中国与全球温室气体排放情景分析模型(IPAC-Emission)

中国与全球温室气体排放情景分析模型(IPAC-Emission)
姜克隽，胡秀莲
能源研究所
摘要：人类社会要采取行动抑制全球气候变化，首先要研究人类社会经济发展与气候变化之间错综复杂的关系。

目前国际上已经有许多模型方法可以用来对温室气体减排对策进行分析评价，引进了称为“综合评价”的政策评价过程，开发了作为核心工具的跨多学科的大规模仿真模型。

这种模型称为“综合评价模型(IAM)” 。

我们在1993年以来开始在这个领域进行研究。

这个论文介绍了中国综合环境政策评价模型(IPAC) 中的一个子模型，既温室气体排放模型的机理，作为一系列论文中的基础篇。

这里重点介绍了这个模型的开发背景，基本原理与主要公式，同时就模型的利用进行了说明。

通过研究应用说明，这个模型在分析全球及我国长期能源与温室气体情景方面是一个合适的工具。

Abstract:
In order to response to possible climate change, it is necessary to study the relationship between social-economic development and climate change. There are many model approach applied to assess the GHG mitigation policies. The concept of “Integrated Assessment” was developed and the larde scale models were developed which is called “Integrated Assessment Model(IAM)”. Started from 1994, we have work on the development of IAM for China. This paper introduced a sub-model of Integrated Policy Assessment Model for China(IPAC)”. The submodel is GHG emission model in IPAC, named as IPAC-Emission. Mechanism of this model is described in this paper to be a start of series papers for the study. Background, basic methodology and major formulas were described here.
注释：国际合作项目
1.背景
气候变化是一个长期的和全球性的环境问题，涉及世界农业、渔业、水资源、能源、森林、人类健康和全球陆地生态系统，与世界各国经济和社会发展密切相关。

然而，气候变化问题的不确定性被认为是相当大的，几乎可以说，从温室气体排放到全球气候变化及其影响的各个环节中都存在着不确定性[1]。

人类社会要采取行动抑制全球气候变化，首先要研究人类社会经济发展与气候变化之间错综复杂的关系，其着眼点有两个：一个是讨论由于人类活动造成的全球气候变化而引起的一系列社会、经济和环境问题；另一个是讨论为防止、减缓或适应气候变化所采取的一系列对策措施及其对社会、经济和环境所造成的影响。

这就需要对未来一定时期内的社会发展进行预测与描述。

由于气候变化问题的复杂性，目前已经有许多模型方法可以用来对温室气体减排对策进行分析评价。

为了解决全球环境问题、特别是全球气候变化问题，必须综合从自然科学到社会人文科学广泛学科的科学见解，系统地阐明问题的基本结构和解决方法。

为此引进了称为“综合评价”的政策评价过程，开发了作为核心工具的跨多学科的大规模仿真模型。

这种模型称为“综合评价模型(IAM)”，用作密切联系科学和政策相互关系的共同平台。

现在仅以全球气候变化对策为对象的综合评价模型，全世界已开发了20多个[2][3][4]。

综合评价模型在下列四个领域对能源生产和消费，温室气体排放、循环、气候变化、生态、社会经济影响等等过程，进行一定程度的综合分析：
1)社会、经济系统：能源消费、生产、农林业、畜牧、城市活动、其他。

2)温室效应，气体在全球的循环系统：碳循环、大气化学反应。

3)气候系统：辐射对流、大气、海洋环流系统。

4)水文、生态系统：自然生态系统、人类生态系统、水文系统等。

另一方面联合国气候变化框架公约的签订，也离不开综合评价。

特别是框架公约的第二条，围绕“对气候系统不进行人为干涉的水准”的科学解释，对综合评价模型期望很大。

综合评价的研究目标为：
- 认识未来人类社会和自然系统的发展模式
- 寻找并评价政策制定中的主要问题
- 确定研究方向以加强对适合对策的认识
能源研究所（ERI）与日本国立环境研究所（NIES）从1994年开始就亚太地区温室气体排放综合评价模型（AIM）开始进行合作研究。

作为项目合作的主要内容之一，双方合作开发了为分析新的IPCC情景而设计的AIM全球温室气体排放情景分析模型。

中国温室气体排放情景分析模型（IPAC-E）就是在AIM全球温室气体排放情景分析模型的基础上经过改进得到的。

目前，我们已经利用IPAC-E模型对中国和全球的温室气体排放情景进行了研究[5][6]，这里将就这个模型的方法论和结构进行简略介绍，应用这个模型对中国和全球温室气体排放的基准情景和政策情景进行分析的过程和相应的结果将在后续的一些文章中介绍。

2. 模型方法论框架
IPAC-E模型的目标是对中国在全球环境下，未来各种长期温室气体排放趋势下可能采取的政策措施进行评价。

基于这个目标，模型被开发形成一个全球温室气体排放模型。

模型将全世界划分为九个主要区域：美国、西欧和加拿大，其他OECD国家、东欧地区、中国、中东国家、其他亚洲国家、非洲和南美洲。

模型分析的时间区间从1990年到2100年共110年，2050年以前每五年一个时间段，2050年以后，每25年为一个时间段。

IPAC-E模型分析、评价的温室气体包括了IPCC确认的主要温室气体和对温室效应产生影响的气体，同时考虑了京都议定书中所涉及的气体：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、氧化亚氮（N2O），氮氧化物（Nox），氢氟碳化物（HFC），全氟化碳（PHFC）和六氟化碳（SF6），同时也分析、评价了作为硫基气溶胶前驱的二氧化硫（SO2）的排放。

为使模型能够全面、系统的反映或分析、评价更多的未来可供选择的政策，比较全面和广泛的考虑了各种温室气体排放源，包括：能源活动排放源；土地利用排放源；工业过程排放源和垃圾排放源。

IPAC-E全球温室气体排放情景分析模型主要由三个子模型组成，它们分别是社会经济能源子模型。

；，技术经济能源子模型和农业与土地利用子模型。

IPAC-E模型是基于对这三个子模型在现有模型的基础之上进行扩展之后进行连接而成的。

其模型框架见图1。

图1， IPAC-E中国温室气体排放情景分析模型框架
o
社会经济能源子模型是在全球长期能源排放模型（Edmonse-Rilly-Barns模型，以下简称ERB）的基础上开发而成的。

ERB模型由美国橡树岭国家实验室于1982年开发完成，是评估全球长期CO2排放的一个引人注目的工具并被许多研究小组引用。

它是一个自顶向下型的社会经济能源排放模型[7]。

技术经济能源子模型则是采用了AIM终端能源排放模型的框架。

AIM终端能源排放模型是一个依据能源利用技术的市场参与成本来预测未来能源需求与温室气体排放的自底向上型模型。

它是由日本国立环境研究所与日本京都大学合作开发，后由亚太地区中国、印度、韩国、日本等几个国家的AIM模型项目组共同构造而成的[8][9][10]。

土地利用子模型是以美国太平洋西北国家实验室（PNNL）开发的Agriculture-Land-Use （AGLU）模型为原形构造而成的。

AGLU原为PNNL开发的最新版本的全球气候变化综合评价微型模型MiniCAM中的一个子模型。

主要用于对土地利用所引发的温室气体的排放和商业生物质能的供应能力进行计算。

在MiniCAM中，AGLU已经与ERB模型相连接，这为我们将其进行改造提供了便利条件[11]。

3．模型方法
3，1社会经济能源子模型
社会经济能源子模型是在ERB模型的基础上开发的，同时与AIM终端能源排放模型相连接。

社会经济能源子模型主要分析经济发展、人口变化、技术进步、资源开发等与能源需求之间的关系，以得到对未来能源供应与需求的描述。

这里主要对基于ERB而改进的模型进行介绍。

AIM终端能源排放模型可参阅相关文章。

ERB模型在1982年开发完成之后，到目前已经有许多研究小组利用它进行温室气体排放及对策分析，并形成了较为完善的文本资料，为其更广泛的被应用提供了良好条件。

ERB 是一个长期全球能源排放模型，它由四个模块组成：供应、需求、能源平衡和温室气体排放。

前两个模块决定模型所划分的9个地区中6种一次能源的需求与供应量；能源平衡模块用来计算世界每种能源市场的均衡（模型假定一次电力为非贸易能源）；温室气体排放模块是在前三个模块所得到的能源服务量的基础上计算温室气体的排放量。

模型计算、分析的温室气体包括CO2，N2O和CH4，计算的基础年份为1975年，计算年份为每15年一个步长直至2095年。

6种主要的一次能源分别为原煤，原油，天然气，核电，水电，新能源（太阳能、风能、地热和海洋能等）。

模型划分的9个地区为：美国，西欧与加拿大，日本、新西兰和澳大利亚，苏联与东欧，中国，中东，其他亚洲国家，非洲和拉丁美洲。

技术经济能源子模型采用部分均衡分析方法。

以终端能源设定市场产品，主要包括4种终端能源产品：固体燃料（煤炭）、液体燃料（石油制品）、气体燃料（天然气等）和电力。

能源供应与能源需求达到均衡。

模型包括能源供应模块和能源需求模块。

能源需求模块对全球9个地区计算上述4种能源的需求量。

能源需求量主要由人口、劳动生产率、技术进步率、终端能源社会效率进步率和能源价格5类外生或内生变量决定。

GNP由人口和劳动生产率计算得出，作为社会经济活动的基础指标和收入增长指标。

同时，在模型中根据能源价格与经济的相互关系对GNP进行修正，并应用GNP反馈弹性反映出这种相互关系。

模型对每个地区设定一个反馈弹性,这样可以根据不同地区的进出口特征反映出能源价格的变化对其GNP的影响。

外生设定的终端能源社会效率进步率参数是反应非技术进步导致的能源效率提高的指标，是年均能源效率的变化率，它与其他因素如能源价格和收入无关。

根据发达国家的历史发展经验，技术进步和其他非价格因素对生产部门的能源使用有重要影响。

模型中外生设定的终端能源效率进步率参数可以描述在考虑不同的技术进步前提下模型所设置的不同情景下的能源需求量和温室气体排放量及其变化趋势。

另一个影响能源需求的因素是价格。

需求模型的价格是根据上一时期的价格进行初始设置，之后根据均衡的结果得到相应目标期的价格。

模型中所设定的四种终端能源：液体燃料，气体燃料，固体燃料和电力，用于提供能
源服务。

对每一地区，模型划分出三个终端部门：居民与商业，工业和交通运输。

每个部门对能源服务的需求由提供这些服务的成本，收入水平和人口等参数决定，如式（1）和（2）所示：
对居民与商业，交通部门 （1） Fk BES P YLM ZLM k l t rpkl ryk t =×××,, 对工业部门 （2） Fk BES P YLM k l t rpkl ryk =××,,
式中：FK 为能源服务的需求量；BES 是基年能源服务量；P k,l,t 为部门l 在时间t 时由二次能源k 所提供的服务价格；rpkl 为价格弹性；YLM 为GDP 的增长指数；ryk 为收入弹性；ZLMt 为人口增长指数。

用于提供这些能源服务的二次能源的构成由各种能源所提供的能源服务的成本决定，它们遵从LOGIC 分配函数，见式（3）：
（3） (s a R a R i j k t i j k i j t rjk i j k rjk i j t ,,,,,,,,,,,/=∑)
式中：a i,j,k 是对二次能源i 的常量参数，r j,k 为Logic 分配（份额）参数。

模型中的每个地区的能源价格可以是不同的，它们以世界能源价格（由能源平衡模块计算）和各地区的能源税和关税为基础计算得到。

模型假定化石燃料是可贸易的而一次电力（水电、核电、太阳能发电等）是不可贸易的。

一次能源的价格计算如式（4）所示：
P P tf tr tx tx i j t i t i j t i t i j t i j t ,,,,,,,,,,,,()=++12 （4）
式中：Pi,t, tfl,i,j,t 是关税；tri,t 是运输费用；tx1,i,j,t 与tx2,i,j,t 分别为比例税与附加税。

能源需求模块主要有两个功能，一是计算对能源服务和能源的需求，二是对每个地区的能源流进行计算。

油和气转换为二次液体或气体燃料作为终端直接消费或用于发电，水电、核电和太阳能等新能源发电作为电力计算。

与上面类似，发电用能源的构成也是由各种能源发电的成本所决定，同样由煤和生物质能转换成合成油或合成气的构成也用相同的方法。

能源的供应分成两大类，可再生能源与常规能源。

化石能源的供应直接与资源的级别，生产成本（技术成本和环境成本），以及生产能力相关。

模型采用资源分级的方法可以分析不同级别的资源对未来能源供应的影响。

同时也可以引入非常规能源资源如油页岩油，甲烷水合物等资源丰富而成本很高的能源资源对未来能源供应产生影响。

核电在模型中采取与化石燃料相同的方法处理。

只要轻水堆还是核电的主要技术的话，核电的供应就由资源决定。

增值堆在模型中作为无限制的高成本能源资源使用。

能源供应成本中还考虑了国际运输费用和各种税收如关税和能源税。

能源供应和需求模块分别根据外生参数与能源价格确定能源需求量和供应量。

如果将各地区求总的世界总的分品种能源供应量能够与需求量吻合，那么全球能源系统就达到平
衡。

但是如果根据已有的能源价格不是常常能够达到这个平衡的，模型的能源平衡模块就是在一定准则下求得能源价格，以使得全球能源供应与需求实现在一个小范围约束下的平衡。

其方法是采用逐次测试，使供应与需求渐渐接近，最终得到一个使其平衡的能源价格向量。

在得到供需平衡的能源量之后，按照按照技术划分的各种温室气体如CO2、CH4和N2O 的排放系数，可计算出分能源品种的温室气体排放量。

不同能源种类的CO2的标准排放系数为： 液体燃料： 19.2TgC/EJ ， 气体燃料： 13.7TgC/EJ ， 固体燃料： 23.8TgC/EJ
模型中生物质能的使用设定为不排放温室气体。

3．2土地利用子模型
AGLU 是一个动态市场均衡模型。

模型中土地被划分成两种类型：已利用土地和未利用土地。

已利用土地包括五种用途：（1）粮食生产（2）畜牧业（3）林地（4）生物质能生产（5）城市用土地。

未利用土地包括八种类型：（1）湿地（2）冻土带（3）草地（4）寒带森林（5）温带森林（6）热带森林（7）沙漠（8）其他。

未利用土地可在未来供人类社会使用。

AGLU 模型利用对粮食、畜牧业、林产品的供需平衡来确定它们的市场均衡价格。

模型是非线性的。

模型的输出是土地资源用于粮食、畜牧、生物质能和林业的生产和消费的分配量，以及土地利用变化所引发的温室气体排放量。

下面介绍AGLU 模型的主要部分及其计算过程。

终端需求的确定。

对粮食、畜牧、林产品和传统生物质能的需求由人口、收入水平、商品价格决定，如式（5）所示：
（5） d i j t d i j j t d i j t rpijt j t Q A f y P N ,,,,,,,,,,()= 式中：A 是个常量；N j 是地区j 的人口；P dijt 是产品i 在地区j 和年份t 时的消费价格（指粮食、畜牧产品和林产品）；rpijt 为在地区j 和年份t 是产品i 的需求价格弹性。

式中：
i 为粮食、畜牧产品
（6） f y B y y C C j t d i i t i t d i d i ()/(,,,,,=2),+, i 为林产品、传统生物质能
f y y i t j t ryijt (),=
式中： ryijt 是对地区j 在年份t 产品i 的需求收入弹性；Yj 是在地区j 的人均收入；B di ,C di 为消费曲线控制参数。

对粮食的需求还包括畜牧业对粮食作为饲料的需求。

商业生物质能的需求由能源模型决定。

这是能源模型与土地利用模型的连接点。

短生长期产品的供应。

对于粮食、畜牧产品等在一年或几年之内收获的产品，其供应量取决于市场价格和利润率。

产品的利润率决定其土地使用面积。

产品I 的土地利用平均期望回报率可用式（7）表示：
（7） i j t s i j t i j t i j t R P q h ,,,,,,,,,=−
式中：q ij 是产品i 在地区j 的平均潜在生产率；h ij 是单位土地面积的生产成本。

平均潜在生产率取决于几个因素，包括生产产品i 的技术水平k ijt ，气候m jt ，CO 2的浓度CO 2jt ，以及化肥的施用量Z ijt :，如式（8）所示：
q （8） i j t s i j i j t j t j t i j t ,,,,,,,,,,,A K m CO Z =2
式中：A sij 为常量参数。

式中影响生产率的各个因素都用相对于基年的指数形式表示，基年为1.0。

但对畜牧业生产所考虑的因素进行了一些修正。

其中考虑了畜牧产品的转换系数，以及畜牧产品中的养分由谷物饲料所提供的比例。

对于商业生物质能的生产，设定单位面积土地所产出的农产品的废弃物（秸秆）最大为V ；其初始成本为V min,j,t ；线性增至最大收获量的成本为V max,j,t 。

水产品的生产由下面关系给出（见式9）：
()t t t F F l Q =+−−11 （9）
式中：F t 为时期t 时水产品的存量；L 为水产品的增长率；Qt 为每年的产量。

林产品的供应。

林产品一般来讲需要较长时期才能收获。

所以在模型中设计了一种多期间段的计算方法。

每个期间段V ，对树木来讲，单位土地具有不同的成长率。

树木具有“S ”形状的的成长函数。

因此在每一个期间树木的供应量如式（10）所示：
q （10） i j t s i j i j t j t j t i j t v i j t ,,,,,,,,,,,,,,A K m CO Z g =2
式中：g v,i,j,t 是树木的生长因子。

土地的分配。

模型中将土地分为两种类型：已利用土地和未利用土地。

在未利用土地中的可利用土地以及在人类发展过程中“荒置不用”的土地可作为未来潜在可利用的土地资源。

在已利用土地中，用于人类居住和工业生产的土地与用于种植、畜牧业生产的土地具有类似的选择属性。

已利用的土地在人类居住和工业生产的土地与用于种植、畜牧业生产的土地之间进行分配。

模型中将它们考虑为一种层次关系，即人类居住和工业生产的土地需求首先得到满足。

对人类居住和工业生产用土地的需求计算如式（11）所示：
（11） ()[h j t j t j j t ryh j t j t j rh i L ,,,,,,,,/=N a Y N L ]
式中：L h,j,t 为在地区j 和期间t 用于人类居住和工业生产的土地；L j 是地区j 的土地总面积；ryh,j,t 是对土地需求的收入弹性；r h,j 为强度弹性。

在各种竞争性产品之间的土地分配采用Logic 方法。

地区j ，期间t ,用于生产产品i 的土地份额用式（12）计算：
（12） (s a R a R i j k t i j k i j t rjk i j k rjk i j t ,,,,,,,,,,,/=∑)))
式中：a i,j,k 是对产品i 的常量参数；r j,k 为Logic 分配参数。

土地在已利用土地和未利用土地之间的分配取决于土地的期望使用价格（地租）。

已利用土地（包括人类居住和工业生产用土地）的地租利用式（13）计算：
（13） R S R j t i i j k i j t rjk a rjk ,,,,,(1/)(=××
当地租上升，已利用土地的比例上升。

地区j 在期间t 时产品i 的产量利用式（14）计算：
Q s L L L q s i j k t i j k t j h j t u j t i j t ,,,,,,,,,,,,,(=−− （14）
式中：L u,j,t 为未利用土地。

林产品的产量取决于收获率。

收获率依次由期望利率INT 、林产品的价格、收获成本h i,j,t 、以及生长函数g j,t (V)决定。

在养殖林的生长期中都可进行收获，但当生长期V*满足下式时为最佳收获期，如式（15）所示：
（15） INT P g V P g V h s i j t j t s i j t j t i j t =−,,,,,,,,,,'(*)[(*)]1− 国际价格和贸易。

模型中所有的产品都可进行贸易（其中生物质能的贸易在能源模型中进行），对粮食、畜牧产品和林产品的国际市场达到均衡。

对每种产品都计算其国际价格。

地区价格或本地价格与国际价格的差别则通过产品税、关税、补贴以及运输费用表现出来。

地区消费者所付的价格用式（16）计算：
P P tf tr tx tx d i j t i t i j t i t i j t i j t ,,,,,,,,,,,,,,()=++112 （16）
式中：tf l,i,j,t 是关税；tr i,t 是运输费用；tx 1,i,j,t 与tx 2,i,j,t 分别为比例税与附加税。

4.模型的构造与参数
根据情景分析的需要，对上面所提到的几个模型进行了修改，组成了一个适用于长期情景分析的IPAC-E 全球温室气体情景分析框架模型。

主要的修改包括以下几个方面： 模型的分析期。

AIM 情景模型的时间段以1990年为基年，2100年为目标年。

2030年之前每5年为一个时间段，2030年之后为2050，2075与2100年三个时间段。

社会经济模型与技术经济模型的连接。

ERB模型是一个适宜于长期能源分析的自顶向下型模型，而AIM终端能源排放模型则是一个自底向上型的中短期模型。

考虑到自底向上型的中短期模型对近20到40年的能源预测具有相对的准确性，因此我们将这两个模型连接起来，使其对中短期预测更具有说服力。

这两个模型的连接方法是通过由自底向上型的中短期模型依据其基础收入增长、能源价格的变化来主导对能源服务的需求，然后由社会经济模型根据其不同情景下的收入增长和能源价格变化来进行修正，最终决定对能源服务量的需求。

自底向上型的中短期模型在2030年之前决定能源服务量的需求，之后的能源服务量的需求由社会经济模型决定。

能源利用技术与发电技术的发展对能源利用与发电效率的影响。

一般的社会经济能源模型在对能源发展进行预测时，采用设置能源利用效率改善率（AEEI）的方法。

这里则引进了一个能源供应与利用技术数据集，对目前与未来的技术进行描述，进而得到未来的技术进步率。

SO2与NOx的计算。

模型对SO2与NOx的计算引入了KUZNETS曲线[12][13]，利用人均GDP与污染物排放之间的关系确定SO2和Nox的排放量。

模型的主要参数包括人口、GDP、能源技术效率、社会能源使用效率、能源资源、能源生产成本等参数。

在模型用于情景分析时，这些参数主要来自于对情景的描述。

5.工业源排放与非商品生物质能的计算
由于排放分析中应包括所有的温室气体排放源，为此，我们也对工业源的排放与非商品生物质能的消费进行了分析。

由于对工业源的排放计算要对相应的工业产品的生产量进行预测，相对来讲，其不确定性更大。

通过对历史数据的分析，可以近似得到人均GDP与人均工业产品消费量之间一个与KUZNETZ曲线类似的关系。

图2给出了水泥的例子。

模型中就采用这种方法对工业源的工业产品排放和非商品生物质能进行了计算。

0.1
0.2
0.3
0.4
0.50.60.7
0.8
0.9
1
人均GDP
人均水泥消费量，吨图2 世界主要国家人均水泥消费量与人均GDP 之间的关系
6. IPAC －E 模型的应用
IPAC-E 排放分析模型包括了比较详细的能源过程、能源技术、土地利用和工业过程分析，同时考虑了气候变化研究中的区域和时间，这些特性使得该模型可以在以下几方面得到应用：
－中国和全球温室气体排放情景分析。

－能源系统发展情景分析。

－中国和全球温室气体减排对策分析与评价。

－技术发展对策评价。

－支持IAM 研究。

7．关于模型的讨论
目前建立模型的方法有很多，每一类模型都有其长处和短处。

这里就IPAC-E 全球温室气体排放情景分析模型的一些限制进行讨论。

社会经济能源模型首先是一个能源模型，它仅看重能源市场，非能源市场在模型中没有明显反映出来。

它们之间唯一的关系是用GNP 表现出来。

同时它是一个部分均衡模型而不是一个一般均衡模型，因此它无法考虑国际支付的平衡、全球资本的供应、利率、国际贸易、国际资本流向以及人口发展与经济发展之间的关系等因素。

对这些因素的表达是通过参数设置给出的。

而作为自底向上型的能源技术经济模型，同样也存在其自身的一些不足之处。

第一，现在与自顶向下型经济模型尚未直接联结，能源服务需求是由情景设定的，另外未考虑间。