碳排放驅動因素分解及碳排放達峰情景分析
——以河南省為例

蘭延文 郭麗君 李森

（1 駐馬店市生態環境監控中心 河南駐馬店 463000 2 駐馬店市生態環境局 河南駐馬店 463000 3 河南省駐馬店生態環境監測中心 河南駐馬店 463000）

隨著工業的發展，以CO2為主的溫室氣體排放逐漸增加，實現低碳經濟已經刻不容緩［1］。根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次研究報告，只有實現最大力度的減排情景才能夠減緩全球變暖趨勢［2］。作為全球第一大能源消費國和CO2排放國，中國政府高度重視氣候變化問題，并于2015 年向全世界公開承諾將于2030 年碳達峰［3］。為順利實現中國CO2排放在2030 年左右達到峰值并爭取盡早達峰，《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》明確提出要推動部分區域率先達峰，支持優化開發區域在2020 年前率先實現碳排放達峰［4］。作為中國碳消費大省的河南省，其CO2減排與達峰規劃直接影響全國達峰進度。針對河南省排放清單對碳排放貢獻度進行有效評估和未來碳排放預測，了解未來碳減排潛力，在保證經濟快速增長的前提下，走出一條集約、智能、低碳、綠色的新型發展道路，對于中原地區和國家層面的碳達峰戰略規劃提供重要支撐，具有重要的研究意義。

1 研究方法綜述

目前，關于碳排放的研究受到越來越多的關注。張立等［5］從碳達峰的定義及判斷標準入手，提出了一套適用于中國城市碳達峰的評估體系。林伯強等［6］計算了北京市能源燃燒相關的CO2排放，并對碳減排提出了相應的政策建議。高樹彬［7］集成遺傳算法、粒子群算法等多種智能算法對中國重工業碳排放達峰路徑進行研究。謝嬌艷［8］利用LEAP 模型對重慶市公共建筑碳排放達峰及節能減排措施進行了探討。吳唯等［9］以浙江省為例，研究了基于LEAP 模型的區域低碳發展路徑。劉彥迪［10］研究了2030 年中國區域性碳達峰進行了預測，對相關影響因素進行了分析。楊楠等［11］利用LEAP 模型研究了唐山市鋼鐵行業的碳排放量及達峰預測。王乃舉等［12］研究了蘭州市工業能源碳排放強度及效應，運用容量耦合拓展模型對環境系統耦合度進行評價，并利用LDMI 模型對碳排放效應進行多維度分解。孫貴艷等［13］采用LDMI 模型對重慶市碳排放因素進行分解，并對碳排放驅動力進行了分析。林秀群等［14］將云南省碳排放分為生產和生活兩個部門，并對各部門下各因素碳排放總量和貢獻率進行了分析。針對河南省碳排放情況，部分學者也進行了廣泛的研究。鐘章奇等［15］通過耦合投入產出分析方法和結構分解模型，探討2002—2010 年區域碳排放轉移的演變特征、驅動因素及其地理源特征。田露露［16］利用LEAP 模型對河南省工業能源消費及碳排放進行預測。

綜合來看，以往文獻針對碳排放計算和驅動力分析多數僅考慮煤炭、石油、天然氣三類化石能源，對具體的排放清單和所造成的碳排放缺少細致考察；利用所設定的影響因素構成固定組合情景對碳排放，主觀性較強且不能夠動態的適應未來政策性調整、突發狀況對未來碳排放所造成的影響。鑒于此，本文首先利用修正的和LMDI 分解模型，對河南省2010—2018 年終端消費行業能源消費強度、GDP 增長、人口增長、產業結構、能源結構五個因素的碳排放驅動力進行分析；分別利用情景分析法和蒙特卡洛模擬法對未來河南省碳排放趨勢和概率空間進行預測，從靜態和動態兩個層面來衡量未來河南省碳排放減排潛力；結合碳排放驅動力和碳排放預測，系統地對河南省未來碳減排和達峰提出合理化建議。

2 碳排放核算、因素分解及達峰預測

對河南省碳排放核算及碳排放影響因素分析所需數據主要來源于《河南省能源統計年鑒》（2010—2018），選擇終端消費中的7 部門和包含一次能源及電力在內的17 種能源。河南省碳排放核算中對于各種能源的碳排放系數、折算標準煤系數均參考《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》。對河南省碳排放達峰預測主要參考河南省政府工作報告、河南省“十三五”規劃、河南省政府發展報告及部門調研數據。

2.1 河南省碳排放核算及排放因素分解

根據《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》推薦的碳排放量核算模型，碳排放量可先由能源消耗量折算標準煤總量，然后乘以各種能源的碳排放系數，得到相應的碳排放估算結構，其計算公式表示為公式（1）。

式中：C 表示碳排放總量，億t；Bi表示第i 種能源的折算標準煤系數；Pi表示第i 種能源的碳排放系數；Ei表示第i 種能源的消耗總量。

根據已有的碳排放影響因素預測成果，基于Kaya 模型將河南省碳排放影響因素分為人口規模、經濟規模、產業結構、能源結構、能源強度、碳排放因子六個因素，擴展模型公式可以表示為公式（2）。

式中：i 表示行業序號；j 表示排放清單中的能源序號；Ci，j表示第i 行業中消耗j 能源所排放的二氧化碳量；Ei，j表示第i 產業中第j 能源所消耗的總量；Ei表示第i 行業中所有能源消耗總量；GDPi表示第i 行業的國民生產總值；GDP 表示當年所有行業的國民生產總值；POP 表示當年的人口總和；Bi，j表示i 產業第j 種能源的排放因子；ei，j表示i 產業的能源結構；qi表示i 產業的能源強度；gi表示i 產業的產業結構；pa 表示人均GDP；p表示總人口。

將河南省2010 年作為基準年0，設定其碳排放量為基準排放量，用t 表示目標年份，將河南省碳排放總量分解為人口規模、經濟規模、產業結構、能源結構、能源強度等五個因素，表示為公式（3）。

進一步得到每一項因素對0-t 年碳排放量的影響，上述五個因素效應分別可以表示為公式（4）～（8）。

2.2 利用情景分析法的靜態碳排放達峰預測

為預測中國2020—2035 年間CO2排放量的變化量，根據經濟發展速度、能源需求強度以及能源政策實施的有效性，對各解釋變量的年均變化率設定了基準情景、低碳情景、技術緩慢情景三個靜態情景。采用2018 年作為基年，設定三種情景，以2035 年為目標年，并將2020-2035 年按每五年一個階段分成三個考察周期，以揭示經濟增長和發展的基本因素［17］。

結合未來河南省政府工作計劃及相關研究報告，未來階段能源結構將進行較大幅度調整，因此預測部分選擇GDP 增速、能源強度增速、能源結構變化率三個預測數據作為未來河南省碳排放的預測基礎數據源，并假設預測階段產業結構未發生較大變革，回顧Kaya 不等式，目標年份碳排放量可根據公式（9）計算。

式中：t 表示目標年份，feijt-1表示t-1 年到t 年里i 產業中能源j的能源結構年增長率；fqit-1表示能源強度年增長率；表示GDP 的年增長率。

據河南省2018 年、2019 年政府工作報告，2018 全年生產總值48 055.86 億元，比上年增長7.6%，2019 年全省生產總值突破5 萬億元，比上年增長7%以上。河南省“十三五”規劃中指出，生產總值年均增速高于全國平均水平1 個百分點以上。因此，本文根據以上資料預測結果，并結合對于2020—2035年期間的GDP 增速根據各大預測機構對中國經濟預測，以“十三五”期間GDP 年均增速為主要基礎，根據2019 年增速和“十四五”預期進行必要調整，從國家層面對河南省相關的數據估計進行預測，具體情景參數設計見表1。

表1 靜態情景參數設置

三種情景的內涵如下：

（1）基準情景，河南省繼續按照當前階段的政策力度，部署相應的低碳工作。2020—2035 年期間，河南省能源強度持續降低，能源結構發生較大調整，煤炭能源占比繼續降低，石油、天然氣、清潔能源比例繼續提高，國民生產總值增速保持穩定。

（2）技術發展滯后情景，河南省繼續保持以煤炭為主要能源，能源結構調整幅度不大，清潔能源、天然氣的能源消費占比增長緩慢，政府的工作重心主要在短期的經濟高速發展上，低碳工作未全面開展。

（3）在低碳情景下，河南省政府加大碳減排力度，全面開展低碳節能環保工作，能源強度持續降低，能源結構大幅度調整，煤炭資源消費占比明顯降低，天然氣、清潔能源資源消費占比迅速提升，全省經濟發展穩步增長。

2.3 基于蒙特卡洛動態模擬的碳排放預測

我們利用相關資料預測形成了三個靜態場景對未來河南省碳排放量進行了估算和預測，并得到了不同場景下的達峰時間。但是靜態情景設計具有較強的主觀性，且情景組合情況較小，不能夠有效、客觀地反映出未來發展的各種情況。因此，本小節采用蒙特卡洛模擬對未來河南省碳排放量和達峰情況進行動態預測和分析。

蒙特卡洛模擬是通過設定基準變量的概率分布，并進行隨機取值和變量隨機組合，然后按照變量之間的關系進行運算，從而得到目標變量分布的一種方法。蒙特卡洛模擬能夠根據相關因素的經驗演變情況，兼顧變量取值的不確定性影響，從而對其未來目標變量取值、變化提供科學精準預測。本文中設定各因素的增長率/變化率為基準變量，根據蒙特卡洛模擬的基本原理，結合相應文件、資料設定基準變量取值空間和概率空間，對未來目標取值和概率分布進行預測。

本文的情景設定思路兼顧了中國經濟發展中的五年規劃周期性調整特征和蒙特卡洛模擬對變量數據的基本要求，既能夠體現現有相關文獻中常見的基于歷史變化趨勢和相關預測資料進行預測的靜態演變邏輯，又能充分考慮各種因素的不確定發展情況，使情景設定更加精細和全面。

根據上文相關資料、歷史統計數據、以及設定的三個情景，并參考文獻［18］中的設定，假設5 種碳排放影響因素在2030 年的增長率是選定基期的N 倍，假設N 的取值離散，確定其離散取值及概率。以近5 年的年均經濟增長率7.9%、年均能源強度增長率-6.3%、年均能源結構調整率（煤炭-2.3%，石油3.6%，天然氣3.4%，清潔能源109%）作為基準，可以直接計算未來各年的碳排放增長率。相應的參數見表2。

表2 蒙特卡洛動態情景參數設置

根據表2 參數設置，并依照公式（9）可以計算出三個因素可用取值空間下未來碳排放量和相應的概率分布。

3 結果分析及討論

3.1 碳排放及驅動力分析

利用公式（1）可對7 大部門各種能源的碳排放量進行核算，如圖1 所示。

圖1 2010—2018 年河南省碳排放量核算

從圖1 中可以發現，2010—2018 年間，河南省碳排放整體呈波動下降趨勢；對比第一產業、第二產業、第三產業的碳排放量和變化趨勢發現，第二產業碳排放量占總碳排放量的80%左右，且其碳排放量趨勢與碳排放總量趨勢一致；通過對比三種產業碳排放量，發現近十年河南省碳排放量主要是由第二產業排放造成。

根據公式（2）～（8），可以計算出各個影響因素的碳排放年變化量以及該變化所產生的貢獻值。從圖2 可以發現碳排放量總體呈緩慢下降趨勢，其中能源強度、產業結構對碳排放增長的影響為反向抑制關系。經濟效應對碳排放量增長呈正向促進關系，而這期間能源結構、人口增長兩個因素的變化對碳排放量的影響較小。同時，通過測算能源結構、能源強度、產業結構、經濟增長、人口增長五大因素碳排放變化，可以得到這五大因素在碳排放增長總量的貢獻率分別為-1.87%，-120.95%，-2.13%，24.99%，-0.04%。據此可以看出，河南省在能源強度方面大大促進了碳排放量的減排工作。

圖2 碳排放累計變化量

3.2 碳排放情景分析

按照三種情景設定，我們可以依據公式（9）計算出相應的歷年碳排放總量，計算結果如圖3 所示。

圖3 河南省2019-2035 年二氧化碳排放量變化

從圖3 我們可以看出：低碳情景下，碳排放量將持續降低，至2035 年，碳排放總量將達到1.5 億t，并保持下降趨勢。在基準場景下，河南省碳排放量在2020—2030 年將持續緩慢提高，至2030 年碳排放總量將達到峰值，為1.97 億t，然后在2030—2035 年將緩慢下降至1.95 億t，趨于穩定。在技術緩慢場景，河南省碳排放量將繼續保持較高增速上升，至2035 年，河南省碳排放總量將達到3.4 億t。

利用甲骨文公司Oracle Crystal Ball 軟件，按照表3 動態仿真參數設計運行300 萬次蒙特卡洛數值模擬，然后利用碳排放量計算公式得到未來預測的碳排放量概率分布。圖4 分別給出了2020—2035 年之間每隔5 年的碳排放量預測結構及其概率分布。在仿真中，我們設置置信空間為90%，可以觀察到以下結果：2025 年二氧化碳排放量有較大可能處于1.583 6億t 和1.7632 億t 之間，該指標較2018 年的1.704 億t 略有上升可能。在2030 年，河南省二氧化碳排放量將有較大可能處于1.6810 億t 和1.946 4 億t 之間，該指標在2035 年將達到1.736 4 億t 和2.329 3 億t 之間。四次預測當中，在概率最大處的碳排放量預測值均隨時間處于趨勢，通過觀察歷年預測的碳排放量變化可知，在2020—2030 年，河南省在保持近些年發展和能源強度下降趨勢的前提下，加強能源結構調整可以有效的遏制碳排放量快速上升的趨勢。該結論與通過靜態情景分析法得到的結論接近，即保持現有力度前提下河南省碳排放量基本維持當前水平或緩慢上升，但是由于未來發展未知因素的存在和中國經濟、能源強度調整力度等隨著時間推進逐漸放緩的趨勢，想要實現碳達峰仍面臨相當大的挑戰。

圖4 河南省2020—2035 年碳排放量預測結果

表3 各階段碳排放影響因素驅動力

3.3 政策及建議

（1）明確達峰期限和定量化的達峰峰值目標。在省級層面制定全省達峰任務和達峰目標，進而根據省內各個城市、各個行業的類型、功能、定位的差異進行任務分解，并結合各地區、行業的特點、碳排放結構的差異性，結合當地情況制定指導性文件，確定階段性排放目標以及部門排放目標。各地區各行業各部門要根據指導性文件將精細化的碳排放任務和控制計劃落實到具體行動上。

（2）能源結構調整與環境協同治理齊頭并進。由于碳排放涉及行業領域廣泛，影響因素錯綜復雜，因此必須將碳排放管理與能源結構調整、環境治理、產業結構調整等協同推進。未來河南省要繼續促進清潔能源的比例，持續推進煤改電、鍋爐改造、交通運輸方式變革等方面的工作，改變對煤炭、石油作為主要能源依賴的現狀，促進風能、太陽能、核能等清潔能源消費占比。

（3）優化交通、運輸結構。交通運輸結構和方式往往對城市空氣質量造成重大影響。河南省要改變以陸運為主的交通運輸方式，大力推進鐵路運輸方式，減少貨運車輛的二氧化碳及其它污染物的排放。持續推進綠色交通出行方式，持續發展公共交通，加大新能源汽車的補貼力度，有計劃的發展公共自行車、電動車租賃服務，在改善城市交通系統和居民出行的同時減少交通方面的碳排放量。

（4）調整產業結構，大力發展第三產業。未來能源需求將持續加大，而通過能源強度的降低來實現碳達峰方式單一，且嚴重制約未來碳排放減排潛力，河南省要想盡早實現達峰目標必須持續加強達峰力度，不能僅僅通過降低能源強度，要對產業結構進行較大變革。由于能源結構尚未進行大的變革，現階段煤炭能源消費占比仍然處在較高水平，而天然氣和清潔能源占比仍然處在較低位，依靠能源強度下降來維持未來碳排放量減排空間將逐漸縮緊。因此，為了響應國家層面的碳達峰承諾，河南省要在減排政策力度持續加大的前提下，優化產業結構，降低碳排放量最大的第二產業的投入，大力發展第三產業。

4 結論

本文首先核算2010—2018 年河南省碳排放量，研究和分析了該階段河南省終端消費的碳排放驅動力。其次，利用靜態情景和動態的蒙特卡洛模擬從兩個維度探討了未來河南省碳排放量的減排潛力、碳達峰時間和碳達峰概率分布，以期對河南省的碳排放政策制定、減排規劃提供有效借鑒。研究結果表明，近十年河南省主要依靠能源強度的下降使得碳排放總量波動下降，能源強度在碳排放量下降中成為關鍵因素，而經濟增長對碳排放量的下降呈反向抑制作用；近十年三大產業的碳排放量相比，第二產業占總碳排放量比重約80%，成為碳排放增加的主要貢獻行業。