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(tài)環(huán)境科學(xué)研究院(杭州市城區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)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(yīng)等問題已引起世界各國的廣泛關(guān)注。中國作為能源消費(fèi)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(nèi)生態(tài)文明建設(shè)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(xué)識別城市溫室氣體排放影響因素是明晰減排路徑的基礎(chǔ),是推進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型亟須解決的基礎(chǔ)問題,對完成中國碳中和目標(biāo)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(yīng)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(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種碳排放因素與溫室氣體排放建立相應(yīng)關(guān)系[3]。LMDI(Log Mean Divisia Index對數(shù)指標(biāo)分解法)具有理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí),適用范圍廣,不產(chǎn)生余值等優(yōu)點(diǎn)。大量研究學(xué)者在Kaya恒等式擴(kuò)展的基礎(chǔ)上應(yīng)用LMDI法開展碳排放相關(guān)研究,如王鋒等[4]運(yùn)用LMDI法,把1995—2007年間中國能源消費(fèi)的CO2排放增長率分解為11種驅(qū)動因素的加權(quán)貢獻(xiàn),并對其中6個時間段和各項(xiàng)驅(qū)動因素進(jìn)行了研究;黃琳琳等[5]應(yīng)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(qū)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(jìn)的Kaya恒等式和LMDI實(shí)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(jī)理。因此,本文以杭州市為例,在Kaya恒等式擴(kuò)展的基礎(chǔ)上構(gòu)建LMDI模型,綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)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(xiàn)狀及特征

本研究采用省、市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),依據(jù)《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(jìn)行核算。結(jié)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(yè))總體呈現(xiàn)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(lǐng)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(lǐng)域。近三年杭州市電力凈輸入間接排放占比持續(xù)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(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)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(chǎn)業(yè)排放結(jié)構(gòu)分析,第二產(chǎn)業(yè)是杭州市化石燃料燃燒活動排放最高產(chǎn)業(yè)?！笆濉敝两竦靡嬗诋a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能、關(guān)停燃煤發(fā)電機(jī)組及燃煤鍋爐關(guān)停改造等措施的實(shí)施,第二產(chǎn)業(yè)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(fèi)量呈大幅下降,電力凈輸入產(chǎn)生的間接排放比重逐年上升,電力凈輸入產(chǎn)生的間接排放取代煤炭燃燒排放成為工業(yè)部門碳排放的一個主要來源,但工業(yè)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(chǎn)業(yè)排放量占比則呈現(xiàn)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(dá)197.84%,其最大貢獻(xiàn)源為工業(yè)部門天然氣消費(fèi)量的增加;電力間接排放增幅次之,其最大貢獻(xiàn)源為工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)部門電力消費(fèi)量的增加。近十年的能源結(jié)構(gòu)調(diào)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(shù)據(jù)與方法

本文所需影響因素分析的數(shù)據(jù)一個主要來源于《杭州市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《指南》、《環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等。

2.1 Kaya恒等式

本文在Kaya恒等式基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,引入能表示能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變量,同時分別定義了能表示居民生活能源消費(fèi)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程溫室氣體排放的新變量,再根據(jù)LMDI分解法計(jì)算出各因素對溫室氣體排放的影響因素。擴(kuò)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(chǎn)能源活動、生活能源活動、工業(yè)能源活動和農(nóng)業(yè)能源活動;i=1、2、3分別表示第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè);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?fàn)t煤氣、天然氣、汽油、煤油、柴油、液化石油氣等)、4種工業(yè)產(chǎn)品(水泥、鋼鐵、玻璃、電石)以及稻田、農(nóng)田氮肥投入、各種畜禽產(chǎn)品。

運(yùn)用擴(kuò)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(jìn)行模型構(gòu)建,模型各參數(shù)設(shè)置及意義詳見表1。

表1 擴(kuò)展后的Kaya恒等式中各變量的意義

2.2 驅(qū)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(gòu):兩維度是指以溫室氣體排放構(gòu)成為基本維度,綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)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(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)過程、居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放及其項(xiàng)下的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能耗強(qiáng)度、排放強(qiáng)度、居民工業(yè)生產(chǎn)過程強(qiáng)度、工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程排放因子等具體因素;將經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展因素分解成經(jīng)濟(jì)總量、收入總量、人口總量及其項(xiàng)下的人均GDP、人口總數(shù)、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(jīng)濟(jì)指標(biāo)、人口指標(biāo)、城市化指標(biāo)、人均收入指標(biāo)與能源消費(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)過程、居民生活排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放構(gòu)建四大矩陣,建立起經(jīng)濟(jì)社會與溫室氣體排放邏輯關(guān)系。具體因素分解及相互關(guān)系詳見圖2,圖中有色實(shí)線代表研究選定的3大社會發(fā)展因素,同色虛線代表其對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)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(gòu)圖

2.3 LMDI模型

在擴(kuò)展后的Kaya恒等式的基礎(chǔ)上,構(gòu)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(jì)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(dá)式及意義如下:

(1)化石能源排放因子效應(yīng)

(2)能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)

(3)三產(chǎn)能源強(qiáng)度效應(yīng)

(4)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)

(5)經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)

(6)人口規(guī)模效應(yīng)

(7)生活能源強(qiáng)度效應(yīng)

(8)人均收入效應(yīng)

(9)工業(yè)產(chǎn)品排放因子效應(yīng)

(10)城市居民工業(yè)強(qiáng)度效應(yīng)

(11)城市化水平效應(yīng)

(12)農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)度效應(yīng)

(13)分解殘差效應(yīng)

其中,化石能源排放因子、工業(yè)排放因子、農(nóng)業(yè)排放因子取《指南》缺省值;LMDI分解的殘差項(xiàng)為0。

3 結(jié)果與討論

3.1 分析結(jié)果

以2010年為基準(zhǔn)年,運(yùn)用改進(jìn)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(yīng)的貢獻(xiàn)程度(表2)。分析累積效應(yīng)可知:經(jīng)濟(jì)規(guī)模增長(人均GDP)、人口規(guī)模增加、人均收入提高、城市化水平下降、農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)度增加的累積效應(yīng)為正值,對杭州市2010-2021年溫室氣體排放有促進(jìn)作用;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能耗強(qiáng)度降低、能耗排放強(qiáng)度、工業(yè)生產(chǎn)過程優(yōu)化、生活碳排放強(qiáng)度下降為負(fù)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(yīng)大致分為2類,即對溫室氣體排放有促進(jìn)作用的正向效應(yīng)和有抑制作用的負(fù)向效應(yīng)。

表2 2010-2021年杭州市溫室氣體排放因素效應(yīng) 單位:104t

3.2 影響因素分析

結(jié)果顯示,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是抑制杭州市二氧化碳排放的重要領(lǐng)域,2010年至2021年杭州市因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整而對溫室氣體排放減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到了24.89%。第一產(chǎn)業(yè)能源消耗對二氧化碳排放的貢獻(xiàn)較為穩(wěn)定,全市二氧化碳排放的減少主要來自于二產(chǎn)比重的下降。第三產(chǎn)業(yè)比重在全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(diǎn)關(guān)注的因素。詳見圖3。

圖3 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素變化情況

能耗強(qiáng)度下降是抑制杭州市二氧化碳排放的核心領(lǐng)域,2010年至2021年杭州市因能耗強(qiáng)度下降而對溫室氣體排放減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到了42.77%,抑制減排趨勢總體呈現(xiàn)出波動提升的趨勢。第一產(chǎn)業(yè)能耗強(qiáng)度下降對全市二氧化碳排放的貢獻(xiàn)并不明顯。第二產(chǎn)業(yè)能耗強(qiáng)度下降是全市二氧化碳減排量的主要因素,全市能耗強(qiáng)度也隨著工業(yè)能耗強(qiáng)度的變化而變化。第三產(chǎn)業(yè)能耗強(qiáng)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(wù)業(yè)增加值不斷上升前提下,減弱了能耗強(qiáng)度下降帶來的抑制效應(yīng)。因此,二產(chǎn)能耗強(qiáng)度下降是一項(xiàng)長期需要關(guān)注并持續(xù)發(fā)力的領(lǐng)域,三產(chǎn)能耗強(qiáng)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(qiáng)度因素變化情況

單位能耗排放強(qiáng)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(qiáng)度降低而對溫室氣體排放減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到15.68%,抑制減排趨勢總體呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的下降趨勢,但是抑制二氧化碳排放效果要弱于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能耗強(qiáng)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；睦?可再生能源消耗量對二氧化碳減排的作用尚未顯現(xiàn)。因此,推進(jìn)可再生能源規(guī)?；?積極開發(fā)利用新能源,不斷優(yōu)化全市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),構(gòu)建綠色智慧的現(xiàn)代能源體系,是未來控制二氧化碳排放的重點(diǎn)。詳見圖5。

圖5 排放強(qiáng)度因素變化情況

工業(yè)生產(chǎn)過程優(yōu)化對全市二氧化碳排放的抑制作用在不斷增強(qiáng)。雖然目前工業(yè)生產(chǎn)過程優(yōu)化對全市溫室氣體排放總量的影響并不顯著,但是通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程,開展流程重塑是一項(xiàng)系統(tǒng)性、長期性的過程,隨著技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)字化應(yīng)用等不斷發(fā)展,生產(chǎn)過程優(yōu)化對全市二氧化碳排放抑制作用將逐漸顯現(xiàn)。詳見圖6。

圖6 工業(yè)生產(chǎn)過程因素變化情況

4 結(jié)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(xiàn),但由于數(shù)據(jù)量較大,計(jì)算繁瑣,會對計(jì)算結(jié)果的完整性和準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大影響。本研究以杭州市為例開展各因素分析,并根據(jù)分析結(jié)果提出以下建議。

4.1 持續(xù)優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),拓展節(jié)能減排空間

持續(xù)推進(jìn)淘汰落后產(chǎn)能,通過推動化纖、化工等高碳低效行業(yè)企業(yè)加速淘汰整治或者轉(zhuǎn)型提升;嚴(yán)控高耗能產(chǎn)業(yè)源頭進(jìn)入,著力促進(jìn)重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目落地,培育壯大新興產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn),大力發(fā)展集成電路、智能裝備等新興產(chǎn)業(yè),進(jìn)一步拓展全市節(jié)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(chuàng)新能效提升新思路,重點(diǎn)以節(jié)電、節(jié)熱為目標(biāo),深挖能效提升潛力,推進(jìn)工業(yè)園區(qū)多能互補(bǔ)集成利用等高效能源利用模式;結(jié)合“綠色園區(qū)”打造、“園區(qū)循環(huán)化改造”等舉措,推進(jìn)能源梯級利用;加強(qiáng)工業(yè)廢料、農(nóng)林廢料資源再利用,持續(xù)推進(jìn)活性炭再生“綠島”建設(shè),構(gòu)建“綠島”治理新模式;推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等智慧能源建設(shè),提升工業(yè)園區(qū)能源調(diào)配和調(diào)度的智能化水平,進(jìn)一步提升能源利用效率。

4.3 加快煤炭油品減量步伐,實(shí)施可再生能源替代

推動油品替代、減煤,加快開發(fā)太陽能、潮汐能、生物質(zhì)能(垃圾焚燒發(fā)電)等可再生能源,提高全市傳統(tǒng)行業(yè)“綠電”使用比例,不斷降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展對化石能源的依賴程度。

4.4 推廣數(shù)字賦能能源管理,開啟節(jié)能降耗新模式

充分發(fā)揮數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新優(yōu)勢,持續(xù)推進(jìn)能源利用節(jié)能減排,以虛擬電廠為切入口,積極推進(jìn)現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施與新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的融合,加快建設(shè)多元融合的高彈性電網(wǎng),廣泛應(yīng)用電力互聯(lián)網(wǎng),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(fā);加速數(shù)字化技術(shù)在再生資源回收行業(yè)的應(yīng)用,協(xié)同減污降碳、交通智慧管理等領(lǐng)域,拓寬資源優(yōu)化整合渠道,挖潛節(jié)能降耗空間。

4.5 抓住重要窗口期和機(jī)遇,推動消費(fèi)端碳減排

緊抓杭州舉辦亞運(yùn)會、建設(shè)大都市、推進(jìn)現(xiàn)代化的重要窗口期,開展綠色消費(fèi)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè),完善綠色消費(fèi)制度規(guī)范和政策保障,營造綠色生活氛圍,倡導(dǎo)低碳消費(fèi)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(dǎo)人們踐行綠色低碳行為;依托“十四五”實(shí)施新型城鎮(zhèn)化、推進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略,廣泛開展低零碳建筑創(chuàng)建,加快布局未來社區(qū)、未來鄉(xiāng)村試點(diǎn)建設(shè),全面推動城鄉(xiāng)建設(shè)模式低碳轉(zhuǎn)變;融合共享經(jīng)濟(jì)模式,以創(chuàng)新推動現(xiàn)代服務(wù)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,多元推動消費(fèi)端碳減排。