孟繁健 賀思思 郭家宏 郝優(yōu)優(yōu) 李麗芬 孟凡旭

摘 要：中國溫室氣體排放量在全球范圍內(nèi)占較大比例，為碳排放大國，減排壓力巨大。為了更好地進(jìn)行碳排放預(yù)測，估算中國碳減排潛力，文章對六種常用的碳排放預(yù)測模型從基本優(yōu)缺點(diǎn)比較、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可得性、設(shè)計參數(shù)的難易程度等角度進(jìn)行了分析，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例闡述了不同模型的碳排放預(yù)測應(yīng)用差異和可行性。提出在碳排放預(yù)測的實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)充分考慮本地區(qū)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、能源消耗等特征，篩選出碳排放的主要驅(qū)動因素，并根據(jù)不同因素對碳排放影響的權(quán)重選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，以達(dá)到最好的擬合和預(yù)測效果的建議。

關(guān)鍵詞：溫室氣體 碳排放預(yù)測 模型 優(yōu)化

中圖分類號：F205 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4914（2015）11-216-04

引言

政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）第4次評估報告認(rèn)為，以氣溫升高為主要特征的全球氣候變化在很大程度上是由于人為活動導(dǎo)致的溫室氣體排放，尤其是化石能源使用引起的CO2的排放。2013年度《全球碳預(yù)算》報告指出，中國已成為化石燃料燃燒CO2排放量最大的國家，占全球總排量的27%，大于美國和歐盟排放總和，碳排放增長對全球增長量的貢獻(xiàn)達(dá)到71%？譹？訛。2014年發(fā)布的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中，中國承諾到2030年前停止增加CO2排放，即等于承諾2030年達(dá)到碳排放峰值點(diǎn)？譺？訛。因此，中國作為碳排放大國，在未來10—15年碳減排壓力巨大。實(shí)行嚴(yán)格的低碳政策、減少化石能源的使用并提高能源使用效率是減少CO2排放的主要途徑，而預(yù)測中國未來的碳排放量從而合理估算碳減排潛力則是制定減排目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

本文結(jié)合目前國內(nèi)外碳排放預(yù)測的相關(guān)研究，重點(diǎn)介紹了IPAT、Kaya、STIRPAT、LMDI、LEAP、Logistic六種模型，并通過對這些模型的對比分析，總結(jié)出各種模型的特點(diǎn)、側(cè)重領(lǐng)域和優(yōu)化方向，對不同領(lǐng)域碳排放預(yù)測的模型選擇提供了幫助。

一、六種預(yù)測模型特點(diǎn)與應(yīng)用特征

20世紀(jì)70年代，Ehrlich等首次提出IPAT模型，其目的是為了辨別人口數(shù)量、富裕度、技術(shù)等人文驅(qū)動力中何種驅(qū)動力對環(huán)境壓力的影響更為明顯。該方程在大量學(xué)者經(jīng)過反復(fù)討論和驗(yàn)證后確定下來，具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)。20世紀(jì)末，在該方程的基礎(chǔ)上，Kaya在IPCC研討會上提出了Kaya恒等式，該恒等式是IPAT方程的一個具體應(yīng)用，它通過構(gòu)造鏈?zhǔn)匠朔e的形式分解出多個影響因素，將人類活動產(chǎn)生的CO2與人口數(shù)量、人均GDP、能耗強(qiáng)度等因子聯(lián)系起來。1994年，York，Dietz 等基于IPAT模型提出了隨機(jī)回歸影響模型STIRPAT模型，該模型是多變量的非線性模型，分別考慮了人口、財富、技術(shù)等因素各自單獨(dú)變動對環(huán)境的影響，被認(rèn)為是定量分析人文因素對環(huán)境壓力影響的一種有效方法。上述三種模型在碳排放預(yù)測領(lǐng)域最為常見，它們在構(gòu)建碳排放分解模型上各具特色，但仍存在一定的局限性，如IPAT模型參數(shù)分解時沒有同時考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的影響;Kaya模型僅能解釋一次能源消耗對碳排放的貢獻(xiàn)。

此外，國內(nèi)外常用的碳排放預(yù)測模型還有LMDI模型，LEAP模型和Logistic模型，下文將具體介紹以上六種模型，并對其應(yīng)用特征進(jìn)行總結(jié)。

1.IPAT模型。1971年，Ehrlich與Holden？譻？訛提出用于評估環(huán)境壓力的IPAT模型。反映的是人口、經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境關(guān)系。

表達(dá)式：I=PAT

I為環(huán)境壓力，可替代為CO2排放總量;P為人口;A為人均GDP;T為技術(shù)，可替代為能源消耗強(qiáng)度。

該模型認(rèn)為環(huán)境壓力受人口、GDP、技術(shù)三種驅(qū)動力共同作用，且與各驅(qū)動力間均成1：1等比例變化關(guān)系，即任何一個驅(qū)動力發(fā)生1%變化都會引起環(huán)境壓力相應(yīng)發(fā)生1%的變化？譼？訛。在此基礎(chǔ)上，Waggoner等？譽(yù)？訛對其進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展為ImPACT模型，m表示人為因素對I的影響，并且把IPAT等式中的技術(shù)T分解成單位GDP消費(fèi)和單位消費(fèi)產(chǎn)生的環(huán)境影響？譾？訛。這兩種形式都屬于IPAT模型，被認(rèn)為是研究能源經(jīng)濟(jì)和碳排放峰值的重要方法之一。

2.Kaya模型。

20世紀(jì)末，日本學(xué)者Kaya Yoichi ？譿？訛提出Kaya模型，他認(rèn)為一個國家或地區(qū)的碳排放量受到人口數(shù)量、人均GDP、單位GDP 能源強(qiáng)度以及單位能耗碳排放量四個因素影響。

其最初表達(dá)形式如下：

GHG=GHG/TOE×TOE/GDP×GDP/POP×POP=f·e·g·p，

其中，GHG為溫室氣體的排放總量;TOE為一次能源的消耗總量;GDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值;POP為總?cè)丝跀?shù)量;f （GHG/TOE）為能源碳強(qiáng)度;e（TOE/GDP）為單位GDP的能源強(qiáng)度;g（GDP/POP）為人均GDP？讀？訛。

Kaya模型可定量分析碳排放過程中各種影響因素的相對重要性及其動態(tài)變化，揭示了碳排放主要的內(nèi)在驅(qū)動力。這種方法得到了國際社會的一致認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于各個國家和地區(qū)的碳排放量歷史波動變化的驅(qū)動因素分析？讁？訛。

3.STIRPAT模型。STIRPAT模型是1994年由York，Dietz等基于IPAT模型提出的隨機(jī)回歸影響模型，是多變量的非線性模型，考慮了人口、財富和技術(shù)因素各自不同變動對環(huán)境的單獨(dú)影響。

表達(dá)式：I=aPbAcTde，

其中，I為環(huán)境壓力，在具體應(yīng)用中可直接替代為碳排放總量;P為人口數(shù)量;A為富裕度;T為技術(shù);a為模型的系數(shù);b為人口數(shù)量指數(shù);c為富裕度指數(shù);d為技術(shù)人文驅(qū)動力指數(shù);e為模型的隨機(jī)誤差（包括時間誤差、區(qū)域誤差及因素分解誤差等）。

在實(shí)際應(yīng)用中通常將STIRPAT模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋵?shù)形式：

I=f+b1np+c1nA+d1nT+g

其中，f，g分別為a，e的對數(shù)值。

這一轉(zhuǎn)變過程同時引入了彈性系數(shù)的概念，較好地解決了模型的異方差性。此外，該模型還可進(jìn)行擴(kuò)展，被認(rèn)為是定量分析人文因素對環(huán)境壓力影響的一種有效方法？輥？輮？訛。

4.LMDI模型。20世紀(jì)末，Ang等？輥？輯？訛在Divisia分解法基礎(chǔ)之上加以改進(jìn)，消除了Divisia分解法的殘差項并解決了“0”值問題，形成LMDI模型，即對數(shù)平均迪氏分解法（Log Mean Divisia Index）。該模型是一種因素分解方法，其針對的是一段時間內(nèi)的能源需求或碳排放。

碳排放中，借助LMDI模型對碳排放進(jìn)行因素分解，則區(qū)域碳排放量可以表示為：

式中，C為區(qū)域碳排放量;n為產(chǎn)業(yè)部門的個數(shù);Ci為i部門或產(chǎn)業(yè)碳排放量;Ei為i部門的能源使用量;GDPi為i部門的國內(nèi)生產(chǎn)總值;GDP為國內(nèi)生產(chǎn)總值;P為人口數(shù)量;Ii（Ei/GDPi）為能源利用效率，即單位GDP消費(fèi)能源;Si（GDPi/GDP）為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，即i部門產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比例;A（GDP/P）為人均GDP？輥？輰？訛。

根據(jù)區(qū)域碳排放分解模型，時間為基期“0”到“t”期，利用“乘積分解”和“加和分解”可得：

式中，為碳排放變化量，為能源效率（強(qiáng)度）變化量，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化量，為人口規(guī)模變化量，經(jīng)濟(jì)增長變化量？輥？輱？訛。

LMDI模型將碳排放預(yù)測中碳排放的變化量分解為碳排放相關(guān)獨(dú)立自變量變化量的和，以測量各獨(dú)立自變量對碳排放變化量的貢獻(xiàn)程度，是分析碳排放影響因素的方法之一。

5.LEAP模型。

LEAP模型由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所及美國波士頓勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室所共同研發(fā)，是一個基于情景分析的能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合模型？輥？輲？訛。該模型按照“資源”、“轉(zhuǎn)換”、“需求”的順序充分考慮了決定碳排放量的能源需求及供應(yīng)平衡情況？輥？輳？訛。

能源需求和CO2排放的計算：

假設(shè)有m種能源和n個行業(yè)部門，各行業(yè)的能源需求由經(jīng)濟(jì)活動水平和單位經(jīng)濟(jì)活動水平下的能源強(qiáng)度決定，CO2排放由能源需求和碳排放系數(shù)決定，公式如下：

式中，為t時刻第i種能源消費(fèi)總量;為t時刻第j部門綜合能耗;為CO2排放量;為第j部門在t時刻的活動水平，多以部門產(chǎn)值或產(chǎn)品產(chǎn)量表示;為t時刻j部門單位活動水平下的能源消費(fèi)強(qiáng)度;為第j部門對第i種能源的碳排放系數(shù)？輥？輴？訛。

該模型根據(jù)已劃分的行業(yè)部門和不同部門的能源消耗量，在對政策、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)或技術(shù)的重大演變提出各種關(guān)鍵假設(shè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)想未來較長時期能源及其環(huán)境影響的各種可能方案，設(shè)計出不同發(fā)展情景下的能源消費(fèi)模式，從而進(jìn)行碳排放預(yù)測。

6.Logistic模型。

1920年由美國生物學(xué)家和人口統(tǒng)計學(xué)家Pearl和Reed共同提出？輥？輵？訛。由于現(xiàn)階段對碳排放的研究，主要是靜態(tài)計量或是引用《IPCC國家溫室氣體清單指南》中的全球標(biāo)準(zhǔn)？輥？輶？訛？輥？輷？訛，Logistic模型突破以往對于碳排放的靜態(tài)評估，可對碳排放進(jìn)行動態(tài)預(yù)測？輦？輮？訛。

式中，x為碳排放增量;t表示年份;K為碳排放最大容量;a不定常數(shù);r為增長系數(shù)？輦？輯？訛。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，能夠較好描述形如“S”增長曲線的Logistic函數(shù)，數(shù)學(xué)計算較為簡單且經(jīng)濟(jì)含義明顯。Logistic模型的精確度受K值影響較大，但只要將K值確定在一個比較合理的范圍內(nèi)，它都可以給出一個較高的擬合度，而且預(yù)測的誤差不論短期或中長期均處于較低的范圍？輦？輰？訛。相比較而言，Logistic模型能夠預(yù)測的區(qū)域碳排放時間更為長遠(yuǎn)且預(yù)測值更加準(zhǔn)確。

二、六種模型在碳排放預(yù)測中應(yīng)用可行性分析

從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得性和模型應(yīng)用領(lǐng)域兩個方面進(jìn)行討論，對六種模型進(jìn)行綜合比較，并以此得到應(yīng)用可行性分析。

表1可知，IPAT模型的自變量為3個，計算過程簡單;Kaya模型的自變量為4個，其中將IPAT模型中的“技術(shù)”分解為單位GDP 能源強(qiáng)度和單位能耗碳排放量;STIRPAT模型的自變量為3個，其中的能源強(qiáng)度參數(shù)需簡單計算;LMDI模型的自變量為4個，計算過程繁瑣;LEAP模型的自變量為2個，結(jié)果受能源種類和參與部門個數(shù)影響;Logistic模型的自變量為2個，碳排放最大容量由地區(qū)環(huán)境條件和能源狀況決定，且計算過程繁瑣。

表2可知，IPAT模型和STIRPAT模型在碳排放領(lǐng)域的應(yīng)用最為常見;Kaya模型可以對減排方案的制定提供幫助;LMDI模型對碳排放影響因素的分析更為細(xì)化;LEAP模型對碳排放量的預(yù)測多為能源領(lǐng)域;Logistic模型適合動態(tài)預(yù)測。

根據(jù)以上分析，六種模型均可用于碳排放的預(yù)測，但不同模型所需的基本數(shù)據(jù)不同且收集難易程度各異，所選衡量指標(biāo)不同導(dǎo)致適用領(lǐng)域不同。因此，在碳排放預(yù)測的實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)充分考慮本地區(qū)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、能源消耗等特征，篩選出碳排放的主要驅(qū)動因素，并根據(jù)不同因素對碳排放影響的權(quán)重選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ停赃_(dá)到最好的擬合和預(yù)測效果。

三、碳排放預(yù)測模型優(yōu)化

從原理、公式、擬合度等角度分析得到了各個模型的優(yōu)點(diǎn)和不足，并據(jù)此對預(yù)測模型進(jìn)行選擇優(yōu)化。

1.模型優(yōu)缺點(diǎn)對比。

表3可知，IPAT模型公式簡潔，但無法消除同比例變動的局限;Kaya模型對碳排放驅(qū)動因素解釋力強(qiáng)，但作用機(jī)制復(fù)雜，且只有與能源活動相關(guān)才有實(shí)際意義;STIRPAT模型消除了IPAT模型中的同比例變動的局限，但各變量間存在多重共線性;LMDI模型可觀察各個因變量對碳排放量的具體影響，但分解時主觀性大;LEAP模型具有良好的計算和情景分析功能，但不確定性較大;Logistic模型突破了以往的靜態(tài)評估，但計算K值時易受主觀影響。

2.模型優(yōu)化。

（1）IPAT模型與LMDI模型的優(yōu)化。IPAT模型存在對碳排放驅(qū)動因素分解不足的問題，導(dǎo)致難以確定每個因素對碳排放的影響。而LMDI模型主要應(yīng)用于影響因素分析，適合作為輔助工具與其他碳排放預(yù)測模型進(jìn)行組合。將IPAT模型與LMDI模型相結(jié)合，利用LMDI模型對IPAT模型中的碳排放影響因素進(jìn)行進(jìn)一步分解，選取影響較大的因素重新應(yīng)用到IPAT模型中進(jìn)行碳排放預(yù)測，可以大大減少因驅(qū)動因素選取或分解不當(dāng)造成的誤差。如趙奧等？輧？輳？訛利用LMDI與IPAT結(jié)合模型對驅(qū)動因素進(jìn)行優(yōu)化后，增加了碳排放量預(yù)測的準(zhǔn)確性。

（2）Kaya模型的優(yōu)化。Kaya模型驅(qū)動因素背后的作用機(jī)制復(fù)雜，可采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對其影響因素進(jìn)行分析，以解釋不同因素與碳排放量之間的關(guān)聯(lián)度。如秦軍等？輦？輲？訛以江蘇省為例，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對各驅(qū)動因素與碳排放量之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了分析，得到煤炭消耗量為影響該省碳排放量的最主要因素。

（3）STIRPAT模型的優(yōu)化。STIRPAT模型中各變量間存在著多重共線性，為解決這一問題，需對其進(jìn)行回歸分析。在不剔除自變量的前提下解決的方法主要有主成分回歸法、偏最小二乘法和零回歸法？輧？輵？訛。主成分分析法是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選，提取對因變量解釋力最強(qiáng)的綜合變量;偏最小二乘法多用在處理多自變量間嚴(yán)重共線性的問題，該方法將影響碳排放的眾多因子簡化為少數(shù)不相關(guān)因素？輧？輶？訛;嶺回歸是一種偏估計法，能夠得到各參數(shù)和系數(shù)更顯著的結(jié)果。此外還可采用加權(quán)回歸法，該方法可以剔除相關(guān)性較小的自變量，并將空間效應(yīng)和地區(qū)差異考慮在內(nèi)，為實(shí)際應(yīng)用中為驅(qū)動因素的篩選提供幫助。

（4）LEAP模型的優(yōu)化。LEAP模型是一種“終端能源消費(fèi)”模型，參數(shù)較少，但對動態(tài)碳排放量的預(yù)測存在不足。模型自身方面，可通過增加預(yù)測范圍的劃分維度并應(yīng)用活動水平的預(yù)測方法增加預(yù)測精度，如將預(yù)測范圍分為系統(tǒng)層、狀態(tài)層、指示層等，或者增加活動水平的分級;在預(yù)測未來經(jīng)濟(jì)活動的水平時，提供了內(nèi)推法，增長率法，彈性系數(shù)法三種方法？輧？輷？訛。

在LEAP模型與其它模型及方法的結(jié)合使用方面，可以與GM（1，1）模型和情景分析法同時結(jié)合，將所預(yù)測的數(shù)據(jù)最終集合到LEAP模型中，形成LEAP-EV模型？輨？輮？訛，該模型在處理能源環(huán)境碳排放預(yù)測數(shù)據(jù)時的精度更高;與Logistic模型結(jié)合，構(gòu)建基于LEAP模型的物流能源模型LEAP-Logistic？輨？輯？訛，通過選擇合適的函數(shù)，如線性函數(shù)、冪函數(shù)、增長曲線等，可以對變量進(jìn)行曲線估計，計算各部門的能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度，完成對模型的參數(shù)設(shè)置，再通過LEAP模型模擬計算不同政策實(shí)施下的節(jié)能減排效果，達(dá)到對碳排放量的動態(tài)預(yù)測。

（5）Logistic模型擴(kuò)展。為達(dá)到預(yù)定的減排目標(biāo)，政府會實(shí)施一系列的減排政策。對Logistic模型拓展后，引入人為控制項，可實(shí)現(xiàn)對不同政策實(shí)施情形下碳排放量的預(yù)測。如邱世明等？輨？輰？訛的研究中用下列的擴(kuò)展模型來表示不同人工干預(yù)情況下的CO2排放量，即：

式中，h為單位時間內(nèi)CO2的減排量，與當(dāng)前CO2量成正比;q為比例系數(shù)，表示人工干預(yù)強(qiáng)度，即CO2的減排強(qiáng)度？輨？輱？訛。該擴(kuò)展模型通過改變q值而模擬不同政策下的減排力度，能夠起到對減排政策的評估作用。

四、結(jié)論

IPAT模型在碳排放預(yù)測領(lǐng)域應(yīng)用較早，其公式簡潔，易被理解。但其存在對碳排放驅(qū)動因素分解不足等問題，在實(shí)際應(yīng)用中，通常與LMDI模型組合使用，以減少因驅(qū)動因素選取或分解不當(dāng)造成的誤差;Kaya恒等式對IPAT模型進(jìn)行了改進(jìn)，將其中的“技術(shù)”因子進(jìn)行分解，對碳排放驅(qū)動因素解釋力增強(qiáng)。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行因素篩選，可以解決其應(yīng)用范圍僅限于能源活動相關(guān)領(lǐng)域的不足;STIRPAT模型在碳排放領(lǐng)域的應(yīng)用較為常見，它消除了IPAT模型中的同比例變動的局限，但存在各變量間存在多重共線性的缺點(diǎn)，應(yīng)用中常對其進(jìn)行回歸分析以增加預(yù)測的準(zhǔn)確性;LMDI模型細(xì)化了碳排放影響的各個因素，可觀察各個因變量對碳排放量的貢獻(xiàn)程度，但缺乏具體的分解標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致主觀性較大;LEAP模型多用于能源領(lǐng)域的碳排放預(yù)測，具有良好的情景分析功能，可通過增加預(yù)測范圍的劃分維度等方法增加其預(yù)測精度;Logistic模型計算過程較為繁瑣，且受K值和地區(qū)狀況影響，主觀性較大。引入人為控制項后，可實(shí)現(xiàn)對不同政策實(shí)施情形下碳排放量的預(yù)測。

[基金項目：山西經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展重大研究課題：促進(jìn)我國能源產(chǎn)業(yè)及山西煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究（編號：ZD201409）;山西省“十三五”規(guī)劃前期研究重大課題（山西省"十三五"強(qiáng)化污染防治與節(jié)能減排政策措施研究）資助（編號：2014024）;山西大學(xué)第十三期本科生科研訓(xùn)練計劃資助項目（編號：2015013097）;2015年度山西大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（編號：201510108005）。]

[第一作者簡介：孟繁?。?993—），男，山西孝義人，山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橘Y源生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展。]

（責(zé)編：鄭釗）