基于扩展IPAT模型的徐州市碳达峰情景分析

张 潇，王 冉，刘世奇，魏 东，常媛媛，张元坤

(1. 国网江苏电力有限公司 徐州供电分公司，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室，江苏 徐州 221008；4. 中国矿业大学 碳中和研究院，江苏 徐州 221008)

徐州市是我国重要的老工业基地、华东地区重要的能源供给基地和电力输配送基地，其碳排放量居江苏省地级市第三位，碳减排任务艰巨[1-2]。徐州市碳达峰“时间表”也成为江苏省能否于2025年在全国率先实现“碳达峰”的关键。因此，有必要开展不同经济社会发展情景下的徐州市碳排放量与碳达峰目标(时间和峰值)预测分析，为徐州市碳达峰路径选择和方案优化奠定基础。

“情景分析法”(scenario analysis)是目前碳排放预测中广泛应用的方法[3-4]，通常以“方法X+情景分析法”的形式与其他碳排放量计算模型结合用于碳排放预测[5]。本次研究利用“扩展的IPAT模型+情景分析法”的预测模式，综合考虑经济发展、节能效率、可再生能源替代率等多方面因素，通过合理设置达峰情景，对徐州市碳排放量与碳达峰时间及峰值进行模拟分析，研究结果可为“双碳”背景下徐州市绿色低碳发展政策制定提供辅助。

1 碳排放量预测模型

1.1 预测模型建立

研究采用扩展的IPAT环境影响因素分析模型式(1)预测徐州市碳排放量与碳达峰趋势。

I=P·A·T

(1)

式(1)中，I(impact)为人口对环境的影响；P(population)为国内人口总量；A(affluence)为人均财富或人均产出，可视为人均国内生产总值；T(technology)为单位经济产出对环境的影响，由技术进步决定，一般视为碳排放强度。

Kaya是IPAT模型影响因素分解的具体应用，是通过构造链式乘积的形式式(2)将T中隐含的因素分解出来，增加预测结果的准确性[6]。

CCO2，t=CCO2，0×(1-e)t×(1+g)t×(1-v)t

(2)

式(2)中，CCO2为CO2排放量；e为年节能率；t为基年至预测年份的年数；g为GDP增速；v为清洁能源年替代率。

1.2 碳排放量预测步骤

扩展的IPAT环境影响因素分析模型计算过程可分为参数选取、模型验证、情景模式设定和碳排放量预测四个主要步骤。具体如下。

(1)关键参数选取。选取2009—2020年徐州市GDP增速、年节能率、清洁能源年替代率作为碳排放量预测的关键参数(见表1)。

(2)模型验证。将扩展的IPAT模型计算的徐州市2009—2020年碳排放量与徐州市实际碳排放值对比，验证模型的准确性。结果显示，扩展的IPAT模型历史拟合误差基本在6%以内，属于合理误差范围(见表1)。

表1 2009—2020年徐州市碳排放量预测关键参数及碳排放量拟合值

(3)情景模式设定。文章设定“高”“中”“低”三类情景因子以及宽松情景模式、基准情景模式和严格控制模式三类情景模式进行预测。

(4)碳排放量预测。基于扩展的IPAT模型，通过参数赋值，预测设定情境下的徐州市碳排放量。

2 情景模式设定

2.1 情景模式构建

基于徐州市碳排放历史、现状，结合江苏省、徐州市碳达峰工作要求，设置了经济发展(A)、节能效率(B)、可再生能源替代率(C)三大指标对徐州市2021—2040年碳排放进行预测模拟，又对每个指标分别设置了“高”“中”“低”三种情景模式，最终形成27种不同模式组合进行预测。

2.2 情景因子分类

27种组合模式中亦可划分为三种模式：一是宽松情景模式：沿用当前经济发展模式，以经济发展为中心，不重视生产技术的革新和清洁能源的发展，仍保持高经济增长速度、低年节能率、低清洁能源替代率下的发展模式；二是基准情景模式：在一定程度上控制碳排放，保持中等经济增长速度、中等年节能率、中等清洁能源替代率下的发展模式；三是严格控制模式：为保障“双碳”战略实施，将发展重心从经济转为减排，采取严格的碳排放控制政策，严格控制经济增长，重视节能改造和清洁能源替代的发展模式。

2.3 情景因子参数赋值

情景模拟因子按照经济增长因子、年节能率因子和清洁能源替代率因子对工业碳排放的影响进行设置，并参考《江苏省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标纲要》《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》等相关文件(见表2)。

表2 徐州市工业碳排放影响因素情景分析 单位：%

3 徐州市碳排放量预测结果及分析

预测结果显示，当前徐州市碳排放未达到顶峰，三种模式下徐州市碳排放均呈现先增后减的趋势，但是达峰时间和峰值存在较大差别。随着时间的推进，三种模式的碳排放曲线图差异将持续拉大(见图1)。

图1 徐州市碳排放趋势模拟(2021—2040年)

宽松情景模式下，徐州市碳排放量将会持续增长，并在2030年实现碳达峰，碳排放峰值高达9402.91万吨，与江苏省“率先实现碳达峰”的政策背道而驰，为后续的碳中和目标带来较大障碍。因此，该情景模式只能作为徐州市碳达峰目标的上限模式，在选择具体的执行方案时不能突破该模式。

基准情景模式的预测结果明显优于宽松情景模式，徐州市碳排放峰值将在2025年实现，符合国家和江苏省的要求。碳排放峰值较宽松情景模式减少985.64万吨，优势突出。但该情景模式下2032年以后碳排放量才能表现出下降态势，表明该情景模式对碳排放的调节效果具有一定的迟滞性。

严格控制情景模式在预测结果上表现最优，达峰时间同样在2025年，碳排放峰值为8245.92万吨，较基准情景模式略少，其最突出优点表现为一旦碳排放达峰立即进入碳排放快速下降阶段，表明严格的碳排放政策和节能、能源替代政策的调控能力与持续效果突出，对后续碳中和战略的顺利实行有利。但该情景模式可能造成徐州市经济发展的长期低位徘徊，因此，可作为徐州市碳达峰战略的下限模式。

综合上述，基准情景模式下徐州市碳排放量在2032年后出现下降，与江苏省委省政府碳达峰碳中和工作实施部署相悖。因此，虽然该模式更有利于产业平稳转型和经济稳定发展，但为了满足江苏省碳达峰碳中和工作部署要求，徐州市需采取更严苛的碳排放约束政策。

由此可见，政策工具对徐州市碳达峰的影响显著，在强碳排放约束情景下如何通过构建绿色低碳转型发展体系、低碳高效产业结构体系、低碳安全能源利用体系、低碳技术创新应用体系等实现经济高质量发展对徐州市未来经济可持续发展至关重要。

4 结论

第一，徐州市碳排放尚未达峰，宽松情景模式、基准情景模式、严格控制情景模式下徐州市碳达峰时间分别为2030年、2025年和2025年，碳排放峰值分别为9402.91万吨、8417.27万吨和8245.92万吨，其碳排放趋势将随时间持续拉大。

第二，基准情景模式和严格控制情景模式下可实现徐州市碳达峰目标。但基准情景模式对碳排放的调节效果具有迟滞性；控制情景模式下严格的碳排放政策和节能、能源替代政策的调控能力与持续效果突出，为后续碳中和战略实行奠定更有利基础，但可能造成徐州市经济发展的长期低位徘徊。