朱潛挺，熊鵬程，張馨月，吳靜

［1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)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(guó)對(duì)環(huán)境氣候問(wèn)題的關(guān)注度不斷提高，二氧化碳排放被認(rèn)為是加劇全球氣候變化的重要因素之一，我國(guó)作為當(dāng)今世界上最大的碳排放國(guó)家，二氧化碳排放問(wèn)題受到國(guó)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(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)需要深入了解國(guó)內(nèi)的能源消費(fèi)需求和碳排放趨勢(shì)，建立科學(xué)的碳排放預(yù)測(cè)模型，為制定政策提供支持，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。京津冀城市群作為我國(guó)的三大城市群之一，是我國(guó)核心經(jīng)濟(jì)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(diǎn)區(qū)域，并且隨著其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城市化水平的不斷進(jìn)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(fèi)碳排放是包含經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境、科技、人口等多個(gè)子系統(tǒng)的有機(jī)復(fù)合系統(tǒng)。因此，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)京津冀城市群的能源消耗和碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè)，有利于尋求更好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、推進(jìn)京津冀碳減排，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

目前，已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)能源消費(fèi)和碳排放預(yù)測(cè)工作進(jìn)行大量的研究，預(yù)測(cè)方法主要有STIRPAT 模型［1-4］、ARIMA 模型［5-10］、支持向量機(jī)［11-14］、LEAP 模型［15-18］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［19-21］、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型［22-26］等。其中，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有優(yōu)勢(shì)，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(dòng)力學(xué)模型，可用于研究處理復(fù)雜的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等系統(tǒng)問(wèn)題，并可在宏觀、微觀層面上對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、非線性、多層次的大規(guī)模系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，近年來(lái)許多學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型用于碳排放預(yù)測(cè)的研究中。杜焱等［22］基于我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀，擬定經(jīng)濟(jì)、能源和碳排放3 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)我國(guó)能源消費(fèi)碳排放趨勢(shì)，探究“碳達(dá)峰”的最優(yōu)路徑；趙冬蕾等［23］基于經(jīng)濟(jì)—人口—能源—環(huán)境的動(dòng)力學(xué)關(guān)系構(gòu)建了建筑業(yè)碳排放預(yù)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)情景分析對(duì)建筑業(yè)碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè)；宋杰鯤等［24］以山東省為研究對(duì)象，將山東省能源消費(fèi)碳排放系統(tǒng)分為經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境、人口與社會(huì)支持4 個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)山東省能源消費(fèi)碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合山東省規(guī)劃目標(biāo)給出明確的可行路徑。

雖然運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(gè)層面的研究還比較少，而事實(shí)上微觀層面的消費(fèi)主體才是整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的主要組成部分，其技術(shù)水平和消費(fèi)行為會(huì)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(gè)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(guò)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(gè)體，以自主體間的交互模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，目前還很少應(yīng)用于碳排放的預(yù)測(cè)研究中，主要應(yīng)用于市場(chǎng)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(jì)—能源—排放之間的動(dòng)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(gè)包含經(jīng)濟(jì)、能源—碳排放兩大模塊的模型，實(shí)現(xiàn)全面評(píng)估京津冀城市群的能源消耗和碳排放的趨勢(shì)，推進(jìn)京津冀低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

1 模型構(gòu)建思路

京津冀城市群的能源消費(fèi)和碳排放來(lái)自各地區(qū)部門企業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所產(chǎn)生的能源消耗和碳排放，因此本模型包括經(jīng)濟(jì)、能源—碳排放兩大模塊。京津冀城市群的經(jīng)濟(jì)模塊從微觀層面的企業(yè)入手，企業(yè)通過(guò)研發(fā)創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步和改變經(jīng)濟(jì)需求，導(dǎo)致部門之間的供給需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)生變化，最后引起整個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)生變化。能源—碳排放模塊是通過(guò)企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)改變能源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)強(qiáng)度，影響企業(yè)的碳排放強(qiáng)度，導(dǎo)致整個(gè)部門的能源消費(fèi)和碳排放發(fā)生變化，最終引起整個(gè)地區(qū)的能源消費(fèi)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(duì)微觀層面的消費(fèi)主體企業(yè)進(jìn)行建模，運(yùn)用投入產(chǎn)出模型表示宏觀層面各部門之間的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，并基于經(jīng)濟(jì)—能源—排放之間的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系將宏觀和微觀2個(gè)層面進(jìn)行連接整合，其宏觀部門層面和微觀部門層面互動(dòng)示意圖如圖2所示。

圖2 宏觀和微觀互動(dòng)圖

2 模型構(gòu)建方法

2.1 經(jīng)濟(jì)模塊

基于模型構(gòu)建思路，經(jīng)濟(jì)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(gè)部門都被分為n個(gè)微觀自主體企業(yè)，每個(gè)企業(yè)有不一樣的經(jīng)濟(jì)、資源和行為。在本模塊中，每個(gè)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(shí)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(dòng)生產(chǎn)率、物質(zhì)資本、勞動(dòng)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(gè)時(shí)期的企業(yè)勞動(dòng)力可以表示如下：

勞動(dòng)力的工資水平在部門層面決定，即一個(gè)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(shí)期k部門的工資率，γk為勞動(dòng)力變化對(duì)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(duì)其他部門產(chǎn)品的中間消耗及勞動(dòng)力的工資支出，在這2個(gè)方面支出的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定幅度的加乘計(jì)算，得到產(chǎn)品的價(jià)格pk,i,t如下：

其中：μk為k部門的價(jià)格加成幅度，aj,k,t-1為t-1時(shí)期k部門對(duì)j部門的直接消耗系數(shù)?；诖?，企業(yè)的利潤(rùn)πk,i,t可以表示如下：

其中：zk,i,t為t時(shí)期k部門i企業(yè)的市場(chǎng)份額。

企業(yè)在不同的產(chǎn)品定價(jià)水平下，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力Ek,i,t也各有不同：

其中：Ek,t為t時(shí)期k部門的綜合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而企業(yè)市場(chǎng)份額zk,i,t受到企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力Ek,i,t的影響：

其中：?為影響系數(shù)。企業(yè)市場(chǎng)份額決定了企業(yè)在部門中所貢獻(xiàn)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(rùn)，企業(yè)將進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)。企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)將促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，改進(jìn)企業(yè)的直接消耗系數(shù)和勞動(dòng)生產(chǎn)率。企業(yè)進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)成功的概率Pk,i,t定義如下：

其中：β為企業(yè)利潤(rùn)對(duì)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(dāng)企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新成功時(shí)，企業(yè)對(duì)其他部門的直接消耗系數(shù)和自身的勞動(dòng)生產(chǎn)率將受到服從正態(tài)分布的隨機(jī)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(gè)部分，即中間消費(fèi)、最終國(guó)內(nèi)消費(fèi)和凈國(guó)外消費(fèi)，如公式（14）所示：

其中：Yj,t為t時(shí)期j部門的產(chǎn)出；Ij,t為t時(shí)期j部門的中間消費(fèi)；Cj,t為t時(shí)期j部門的最終國(guó)內(nèi)消費(fèi)；Xj,t為t時(shí)期j部門的出口量；Mj,t為t時(shí)期j部門的進(jìn)口量。因此，Xj,t-Mj,t代表t時(shí)期j部門的凈出口量。

j部門的中間消費(fèi)由k∈[)1,...,J部門的所有企業(yè)對(duì)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(duì)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(chǎng)份額，市場(chǎng)份額將受企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的影響。公式（16）實(shí)現(xiàn)了從微觀企業(yè)創(chuàng)新所引發(fā)的中間需求變動(dòng)到宏觀部門直接消耗系數(shù)的變動(dòng)，反映從微觀到宏觀的演化過(guò)程。

基于直接消耗系數(shù)，可以將中間消費(fèi)表示如下：

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

其中：υc、υx分別為最終消費(fèi)水平和出口水平的初始增長(zhǎng)率；δc、δx分別為最終消費(fèi)和出口水平增長(zhǎng)率的年變化率。同時(shí)，假設(shè)進(jìn)口水平與國(guó)內(nèi)中間消費(fèi)和最終消費(fèi)成正比，即

其中：mj為j部門進(jìn)口占國(guó)內(nèi)中間消費(fèi)與最終消費(fèi)的比例。

因此，將公式（15）、公式（20）代入公式（14），得到：

由計(jì)算結(jié)果可以看到，部門產(chǎn)出的變動(dòng)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(jìn)步將影響到宏觀部門產(chǎn)出的變動(dòng)。

2.2 能源—碳排放模塊建模

能源—碳排放模塊建模的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)未來(lái)能源消費(fèi)量、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和碳排放趨勢(shì)的估算，同樣也采用自下向上的基于自主體模擬進(jìn)行建模。在能源—碳排放模塊，企業(yè)的研發(fā)活動(dòng)也在2 個(gè)方面影響企業(yè)的能源和碳排放，一是影響企業(yè)能源強(qiáng)度的變化，二是對(duì)企業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

企業(yè)的能源消費(fèi)總量Enk,i,t由企業(yè)的總產(chǎn)出Yk,i,t及其當(dāng)期的能源消費(fèi)強(qiáng)度ζk,i,t所決定：

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

企業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)受企業(yè)創(chuàng)新活動(dòng)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(fèi)結(jié)構(gòu)，該能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)由煤、石油、天然氣、電力4種能源消費(fèi)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(fèi)比重。在系統(tǒng)演化中，由于企業(yè)創(chuàng)新活動(dòng)成敗概率不同，企業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)演化也將呈現(xiàn)差異。當(dāng)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(jìn)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(fèi)總量和企業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)加總得到部門的各種能源消費(fèi)量：

進(jìn)而得到部門的能源消費(fèi)總量Enk,t及其各種能源消費(fèi)比重Hk,t，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)Sk,t如下：

碳排放在部門層面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由部門各種能源的消費(fèi)量及各種能源的碳排放系數(shù)計(jì)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(yǔ)

本研究提出構(gòu)建京津冀能源消費(fèi)和碳排放預(yù)測(cè)模型的總體構(gòu)建思路，基于經(jīng)濟(jì)—能源—碳排放的系統(tǒng)動(dòng)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(gè)包含經(jīng)濟(jì)、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(lái)將根據(jù)這些不足對(duì)本模型進(jìn)行不斷改進(jìn)和擴(kuò)展，以更好地估算地區(qū)的產(chǎn)出、能源消費(fèi)量和碳排放量，評(píng)估地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)、能源消費(fèi)趨勢(shì)和碳排放趨勢(shì)，并為京津冀實(shí)現(xiàn)碳減排和低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供依據(jù)和參考。