基于Lasso-SVR的湖北省碳達(dá)峰發(fā)展趨勢研究

摘要：黨的二十大報(bào)告提出“協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長”。出于為湖北省實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)、探索碳達(dá)峰路徑提供選擇和建議的考慮，研究獲取了湖北省2000～2019年第二產(chǎn)業(yè)GDP、單位GDP能耗、每年新增森林面積、能源消費(fèi)總量等12個方面的數(shù)據(jù)，分析了碳排放量相關(guān)指標(biāo)，使用Lasso回歸模型篩選出第二產(chǎn)業(yè)GDP、單位GDP能耗、能源消費(fèi)總量等7個碳排放量主要影響因素；因數(shù)據(jù)有小樣本特點(diǎn)，建立了SVR湖北省碳排放量預(yù)測模型，并進(jìn)行訓(xùn)練；綜合考慮政策要求和Lasso回歸結(jié)果，設(shè)計(jì)路徑并對湖北省2024～2030年碳排放量及碳達(dá)峰時間進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，在依據(jù)現(xiàn)有發(fā)展路徑和單因素指導(dǎo)改變路徑條件下，湖北省碳排放量將逐年增加且未見達(dá)峰；在綜合指導(dǎo)改變路徑條件下，湖北省碳排放量將逐年增加且在2029年達(dá)峰，之后下降。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰；Lasso；模擬預(yù)測；SVR；發(fā)展趨勢

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目

（52004021）；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（22373706D）

引言

我國的“雙碳”目標(biāo)為2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。PARK J等[1]結(jié)合聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報(bào)告，利用GIS在空間上表示最脆弱的地區(qū)，利用RBF核算法對碳排放的空間趨勢進(jìn)行預(yù)測，利用BPNN定量確定電力、城市燃?xì)?、生活垃圾和車輛4個數(shù)據(jù)源中哪個因素的影響最大，并采用熱點(diǎn)分析方法對研究區(qū)碳排放高值聚集的區(qū)域進(jìn)行了評估。趙先超等[2]結(jié)合空間統(tǒng)計(jì)、空間自相關(guān)、熱點(diǎn)分析、地理加權(quán)回歸、GIS等方法研究了湖南省縣域碳排放的空間差異、時空格局特征與影響因素。趙金輝等[3]利用Lasso-BP碳排放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過數(shù)據(jù)分析及路徑設(shè)計(jì)，探索未來10年河南省碳達(dá)峰的最優(yōu)路徑。任偉等[4]綜合2005～2019年河北省11個地級市的面板數(shù)據(jù)，利用可拓展的STIRPA環(huán)境影響評估模型，對河北省碳達(dá)峰時間和峰值進(jìn)行情景預(yù)測，得出河北省碳排放量在強(qiáng)約束情景下會于2025年左右出現(xiàn)峰值。趙雄飛等[5]綜合我國1978～2016 年的數(shù)據(jù)，利用基于LSTM的CO2排放量預(yù)測模型，通過組合科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及能源結(jié)構(gòu)來設(shè)定情景預(yù)測碳排放降幅，得出科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)因素的變動能夠大幅影響CO2 排放，3種因素不同組合的減排效果存在差異，且3種因素疊加并不優(yōu)于2種或1種因素帶來的減排效果。滕飛等[6]以華中地區(qū)為研究對象，通過IPCC指南排放系數(shù)法測算華中3省2000～2019年碳排放量，并對STIRPAT模型進(jìn)行拓展，運(yùn)用嶺回歸分析的方法探究碳排放影響因素，再結(jié)合情景分析法對華中3省自2020年起的后續(xù)20年中碳達(dá)峰年份及碳排放峰值進(jìn)行預(yù)測，得出湖北省經(jīng)產(chǎn)業(yè)升級最早可于2027年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰；湖南省最早可于2011年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，但在2040年后仍有再次達(dá)峰的可能性；河南省在多種因素共同作用下，最早可于2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的結(jié)論。

湖北省作為我國中部大省，綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力居全國中上，人均GDP高于全國平均水平，未來幾年，湖北省能源消費(fèi)總量及碳排放總量仍將持續(xù)增長，預(yù)計(jì)年均增幅在3%上下[7]。因此，計(jì)算湖北省碳排放量的主要影響因素，并根據(jù)以往數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬，通過路徑設(shè)計(jì)、演算得出較好的碳達(dá)峰路徑，對于湖北省早日達(dá)成“雙碳”目標(biāo)是有益且有參考性的。本研究依據(jù)事實(shí)情況與《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求，進(jìn)行碳達(dá)峰趨勢預(yù)測，為湖北省早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供參考。

1 模型與方法

在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，本研究選取了湖北省2000～2019年單位GDP能耗、每年新增森林面積等12個自變量因素作為湖北省碳排放量的原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建Lasso回歸模型篩選碳排放量主要影響因素，并獲得結(jié)果。結(jié)合主要影響因素與實(shí)際要求，構(gòu)建SVR支持向量回歸模型，進(jìn)行模型訓(xùn)練，設(shè)計(jì)路徑并得到碳排放量預(yù)測模型。

1.1 Lasso回歸模型

Lasso回歸模型原理如下。

設(shè)x為自變量，y為因變量，m次取樣得到觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值為（x，y），其中x為m×k矩陣（m＞k），y為m×1矩陣，x的第i個觀測值為xi=（xi1，xi2，…，xik）T，i∈[1，2，…，m] 且各觀測值相互獨(dú)立，yi=（y1，y2，…，yk）T。y對x的回歸模型表示為式（1）。

式中 —；—等于，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中。

式（1）整理后可得式（2）。

式中 —；—n維參數(shù)向量；—隨機(jī)擾動項(xiàng)。

若要篩選出影響顯著的變量，則需要給式（2）加上1個約束條件，表達(dá)如式（3）所示。

式中 —等于，取值范圍為[0，1]；—1個調(diào)和參數(shù)，≥0。

Lasso回歸是通過不斷調(diào)整值，降低模型整體回歸系數(shù)，不斷壓縮不顯著變量的系數(shù)，直至為0。

1.2 SVR模型

支持向量回歸（Support Vector Reg ression，

SVR）是支持向量機(jī)（Support Vector Machine，

SVM）在回歸范疇上的推廣，也是一個重要的應(yīng)用分支。將通過Lasso回歸篩選出的重要因素用于SVR模型訓(xùn)練，相對于直接進(jìn)行SVR模型訓(xùn)練，能得到具有更強(qiáng)相關(guān)性的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

現(xiàn)假設(shè)m維兩類線性可分的情況，設(shè)超平面H的方程為式（4）。

式中 —法向量；—位移項(xiàng)；—空間中的任意點(diǎn)。

向SVR輸入訓(xùn)練樣本集，在特征空間內(nèi)屬于線性不可分狀態(tài)時，構(gòu)建一個寬度為2ε的間隔帶，添加松弛因子，以適當(dāng)解決噪聲問題，可得式（5）。

式中 —上邊界松弛程度；—下邊界松弛程度；C—大于0的懲罰參數(shù)（C值越大，對分類的懲罰越大）。

當(dāng)SVM需要解決非線性可分的問題時，需要引入核函數(shù)，將特征進(jìn)行從低維到高維的轉(zhuǎn)化，但巧妙的仍在低維上進(jìn)行計(jì)算，對于已建SVR模型采用高斯核函數(shù)，如式（6）所示。

2數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Lasso回歸模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及特征選取，從材料中選取12個因素的初始數(shù)據(jù)，分別為地區(qū)生產(chǎn)總值（億元）、第二產(chǎn)業(yè)GDP、第二產(chǎn)業(yè)GDP比重、單位GDP能耗、造林面積、木材采伐量、每年新增森林面積、能源消費(fèi)總量、私人汽車擁有量、人口總數(shù)、工業(yè)總產(chǎn)值（當(dāng)年價(jià)）、全社會從業(yè)人員。由于能源消耗量較高的第二產(chǎn)業(yè)（加工制造產(chǎn)業(yè)）對CO2排放有著明顯促進(jìn)作用，低碳的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展則可減少CO2排放，而第一產(chǎn)業(yè)（農(nóng)、林、牧、漁業(yè)）對CO2排放沒有顯著影響[8]，因此在參數(shù)選擇中只選了第二產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)因素。以上述所列12個因素?cái)?shù)據(jù)為自變量，碳排放量為因變量進(jìn)行Lasso回歸分析，參數(shù)K值取0.01，得到第二產(chǎn)業(yè)GDP、第二產(chǎn)業(yè)GDP比重、單位GDP能耗、每年新增森林面積、能源消費(fèi)總量、全社會從業(yè)人員、人口總數(shù)7個較關(guān)鍵參數(shù)變量，將這7個變量識別為影響湖北省碳排放量的7大關(guān)鍵影響因素，得到Lasso模型R2為0.9849，即數(shù)據(jù)中這7個因素關(guān)系到碳排放量98.49%的變化，詳見表1。

2.2 SVR支持向量回歸預(yù)測模型構(gòu)建

由于數(shù)據(jù)具有小樣本特點(diǎn)，考慮到SVR更適合小樣本，因此選取 2000～2019 年單位GDP能耗、第二產(chǎn)業(yè)GDP、第二產(chǎn)業(yè)GDP比重、能源消費(fèi)總量、每年新增森林面積、全社會從業(yè)人員、人口總數(shù)共7個因素的數(shù)據(jù)為SVR支持向量回歸模型輸入特征值，碳排放量為輸出值，構(gòu)建SVR支持向量回歸模型學(xué)習(xí)樣本，采用網(wǎng)格搜索，遍歷參數(shù)返回最優(yōu)模型，c參數(shù)為10、50或5，epsilon參數(shù)范圍為0.01～0.1，核函數(shù)為rbf，進(jìn)行訓(xùn)練。SVR模型對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，得到R2為0.9982（見圖1）。結(jié)果表明，該SVR模型對碳排放量預(yù)測有較好的擬合度。

2.3 湖北省碳達(dá)峰路徑設(shè)計(jì)

碳達(dá)峰目標(biāo)需要各方面因素共同作用來達(dá)成，根據(jù)上述7個重要影響因素，結(jié)合當(dāng)下發(fā)展策略，主要考慮單位GDP能耗下降需求和第二產(chǎn)業(yè)GDP比重的下降，并在新增植樹思路指導(dǎo)下，進(jìn)行預(yù)測路徑設(shè)計(jì)，用訓(xùn)練的SVR模型進(jìn)行預(yù)測。

2.3.1 不改變發(fā)展路徑

保持之前的發(fā)展趨勢不變，不考慮《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求可能會導(dǎo)致的變化，對湖北省2023～2030年的碳排放量進(jìn)行預(yù)測。

2.3.2 指導(dǎo)改變路徑1

結(jié)合現(xiàn)實(shí)因素與《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求，降低第二產(chǎn)業(yè)GDP比重，將第二產(chǎn)業(yè)GDP比重下降率分別設(shè)置為0.86%、1.36%，其它因素維持不變，路徑的發(fā)展水平不變。

2.3.3 指導(dǎo)改變路徑2

結(jié)合現(xiàn)實(shí)因素與《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求，降低生產(chǎn)生活領(lǐng)域能耗，將單位GDP能耗下降率分別設(shè)置為0.83%、1.33%，其它因素維持不變，路徑的發(fā)展水平不變。

2.3.4 指導(dǎo)改變路徑3

在綜合指導(dǎo)改變路徑1和指導(dǎo)改變路徑2的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)實(shí)因素與《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求，植樹造林，將每年新增森林面積增長率分別設(shè)置為2.5%、3.0%，其它因素維持不變，路徑的發(fā)展水平不變。

上述各路徑的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

訓(xùn)練的SVR模型進(jìn)行上述路徑預(yù)測，得到湖北省2024～2030年的碳排放量數(shù)據(jù)，如表3、圖2所示。

3.2 分析

根據(jù)SVR回歸模型預(yù)測結(jié)果分析如下。

①在不改變發(fā)展路徑的條件下，碳排放量從2024年至2030年持續(xù)增長，未見達(dá)峰趨勢；此區(qū)間內(nèi)，2030年碳排放量最高，達(dá)到311.434t。②在接受《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求的條件下，增加第二產(chǎn)業(yè)GDP比重下降率，碳排放量從2024年至2030年持續(xù)增長，未見達(dá)峰趨勢。③在接受《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求的條件下，增加單位GDP能耗下降率，碳排放量從2024年至2030年持續(xù)增長，未見達(dá)峰趨勢。④在接受《湖北省第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》發(fā)展要求，并綜合指導(dǎo)改變路徑1、2的基礎(chǔ)上，增加每年新增森林面積增長率，可得湖北省在2024年至2030年區(qū)間內(nèi)，于2029年完成碳達(dá)峰，峰值為309.781t，較不改變發(fā)展路徑減少1.627t。

由結(jié)果可知，綜合多方數(shù)據(jù)并重點(diǎn)考慮單位GDP能耗下降率、第二產(chǎn)業(yè)GDP比重下降率、每年新增森林面積增長率3個因素，運(yùn)用合理、科學(xué)、有效的措施可精準(zhǔn)促進(jìn)碳達(dá)峰進(jìn)程。

目前，湖北省的發(fā)展情況主要表現(xiàn)在2個方面，即①經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)方面的高速發(fā)展帶來碳排放；②森林面積的增加不益于短期經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但有益于碳達(dá)峰。雖然情況矛盾，但發(fā)展可以解決發(fā)展帶來的問題，因此通過發(fā)展趨勢預(yù)測來調(diào)整當(dāng)前行為是有用且有益的。

根據(jù)路徑發(fā)展預(yù)測結(jié)果，湖北省為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰可考慮從3個方面著手，即①投入研發(fā)力量，提高能源利用率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；②在發(fā)展的基礎(chǔ)上，順應(yīng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，發(fā)展擴(kuò)大第三產(chǎn)業(yè)；③綠色發(fā)展，增加森林植被覆蓋面積。

4 討論與建議

為助力湖北省實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況并綜合考慮路徑發(fā)展預(yù)測結(jié)果分析，結(jié)合碳排放的產(chǎn)出、轉(zhuǎn)化2個方面，提出以下4點(diǎn)建議。

①持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，深入推進(jìn)綠色發(fā)展。目前湖北省規(guī)模以上工業(yè)增加值增速始終高于全國平均水平，快速發(fā)展既帶來機(jī)遇又帶來矛盾，從減碳途徑來看，湖北省應(yīng)將高速發(fā)展轉(zhuǎn)型為高質(zhì)量發(fā)展，助力傳統(tǒng)企業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型，扶持第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，投入研發(fā)推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型。

②構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，實(shí)施技改提能工程，強(qiáng)化技術(shù)裝備支撐，為社會能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供堅(jiān)實(shí)的新能源供給后盾，推廣新能源至建材、汽車、電力、船舶動力等產(chǎn)業(yè)方面，加強(qiáng)供應(yīng)鏈上下游間的協(xié)調(diào)與協(xié)作，打造綠色生產(chǎn)供應(yīng)鏈。

③推動產(chǎn)業(yè)升級優(yōu)化，建立生態(tài)環(huán)境保護(hù)屏障，堅(jiān)持山水林田湖草是生命共同體理念。湖北省長江經(jīng)濟(jì)帶在帶來快速發(fā)展的同時，也遺留下許多環(huán)境問題，因此長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展應(yīng)共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)。湖北省“十四五”規(guī)劃中提到，深入推進(jìn)沿江化工企業(yè)“關(guān)改搬轉(zhuǎn)治綠”，建立健全“污染者付費(fèi)+

第三方治理”等機(jī)制，落實(shí)生態(tài)環(huán)境損害賠償制度，健全污染防治區(qū)域聯(lián)動機(jī)制，推進(jìn)碳排放權(quán)市場化交易。

④綠水青山就是金山銀山，增加林業(yè)植被覆蓋率，推動退耕還林還草高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共存，引導(dǎo)和鼓勵運(yùn)營綠色旅游，打造生態(tài)景區(qū)。營造低碳氛圍，共建和諧家園，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰提供積極有益的生態(tài)保障。

結(jié)語

結(jié)合實(shí)際情況并考慮湖北省碳達(dá)峰預(yù)期完成結(jié)果，通過能源消費(fèi)總量、單位GDP能耗、第二產(chǎn)業(yè)GDP、第二產(chǎn)業(yè)GDP比重、每年新增森林面積等因素對湖北省未來碳排放量進(jìn)行預(yù)測；通過SVR支持向量回歸模型做模擬擬合，設(shè)計(jì)路徑情景預(yù)測，為湖北省探索碳達(dá)峰提供路徑建議。

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作者簡介

馬斌（1979—），男，漢族，河南封丘人，副教授，博士，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、數(shù)據(jù)可視化。

通信作者

周婧雯（2000—），女，漢族，河南信陽人，碩士研究生在讀，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程及可持續(xù)發(fā)展。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-02-29