基于Lasso-SVR的湖北省碳达峰发展趋势研究

摘要：党的二十大报告提出“协同推进降碳、减污、扩绿、增长”。出于为湖北省实现碳达峰目标、探索碳达峰路径提供选择和建议的考虑，研究获取了湖北省2000～2019年第二产业GDP、单位GDP能耗、每年新增森林面积、能源消费总量等12个方面的数据，分析了碳排放量相关指标，使用Lasso回归模型筛选出第二产业GDP、单位GDP能耗、能源消费总量等7个碳排放量主要影响因素；因数据有小样本特点，建立了SVR湖北省碳排放量预测模型，并进行训练；综合考虑政策要求和Lasso回归结果，设计路径并对湖北省2024～2030年碳排放量及碳达峰时间进行预测。结果表明，在依据现有发展路径和单因素指导改变路径条件下，湖北省碳排放量将逐年增加且未见达峰；在综合指导改变路径条件下，湖北省碳排放量将逐年增加且在2029年达峰，之后下降。

关键词：碳达峰；Lasso；模拟预测；SVR；发展趋势

基金项目：国家自然科学基金青年项目

（52004021）；河北省重点研发计划项目（22373706D）

引言

我国的“双碳”目标为2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。PARK J等[1]结合联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告，利用GIS在空间上表示最脆弱的地区，利用RBF核算法对碳排放的空间趋势进行预测，利用BPNN定量确定电力、城市燃气、生活垃圾和车辆4个数据源中哪个因素的影响最大，并采用热点分析方法对研究区碳排放高值聚集的区域进行了评估。赵先超等[2]结合空间统计、空间自相关、热点分析、地理加权回归、GIS等方法研究了湖南省县域碳排放的空间差异、时空格局特征与影响因素。赵金辉等[3]利用Lasso-BP碳排放神经网络模型，通过数据分析及路径设计，探索未来10年河南省碳达峰的最优路径。任伟等[4]综合2005～2019年河北省11个地级市的面板数据，利用可拓展的STIRPA环境影响评估模型，对河北省碳达峰时间和峰值进行情景预测，得出河北省碳排放量在强约束情景下会于2025年左右出现峰值。赵雄飞等[5]综合我国1978～2016 年的数据，利用基于LSTM的CO2排放量预测模型，通过组合科技进步、产业结构及能源结构来设定情景预测碳排放降幅，得出科技进步、产业结构和能源结构因素的变动能够大幅影响CO2 排放，3种因素不同组合的减排效果存在差异，且3种因素叠加并不优于2种或1种因素带来的减排效果。滕飞等[6]以华中地区为研究对象，通过IPCC指南排放系数法测算华中3省2000～2019年碳排放量，并对STIRPAT模型进行拓展，运用岭回归分析的方法探究碳排放影响因素，再结合情景分析法对华中3省自2020年起的后续20年中碳达峰年份及碳排放峰值进行预测，得出湖北省经产业升级最早可于2027年实现碳达峰；湖南省最早可于2011年实现碳达峰，但在2040年后仍有再次达峰的可能性；河南省在多种因素共同作用下，最早可于2030年实现碳达峰的结论。

湖北省作为我国中部大省，综合经济实力居全国中上，人均GDP高于全国平均水平，未来几年，湖北省能源消费总量及碳排放总量仍将持续增长，预计年均增幅在3%上下[7]。因此，计算湖北省碳排放量的主要影响因素，并根据以往数据进行模型模拟，通过路径设计、演算得出较好的碳达峰路径，对于湖北省早日达成“双碳”目标是有益且有参考性的。本研究依据事实情况与《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求，进行碳达峰趋势预测，为湖北省早日实现“双碳”目标提供参考。

1 模型与方法

在已有文献基础上，本研究选取了湖北省2000～2019年单位GDP能耗、每年新增森林面积等12个自变量因素作为湖北省碳排放量的原始数据，构建Lasso回归模型筛选碳排放量主要影响因素，并获得结果。结合主要影响因素与实际要求，构建SVR支持向量回归模型，进行模型训练，设计路径并得到碳排放量预测模型。

1.1 Lasso回归模型

Lasso回归模型原理如下。

设x为自变量，y为因变量，m次取样得到观测数据的标准化值为（x，y），其中x为m×k矩阵（m＞k），y为m×1矩阵，x的第i个观测值为xi=（xi1，xi2，…，xik）T，i∈[1，2，…，m] 且各观测值相互独立，yi=（y1，y2，…，yk）T。y对x的回归模型表示为式（1）。

式中 —；—等于，标准化的数据中。

式（1）整理后可得式（2）。

式中 —；—n维参数向量；—随机扰动项。

若要筛选出影响显著的变量，则需要给式（2）加上1个约束条件，表达如式（3）所示。

式中 —等于，取值范围为[0，1]；—1个调和参数，≥0。

Lasso回归是通过不断调整值，降低模型整体回归系数，不断压缩不显著变量的系数，直至为0。

1.2 SVR模型

支持向量回归（Support Vector Reg ression，

SVR）是支持向量机（Support Vector Machine，

SVM）在回归范畴上的推广，也是一个重要的应用分支。将通过Lasso回归筛选出的重要因素用于SVR模型训练，相对于直接进行SVR模型训练，能得到具有更强相关性的机器学习模型。

现假设m维两类线性可分的情况，设超平面H的方程为式（4）。

式中 —法向量；—位移项；—空间中的任意点。

向SVR输入训练样本集，在特征空间内属于线性不可分状态时，构建一个宽度为2ε的间隔带，添加松弛因子，以适当解决噪声问题，可得式（5）。

式中 —上边界松弛程度；—下边界松弛程度；C—大于0的惩罚参数（C值越大，对分类的惩罚越大）。

当SVM需要解决非线性可分的问题时，需要引入核函数，将特征进行从低维到高维的转化，但巧妙的仍在低维上进行计算，对于已建SVR模型采用高斯核函数，如式（6）所示。

2数据处理与模型构建

2.1 数据处理

本研究采用Lasso回归模型进行数据处理及特征选取，从材料中选取12个因素的初始数据，分别为地区生产总值（亿元）、第二产业GDP、第二产业GDP比重、单位GDP能耗、造林面积、木材采伐量、每年新增森林面积、能源消费总量、私人汽车拥有量、人口总数、工业总产值（当年价）、全社会从业人员。由于能源消耗量较高的第二产业（加工制造产业）对CO2排放有着明显促进作用，低碳的第三产业发展则可减少CO2排放，而第一产业（农、林、牧、渔业）对CO2排放没有显著影响[8]，因此在参数选择中只选了第二产业及其相关因素。以上述所列12个因素数据为自变量，碳排放量为因变量进行Lasso回归分析，参数K值取0.01，得到第二产业GDP、第二产业GDP比重、单位GDP能耗、每年新增森林面积、能源消费总量、全社会从业人员、人口总数7个较关键参数变量，将这7个变量识别为影响湖北省碳排放量的7大关键影响因素，得到Lasso模型R2为0.9849，即数据中这7个因素关系到碳排放量98.49%的变化，详见表1。

2.2 SVR支持向量回归预测模型构建

由于数据具有小样本特点，考虑到SVR更适合小样本，因此选取 2000～2019 年单位GDP能耗、第二产业GDP、第二产业GDP比重、能源消费总量、每年新增森林面积、全社会从业人员、人口总数共7个因素的数据为SVR支持向量回归模型输入特征值，碳排放量为输出值，构建SVR支持向量回归模型学习样本，采用网格搜索，遍历参数返回最优模型，c参数为10、50或5，epsilon参数范围为0.01～0.1，核函数为rbf，进行训练。SVR模型对测试数据进行预测，得到R2为0.9982（见图1）。结果表明，该SVR模型对碳排放量预测有较好的拟合度。

2.3 湖北省碳达峰路径设计

碳达峰目标需要各方面因素共同作用来达成，根据上述7个重要影响因素，结合当下发展策略，主要考虑单位GDP能耗下降需求和第二产业GDP比重的下降，并在新增植树思路指导下，进行预测路径设计，用训练的SVR模型进行预测。

2.3.1 不改变发展路径

保持之前的发展趋势不变，不考虑《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求可能会导致的变化，对湖北省2023～2030年的碳排放量进行预测。

2.3.2 指导改变路径1

结合现实因素与《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求，降低第二产业GDP比重，将第二产业GDP比重下降率分别设置为0.86%、1.36%，其它因素维持不变，路径的发展水平不变。

2.3.3 指导改变路径2

结合现实因素与《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求，降低生产生活领域能耗，将单位GDP能耗下降率分别设置为0.83%、1.33%，其它因素维持不变，路径的发展水平不变。

2.3.4 指导改变路径3

在综合指导改变路径1和指导改变路径2的基础上，结合现实因素与《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求，植树造林，将每年新增森林面积增长率分别设置为2.5%、3.0%，其它因素维持不变，路径的发展水平不变。

上述各路径的参数设计如表2所示。

3 结果与分析

3.1 结果

训练的SVR模型进行上述路径预测，得到湖北省2024～2030年的碳排放量数据，如表3、图2所示。

3.2 分析

根据SVR回归模型预测结果分析如下。

①在不改变发展路径的条件下，碳排放量从2024年至2030年持续增长，未见达峰趋势；此区间内，2030年碳排放量最高，达到311.434t。②在接受《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求的条件下，增加第二产业GDP比重下降率，碳排放量从2024年至2030年持续增长，未见达峰趋势。③在接受《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求的条件下，增加单位GDP能耗下降率，碳排放量从2024年至2030年持续增长，未见达峰趋势。④在接受《湖北省第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》发展要求，并综合指导改变路径1、2的基础上，增加每年新增森林面积增长率，可得湖北省在2024年至2030年区间内，于2029年完成碳达峰，峰值为309.781t，较不改变发展路径减少1.627t。

由结果可知，综合多方数据并重点考虑单位GDP能耗下降率、第二产业GDP比重下降率、每年新增森林面积增长率3个因素，运用合理、科学、有效的措施可精准促进碳达峰进程。

目前，湖北省的发展情况主要表现在2个方面，即①经济产业方面的高速发展带来碳排放；②森林面积的增加不益于短期经济发展，但有益于碳达峰。虽然情况矛盾，但发展可以解决发展带来的问题，因此通过发展趋势预测来调整当前行为是有用且有益的。

根据路径发展预测结果，湖北省为早日实现碳达峰可考虑从3个方面着手，即①投入研发力量，提高能源利用率，优化产业结构；②在发展的基础上，顺应经济转型升级，发展扩大第三产业；③绿色发展，增加森林植被覆盖面积。

4 讨论与建议

为助力湖北省实现碳达峰目标，根据实际情况并综合考虑路径发展预测结果分析，结合碳排放的产出、转化2个方面，提出以下4点建议。

①持续优化产业结构，深入推进绿色发展。目前湖北省规模以上工业增加值增速始终高于全国平均水平，快速发展既带来机遇又带来矛盾，从减碳途径来看，湖北省应将高速发展转型为高质量发展，助力传统企业绿色化转型，扶持第三产业发展，投入研发推动产业结构升级转型。

②构建清洁低碳、安全高效的能源体系，实施技改提能工程，强化技术装备支撑，为社会能源结构调整提供坚实的新能源供给后盾，推广新能源至建材、汽车、电力、船舶动力等产业方面，加强供应链上下游间的协调与协作，打造绿色生产供应链。

③推动产业升级优化，建立生态环境保护屏障，坚持山水林田湖草是生命共同体理念。湖北省长江经济带在带来快速发展的同时，也遗留下许多环境问题，因此长江经济带发展应共抓大保护、不搞大开发。湖北省“十四五”规划中提到，深入推进沿江化工企业“关改搬转治绿”，建立健全“污染者付费+

第三方治理”等机制，落实生态环境损害赔偿制度，健全污染防治区域联动机制，推进碳排放权市场化交易。

④绿水青山就是金山银山，增加林业植被覆盖率，推动退耕还林还草高质量发展，实现人与自然和谐共存，引导和鼓励运营绿色旅游，打造生态景区。营造低碳氛围，共建和谐家园，为实现碳达峰提供积极有益的生态保障。

结语

结合实际情况并考虑湖北省碳达峰预期完成结果，通过能源消费总量、单位GDP能耗、第二产业GDP、第二产业GDP比重、每年新增森林面积等因素对湖北省未来碳排放量进行预测；通过SVR支持向量回归模型做模拟拟合，设计路径情景预测，为湖北省探索碳达峰提供路径建议。

参考文献

[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]赵先超，彭竞霄，胡艺觉，等.基于夜间灯光数据的湖南省县域碳排放时空格局及影响因素研究[J].生态科学，2022，41（01）：91-99.

[3]赵金辉，李景顺，王潘乐，等.基于Lasso-BP神经网络模型的河南省碳达峰路径研究[J].环境工程，2022，40（12）：151-156，164.

[4]任伟，杨嘉宁，郭晓梦.基于STIRPAT模型的河北省碳达峰情景预测研究[J].华北理工大学学报（社会科学版），2023，23（04）：34-41.

[5]赵雄飞，李远利.基于LSTM模型的中国CO2排放量预测影响因素分析[J].中国市场，2021（22）：15-16.

[6]滕飞，谷馨雨，平冰宇，等.华中三省碳排放影响因素与碳达峰预测研究[J].通化师范学院学报，2023，44（06）：27-38.

[7]杜奇迹，赵璐，范黎，等.湖北省能源消费与碳排放现况及发展趋势研究[J].工业安全与环保，2023，49（10）：97-102.

[8]志学红，赵美芳.中国经济增长对二氧化碳排放量影响的实证研究[J].环境与可持续发展，2018，43（06）：129-134.

作者简介

马斌（1979—），男，汉族，河南封丘人，副教授，博士，研究方向为系统工程、数据可视化。

通信作者

周婧雯（2000—），女，汉族，河南信阳人，硕士研究生在读，主要研究方向为系统工程及可持续发展。

加工编辑：王玥

收稿日期：2024-02-29