碳排放驱动因素分解及碳排放达峰情景分析——以河南省为例

兰延文 郭丽君 李森

（1 驻马店市生态环境监控中心 河南驻马店 463000 2 驻马店市生态环境局 河南驻马店 463000 3 河南省驻马店生态环境监测中心 河南驻马店 463000）

随着工业的发展，以CO2为主的温室气体排放逐渐增加，实现低碳经济已经刻不容缓［1］。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次研究报告，只有实现最大力度的减排情景才能够减缓全球变暖趋势［2］。作为全球第一大能源消费国和CO2排放国，中国政府高度重视气候变化问题，并于2015 年向全世界公开承诺将于2030 年碳达峰［3］。为顺利实现中国CO2排放在2030 年左右达到峰值并争取尽早达峰，《“十三五”控制温室气体排放工作方案》明确提出要推动部分区域率先达峰，支持优化开发区域在2020 年前率先实现碳排放达峰［4］。作为中国碳消费大省的河南省，其CO2减排与达峰规划直接影响全国达峰进度。针对河南省排放清单对碳排放贡献度进行有效评估和未来碳排放预测，了解未来碳减排潜力，在保证经济快速增长的前提下，走出一条集约、智能、低碳、绿色的新型发展道路，对于中原地区和国家层面的碳达峰战略规划提供重要支撑，具有重要的研究意义。

1 研究方法综述

目前，关于碳排放的研究受到越来越多的关注。张立等［5］从碳达峰的定义及判断标准入手，提出了一套适用于中国城市碳达峰的评估体系。林伯强等［6］计算了北京市能源燃烧相关的CO2排放，并对碳减排提出了相应的政策建议。高树彬［7］集成遗传算法、粒子群算法等多种智能算法对中国重工业碳排放达峰路径进行研究。谢娇艳［8］利用LEAP 模型对重庆市公共建筑碳排放达峰及节能减排措施进行了探讨。吴唯等［9］以浙江省为例，研究了基于LEAP 模型的区域低碳发展路径。刘彦迪［10］研究了2030 年中国区域性碳达峰进行了预测，对相关影响因素进行了分析。杨楠等［11］利用LEAP 模型研究了唐山市钢铁行业的碳排放量及达峰预测。王乃举等［12］研究了兰州市工业能源碳排放强度及效应，运用容量耦合拓展模型对环境系统耦合度进行评价，并利用LDMI 模型对碳排放效应进行多维度分解。孙贵艳等［13］采用LDMI 模型对重庆市碳排放因素进行分解，并对碳排放驱动力进行了分析。林秀群等［14］将云南省碳排放分为生产和生活两个部门，并对各部门下各因素碳排放总量和贡献率进行了分析。针对河南省碳排放情况，部分学者也进行了广泛的研究。钟章奇等［15］通过耦合投入产出分析方法和结构分解模型，探讨2002—2010 年区域碳排放转移的演变特征、驱动因素及其地理源特征。田露露［16］利用LEAP 模型对河南省工业能源消费及碳排放进行预测。

综合来看，以往文献针对碳排放计算和驱动力分析多数仅考虑煤炭、石油、天然气三类化石能源，对具体的排放清单和所造成的碳排放缺少细致考察；利用所设定的影响因素构成固定组合情景对碳排放，主观性较强且不能够动态的适应未来政策性调整、突发状况对未来碳排放所造成的影响。鉴于此，本文首先利用修正的和LMDI 分解模型，对河南省2010—2018 年终端消费行业能源消费强度、GDP 增长、人口增长、产业结构、能源结构五个因素的碳排放驱动力进行分析；分别利用情景分析法和蒙特卡洛模拟法对未来河南省碳排放趋势和概率空间进行预测，从静态和动态两个层面来衡量未来河南省碳排放减排潜力；结合碳排放驱动力和碳排放预测，系统地对河南省未来碳减排和达峰提出合理化建议。

2 碳排放核算、因素分解及达峰预测

对河南省碳排放核算及碳排放影响因素分析所需数据主要来源于《河南省能源统计年鉴》（2010—2018），选择终端消费中的7 部门和包含一次能源及电力在内的17 种能源。河南省碳排放核算中对于各种能源的碳排放系数、折算标准煤系数均参考《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》。对河南省碳排放达峰预测主要参考河南省政府工作报告、河南省“十三五”规划、河南省政府发展报告及部门调研数据。

2.1 河南省碳排放核算及排放因素分解

根据《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》推荐的碳排放量核算模型，碳排放量可先由能源消耗量折算标准煤总量，然后乘以各种能源的碳排放系数，得到相应的碳排放估算结构，其计算公式表示为公式（1）。

式中：C 表示碳排放总量，亿t；Bi表示第i 种能源的折算标准煤系数；Pi表示第i 种能源的碳排放系数；Ei表示第i 种能源的消耗总量。

根据已有的碳排放影响因素预测成果，基于Kaya 模型将河南省碳排放影响因素分为人口规模、经济规模、产业结构、能源结构、能源强度、碳排放因子六个因素，扩展模型公式可以表示为公式（2）。

式中：i 表示行业序号；j 表示排放清单中的能源序号；Ci，j表示第i 行业中消耗j 能源所排放的二氧化碳量；Ei，j表示第i 产业中第j 能源所消耗的总量；Ei表示第i 行业中所有能源消耗总量；GDPi表示第i 行业的国民生产总值；GDP 表示当年所有行业的国民生产总值；POP 表示当年的人口总和；Bi，j表示i 产业第j 种能源的排放因子；ei，j表示i 产业的能源结构；qi表示i 产业的能源强度；gi表示i 产业的产业结构；pa 表示人均GDP；p表示总人口。

将河南省2010 年作为基准年0，设定其碳排放量为基准排放量，用t 表示目标年份，将河南省碳排放总量分解为人口规模、经济规模、产业结构、能源结构、能源强度等五个因素，表示为公式（3）。

进一步得到每一项因素对0-t 年碳排放量的影响，上述五个因素效应分别可以表示为公式（4）～（8）。

2.2 利用情景分析法的静态碳排放达峰预测

为预测中国2020—2035 年间CO2排放量的变化量，根据经济发展速度、能源需求强度以及能源政策实施的有效性，对各解释变量的年均变化率设定了基准情景、低碳情景、技术缓慢情景三个静态情景。采用2018 年作为基年，设定三种情景，以2035 年为目标年，并将2020-2035 年按每五年一个阶段分成三个考察周期，以揭示经济增长和发展的基本因素［17］。

结合未来河南省政府工作计划及相关研究报告，未来阶段能源结构将进行较大幅度调整，因此预测部分选择GDP 增速、能源强度增速、能源结构变化率三个预测数据作为未来河南省碳排放的预测基础数据源，并假设预测阶段产业结构未发生较大变革，回顾Kaya 不等式，目标年份碳排放量可根据公式（9）计算。

式中：t 表示目标年份，feijt-1表示t-1 年到t 年里i 产业中能源j的能源结构年增长率；fqit-1表示能源强度年增长率；表示GDP 的年增长率。

据河南省2018 年、2019 年政府工作报告，2018 全年生产总值48 055.86 亿元，比上年增长7.6%，2019 年全省生产总值突破5 万亿元，比上年增长7%以上。河南省“十三五”规划中指出，生产总值年均增速高于全国平均水平1 个百分点以上。因此，本文根据以上资料预测结果，并结合对于2020—2035年期间的GDP 增速根据各大预测机构对中国经济预测，以“十三五”期间GDP 年均增速为主要基础，根据2019 年增速和“十四五”预期进行必要调整，从国家层面对河南省相关的数据估计进行预测，具体情景参数设计见表1。

表1 静态情景参数设置

三种情景的内涵如下：

（1）基准情景，河南省继续按照当前阶段的政策力度，部署相应的低碳工作。2020—2035 年期间，河南省能源强度持续降低，能源结构发生较大调整，煤炭能源占比继续降低，石油、天然气、清洁能源比例继续提高，国民生产总值增速保持稳定。

（2）技术发展滞后情景，河南省继续保持以煤炭为主要能源，能源结构调整幅度不大，清洁能源、天然气的能源消费占比增长缓慢，政府的工作重心主要在短期的经济高速发展上，低碳工作未全面开展。

（3）在低碳情景下，河南省政府加大碳减排力度，全面开展低碳节能环保工作，能源强度持续降低，能源结构大幅度调整，煤炭资源消费占比明显降低，天然气、清洁能源资源消费占比迅速提升，全省经济发展稳步增长。

2.3 基于蒙特卡洛动态模拟的碳排放预测

我们利用相关资料预测形成了三个静态场景对未来河南省碳排放量进行了估算和预测，并得到了不同场景下的达峰时间。但是静态情景设计具有较强的主观性，且情景组合情况较小，不能够有效、客观地反映出未来发展的各种情况。因此，本小节采用蒙特卡洛模拟对未来河南省碳排放量和达峰情况进行动态预测和分析。

蒙特卡洛模拟是通过设定基准变量的概率分布，并进行随机取值和变量随机组合，然后按照变量之间的关系进行运算，从而得到目标变量分布的一种方法。蒙特卡洛模拟能够根据相关因素的经验演变情况，兼顾变量取值的不确定性影响，从而对其未来目标变量取值、变化提供科学精准预测。本文中设定各因素的增长率/变化率为基准变量，根据蒙特卡洛模拟的基本原理，结合相应文件、资料设定基准变量取值空间和概率空间，对未来目标取值和概率分布进行预测。

本文的情景设定思路兼顾了中国经济发展中的五年规划周期性调整特征和蒙特卡洛模拟对变量数据的基本要求，既能够体现现有相关文献中常见的基于历史变化趋势和相关预测资料进行预测的静态演变逻辑，又能充分考虑各种因素的不确定发展情况，使情景设定更加精细和全面。

根据上文相关资料、历史统计数据、以及设定的三个情景，并参考文献［18］中的设定，假设5 种碳排放影响因素在2030 年的增长率是选定基期的N 倍，假设N 的取值离散，确定其离散取值及概率。以近5 年的年均经济增长率7.9%、年均能源强度增长率-6.3%、年均能源结构调整率（煤炭-2.3%，石油3.6%，天然气3.4%，清洁能源109%）作为基准，可以直接计算未来各年的碳排放增长率。相应的参数见表2。

表2 蒙特卡洛动态情景参数设置

根据表2 参数设置，并依照公式（9）可以计算出三个因素可用取值空间下未来碳排放量和相应的概率分布。

3 结果分析及讨论

3.1 碳排放及驱动力分析

利用公式（1）可对7 大部门各种能源的碳排放量进行核算，如图1 所示。

图1 2010—2018 年河南省碳排放量核算

从图1 中可以发现，2010—2018 年间，河南省碳排放整体呈波动下降趋势；对比第一产业、第二产业、第三产业的碳排放量和变化趋势发现，第二产业碳排放量占总碳排放量的80%左右，且其碳排放量趋势与碳排放总量趋势一致；通过对比三种产业碳排放量，发现近十年河南省碳排放量主要是由第二产业排放造成。

根据公式（2）～（8），可以计算出各个影响因素的碳排放年变化量以及该变化所产生的贡献值。从图2 可以发现碳排放量总体呈缓慢下降趋势，其中能源强度、产业结构对碳排放增长的影响为反向抑制关系。经济效应对碳排放量增长呈正向促进关系，而这期间能源结构、人口增长两个因素的变化对碳排放量的影响较小。同时，通过测算能源结构、能源强度、产业结构、经济增长、人口增长五大因素碳排放变化，可以得到这五大因素在碳排放增长总量的贡献率分别为-1.87%，-120.95%，-2.13%，24.99%，-0.04%。据此可以看出，河南省在能源强度方面大大促进了碳排放量的减排工作。

图2 碳排放累计变化量

3.2 碳排放情景分析

按照三种情景设定，我们可以依据公式（9）计算出相应的历年碳排放总量，计算结果如图3 所示。

图3 河南省2019-2035 年二氧化碳排放量变化

从图3 我们可以看出：低碳情景下，碳排放量将持续降低，至2035 年，碳排放总量将达到1.5 亿t，并保持下降趋势。在基准场景下，河南省碳排放量在2020—2030 年将持续缓慢提高，至2030 年碳排放总量将达到峰值，为1.97 亿t，然后在2030—2035 年将缓慢下降至1.95 亿t，趋于稳定。在技术缓慢场景，河南省碳排放量将继续保持较高增速上升，至2035 年，河南省碳排放总量将达到3.4 亿t。

利用甲骨文公司Oracle Crystal Ball 软件，按照表3 动态仿真参数设计运行300 万次蒙特卡洛数值模拟，然后利用碳排放量计算公式得到未来预测的碳排放量概率分布。图4 分别给出了2020—2035 年之间每隔5 年的碳排放量预测结构及其概率分布。在仿真中，我们设置置信空间为90%，可以观察到以下结果：2025 年二氧化碳排放量有较大可能处于1.583 6亿t 和1.7632 亿t 之间，该指标较2018 年的1.704 亿t 略有上升可能。在2030 年，河南省二氧化碳排放量将有较大可能处于1.6810 亿t 和1.946 4 亿t 之间，该指标在2035 年将达到1.736 4 亿t 和2.329 3 亿t 之间。四次预测当中，在概率最大处的碳排放量预测值均随时间处于趋势，通过观察历年预测的碳排放量变化可知，在2020—2030 年，河南省在保持近些年发展和能源强度下降趋势的前提下，加强能源结构调整可以有效的遏制碳排放量快速上升的趋势。该结论与通过静态情景分析法得到的结论接近，即保持现有力度前提下河南省碳排放量基本维持当前水平或缓慢上升，但是由于未来发展未知因素的存在和中国经济、能源强度调整力度等随着时间推进逐渐放缓的趋势，想要实现碳达峰仍面临相当大的挑战。

图4 河南省2020—2035 年碳排放量预测结果

表3 各阶段碳排放影响因素驱动力

3.3 政策及建议

（1）明确达峰期限和定量化的达峰峰值目标。在省级层面制定全省达峰任务和达峰目标，进而根据省内各个城市、各个行业的类型、功能、定位的差异进行任务分解，并结合各地区、行业的特点、碳排放结构的差异性，结合当地情况制定指导性文件，确定阶段性排放目标以及部门排放目标。各地区各行业各部门要根据指导性文件将精细化的碳排放任务和控制计划落实到具体行动上。

（2）能源结构调整与环境协同治理齐头并进。由于碳排放涉及行业领域广泛，影响因素错综复杂，因此必须将碳排放管理与能源结构调整、环境治理、产业结构调整等协同推进。未来河南省要继续促进清洁能源的比例，持续推进煤改电、锅炉改造、交通运输方式变革等方面的工作，改变对煤炭、石油作为主要能源依赖的现状，促进风能、太阳能、核能等清洁能源消费占比。

（3）优化交通、运输结构。交通运输结构和方式往往对城市空气质量造成重大影响。河南省要改变以陆运为主的交通运输方式，大力推进铁路运输方式，减少货运车辆的二氧化碳及其它污染物的排放。持续推进绿色交通出行方式，持续发展公共交通，加大新能源汽车的补贴力度，有计划的发展公共自行车、电动车租赁服务，在改善城市交通系统和居民出行的同时减少交通方面的碳排放量。

（4）调整产业结构，大力发展第三产业。未来能源需求将持续加大，而通过能源强度的降低来实现碳达峰方式单一，且严重制约未来碳排放减排潜力，河南省要想尽早实现达峰目标必须持续加强达峰力度，不能仅仅通过降低能源强度，要对产业结构进行较大变革。由于能源结构尚未进行大的变革，现阶段煤炭能源消费占比仍然处在较高水平，而天然气和清洁能源占比仍然处在较低位，依靠能源强度下降来维持未来碳排放量减排空间将逐渐缩紧。因此，为了响应国家层面的碳达峰承诺，河南省要在减排政策力度持续加大的前提下，优化产业结构，降低碳排放量最大的第二产业的投入，大力发展第三产业。

4 结论

本文首先核算2010—2018 年河南省碳排放量，研究和分析了该阶段河南省终端消费的碳排放驱动力。其次，利用静态情景和动态的蒙特卡洛模拟从两个维度探讨了未来河南省碳排放量的减排潜力、碳达峰时间和碳达峰概率分布，以期对河南省的碳排放政策制定、减排规划提供有效借鉴。研究结果表明，近十年河南省主要依靠能源强度的下降使得碳排放总量波动下降，能源强度在碳排放量下降中成为关键因素，而经济增长对碳排放量的下降呈反向抑制作用；近十年三大产业的碳排放量相比，第二产业占总碳排放量比重约80%，成为碳排放增加的主要贡献行业。