區(qū)域碳源碳匯差量估算的云模型研究

龍飛

(浙江農(nóng)林大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,杭州311300)

區(qū)域碳源碳匯差量估算的云模型研究

龍飛

(浙江農(nóng)林大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,杭州311300)

引入云模型和云理論,通過對相關(guān)區(qū)域碳源碳匯數(shù)據(jù)的收集與測算,嘗試提出一種評估區(qū)域碳源匯差量問題的新理論與新方法。其重點是區(qū)域碳循環(huán)的結(jié)構(gòu)分析與評估框架和方法,以為區(qū)域碳減排與碳增匯措施提供科學(xué)的理論依據(jù)及定性、定量相結(jié)合的技術(shù)支持。

碳源;碳匯;差量;云模型

近20年來氣候變化已逐漸威脅到人類的生存安全,從1992年里約熱內(nèi)盧的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》,到1997年第三次締約方大會的《京都議定書》,再到2010年坎昆第十六次締約方大會的召開,CO2等溫室氣體的控制減排已不再是個純科學(xué)議題,而成為國際政治經(jīng)濟(jì)關(guān)系領(lǐng)域中的重要話題。2008年中國因碳排放量超過美國一躍成為全球最大的碳排放國家而廣受國際社會關(guān)注,同時中國也向世界作出了碳減排承諾:到2020年,在2005年基礎(chǔ)上將單位GDP的碳排放量減少40%-45%。而減少溫室氣體含量的手段主要是減少區(qū)域碳排放源和增加區(qū)域碳吸收匯,[1]因此定量分析和評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯差異狀況是碳循環(huán)研究的重要科學(xué)問題,也是進(jìn)行區(qū)域碳循環(huán)機(jī)理研究的前提。

一、排碳量計算的現(xiàn)狀

現(xiàn)有計算排碳量的方法多從技術(shù)層面考慮,以定量計算方法為主。但實際碳循環(huán)過程中,在碳源與碳匯數(shù)據(jù)資料方面,目前由于計量技術(shù)落后、計算理論依據(jù)欠缺等方面限制,實測數(shù)據(jù)資料存在監(jiān)測次數(shù)少、監(jiān)測頻率低等問題,加之研究區(qū)域的相關(guān)歷史資料不充分,且數(shù)據(jù)序列在時間上常常呈現(xiàn)出一定的波動性,[2]這對研究區(qū)域的碳源與碳匯長期預(yù)報的可靠性帶來了很大限制。在碳循環(huán)系統(tǒng)的研究方法上,現(xiàn)有多數(shù)理論方法對碳循環(huán)系統(tǒng)的不確定性、復(fù)雜性考慮并不充分,已有的研究成果多從確定性、精確度角度,對區(qū)域碳循環(huán)系統(tǒng)中相關(guān)的碳源與碳匯進(jìn)行預(yù)測、推理和評價。由于忽視了區(qū)域碳循環(huán)系統(tǒng)中相關(guān)的碳源與碳匯的波動性、模糊性、信息不完備性,導(dǎo)致研究模型缺乏普適性和合理性,其分析結(jié)果的可靠程度不盡如人意。[2]

我國現(xiàn)有排碳量計算方法的不足,具體表現(xiàn)為:其一,分析中對各個變量服從一定的隨機(jī)分布以及變量間互不相容的假設(shè)條件,往往與區(qū)域碳循環(huán)系統(tǒng)的客觀情勢相違背;其二,研究中需要大量有關(guān)人體呼吸、人類經(jīng)濟(jì)活動所燃燒的化石燃料,以及人工種植植被和土壤等產(chǎn)生碳源和碳匯等實測數(shù)據(jù)樣本,但我國的相關(guān)數(shù)據(jù)資料大多缺乏,影響了模型參數(shù)的準(zhǔn)確率;[3]其三,多數(shù)不確定性方法僅僅從單一角度研究,但作為一個開放、復(fù)雜的大系統(tǒng),區(qū)域碳循環(huán)系統(tǒng)中往往會具有多種不確定性,需要綜合考慮多種不確定性條件下的碳源與碳匯問題。

盡管人們早已認(rèn)識到各種不確定性現(xiàn)象,但就此問題的系統(tǒng)性研究還僅僅是近些年的事情。尤其是對于碳循環(huán)系統(tǒng)的不確定性問題研究,目前國內(nèi)外尚處于起步階段。隨著人類環(huán)境科學(xué)研究的逐步深入和相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展,結(jié)合客觀世界中的諸多不確定性因素,對現(xiàn)有碳循環(huán)系統(tǒng)中的預(yù)測預(yù)報、綜合評價等方面的研究模型、理論及方法做進(jìn)一步完善和發(fā)展已成為必然。碳循環(huán)系統(tǒng)是一個具有高度不確定性特征的大系統(tǒng),因此,對碳循環(huán)問題,科學(xué)的處理方法應(yīng)是靈活運(yùn)用多種反精確的軟計算途徑進(jìn)行研究。[4]本文將首次引入云模型和云理論,通過對相關(guān)區(qū)域碳源與碳匯數(shù)據(jù)的收集與測算,嘗試提出一種新評估區(qū)域碳碳源匯差量問題的理論與方法。本項研究不僅可為全球碳循環(huán)研究提供相關(guān)區(qū)域的研究框架和方法,也可為區(qū)域碳減排與增匯措施提供科學(xué)的理論依據(jù)及定性、定量相結(jié)合的技術(shù)支持。

二、云模型及云計算原理

(一)云模型

設(shè)U是一個用精確數(shù)值描述的定量論域,~C是定量論域U上的定性概念。若有定量數(shù)值x∈U,且x是概念~C上的一次隨機(jī)實現(xiàn),x對 ~C的確定度μ(x)∈[0,l]是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù),μ:U→[0,1],?x∈U,x→μ(x),則稱 x在論域 U 上的分布稱為云模型,簡稱為云,每一個x為云滴。云滴出現(xiàn)的概率越大,越能反映該云滴對定性概念的貢獻(xiàn)。對于任意一個x∈U,x到區(qū)間[0,1]的映射是一對多的關(guān)系,即一次概率意義下的隨機(jī)實現(xiàn)。x對概念C的確定度不是一個固定的數(shù)值,而是一個概率分布,從而表達(dá)了定性概念的隨機(jī)性,而確定度是模糊集意義下的隸屬度,表達(dá)了定性概念的模糊性。云模型可以從經(jīng)典的隨機(jī)理論和模糊集理論給出解釋,合理地反映概念模糊性和隨機(jī)性的綜合不確定性關(guān)聯(lián)。云的數(shù)字特征用期望Ex(expectedvalue)、熵En(entropy)和超熵He(hyper entropy)三個數(shù)值來表征,它們反映了定性概念的定量特性。其中:期望Ex是最能表征定性概念的點,反映了相應(yīng)模糊概念的信息中心值;熵En是定性概念模糊度的度量,體現(xiàn)了定性語言亦此亦彼的裕度;超熵He是熵的不確定性度量,即熵的熵,反映了云滴的離散程度。[5]

(二)云計算原理

1.計算邏輯描述。(1)n元計算定義。設(shè)F為一個計算,x1,x2,…,xn為計算的 n個參數(shù)變量,稱計算F為n元計算,S是計算結(jié)果,記為:S=F(x1,x2,…,xn)。若 c1,c2,…,cn是 n 個參數(shù)變量 x1,x2,…,xn的值,則 s=F(c1,c2,…,cn)是 F 的一次計算,s為結(jié)果值;(2)n元規(guī)則定義。若C1,C2,…,Cn是n個前件,D是結(jié)論,則稱其為n元規(guī)則,記為R,R可表示為“If C1,C2,…,Cn,then D”。

2.計算邏輯轉(zhuǎn)換定理。由n元計算和n元規(guī)則的定義,有如下轉(zhuǎn)換定理:給定一個計算F,它的一次計算s=F(c1,c2,…,cn)可以生成一個n元規(guī)則R,稱該規(guī)則R為計算規(guī)則。R可以表示為“If C1,C2,…,Cn,then D”。其中:C1?x1=c1,C2?x2=c2,…,Cn?xn=cn;D?S=s。簡單地,將 R 表示為“If c1,c2,…,cn,then s”。

(三)云生成器

云生成器是指被軟件模塊化或硬件固化了的云模型的生成算法,分為正向云生成器(圖l)和逆向云生成器(圖2)兩種。正向云生成器和逆向云生成器相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)定性語言值與定量數(shù)值之間的相互轉(zhuǎn)換。另外,根據(jù)不同條件,云生成器可分為X條件云生成器和Y條件云生成器。X條件云生成器(也稱前件云生成器)是在給定論域中特定數(shù)值x的條件下的云生成器,所生成的云滴在同一豎形直線上,橫坐標(biāo)值恒等于x,縱坐標(biāo)所表示的隸屬度呈概率分布;Y條件云生成器(也稱后件云生成器)是在給定隸屬度確定值μ情況下的云生成器,所生成的云滴在以隸屬度μ為縱坐標(biāo)的同一水平線上,被期望值Ex分為左右兩組,并均呈概率分布?；谠颇Ｐ偷亩ㄐ砸?guī)則推理就是由X條件云生成器和Y條件云生成器組合而成的。[6,7]

三、區(qū)域碳源碳匯差量估算

區(qū)域碳源碳匯差量估算的云模型主要包括兩部分:一是碳源估算模型。區(qū)域碳源包括人為碳源和自然碳源。區(qū)域碳循環(huán)中土地利用變化的碳排放主要指森林采伐和森林火災(zāi)的碳排放,對于快速城市化的地區(qū)還應(yīng)考慮農(nóng)用地轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地造成的碳排放,包括不同土地利用類型的轉(zhuǎn)變造成的碳排放?；剂系奶寂欧鸥鶕?jù)“生產(chǎn)地”原則應(yīng)是本區(qū)域消費(fèi)過程中產(chǎn)生的,例如火力發(fā)電。如果引進(jìn)外區(qū)域的火電,這部分火電生產(chǎn)過程中的碳排放不計算在本區(qū)域,而水泥生產(chǎn)排放的碳主要發(fā)生在熟料生產(chǎn)過程中(水泥生產(chǎn)消費(fèi)的能源的碳排放已經(jīng)計在化石燃料的碳排放中)。如果生產(chǎn)水泥的熟料是在本區(qū)域生產(chǎn)則計算其碳排放,如果不在本區(qū)域生產(chǎn),則不計其碳排放。[2]二是碳匯估算模型。區(qū)域碳匯主要指陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯,包括植被碳匯、土壤碳匯以及水體碳匯等,但研究主要側(cè)重在前兩者,水體碳匯的研究比較薄弱。植被碳匯和土壤碳匯根據(jù)不同的植被類型又可分為森林、草地、農(nóng)田等,區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中還包括園林綠地,其碳匯能力在區(qū)域這一尺度上不可忽略。[3]另外,充分考慮到區(qū)域碳循環(huán)過程中由于各種不確定因素而形成的區(qū)域碳源匯差量變化情況,可構(gòu)建如下測度模型:

式中,CQ為區(qū)域碳源匯差量,Ei為能源消費(fèi)總量,Eci為能源消費(fèi)的碳排放系數(shù),Si為碳匯總量,Sci為碳匯的碳吸收系數(shù)。drop為由于各種不確定因素而形成的區(qū)域碳源匯差量系數(shù)。

四、應(yīng)用算例分析

根據(jù)傳統(tǒng)精確算法,我們分別計算了某縣級市近10年不同年份的碳源碳匯數(shù)據(jù),并通過利用SPSS和MATLAB云模型的計算軟件處理,形成了各種不確定因素造成的區(qū)域碳源匯drop差量系數(shù)的云模型,即以不同年份的碳源匯差量絕對值為x軸,產(chǎn)生該差量絕對值占當(dāng)年碳源匯總和的比率為y軸,由此產(chǎn)生的一系列點是位于坐標(biāo)軸第一象限的點?？蓪⑵浣瓶闯梢?0,1)為頂點的1個碳源匯差量云模型,然后通過逆向云發(fā)生器計算云模型的3個特征值。由于碳源匯差量云模型只有一半,利用關(guān)于x軸對稱虛擬勾畫出第2象限的圖像,從而得到1個完整的云模型。采用逆向云生成器,得到云模型的3個關(guān)鍵參數(shù),最后通過公式計算實際碳源匯差量的云模型的3個特征值,并通過正向云發(fā)生器進(jìn)行各種不確定因素造成的區(qū)域碳源匯drop差量系數(shù)的模擬測算。算出該系數(shù)的云模型為(0,0.3,0.01),而該市通過精確算法計算的2010年碳源量合計為1023.6萬噸,碳匯量合計為331.7萬噸,區(qū)域碳源匯差量CQ為681.9萬噸,現(xiàn)在通過drop差量系數(shù)測算后的區(qū)域碳源匯差量CQ應(yīng)為886.47萬噸。

本文首次將云模型和云理論引入到相關(guān)區(qū)域的碳源碳匯差量測度中,用期望值Ex,熵En和超熵He表征定性概念,將定性定量轉(zhuǎn)換中的模糊性和隨機(jī)性集成到一起,克服了模糊集理論中隸屬函數(shù)的固有缺陷,使云模型和云理論為相關(guān)區(qū)域的碳循環(huán)研究提供了新的解決方法。但當(dāng)觀測的樣本數(shù)據(jù)即云滴數(shù)較少時,誤差可能較大;隨著觀測的樣本數(shù)據(jù)即云滴數(shù)的增多,誤差將逐步減少;當(dāng)云滴數(shù)很少時,一般采用傳統(tǒng)的最小二乘法為宜,但最小二乘法雖然擬合精度較高,算法卻很復(fù)雜。本項研究不僅可為全球碳循環(huán)研究提供一種相關(guān)區(qū)域的研究框架和方法,也可為區(qū)域碳減排與增匯措施提供較為科學(xué)的理論依據(jù)及定性、定量相結(jié)合的技術(shù)支持。

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Assessment of the Regional Carbon Difference between Carbon Source and Carbon Pool Based on Cloud Mode

LONG Fei
(Economic and Management School,Zhejiang A＆ F University,Hangzhou 311300 China)

Based on the principles of cloud model and cloud computing,a new theory and method is proposed to calculate the regional carbon difference between carbon source and carbon pool.The stress is laid on a framework and method of assessing the global carbon cycle.The objective of this research is to provide theoretical basis and technical supporting for measures to decrease regional carbon emission.

carbon source;carbon pool;difference;cloud mode

F062.3

A

1672-3910(2012)01-0077-03

2011-09-06

教育部人文社會科學(xué)規(guī)劃基金項目(11YJAZH065);杭州市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目(B11YJ12)

龍飛(1967-),男,江西九江人,博士,副教授,主要從事環(huán)境管理與系統(tǒng)工程研究。