基于STIRPAT模型的山東半島藍色經濟區(qū)碳排放預測

顏 偉，黃亞茹，張曉瑩，高夢斐

(山東科技大學a. 能源與礦業(yè)工程學院，b. 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島266590)

全球變暖已成為當前人類面臨的嚴峻生存挑戰(zhàn)，碳排放是造成全球變暖的主要影響因素之一[1]，因此，降低碳排放量是減少大氣污染和應對氣候變化的關鍵所在[2]。目前，很多國內外學者針對不同地區(qū)的環(huán)境壓力對碳排放影響因素[3-5]進行了分析及碳排放量預測[6-10]，但多為國家及省級的研究，鮮有從微觀角度細化分析市、區(qū)一級的影響因素[11]。此外，碳排放研究還集中在碳排放權交易[12-13]及分配[14]、低碳經濟發(fā)展[15]、碳排放時空特征[16]等方面。

山東半島藍色經濟區(qū)發(fā)展藍色經濟的核心目標是在促進城市經濟發(fā)展的過程中，實現節(jié)能減排、保護生態(tài)，最終實現低碳發(fā)展的經濟目標。2016年，僅山東省建筑業(yè)碳排放量高達12 799萬t，全國排名第一[17]，同年山東半島藍色經濟區(qū)碳排放量達49 893萬t，在全省碳排放中占據非常大的比例，所以分析未來碳排放的發(fā)展趨勢對山東半島藍色經濟區(qū)制定有效政策，節(jié)能減排，發(fā)展藍色經濟具有重要意義。由于目前針對該區(qū)域碳排放量的研究很少，因此本文中應用可拓展的隨機性的環(huán)境影響評估的STIRPAT模型，分析山東半島藍色經濟區(qū)人口數量、富裕度(人均國內生產總值(GDP))、技術水平(能源強度)和城鎮(zhèn)化水平對碳排放量的影響，通過情景分析法，預測山東半島藍色經濟區(qū)未來碳排放量，確定最優(yōu)排放情景，為實施節(jié)能減排提供參考和依據。

1 相關研究現狀

碳排放量預測方法主要有STIRPAT模型、市場分配模型(MARKAL)、馬爾科夫鏈、灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型、反向傳播(BP)神經網絡等。渠慎寧等[18]利用STIRPAT模型預測了未來我國碳排放峰值，研究表明峰值出現的時間與經濟社會發(fā)展速度及碳排放強度有關。王彩明等[19]運用馬爾可夫鏈模型預測2020年京津冀區(qū)域一次能源消費結構，利用情景預測定量分析了一次能源與京津冀碳強度變化幅度的關系。任曉松等[20]采用GM(1,1)模型預測了2011—2020年我國工業(yè)碳排放影響因素的未來值，結果表明，人均工業(yè)產值的變化對未來工業(yè)碳排放變動趨勢影響最大，灰色預測的精度較高，能保證模型的有效性。紀廣月[21]根據碳排放影響因素灰色關聯(lián)分析篩選出主要因素，并把此作為BP神經網絡的輸入層，對我國碳排放進行預測，預測結果具有良好的可靠性。STIRPAT模型是環(huán)境影響評估模型IPAT的擴展，利用STIRPAT模型，再結合情景設置進行分析是對碳排放量進行預測的主流方法之一。

2 研究方法及數據來源

2.1 模型構建

STIRPAT模型是York等[22]在IPAT模型基礎上提出的，具有可拓展性及隨機性，其標準形式為

I=aPbAcTde，

(1)

式中：I、P、A、T分別為環(huán)境壓力、人口規(guī)模、富裕度(人均GDP)和技術水平(能源強度)；a為模型常數；b、c、d為需要估計的指數；e為誤差項。

為了研究山東半島藍色經濟區(qū)碳排放的影響因素，對未來碳排放量進行準確預測，本文中結合該區(qū)域的實際情況，對STIRPAT模型進行擴展，借鑒有關學者通過對數平均迪氏指數(LMDI)分解模型對碳排放影響因素的研究[23-24]，選取人口規(guī)模、富裕度、技術水平和城鎮(zhèn)化水平來分析對碳排放量的影響，可以得到

I=aPbAcTdUfe，

(2)

式中：U為城鎮(zhèn)化水平；b、c、d、f為彈性系數，表示當P、A、T、U每變化1%時分別引起I的變化。

將模型(2)兩邊分別取對數得到

lnI=lna+blnP+clnA+dlnT+flnU+lne。

(3)

2.2 數據來源

本文中使用山東半島藍色經濟區(qū)的各市、縣的人口總數、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、各類能源消費量等數據均來自2009—2018年《山東統(tǒng)計年鑒》。

3 STIRPAT模型估計及情景分析

3.1 模型估計

本文中依據《聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)國家溫室氣體清單指南》中有關碳排放的計量方法，對山東半島藍色經濟區(qū)的碳排放量進行計算[25]，計算公式為

(4)

式中：C為二氧化碳排放總量；Ei為第i種能源的終端消耗；ci是各類能源轉換為標準煤的系數；fi為第i種能源的碳排放系數。為了方便統(tǒng)計，本文中選取原煤、洗精煤、焦炭、原油、汽油、柴油、煤油、燃料油、其他石油制品、液化石油氣、天然氣共11種主要能源品種進行核算，即i=1，2，…，11。

山東半島藍色經濟區(qū)2009—2018年的碳排放量如圖1所示。從圖中可以看出，該地區(qū)的碳排放量在這10年中一直呈現緩慢增長狀態(tài)。

圖1 2009—2018年山東半島藍色經濟區(qū)碳排放量

建立STIRPAT模型。首先以lnI為因變量，lnP、lnA、lnT、lnU為自變量，對數據進行多元線性回歸分析。結果表明，各變量的顯著性水平不能通過t檢驗。再對數據進行多重共線性檢驗，由檢驗結果可知，方差膨脹系數(VIF)均大于10，如表1所示，各變量之間存在多重共線性。為了得到各變量的精確性系數，正確分析碳排放量影響因素，本文中采用嶺回歸分析法[26]。嶺回歸分析過程見圖2，在嶺跡圖(圖2 (a))中，嶺參數k的取值范圍為(0,1)，步長為0.01。當k=0.1時，各變量回歸系數趨于穩(wěn)定，所以取k=0.1為最佳，由此得到相關系數的平方r2為0.958。具體分析結果見表2。

表1 多重共線性分析結果

(a)嶺跡圖(b)嶺參數k對應的相關系數的平方r2圖2 嶺回歸分析過程

表2 嶺回歸估計結果

由嶺回歸分析結果可得碳排放量與各變量的STIRPAT模型為

lnI=-6.680+1.748 lnP+0.153 lnA-

0.218 lnT+0.365 lnU，

(5)

或

I=e-6.680+1.748 ln P+0.153 ln A-0.218 ln T+0.365 ln U。

(6)

由表2可知，各變量均通過了水平為5%的顯著性檢驗，其中富裕度(人均GDP)通過了水平為1%的顯著性檢驗，r2為0.958，說明所選自變量可以解釋山東半島藍色經濟區(qū)95.8%的碳排放量。F統(tǒng)計量為25.033，通過了水平為5%的顯著性檢驗，整體擬合程度較好。從系數來看，各變量對山東半島藍色經濟區(qū)的碳排放量影響顯著程度依次為人口數、城鎮(zhèn)化水平、能源強度、富裕度。其中，人口數每增加1%，碳排放量將相應增加1.748%，對碳排放量影響最為顯著。城鎮(zhèn)化水平、人均GDP、能源強度每提高1%，碳排放量將相應增加0.365%、0.153%、-0.218%。

為了確保模型能準確預測山東半島藍色經濟區(qū)的碳排放量情況，需驗證模型的有效性，將2009—2018年間各自變量的值代入式(5)進行模型誤差檢驗，得到的STIRPAT模型預測值與實際值對比結果，如圖3所示。

結果顯示，模型預測值與實際值的年平均誤差為3.3%，數據擬合度較好，因此可以用估計的STIRPAT模型來預測山東半島藍色經濟區(qū)未來的碳排放量情況。

圖3 2009—2018年山東半島藍色經濟區(qū)碳排放量模型預測值與實際值對比圖

3.2 情景分析

利用情景分析法將STIRPAT模型中的各變量賦予階段性預測值，各變量的預測值設置參考過往階段的發(fā)展變化及相關政策規(guī)劃，確保數據的設置符合山東半島藍色經濟區(qū)經濟社會發(fā)展實際。本文中將預測周期分為7個階段：第1階段為2019—2020年(由于山東省2019年的統(tǒng)計數據未出，因此本文中把2019年作為預測年份)，第2階段為2021—2025年，第3階段為2026—2030年，第4階段為2031—2035年，第5階段為2036—2040年，第6階段為2041—2045年，第7階段為2046—2050年。其中，人口狀況、富裕度、城鎮(zhèn)化水平屬于經濟變量，分別設定低增長、中增長、高增長3個增長階段；能源強度屬于減排變量，設定中減排、高減排2個減排階段。將上述變量的不同階段進行組合，得出6種發(fā)展模式，如表3所示。

表3 情景分析法設置的發(fā)展模式

1)人口設置。根據以往階段的人口變化狀況可知，山東半島藍色經濟區(qū)的人口數呈緩慢增長趨勢，從2009年的3 291.80萬增長到2018年的3 471.20萬。在2011—2015年間，山東半島藍色經濟區(qū)人口年均增長率為4.7‰。由于國家“二孩”政策的實施，生育堆積集中釋放，因此2016年人口增長率劇增為8.8‰。山東省是我國人口大省，而山東半島藍色經濟區(qū)生態(tài)良好，環(huán)境適宜，是著名的宜居地，同時得天獨厚的海洋優(yōu)勢還吸引了大量的人才。根據《山東省人口發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”規(guī)劃時期，山東省人口年均自然增長率發(fā)展規(guī)劃目標為8‰[27]，以此為基準設置低、中、高3種模式下的人口年均自然增長率分別為6‰、8‰、10‰。據有關研究預測，我國總人口將在2030年左右達到峰值[28]，因此設置低、中、高3種模式到達峰值的年份分別為2025、2030、2035年。根據以上分析，設定未來山東半島藍色經濟區(qū)人口增長率如表4所示。

表4 山東半島藍色經濟區(qū)未來年份人口年均增長率預測值 ‰

2)富裕度設置。近年來，山東半島憑借海洋優(yōu)勢不斷發(fā)展，《山東半島藍色經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》(簡稱《發(fā)展規(guī)劃》)中指出，到2020年，人均GDP將達到13萬元左右。根據以往階段的人均GDP變化率可知，山東半島人均GDP一直呈增長狀態(tài)，從2009年的44 820.61元增長到2018年的104 997.15元。在2011—2015年間，山東半島人均GDP年均增長率為11.75%，2016—2018年為6.74%。若要達到《發(fā)展規(guī)劃》中的目標，2019—2020年的年均增長率應為10.10%，因此設置低、中、高3種模式下的人均GDP年均增長率分別為8.1%、10.1%、12.1%。隨著國民經濟不斷發(fā)展，人均GDP增長速率會逐漸減緩，以《發(fā)展規(guī)劃》中的人均GDP目標為基準，設定未來山東半島藍色經濟區(qū)人均GDP年均增長率如表5所示。

表5 山東半島藍色經濟區(qū)未來年份人均國內生產總值(GDP)年均增長率預測值 %

3)城鎮(zhèn)化水平設置。山東省著力構建山東半島城市群，山東半島藍色經濟區(qū)城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提高，2011—2015年城鎮(zhèn)化水平年均增長率為0.71%，2016—2018年達到2.69%，2018年城鎮(zhèn)化水平已經達到66.63%?！栋l(fā)展規(guī)劃》中提出，到2020年，山東半島藍色經濟區(qū)城鎮(zhèn)化水平達到70%左右。以《發(fā)展規(guī)劃》中的城鎮(zhèn)化水平目標為基準，如果2020年城鎮(zhèn)化水平達到70%，則2019—2020年城鎮(zhèn)化水平增長率為2.53%，由此設置低、中、高3種模式下的城鎮(zhèn)化水平年均增長率分別為1.53%、2.53%、3.53%。城鎮(zhèn)化水平年均增長率通常隨著時間的推移逐步減緩，當發(fā)展到一定水平后，就會達到均衡狀態(tài)。

世界上發(fā)達國家的城市化水平普遍在80%～90%，據此假設我國城鎮(zhèn)化率達到90%時城鎮(zhèn)化水平到達均衡點，且達到均衡后年均增長率為0。結合社會發(fā)展實際及以上分析，設定低、中、高3種模式，如表6所示。

表6 山東半島藍色經濟區(qū)未來年份城鎮(zhèn)化水平年均增長率預測值 %

4)能源強度設置。山東半島藍色經濟區(qū)的節(jié)能減排指標由山東省節(jié)能減排工作方案統(tǒng)一規(guī)定。假設該區(qū)域執(zhí)行山東省“十三五”規(guī)劃能耗降低指標[29]，即到2020年能耗降低17%。根據以往階段的萬元單位GDP能耗變化率可知，在2011—2015年間，萬元單位GDP能耗年均增長率為-5.94%，2016—2018年為-2.26%。若要達到減排指標，則萬元單位GDP能耗(標準煤)需從0.78 t減少到0.64 t，萬元單位GDP能耗年均增長率為-3.59%，以此為基準，設定中、高減排模式下能源強度年均增長率分別為-3.59%、-5.59%。假設減排力度的變化率因技術及時間因素而逐漸減緩，根據以上分析，設定中、高2種減排模式下的萬元單位GDP能耗年均增長率如表7所示。

表7 山東半島藍色經濟區(qū)未來年份能源強度年均增長率預測 %

根據情景預測，將各變量預測值代入式(6)，得到2019—2050年的碳排放預測值，結果如圖4所示。由圖可以看出，在高增長-中減排模式下，山東半島藍色經濟區(qū)的碳排放量增長速度最快，到2050年，碳排放量達到130 143.89萬t；在低增長-高減排模式下，碳排放量的增長速度最慢，且到2045年，碳排放量達到峰值，為76 971.99萬t。除低增長-高減排模式外，其余模式均未達到峰值。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ為發(fā)展模式。圖4 不同情景下山東半島藍色經濟區(qū)未來的碳排放值

對比發(fā)展模式Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ可知，當減排變量處于高減排模式、經濟變量處于高增長模式時，碳排放量的增速最快。同樣，對比發(fā)展模式Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ可知，當減排變量處于中減排模式、經濟變量處于高增長模式時，碳排放量的增速最快。由以上分析可以看出，當減排變量所處水平不變時，經濟社會發(fā)展速度越快，碳排放增速越快，碳排放量越多。對比發(fā)展模式Ⅰ與Ⅱ、模式Ⅲ與Ⅳ、模式Ⅴ與Ⅵ可知，當社會發(fā)展水平不變時，減排強度越低，碳排放量增速越快，碳排放量越多。山東半島藍色經濟區(qū)正處于快速發(fā)展階段，就目前的發(fā)展態(tài)勢和預測結果來看，在高增長-中減排模式下，碳排放量暫時不會達到峰值，仍會以較快速度持續(xù)增長。由圖4中碳排放量的增速可以看出，模式Ⅵ在未來極有可能超過模式Ⅲ的碳排放量。總體來看，當減排力度的增速相比經濟社會發(fā)展增速較慢時，仍會促進碳排放的增加。

為了使山東半島藍色經濟區(qū)的碳排放量控制效果達到最佳，必須做到經濟緩慢發(fā)展，保持高減排水平。山東半島藍色經濟區(qū)作為全省乃至全國的海洋經濟引擎，海洋優(yōu)勢帶動了經濟活力，經濟緩慢發(fā)展已經不符合藍色經濟區(qū)的發(fā)展態(tài)勢。由STIRPAT模型的預測值可知，高減排更有利于控制碳排放量，因此中增長-高減排的發(fā)展模式是山東半島藍色經濟區(qū)的最佳碳排放發(fā)展模式。

4 結論

本文中采用STIRPAT模型分析了人口數、人均GDP、能源強度、城鎮(zhèn)化水平4種因素對山東半島藍色經濟區(qū)碳排放量的影響，并設置了不同的水平，組合為6種發(fā)展模式，對山東半島藍色經濟區(qū)未來的碳排放量情況進行預測，得到如下結論：

1)人口規(guī)模、人均GDP、能源強度、城鎮(zhèn)化水平每提高1%，碳排放量將相應增加1.748%、0.153%、-0.218%%、0.365%，從估算得到的彈性系數看，人口規(guī)模對碳排放量的影響最為顯著。

2)保持經濟增速不變，減排力度越弱，碳排放量增加越多；保持減排力度不變，經濟增速越快，碳排放量的增速越快。加強減排力度，在一定程度上能夠抑制經濟增長帶來的碳排放量的增加。結合山東半島藍色經濟區(qū)的發(fā)展態(tài)勢和預測結果，確定中增長-高減排為最佳發(fā)展模式。