关于碳减排问题解决方案的建模探讨

关于碳减排问题解决方案的建模探讨摘要：关键词：碳排放；温室气体；气候变暖；燃料需求预测1问题的提出1.1问题引出“全球气候变暖”(GlobalWarming）以及“碳减排”（Carbonemissionreduction）问题，是当今社会的热点问题。世界没有一个有法律约束力的“碳排放”协议。为了从数学角度对现有的数据进行分析，结合各国的经济形势，从经济发展、能源需求、温室气体排放的逻辑顺序，据此建立模型预测至2030年及2050年前的碳排放情况，验证达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标实现的可能性，并给出了合理、现实的解决方案。1.2问题重述“全球气候变暖”（GlobalWarming）以及“碳减排”（Carbonemissionreduction）问题，已成为世界关注的一个热点问题。但是由于各国环境条件的巨大差异以及利益间的巨大冲突，世界各国却无法达成一个有法律约束力的“碳排放”协议，为此，联合国政府间气候变化专业委员会—IPCC特聘请你们提供相关研究报告，内容应包括：1.在收集相关信息的基础上，对当前全世界碳排放形势作出分析，并据此建立模型预测至2030年及2050年前的碳排放情况。2如果要达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标，给出你们认为合理、现实的解决方案，并据此预测全世界2030年及2050年的碳排放情况。联合国的气候变化目标是否可以达到？3.按照你们的解决方案，具体到美国、日本、俄罗斯、印度、巴西、中国等国家，各自应承担什么义务？理由是什么？4.将你们的研究结果写成一份不超过两页的简短报告，提交给IPCC。要注意所引用数据的可靠性。所有引用文献请注明出处。文中利用附录中提供的及自己查找到的资料和数据建立和全球变暖有关的因素的的数学模型，主要包括以下几个部分：1.影响全球变暖的因素的数学模型；2.煤炭需求量的数学模型；3.碳排放量的数学模型；4.描述碳排放量和温度升高之间关系的数学模型；2附录表格中部分数据添加的说明2问题分析2.1背景分析能源为人类社会文明的进步提供了强大的动力，但掠夺式开发和疯狂式利用也带来了严重的环境问题，比如水污染、大气污染、重金属污染、自然水位下降、干旱、地表沦陷等问题。早在14世纪初,英国就注意到了煤烟污染；17世纪伦敦煤烟污染加重时,有学者提出过改善大气品质的方案近年来，不过直到这时,污染只在少数地方存在,污染物也较少,依靠大自然的自净能力,尚不至于造成重大危害。环境污染发生质的变化并演变成一种威胁人类生存与发展的全球性危机,则始于18世纪末叶兴起的工业革命。国际上几个代表性的国家生产总值持续高速猛劲增长，创造了巨大的物质文明，但环境问题同样不可小觑。现阶段世界经济增长与环境保护之间存在着越来越尖锐的矛盾，现代工业化进程消耗了大量的化石能源，造成碳排放的大幅度增加，导致严重的温室效应。在不影响经济稳定增长的前提下，实现碳排放的逐渐减少，是国际社会目前亟待解决的问题。全球气候变暖”（GlobalWarming）以及“碳减排”（Carbonemissionreduction）问题，直接导致两极冰川融化和海平面的上升，已成为近年来世界关注的一个热点问题。碳排放强度（单位GDP的碳排放量）是衡量经济发展水平与碳排放增长之间关系的重要指标之一。掌握碳排放强度的变化规律，研究其主要影响因素的变化对其的冲击效应，可以为制定相应的节能减排政策提供数据支持和理论依据。因此，为全世界碳排放形势作出分析，并据此建立模型预测，量化研究全球至2030年及2050年前的碳排放情况，提出合理、现实的解决方案具有重大而深远的意义。2.2影响全球二氧化碳排放的相关因素从二氧化碳排放的来源看，有生产和生活两部分，从量上可以主要分为四个方面。一是国内生产总值（GDP）。从全球的情况来看，二氧化碳的排放量与实际GDP正相关，且二氧化碳的增长速度略小于实际GDP增速。而从各个国家的情况来看，虽然都符合与GDP正相关的关系，但增速与实际GDP的增速由于产业结构能源结构等因素而各不相同。二是产业结构。一个经济体中如果第二产业所占比例较高，尤其是重工业中的电力工业、水泥工业、冶金工业或者石油产业等比例较高，其二氧化碳排放量就会相对较高。这实际上反映了一个国家经济体的能源强度，即生产一单位GDP所需要的能源。观察世界各国的能源强度发现，最高的是俄罗斯和中东地区国家，它们以石油生产作为GDP的主要支柱，另外亚洲国家上升较快，且高于世界平均水平，而北美欧洲等地区国家的能源强度则低于世界平均水平，且趋于下降，这与发达国家第三产业比例升高有关。三是能源结构及能源效率。众所周知，各种燃料燃烧排放二氧化碳的强度从高到低依次是：煤、石油、天然气、水能、核能等新能源。一个国家的能源结构及燃料使用效率对二氧化碳的排放也起到很大作用。从世界各国的化石燃料使用情况来看，欧洲各国的煤使用比例从1980年持续下降，到2007年，由原来的30%下降到18%，这部分解释了欧洲二氧化碳排放量稳中有降的状态。四是生活排放的污染物和农业、林业的影响。如取暖，高纬度地区由于天气寒冷，由取暖而燃烧化石燃料排放的二氧化碳相对较多，经济水平接近的欧洲与美国相比，居民取暖排放的二氧化碳在全部二氧化碳排放中所占的比例分别为10.8%与5.8%；再如交通方式，欧洲国家较小，地铁系统发达，人均汽车拥有量较美国少，因而，欧洲道路交通二氧化碳排放量占全部二氧化碳排放量的22%，美国占27%；欧洲人均交通二氧化碳排放量为1.81吨/人，而美国这一指标达4.07吨/人。因此，改善交通结构，减少生活用电量等都可以减少生活二氧化碳排放量，这对以生活排放为主的美国尤为重要，对中国也有一定的借鉴意义。2.3全球二氧化碳减排的有效路径根据从能源到二氧化碳的产生过程，减排有两个切入点，其一是从能源市场进行干涉，改善能源结构或者提高能源的使用效率，主要方法有使用税收等手段改变不同能源物质的价格、政府管制限额、推广可以提高化石燃烧效率的新技术等；其二是从电力市场入手进行干涉，改变电力的需求供给关系来影响能源的使用，使用税收等手段抬高电价或倡导全社会节约用电，减少电的需求，调整产业结构以及资本密度，在工业领域对设备实行精细化管理、按期保养、维护设备，利用新技术提高各种生产设备的用电效率等。但是，在这个过程中，会对这两个市场的供给方或需求方产生一定的影响，即出现减排成本。首先影响能源大国的经济；其次，会导致电价以及其他材料生产成本提高，影响经济复苏；第三，汽车等产品的消费会由于能源价格上涨而下降。大气中二氧化碳含量（碳存量）也是一个非常重要的概念。二氧化碳存量治理有其必要性。以减排为主要手段的低碳经济不是一蹴而就的，碳捕获和存储被科学界认为是减少二氧化碳气体最具时效的手段。地球最主要的二氧化碳吸纳处是海洋，科学家发现海洋在1800年到1994年间吸收了4760亿吨二氧化碳，接近于排放总量的一半；仅2008年一年，海洋就吸收了23亿吨的碳，是人类全年释放二氧化碳总量的四分之一。海洋对二氧化碳的吸收受温度、海水酸碱度以及其他因素的影响，因此，治理海洋环境，改善污水排放所引起的海洋污染，通过科学研究增强海洋吸碳能力都是减少碳存量的方法。另一个碳吸收者为森林。数据显示，2000～2005年间，全世界有731.7万公顷的森林从地球上消失。从地区看，非洲全域森林减少率相对较高，2000～2005年每年减少0.6%，森林面积每年减少404万公顷。大洋洲地区的森林面积也同样在减少，年减少率为0.2%。亚洲的森林面积虽然整体上有所增加，但个别国家森林持续减少的局面没有多大改观。欧洲地区的森林面积则继续增加。因此，投入资金进行植树造林、森林维护，以及控制东南亚、南非国家的森林砍伐和林业发展，都是有效解决碳存量的方法。除此之外，投资研发资金生产，开发人工吸收技术也是解决碳存量的有效方法。2.4碳排放量计算主要是以IPCC的国家温室气体排放清单为代表的全面测算碳排放,IPCC2006年国家温室气体排放中,碳排放的全面测算包括能源、工业过程和产品使用、农业、林业和其他土地利用、废弃物四个方面。其中，工业工程和产品使用的动力是电力或煤炭石油天然气，而电力又由煤炭石油天然气燃烧发电产生的（考虑到现今社会下，水电、新能源发电所占的比例较小，不予考虑），所以不考虑工业生产对碳排放量的影响，农业、林业生产中，绿色植物的生长过程中光合作用需要吸收CO2，保守计算情况下，考虑光合作用所消耗的CO2来源于废弃物所产生，所以在计算中，只考虑能源消耗量对碳排放量的影响。因为我国现在还没有碳排放量的直接监测资料,所以本文对碳排放量的研究是通过对能源消费量的测算得来的,能源消费量就是统计年鉴中终端能源消费量。计算公式釆用《IPCC2006温室气体排放清单》所推荐的公式,即:C（总排放量）=E（能源终端消耗量）×c（排放系数）具体数学公式如下:cEC（2-1）其中C为碳排放量,单位为104t；C为碳排放系数(t-C/tce)；E为能源终端消耗量,单位为104t.tce。当E为能源消耗总量时,根据国家发展与改革委员会能源研究所推荐数值C即碳排放系数为0.67,C02的排放系数为2.4567,表1.碳排放系数2.5具体问题分析本题要求我们建立一个预测未来三十年内的碳排放量的的数学模型，其中包括搜集相关的数据资料，分析当前全世界碳排放形势，就旨在达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标，给出合理、现实的解决方案，并据此预测全世界2030年及2050年的碳排放情况，并予以验证该目标能否实现，最后还要在提出的方案合理的基础上，给出方案中几个主要的能源消耗大国美国、日本、俄罗斯、印度、巴西、中国等国家，各自应承担的义务。下图所示为解题过程中需要解决的问题。对于问题一，在获取的数据资料的基础上对当前全世界碳排放形势作出分析，建立预测模型。本文依托中国煤炭资源网（）等网站提供的世界煤炭年消国家发改委能源所C02排放系数推荐值0.67(t-C/tce)2.4567(t-C02/tce)图1.问题解决流程简图问题1：如何获取数据资料及对数据处理并预测未来的平均数据问题2：如何建立二氧化碳排放量和温度升高的关系问题3：如何验证温度升高是否超过2℃问题4：如何安排各个国家的减排措施费量数据、世界石油年消费量数据、世界天然气年消费量数据，应建立模型的需要，将数据进行了一定的技术处理，统一折算到标准煤，进而利用改造过的神经网络预测算法即灰色神经网络预测算法预测未来三十年时间内世界年煤炭、石油、天然气的消耗量。针对问题二,在从美国国家航空航天局网站上获取的数据资料的基础上，以1880-2007年全球CO2排放量的数据作为输入变量，与1880-2007年全球年平均气温建立LREG-FARIMA模型，利用FARIMA模型对LREG模型的残差进行动态预测，探究CO2排放量增加对全球温度上升的影响，进而从数学角度建立二氧化碳排放量与温度升高的关系，为后文计算碳排量对温度变化的影响做下前期准备工作。针对问题三，在问题二建立的模型的基础上，利用问题一预测的未来三十年时间内碳排量的数据计算温度升高的范围。针对问题四，从矛盾的特殊方面考虑，通过分析各个国家现有经济结构的基础上，结合未来社会可持续发展的要求，从合理开发利用能源的角度，提出世界上几个主要的大国的减排措施；从矛盾的普遍性方面考虑，对世界上各个国家提出一些节能减排的措施。3.模型假设假设世界经济形势近几年不会出现大的波动，能源供应不出现剧烈变动；假设国家统计局、中国煤炭资源网所提供的数据都是可信的的；假设全球碳排放以煤炭、石油、天然气燃烧后碳元素均以二氧化碳气体形式进入大气；假设忽略农林产业(如树木、花草)进行光合作用所消耗的CO2和人类活动所产生的废弃物的碳排放从效果上看大致相等；假设化石能源（主要是煤炭、石油、天然气）在本世纪中叶前不受到各个国家或地区的地方保护性储备，即