基于系统动力学的2000—2050 年上海市化石能源CO2 排放情景模拟

林晓娜，张飞舟

(北京大学地球与空间科学学院，北京 100871)

自工业革命以来，人类活动使大气中CO2体积分数增加25%～30%［1］，累积碳排放已使全球平均气温上升2 ℃［2］，人类活动干扰下的温室气体排放是气候变暖的直接要因之一［3］。城市是全球温室气体排放的主要来源，虽然城市仅占全球面积的2%［4］，却集中了全球50%以上的人口，消费了占全球总量60%～80%的能源，产生的温室气体排放量高达人类总排放量70%［5］。城市的低碳化发展是实现全球减排目标的重要途径［6］，因此对能源碳排放的研究尤为重要。

城市CO2排放的系统分析和动态建模是研究温室气体排放和减排投资决策的重要方法［7-8］。系统动力学（system dynamics，SD）模型是一种结构-功能的模拟，适用于研究复杂系统，在CO2排放研究中应用广泛［9］。Wen 等［10］利用SD 模型对保定设置11 种情景研究其工业碳排放情况；佟贺丰等［11］利用SD 模型对四种化石燃料的碳排放量进行评估，研究在4 种不同情景下中国未来CO2排放量。Du 等［12］利用SD 方法研究不同经济增长率和不同碳减排技术政策因素对地区生产总值（GDP）碳排放和碳强度的影响，结果表明，碳排放主要由间接排放决定，并随着工业地区生产总值的增加而增加。

本文以上海市为研究对象，利用联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）排放因子法核算上海2000—2019 年能源CO2排放；通过建立2000—2050 年上海市能源CO2排放SD 模型，对上海市未来能源CO2排放进行情景模拟与分析。

1 IPCC 排放因子法

IPCC 排放因子法计算CO2排放量的思路是把有关人类活动发生程度的信息（即活动数据）与量化单位活动的排放量或清除量的系数结合起来［13］，这些系数称作排放因子。对于化石能源CO2排放就是将能源的消费量与能源的CO2排放因子结合起来。化石能源燃烧过程中，单位燃料产生大量热并排放CO2。有效的燃料燃烧确保燃料中最大数量的碳被氧化。燃料的CO2排放因子对于燃烧过程本身比较不敏感，主要仅取决于燃料的碳含量。IPCC 排放因子法具体公式如下：

上海市统计年鉴的能源终端消费量表中，按行业对生产能源消费（包括第一产业、第二产业、第三产业）和生活能源消费进行统计，能源类型包括了原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油六种能源。因此，本文依据上海市能源终端消费选取原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油6 种能源作为CO2排放核算范围。各能源对应的参数值如表1 所示。由于不同行业所需的能源类型不同，因此在计算各行业CO2排放量时根据特定行业的能源消费计算，各行业计算的能源类型如表2。

表1 能源碳排放参数

表2 各行业消费能源类型

2 系统动力学模型

SD 模型是以一阶微分方程为基础的数值模拟模型［14］,作为认识和处理高阶次、非线性、多重反馈时变系统的工具［15］，系统的因果关系为基础,基于系统论、控制论和信息论等理论构建系统变量的关联，用来研究系统的因果模式［16］，由美国麻省理工学院Forrester 教授提出［17］。由于该模型具有模拟线性、非线性和系统反馈的能力,在社会、经济、环境生态等复杂系统的结构、功能与行为之间关系的研究中得到广泛应用。

SD 模型通过因果关系图对系统内部的要素关系进行定性描述，通过流图确定各要素性质、系统框架，并利用函数方程确定各要素间的定量关系，从而实现对系统的模拟。具体的构建步骤包括［18-19］：（1）明确研究问题，确定研究边界；（2）搭建模型框架，确定系统的反馈回路与因果关系；（3）构建系统流图，确定要素定量关系；（4）模型测试与结果模拟；（5）结果分析。

SD 模型可以提高我们对影响未来城市能源系统发展的固有相互联系和动态演化结构的理解，并确定对城市能源需求和碳排放的重要贡献［9］。本文构建的上海市能源CO2排放SD 模型包括5 个子模型，分别为社会经济子模型、生产能源子模型（包括第一产业能源CO2排放子模型、第二产业能源CO2排放子模型、第三产业能源CO2排放子模型）、生活能源CO2排放子模型、碳强度子模型，并通过多元线性回归模型确定参数间关系。

上海能源CO2排放SD 模型如图1，通过社会经济子模型与其他子模型关联。经济增长与能源消费密切相关，经济增长和能源使用效率是影响上海市CO2排放的重要因素。社会经济子模型主要用于模拟上海市人口、经济发展、科技投入。生产能源子模型包括第一产业能源子模型、第二产业能源子模型、第三产业能源子模型，用来刻画不同产业能源消费、能源结构、CO2排放等信息。生活能源子模型用来模拟生活能源消费，并根据生活能源的比例模拟生活能源消费导致的CO2排放。由于上海市生活性能源种类只原煤、汽油、柴油和煤油，该模型的能源类型为以上四种，与生产性能源消费类型不完全一致。碳强度子模型用于模拟上海市能源CO2排放量、能源碳强度。重要的参数模型请见表3。

图1 上海市能源碳排放系统动力学模型

表3 参数模型

模型验证运用历史数据吻合度比对法进行误差检验。变量的相对误差不大于15%，一般则认定该模型的仿真性能和预测精度较好［19］。检验参数分析误差公式如下：

表4 展示了CO2排放、碳强度、能源强度、总能源消费量4 个参数的误差，可以得知上海市SD 模型的模拟值与参数实际值误差符合15%的S D 模型的允许误差，说明模拟结果可以真实反映实 际情景。

表4 模型误差分析

结合中国和上海市碳排放政策，为上海市SD模型设定3 种不同发展情景，分别为基准排放情景（basicemission，BE）、高排放情景（highemission，HE）、低排放情景（lowemission，LE），选取上海市GDP增长率、三产比重和科技投入作为调节参数，分别表征经济情况、产业结构和节能技术（表5），以生产、生活能源消费量、CO2排放量、能源强度、碳强度等变量作为分析对象进行情景模拟分析。

表5 2050 年情景参数

3 研究区数据

3.1 数据与核算范围

本文数据主要为上海市2000—2019 年化石能源、社会经济和产业相关的统计数据，具体来源如表6 所示。值得注意的是城市CO2排放总量是指城市在生产和消费的过程中向大气排放的CO2量，可分为绝对总量和相对总量［20］。CO2排放的绝对总量是计算直接排放在该城市上空的CO2；而相对总量是指由于城市生活消费及其他活动导致的CO2排放量，有些CO2排放地不在该城市，但由于是该城市消费所导致，因此，相对总量也包括了这部分排放量。本文所计算的CO2排放量为绝对总量，即化石能源的CO2排放量的核算范围为上海市的终端能源消费。因此化石能源消费量来自各年统计年鉴的终端能源消费表或平衡表。

表6 数据来源

3.2 数据分析

上海市主要能源消费类型为原煤、焦炭、燃料油、汽油、煤油与柴油。根据图2、图3，2000—2016 年能源结构中原煤居于首位，焦炭次之。但原煤、焦炭比例逐年下降，汽油、煤油比例逐年上升，2017 年原煤（13%）首次被其他能源超越，居于末尾，2018 年煤油消费首次居于首位（21%）。

图2 上海市2000—2019 年化石能源消费量

图3 上海市2000—2019 年化石能源结构

由图4 可知2000—2019 年第二产业是原煤的主要消费，其消费占总原煤消费量超80%，2016—2019 年比例超90%。焦炭的消费均源自第二产业。燃料油消费主要源自第二产业与第三产业，两者的趋势相反，其中第三产业消费占主要地位，且比例逐年增长，第二产业比例逐年下降。四个行业均有明显的汽油消费，主要集中于第三产业与生活消费。第一、二产业汽油比例明显呈下降趋势；第三产业汽油比例略呈下降趋势；生活汽油比例明显呈上升趋势，主要由于汽车的普及；煤油的消费主要源自第三产业；柴油的消费主要集中于第二、第三产业，且第三产业，第一、第二产业消费比例呈下降趋势，第三产业消费比例呈上升趋势。

图4 上海市2000—2019 年能源在各行业的结构

通过图5 可得2000—2019 年上海市第一产业主要消费的能源为原煤、燃料油、汽油、柴油，其中原煤消费量逐年下降。第二产业的主要消费的能源为原煤、焦炭、燃料油、汽油、柴油，其中原煤与焦炭消费量之和占第二产业总能源消费80%。第三产业主要消费的能源为原煤、燃料油、汽油、煤油、柴油，其中煤油与柴油消费量呈上升趋势。生活要消费的能源为原煤、汽油、柴油，其中原煤消费量呈显著下降趋势，汽油消费量呈显著上升趋势。

图5 上海市2000—2019 年各行业能源消费

4 结果分析

4.1 2000—2019 年化石能源CO2 排放分析

根据IPCC 排放因子法核算上海市2000—2019年化石能源 CO2排放量，结果如图6 所示。上海市化石能源CO2排放量从2003 年开始攀升，到2010 年以后趋于平稳增长。其中增长最快的阶段为2004—2007 年，增长了32.7%，在本阶段中上海市大力进行产业结构调整，坚持“三、二、一”产业发展方针，即高效益的综合发展阶段，坚持二、三产业共同推动经济发展，优先发展现代服务业，优先发展先进制造业，加快生产型经济向服务型经济转变，第三产业得到快速发展，能源消费多，因此在该期间CO2排放量增长较快。

虽然CO2排放量不断增长，但其增长速度小于GDP，因此碳强度逐年下降，2018 年碳强度较2005年下降65%，提前完成2030 年减排目标；较2015年下降25%，提前完成“十四 五”规划目标（2020年碳强度较2015 年下降不低于20%）。

图6 上海市2000—2019 年CO2 排放量与碳强度

4.2 上海市CO2 排放SD 模型分析

根据上海市SD 模型模拟的3 种不同情景下2000—2050 年GDP(见图7)可知，三种情景各产业GDP 总体均呈上升趋势。2050 年上海市基础情景GDP 为 167 016 亿元，一、二、三产GDP 分别为627 亿元、40 919 亿元、125 262 亿元；低排放情景GDP 为 125 317 亿元，较基础情景下降25%；高排放情景GDP 为 221 914 亿元，较基础情景与低排放情景分别上升33%、77%。

图7 上海市2000—2050 年生产总值

在2020—2050 年，基础情景与高排放情景的能源消费量呈先增后降趋势（见图8），分别在2029 年、2037 年达到峰值；低排放情景模拟的能源消费量呈下降趋势。主要原因是能源消耗与科学投入呈负相关，随着科学技术发展，相关资金投入增加，节能技术不断发展，能源利用率提高，导致能源消费下降。根据图8 和图9 可知2050 年低排放情景总能源消费较基础情景降低0.27%，生产能源消费下降1.08%。其中一产能源消费较基础情景分别上升1.24%、二产能源消费下降1.76%、三产能源消费下降1.33%、生活能源消费下降17.6%。一产能源消费上升的原因是一产能源消费与总能源消费呈负相关。高排放情景总能源消费较基础情景上升5.17%，生产能源消费上升6.29%。其中一产能源消费较基础情景下降7.19%，二产能源消费上升10%，三产能源消费上升7.69%，生活能源消费上升23%。

图8 上海市2000—2050 年能源消费

图9 上海市2000—2050 年各行业能源消费

2020—2050 年能源强度总体呈下降趋势（图10—图 12），说明单位生产总值的能源消费量逐年减小，即能源利用效率在不断提升。2050 年能源强度，低排放情景相较于基础情景上升26%，高排放情景相较于基础情景和低排放情景分别下降17%、34%。主要原因是与高排放情景相和基础情景的GDP 增速相比，低排放的GDP 增速较慢。

图10 2000—2050 上海市HE 情景能源强度

图11 2000—2050 上海市BE 情景能源强度

图12 2000—2050 上海市LE 情景能源强度

根据上海市SD 模型模拟的3 种不同情景下2000—2050 年化石能源的CO2排放(见图13)可知，不同的情景的CO2排放峰值和到达峰值的年份有所不同。其中基础情景的CO2排放峰值为10 952 万吨，在2030 年达到峰值；低排放情景的CO2排放峰值为10 469 万吨，较基础情景降低4.4%，与基础情景相同在2030 年达到峰值；高排放情景的CO2排放峰值为11 569 万吨，较基础情景上涨5.6%，在2034 年达到峰值。基础情景与低排放情景均满足中国提出的在2030 年前达到排放峰值这一目标。2007 年三产CO2排放量首次超过二产CO2排放量成为上海市CO2排放量首要来源，占48%，随后一直保持着主要CO2排放源地位。2030 年是基础情景和低排放情景的CO2排放峰值，即CO2排放拐点。2030 年，相比于基础情景的CO2排放，低排放情景下降4.4%，高排放情景上升5.3%。

图13 上海市2000—2050 年CO2 排放

三种不同情景的主要模拟结果如表7。基础、低排放、高排放3 种情景2020 年碳强度较2015 年均达到“十三五”规划目标（下降20.5%），分别下降了28.5%、30.7%、26.3%；较2005 年分别下降68.8%、70.3%、67.9%，完成我国2009 年在哥本哈根会议的承诺2020 年碳强度比2005 年降低40%～45%；三种情景中2030 年碳强度较2005 年分别下降80%、79%、80.9%，将完成我国2015年向《联合国气候变化框架公约》秘书处提交应对气候变化国家自主贡献文件的承诺到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005 年下降65%以上。

表7 情景结果

通过对情景分析对比发现，低排放情景放缓了经济发展降低了CO2排放量，但能源强度、碳强度高于基础情景和高排放情景，主要归因于GDP 发展与科技投入带来的能源利用效率两方面。因此可以发现经济发展和能源利用效率是影响CO2排放的重要原因，能源利用效率提高，能源消费大幅度下降，直接影响CO2减少，这也是当下重点发展之一。

5 结论

本文采用IPCC 排放因子法核算上海市2000—2019 年化石能源CO2排放情况、利用SD 模型构建上海市2000—2050 年化石能源CO2排放模型并基于基础、低排放、高排放3 种不同情景预测CO2排放，得到结论如下：（1）根据2000—2019 年统计数据，上海市化石能源的CO2排放从2003 年开始攀升，到2010 年开始趋于平稳增长，其中增长最快的阶段为2004—2007 年，增长了32.7%；（2）上海市GDP 逐年增长，2050 年低排放情景较基础情景下降25%，高排放情景较基础情景与低排放情景分别上升33%、77%；（3）2020—2050 年基础情景与高排放情景的能源消费量呈先增后降趋势，分别在2029年、2037 年达到峰值，低排放情景模拟的能源消费量呈下降趋势，但能源强度从高到低为低排放情景、基础情景、高排放情景，主要是由于GDP 增长速度远高于能源消费的降幅；（4）基础情景与低排放情景的CO2排放在2030 年达到峰值，低排放情景CO2排放较基础情景降低4.4%，高排放情景的CO2在2038 年达到峰值，较基础情景上涨5.6%，基础情景与低排放情景均满足中国提出的在2030 年前达到排放峰值这一目标，3 种情景中2020 年碳强度均完成“十三五”规划目标、2009 年在哥本哈根会议的承诺，2030 年碳强度完成我国提交应对气候变化国家自主贡献文件的承诺。

综合3 种情景的经济、能源与CO2排放，上海市应着力深化产业结构，控制高耗能产业发展，淘汰落后产能，坚持“三、二、一”产业方针，重点发展服务业，促进产业升级，提高能源利用率，创建低碳产业体系，大力提倡新型能源，如风力、核电、太阳能等。