基于Lasso-SVR的湖北省碳達峰發展趨勢研究

摘要：黨的二十大報告提出“協同推進降碳、減污、擴綠、增長”。出于為湖北省實現碳達峰目標、探索碳達峰路徑提供選擇和建議的考慮，研究獲取了湖北省2000～2019年第二產業GDP、單位GDP能耗、每年新增森林面積、能源消費總量等12個方面的數據，分析了碳排放量相關指標，使用Lasso回歸模型篩選出第二產業GDP、單位GDP能耗、能源消費總量等7個碳排放量主要影響因素；因數據有小樣本特點，建立了SVR湖北省碳排放量預測模型，并進行訓練；綜合考慮政策要求和Lasso回歸結果，設計路徑并對湖北省2024～2030年碳排放量及碳達峰時間進行預測。結果表明，在依據現有發展路徑和單因素指導改變路徑條件下，湖北省碳排放量將逐年增加且未見達峰；在綜合指導改變路徑條件下，湖北省碳排放量將逐年增加且在2029年達峰，之后下降。

關鍵詞：碳達峰；Lasso；模擬預測；SVR；發展趨勢

基金項目：國家自然科學基金青年項目

（52004021）；河北省重點研發計劃項目（22373706D）

引言

我國的“雙碳”目標為2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。PARK J等[1]結合聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告，利用GIS在空間上表示最脆弱的地區，利用RBF核算法對碳排放的空間趨勢進行預測，利用BPNN定量確定電力、城市燃氣、生活垃圾和車輛4個數據源中哪個因素的影響最大，并采用熱點分析方法對研究區碳排放高值聚集的區域進行了評估。趙先超等[2]結合空間統計、空間自相關、熱點分析、地理加權回歸、GIS等方法研究了湖南省縣域碳排放的空間差異、時空格局特征與影響因素。趙金輝等[3]利用Lasso-BP碳排放神經網絡模型，通過數據分析及路徑設計，探索未來10年河南省碳達峰的最優路徑。任偉等[4]綜合2005～2019年河北省11個地級市的面板數據，利用可拓展的STIRPA環境影響評估模型，對河北省碳達峰時間和峰值進行情景預測，得出河北省碳排放量在強約束情景下會于2025年左右出現峰值。趙雄飛等[5]綜合我國1978～2016 年的數據，利用基于LSTM的CO2排放量預測模型，通過組合科技進步、產業結構及能源結構來設定情景預測碳排放降幅，得出科技進步、產業結構和能源結構因素的變動能夠大幅影響CO2 排放，3種因素不同組合的減排效果存在差異，且3種因素疊加并不優于2種或1種因素帶來的減排效果。滕飛等[6]以華中地區為研究對象，通過IPCC指南排放系數法測算華中3省2000～2019年碳排放量，并對STIRPAT模型進行拓展，運用嶺回歸分析的方法探究碳排放影響因素，再結合情景分析法對華中3省自2020年起的后續20年中碳達峰年份及碳排放峰值進行預測，得出湖北省經產業升級最早可于2027年實現碳達峰；湖南省最早可于2011年實現碳達峰，但在2040年后仍有再次達峰的可能性；河南省在多種因素共同作用下，最早可于2030年實現碳達峰的結論。

湖北省作為我國中部大省，綜合經濟實力居全國中上，人均GDP高于全國平均水平，未來幾年，湖北省能源消費總量及碳排放總量仍將持續增長，預計年均增幅在3%上下[7]。因此，計算湖北省碳排放量的主要影響因素，并根據以往數據進行模型模擬，通過路徑設計、演算得出較好的碳達峰路徑，對于湖北省早日達成“雙碳”目標是有益且有參考性的。本研究依據事實情況與《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求，進行碳達峰趨勢預測，為湖北省早日實現“雙碳”目標提供參考。

1 模型與方法

在已有文獻基礎上，本研究選取了湖北省2000～2019年單位GDP能耗、每年新增森林面積等12個自變量因素作為湖北省碳排放量的原始數據，構建Lasso回歸模型篩選碳排放量主要影響因素，并獲得結果。結合主要影響因素與實際要求，構建SVR支持向量回歸模型，進行模型訓練，設計路徑并得到碳排放量預測模型。

1.1 Lasso回歸模型

Lasso回歸模型原理如下。

設x為自變量，y為因變量，m次取樣得到觀測數據的標準化值為（x，y），其中x為m×k矩陣（m＞k），y為m×1矩陣，x的第i個觀測值為xi=（xi1，xi2，…，xik）T，i∈[1，2，…，m] 且各觀測值相互獨立，yi=（y1，y2，…，yk）T。y對x的回歸模型表示為式（1）。

式中 —；—等于，標準化的數據中。

式（1）整理后可得式（2）。

式中 —；—n維參數向量；—隨機擾動項。

若要篩選出影響顯著的變量，則需要給式（2）加上1個約束條件，表達如式（3）所示。

式中 —等于，取值范圍為[0，1]；—1個調和參數，≥0。

Lasso回歸是通過不斷調整值，降低模型整體回歸系數，不斷壓縮不顯著變量的系數，直至為0。

1.2 SVR模型

支持向量回歸（Support Vector Reg ression，

SVR）是支持向量機（Support Vector Machine，

SVM）在回歸范疇上的推廣，也是一個重要的應用分支。將通過Lasso回歸篩選出的重要因素用于SVR模型訓練，相對于直接進行SVR模型訓練，能得到具有更強相關性的機器學習模型。

現假設m維兩類線性可分的情況，設超平面H的方程為式（4）。

式中 —法向量；—位移項；—空間中的任意點。

向SVR輸入訓練樣本集，在特征空間內屬于線性不可分狀態時，構建一個寬度為2ε的間隔帶，添加松弛因子，以適當解決噪聲問題，可得式（5）。

式中 —上邊界松弛程度；—下邊界松弛程度；C—大于0的懲罰參數（C值越大，對分類的懲罰越大）。

當SVM需要解決非線性可分的問題時，需要引入核函數，將特征進行從低維到高維的轉化，但巧妙的仍在低維上進行計算，對于已建SVR模型采用高斯核函數，如式（6）所示。

2數據處理與模型構建

2.1 數據處理

本研究采用Lasso回歸模型進行數據處理及特征選取，從材料中選取12個因素的初始數據，分別為地區生產總值（億元）、第二產業GDP、第二產業GDP比重、單位GDP能耗、造林面積、木材采伐量、每年新增森林面積、能源消費總量、私人汽車擁有量、人口總數、工業總產值（當年價）、全社會從業人員。由于能源消耗量較高的第二產業（加工制造產業）對CO2排放有著明顯促進作用，低碳的第三產業發展則可減少CO2排放，而第一產業（農、林、牧、漁業）對CO2排放沒有顯著影響[8]，因此在參數選擇中只選了第二產業及其相關因素。以上述所列12個因素數據為自變量，碳排放量為因變量進行Lasso回歸分析，參數K值取0.01，得到第二產業GDP、第二產業GDP比重、單位GDP能耗、每年新增森林面積、能源消費總量、全社會從業人員、人口總數7個較關鍵參數變量，將這7個變量識別為影響湖北省碳排放量的7大關鍵影響因素，得到Lasso模型R2為0.9849，即數據中這7個因素關系到碳排放量98.49%的變化，詳見表1。

2.2 SVR支持向量回歸預測模型構建

由于數據具有小樣本特點，考慮到SVR更適合小樣本，因此選取 2000～2019 年單位GDP能耗、第二產業GDP、第二產業GDP比重、能源消費總量、每年新增森林面積、全社會從業人員、人口總數共7個因素的數據為SVR支持向量回歸模型輸入特征值，碳排放量為輸出值，構建SVR支持向量回歸模型學習樣本，采用網格搜索，遍歷參數返回最優模型，c參數為10、50或5，epsilon參數范圍為0.01～0.1，核函數為rbf，進行訓練。SVR模型對測試數據進行預測，得到R2為0.9982（見圖1）。結果表明，該SVR模型對碳排放量預測有較好的擬合度。

2.3 湖北省碳達峰路徑設計

碳達峰目標需要各方面因素共同作用來達成，根據上述7個重要影響因素，結合當下發展策略，主要考慮單位GDP能耗下降需求和第二產業GDP比重的下降，并在新增植樹思路指導下，進行預測路徑設計，用訓練的SVR模型進行預測。

2.3.1 不改變發展路徑

保持之前的發展趨勢不變，不考慮《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求可能會導致的變化，對湖北省2023～2030年的碳排放量進行預測。

2.3.2 指導改變路徑1

結合現實因素與《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求，降低第二產業GDP比重，將第二產業GDP比重下降率分別設置為0.86%、1.36%，其它因素維持不變，路徑的發展水平不變。

2.3.3 指導改變路徑2

結合現實因素與《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求，降低生產生活領域能耗，將單位GDP能耗下降率分別設置為0.83%、1.33%，其它因素維持不變，路徑的發展水平不變。

2.3.4 指導改變路徑3

在綜合指導改變路徑1和指導改變路徑2的基礎上，結合現實因素與《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求，植樹造林，將每年新增森林面積增長率分別設置為2.5%、3.0%，其它因素維持不變，路徑的發展水平不變。

上述各路徑的參數設計如表2所示。

3 結果與分析

3.1 結果

訓練的SVR模型進行上述路徑預測，得到湖北省2024～2030年的碳排放量數據，如表3、圖2所示。

3.2 分析

根據SVR回歸模型預測結果分析如下。

①在不改變發展路徑的條件下，碳排放量從2024年至2030年持續增長，未見達峰趨勢；此區間內，2030年碳排放量最高，達到311.434t。②在接受《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求的條件下，增加第二產業GDP比重下降率，碳排放量從2024年至2030年持續增長，未見達峰趨勢。③在接受《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求的條件下，增加單位GDP能耗下降率，碳排放量從2024年至2030年持續增長，未見達峰趨勢。④在接受《湖北省第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》發展要求，并綜合指導改變路徑1、2的基礎上，增加每年新增森林面積增長率，可得湖北省在2024年至2030年區間內，于2029年完成碳達峰，峰值為309.781t，較不改變發展路徑減少1.627t。

由結果可知，綜合多方數據并重點考慮單位GDP能耗下降率、第二產業GDP比重下降率、每年新增森林面積增長率3個因素，運用合理、科學、有效的措施可精準促進碳達峰進程。

目前，湖北省的發展情況主要表現在2個方面，即①經濟產業方面的高速發展帶來碳排放；②森林面積的增加不益于短期經濟發展，但有益于碳達峰。雖然情況矛盾，但發展可以解決發展帶來的問題，因此通過發展趨勢預測來調整當前行為是有用且有益的。

根據路徑發展預測結果，湖北省為早日實現碳達峰可考慮從3個方面著手，即①投入研發力量，提高能源利用率，優化產業結構；②在發展的基礎上，順應經濟轉型升級，發展擴大第三產業；③綠色發展，增加森林植被覆蓋面積。

4 討論與建議

為助力湖北省實現碳達峰目標，根據實際情況并綜合考慮路徑發展預測結果分析，結合碳排放的產出、轉化2個方面，提出以下4點建議。

①持續優化產業結構，深入推進綠色發展。目前湖北省規模以上工業增加值增速始終高于全國平均水平，快速發展既帶來機遇又帶來矛盾，從減碳途徑來看，湖北省應將高速發展轉型為高質量發展，助力傳統企業綠色化轉型，扶持第三產業發展，投入研發推動產業結構升級轉型。

②構建清潔低碳、安全高效的能源體系，實施技改提能工程，強化技術裝備支撐，為社會能源結構調整提供堅實的新能源供給后盾，推廣新能源至建材、汽車、電力、船舶動力等產業方面，加強供應鏈上下游間的協調與協作，打造綠色生產供應鏈。

③推動產業升級優化，建立生態環境保護屏障，堅持山水林田湖草是生命共同體理念。湖北省長江經濟帶在帶來快速發展的同時，也遺留下許多環境問題，因此長江經濟帶發展應共抓大保護、不搞大開發。湖北省“十四五”規劃中提到，深入推進沿江化工企業“關改搬轉治綠”，建立健全“污染者付費+

第三方治理”等機制，落實生態環境損害賠償制度，健全污染防治區域聯動機制，推進碳排放權市場化交易。

④綠水青山就是金山銀山，增加林業植被覆蓋率，推動退耕還林還草高質量發展，實現人與自然和諧共存，引導和鼓勵運營綠色旅游，打造生態景區。營造低碳氛圍，共建和諧家園，為實現碳達峰提供積極有益的生態保障。

結語

結合實際情況并考慮湖北省碳達峰預期完成結果，通過能源消費總量、單位GDP能耗、第二產業GDP、第二產業GDP比重、每年新增森林面積等因素對湖北省未來碳排放量進行預測；通過SVR支持向量回歸模型做模擬擬合，設計路徑情景預測，為湖北省探索碳達峰提供路徑建議。

參考文獻

[1] PARK J，YANG B.GIS-Enabled Digital Twin System for Sustainable Evaluation of Carbon Emissions：A Case Study of Jeonju City，South Korea[J].Sustainability，2020，12（21）：9186.

[2]趙先超，彭競霄，胡藝覺，等.基于夜間燈光數據的湖南省縣域碳排放時空格局及影響因素研究[J].生態科學，2022，41（01）：91-99.

[3]趙金輝，李景順，王潘樂，等.基于Lasso-BP神經網絡模型的河南省碳達峰路徑研究[J].環境工程，2022，40（12）：151-156，164.

[4]任偉，楊嘉寧，郭曉夢.基于STIRPAT模型的河北省碳達峰情景預測研究[J].華北理工大學學報（社會科學版），2023，23（04）：34-41.

[5]趙雄飛，李遠利.基于LSTM模型的中國CO2排放量預測影響因素分析[J].中國市場，2021（22）：15-16.

[6]滕飛，谷馨雨，平冰宇，等.華中三省碳排放影響因素與碳達峰預測研究[J].通化師范學院學報，2023，44（06）：27-38.

[7]杜奇跡，趙璐，范黎，等.湖北省能源消費與碳排放現況及發展趨勢研究[J].工業安全與環保，2023，49（10）：97-102.

[8]志學紅，趙美芳.中國經濟增長對二氧化碳排放量影響的實證研究[J].環境與可持續發展，2018，43（06）：129-134.

作者簡介

馬斌（1979—），男，漢族，河南封丘人，副教授，博士，研究方向為系統工程、數據可視化。

通信作者

周婧雯（2000—），女，漢族，河南信陽人，碩士研究生在讀，主要研究方向為系統工程及可持續發展。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-02-29