿色低碳情景，模拟不同发展情景下广州市交通领域未来的能源消费需求和CO2排放趋势，分析其低碳发展的方向和路径，从而为城市交通领域的(1)2016年广州交通领域的CO2排放为5386万t，约占全市CO2排放总量的44%，较2005年增长了2.7倍，但年均增长速度有所放缓。(2)政策情景下，广州交通领域的CO2排放将低碳情景下，随着节能减排措施力度的加大，达峰时间有望提前到2025年左右，2050年的CO2排放将回归到现状水平；在绿色低碳情景下，广州交通领域的CO2排放达峰时间将进一步提前到2023年左右，2050年的CO2排放将明显低于现(3)货运交通是广州交通领域碳排放最主要的来源，也是碳减排潜力最大的运输类型。2050年低碳和绿色低碳情景下的减排贡献分别达到76.3%和74.4%。其中，公路货运、航空货运和水路货运是实现货运交通碳减排的关键，需要通过大力发展铁路和水路货运，提高货运交通工具能效以及优化货运交通能源结构，促进货运交通尽快实现碳排放达峰。(4)市际客运交通是广州交通领域仅次于货运交通的主要碳排放源，2050年低碳和绿色低碳情景下的减排贡献分别为16.7%和17.7%。需要通过加速铁路、水路运输的建设和运营，促进市际客运交通结构优化，积极促进客运交通工具清洁化，以及通过技术创新和管理水平提升，有效提6期黄莹，等：基于LEAP模型的城市交通低碳发展路径研究——以广州市为例高市际客运交通工具能效，尽早实现市际客运交(5)市内客运交通是市级层面最具有管辖权的运输类别。2050年低碳情景和绿色低碳情景下广州市内客运交通的减排贡献分别为7.0%和7.9%，需要继续大力发展公共交通，提高服务水平，配合严格的小汽车总量控制、外地车限行、停车和拥堵管理等政策，有效减少私人小汽车的拥有量和出行频率，同时加速能源的清洁化进程，推动通过模拟不同的交通发展情景，分析了广州市交通领域未来的减排潜力和重点方向，是城市交通领域低碳发展路径研究的重要尝试。但是，考虑到数据的可获得性，本研究并未涵盖全口径“大交通”，尚未涉及港口、航站楼、电动自行车、管道运输等的能耗和排放，需要在后续研究中逐步进行补充和完善。此外，本研究主要依据统计型数据对交通领域的能耗和排放进行模拟，其中各交通类型的活动水平数据多采用属地原则进行统计，往往高估了本地交通运输的能耗和排放，而交通运输工具的能效数据多为分交通类型的平均数据，无法真实反映不同交通工具间的差异，因此如何引入交通运输部门的大数据，对交通领域的能耗和排放进行更准确、细致地核算也是今后研究的方向之一。low-carboncityplanning[D].Nanjing:SoutheastUniversityPress,[2]InternationalEnergyAgency(IEA).Worldenergyoutlook2013[R].[3]陈飞,诸大建.低碳城市研究的内涵、模型与目标策略确定[J].content,modelsandstrategiesoflowcarboncit[4]UnitedNationsEnvironmentProgramme(UNEP).2010年度报告[R].2011:13.UNEP.UN以法国城市交通出行规划（PUD）为例[J].城市规划汇刊,2004ofa“durable”mobilitypolicy:thecaseofurbantransportationplansinFrance[J].UrbanPlanningForum,20[6]李前喜.日本交通部门碳排放与低碳交通相关因素研究[J].环emissionsandlow-carbontransportationsystemand[8]孙林.基于混合CGE模型的乘用车节能减排政策分析[J].中国人口·资源与环境,2012,22(7):40-48.SunL.Energy-savingandemission-reducingrelatedpoliciesonpassengercars:asimulationandEnvironment,2012,22(7):40-48[9]马星,曾小舟,曾修彬.基于CGE模型的我国民用飞机政策影Z,ZengXB.PolicyanalysisofChinesecivilaircraftbasedonCGEmodel[J].JournalofEastChinaJiaotongUniver[10]D.EricL,WuZX,DeLaqenergy:technologychoices[J].EnergyPolicy,2003,31(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