基于LMDI模型的城市溫室氣體排放影響因素研究
——以杭州為例

鄭思偉 李 佳 魯豐樂 沈鵑文

(杭州市生態環境科學研究院(杭州市城區生態環境監測站),杭州 310014)

隨著全球極端天氣日趨頻繁,溫室氣體排放引起的全球溫室效應等問題已引起世界各國的廣泛關注。中國作為能源消費大國和溫室氣體排放大國,面對國際社會的輿論壓力和國內生態文明建設的需要,控制溫室氣體排放面臨著巨大壓力和特殊困難[1]。城市碳排放是中國碳排放的重要組成部分,科學識別城市溫室氣體排放影響因素是明晰減排路徑的基礎,是推進低碳轉型亟須解決的基礎問題,對完成中國碳中和目標具有重要意義[2]。

目前,溫室氣體排放影響因素分解研究國外開展得較早,應用較廣泛的是Kaya模型。該方法通過分解因式的方法把人口、經濟發展等多種碳排放因素與溫室氣體排放建立相應關系[3]。LMDI(Log Mean Divisia Index對數指標分解法)具有理論基礎堅實,適用范圍廣,不產生余值等優點。大量研究學者在Kaya恒等式擴展的基礎上應用LMDI法開展碳排放相關研究,如王鋒等[4]運用LMDI法,把1995—2007年間中國能源消費的CO2排放增長率分解為11種驅動因素的加權貢獻,并對其中6個時間段和各項驅動因素進行了研究;黃琳琳等[5]應用LMDI法從時間維度和典型年份城市橫向比較兩個維度對閩三角地區碳排放變化影響因素時空差異開展探討;王育寶等[6]利用改進的Kaya恒等式和LMDI實證揭示了山西省城市廢棄物處理溫室氣體排放的影響因素與作用機理。因此,本文以杭州市為例,在Kaya恒等式擴展的基礎上構建LMDI模型,綜合考慮經濟社會發展的影響,開展城市溫室氣體排放影響因素分析,并提出具有針對性的溫室氣體排放控制舉措。

1 排放現狀及特征

本研究采用省、市統計年鑒數據,依據《浙江省溫室氣體清單編制指南》(以下簡稱《指南》)對2010-2021年杭州市溫室氣體排放量進行核算。結果表明,自2010年以來,杭州市溫室氣體排放量(含電力間接排放,不包括土地利用變化和林業)總體呈現M型的變化趨勢。2021年排放量與2010年基本持平,僅增長1.33%;但是,與2014年相比(過去11年最高值),全市溫室氣體排放核算量減少了8.75%,降幅明顯。具體見圖1。

圖1 2010-2021年杭州市溫室氣體排放量變化圖

從排放領域分析,“十三五”期間,能源活動和電力凈輸入排放是杭州市溫室氣體排放的主要領域。近三年杭州市電力凈輸入間接排放占比持續以較大幅度提高,能源活動直接排放占比降幅較大;2021年能源活動直接排放、電力凈輸入、工業生產過程、農業活動和廢棄物處理分別占比45.29%,39.84%、11.57%、1.07%和2.24%。

從產業排放結構分析,第二產業是杭州市化石燃料燃燒活動排放最高產業?！笆濉敝两竦靡嬗诋a業結構調整、淘汰落后產能、關停燃煤發電機組及燃煤鍋爐關停改造等措施的實施,第二產業排放占比從2016年72.12%逐年降至2021年的62.38%?！笆濉逼陂g,杭州市煤炭消費量呈大幅下降,電力凈輸入產生的間接排放比重逐年上升,電力凈輸入產生的間接排放取代煤炭燃燒排放成為工業部門碳排放的一個主要來源,但工業部門中化石燃料燃燒排放占比仍大于電力排放。全市第三產業排放量占比則呈現逐年上升趨勢,從2016年20.79%提高至2021年的27.34%。

從能源增幅分析,2010-2021年,天然氣燃燒碳排放增幅最大,達197.84%,其最大貢獻源為工業部門天然氣消費量的增加;電力間接排放增幅次之,其最大貢獻源為工業和第三產業部門電力消費量的增加。近十年的能源結構調整成績顯著,能源增量需求主要由電力、天然氣等清潔能源滿足[1]。

2 數據與方法

本文所需影響因素分析的數據一個主要來源于《杭州市統計年鑒》、《浙江省統計年鑒》、《指南》、《環境統計公報》等。

2.1 Kaya恒等式

本文在Kaya恒等式基礎上進行擴展,引入能表示能源消費結構和產業結構的變量,同時分別定義了能表示居民生活能源消費及工農業生產過程溫室氣體排放的新變量,再根據LMDI分解法計算出各因素對溫室氣體排放的影響因素。擴展后的Kaya恒等式為:

C=C1+C2+C3+C4

公式(1)

其中:

公式(2)

公式(3)

公式(4)

公式(5)

式中:C表示溫室氣體排放量;C1、C2、C3、C4分別表示三產能源活動、生活能源活動、工業能源活動和農業能源活動;i=1、2、3分別表示第一產業、第二產業、第三產業;j=1、2、……、27分別表示文本核算的14種化石能源類型(包括原煤、洗精煤、其他洗煤、焦炭、焦爐煤氣、天然氣、汽油、煤油、柴油、液化石油氣等)、4種工業產品(水泥、鋼鐵、玻璃、電石)以及稻田、農田氮肥投入、各種畜禽產品。

運用擴展后的Kaya恒等式公式(1)-公式(5)對杭州市溫室氣體排放影響因素分析進行模型構建,模型各參數設置及意義詳見表1。

表1 擴展后的Kaya恒等式中各變量的意義

2.2 驅動因素選取

本文將溫室氣體排放因素分解形成“兩維度三階層四矩陣”的因素分析架構:兩維度是指以溫室氣體排放構成為基本維度,綜合考慮經濟社會發展對溫室氣體排放影響的維度;三階層是指按照Kaya恒等式將溫室氣體排放分解成能源消費、工業生產過程、居民生活、農業生產排放及其項下的產業結構、能耗強度、排放強度、居民工業生產過程強度、工業產品生產過程排放因子等具體因素;將經濟和社會發展因素分解成經濟總量、收入總量、人口總量及其項下的人均GDP、人口總數、城市化率、人均收入等具體因素;四矩陣是指在兩大維度下通過經濟指標、人口指標、城市化指標、人均收入指標與能源消費、工業生產過程、居民生活排放、農業生產排放構建四大矩陣,建立起經濟社會與溫室氣體排放邏輯關系。具體因素分解及相互關系詳見圖2,圖中有色實線代表研究選定的3大社會發展因素,同色虛線代表其對應的經濟社會發展子因素及研究選用的溫室氣體排放影響因素。

圖2 2010-2021年杭州市溫室氣體排放影響因素分解架構圖

2.3 LMDI模型

在擴展后的Kaya恒等式的基礎上,構建起杭州市溫室氣體排放的LMDI模型。令CT表示第T年的排放,CT-1表示T-1年的排放量,則第T年相對于T-1年的溫室氣體排放變量ΔC的計算過程為:

ΔC=CT-CT-1=ΔCEEFij+ΔCESij+ΔCEIj+ΔCISi+ΔCPG+ΔCP+ΔCETi+ΔCPT+ΔCCIOij+ΔCIPUj+ΔCPUP+ΔCCOij+ΔCOPj+ΔCRSD

公式(6)

各影響因素的表達式及意義如下:

(1)化石能源排放因子效應

(2)能源結構效應

(3)三產能源強度效應

(4)產業結構效應

(5)經濟規模效應

(6)人口規模效應

(7)生活能源強度效應

(8)人均收入效應

(9)工業產品排放因子效應

(10)城市居民工業強度效應

(11)城市化水平效應

(12)農業活動強度效應

(13)分解殘差效應

其中,化石能源排放因子、工業排放因子、農業排放因子取《指南》缺省值;LMDI分解的殘差項為0。

3 結果與討論

3.1 分析結果

以2010年為基準年,運用改進后的LMDI模型對杭州市2010—2021年的溫室氣體排放因素分解,得到了各分解效應的貢獻程度(表2)。分析累積效應可知:經濟規模增長(人均GDP)、人口規模增加、人均收入提高、城市化水平下降、農業活動強度增加的累積效應為正值,對杭州市2010-2021年溫室氣體排放有促進作用;產業結構調整、能耗強度降低、能耗排放強度、工業生產過程優化、生活碳排放強度下降為負值,對杭州市2010-2021年溫室氣體排放有抑制作用。由此,可將這10個分解效應大致分為2類,即對溫室氣體排放有促進作用的正向效應和有抑制作用的負向效應。

表2 2010-2021年杭州市溫室氣體排放因素效應 單位:104t

3.2 影響因素分析

結果顯示,產業結構調整是抑制杭州市二氧化碳排放的重要領域,2010年至2021年杭州市因產業結構調整而對溫室氣體排放減排的貢獻率達到了24.89%。第一產業能源消耗對二氧化碳排放的貢獻較為穩定,全市二氧化碳排放的減少主要來自于二產比重的下降。第三產業比重在全市產業結構中的比重不斷升高,十年間增加了近20%,是未來控制溫室氣體排放需要重點關注的因素。詳見圖3。

圖3 產業結構因素變化情況

能耗強度下降是抑制杭州市二氧化碳排放的核心領域,2010年至2021年杭州市因能耗強度下降而對溫室氣體排放減排的貢獻率達到了42.77%,抑制減排趨勢總體呈現出波動提升的趨勢。第一產業能耗強度下降對全市二氧化碳排放的貢獻并不明顯。第二產業能耗強度下降是全市二氧化碳減排量的主要因素,全市能耗強度也隨著工業能耗強度的變化而變化。第三產業能耗強度對全市溫室氣體排放抑制作用有減弱的趨勢,這是在服務業增加值不斷上升前提下,減弱了能耗強度下降帶來的抑制效應。因此,二產能耗強度下降是一項長期需要關注并持續發力的領域,三產能耗強度下降是未來二氧化碳減排的主要潛力。詳見圖4。

圖4 能耗強度因素變化情況

單位能耗排放強度降低是抑制杭州市二氧化碳排放的有效手段,2010年至2021年杭州市因單位能耗排放強度降低而對溫室氣體排放減排的貢獻率達到15.68%,抑制減排趨勢總體呈現較為穩定的下降趨勢,但是抑制二氧化碳排放效果要弱于產業結構優化和能耗強度下降。主要是由于杭州市可再生能源資源稟賦不足,在綠色低碳能源替代化石能源消耗上未實現規?；睦?可再生能源消耗量對二氧化碳減排的作用尚未顯現。因此,推進可再生能源規?；?積極開發利用新能源,不斷優化全市能源消費結構,構建綠色智慧的現代能源體系,是未來控制二氧化碳排放的重點。詳見圖5。

圖5 排放強度因素變化情況

工業生產過程優化對全市二氧化碳排放的抑制作用在不斷增強。雖然目前工業生產過程優化對全市溫室氣體排放總量的影響并不顯著,但是通過優化生產工藝流程,開展流程重塑是一項系統性、長期性的過程,隨著技術創新、數字化應用等不斷發展,生產過程優化對全市二氧化碳排放抑制作用將逐漸顯現。詳見圖6。

圖6 工業生產過程因素變化情況

4 結論與展望

本研究采用LMDI模型開展城市溫室氣體排放影響因素研究,LMDI模型可以將溫室氣體排放變化分解為各因素的貢獻,但由于數據量較大,計算繁瑣,會對計算結果的完整性和準確度產生較大影響。本研究以杭州市為例開展各因素分析,并根據分析結果提出以下建議。

4.1 持續優化調整產業結構,拓展節能減排空間

持續推進淘汰落后產能,通過推動化纖、化工等高碳低效行業企業加速淘汰整治或者轉型提升;嚴控高耗能產業源頭進入,著力促進重大產業項目落地,培育壯大新興產業增長點,大力發展集成電路、智能裝備等新興產業,進一步拓展全市節能減排空間。

4.2 多渠道提升能源利用效率,深挖減排降碳潛能

創新能效提升新思路,重點以節電、節熱為目標,深挖能效提升潛力,推進工業園區多能互補集成利用等高效能源利用模式;結合“綠色園區”打造、“園區循環化改造”等舉措,推進能源梯級利用;加強工業廢料、農林廢料資源再利用,持續推進活性炭再生“綠島”建設,構建“綠島”治理新模式;推進泛在電力物聯網等智慧能源建設,提升工業園區能源調配和調度的智能化水平,進一步提升能源利用效率。

4.3 加快煤炭油品減量步伐,實施可再生能源替代

推動油品替代、減煤,加快開發太陽能、潮汐能、生物質能(垃圾焚燒發電)等可再生能源,提高全市傳統行業“綠電”使用比例,不斷降低經濟發展對化石能源的依賴程度。

4.4 推廣數字賦能能源管理,開啟節能降耗新模式

充分發揮數字經濟創新優勢,持續推進能源利用節能減排,以虛擬電廠為切入口,積極推進現有電網基礎設施與新型數字基礎設施的融合,加快建設多元融合的高彈性電網,廣泛應用電力互聯網,全面助力杭州市清潔能源利用、電力替代及可再生能源開發;加速數字化技術在再生資源回收行業的應用,協同減污降碳、交通智慧管理等領域,拓寬資源優化整合渠道,挖潛節能降耗空間。

4.5 抓住重要窗口期和機遇,推動消費端碳減排

緊抓杭州舉辦亞運會、建設大都市、推進現代化的重要窗口期,開展綠色消費領域標準體系建設,完善綠色消費制度規范和政策保障,營造綠色生活氛圍,倡導低碳消費理念,建立和完善綠色生活支持體系,通過碳普惠激勵、碳金融參與、全民活動等方式引導人們踐行綠色低碳行為;依托“十四五”實施新型城鎮化、推進區域協調發展的戰略,廣泛開展低零碳建筑創建,加快布局未來社區、未來鄉村試點建設,全面推動城鄉建設模式低碳轉變;融合共享經濟模式,以創新推動現代服務業高質量發展,多元推動消費端碳減排。