中國天然氣供應(yīng)風(fēng)險響應(yīng)研究

摘要 在能源低碳轉(zhuǎn)型和供應(yīng)風(fēng)險沖擊的雙重影響下，天然氣供應(yīng)安全對各經(jīng)濟(jì)體實(shí)現(xiàn)能源安全和“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。為探究風(fēng)險頻發(fā)背景下天然氣供應(yīng)安全問題，該研究首先基于天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)構(gòu)建全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，通過計算機(jī)仿真并運(yùn)用逾滲理論識別全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。其次，構(gòu)建基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的改進(jìn)級聯(lián)失效模型模擬風(fēng)險傳遞的動態(tài)過程，明晰風(fēng)險傳遞路徑。在此基礎(chǔ)上，量化核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要天然氣供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體減少供應(yīng)時，作為核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要進(jìn)口國的中國在不同情景下的天然氣進(jìn)口損失。結(jié)果表明：①當(dāng)天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時，其特征會發(fā)生明顯變化，度中心性由高到低排名前16%的經(jīng)濟(jì)體構(gòu)成全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。②中國天然氣進(jìn)口損失，不僅隨風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣數(shù)量的上升而上升，而且隨價格指數(shù)漲幅和風(fēng)險程度的增加而增加，風(fēng)險程度增加造成的影響高于價格指數(shù)。③風(fēng)險源為尼日利亞時，中國天然氣進(jìn)口損失最大。風(fēng)險源為美國、俄羅斯和馬來西亞時，在風(fēng)險程度為50%情況下，中國天然氣沒有進(jìn)口損失，而是獲得更大的市場份額；在風(fēng)險程度為35%和65%時，中國天然氣存在進(jìn)口損失。這意味著，要想降低外部風(fēng)險對中國天然氣供應(yīng)的影響，一是要建立完備的風(fēng)險防范與預(yù)警機(jī)制以實(shí)現(xiàn)對尼日利亞、美國等重要風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體的動態(tài)監(jiān)測和管控；二是要做好天然氣市場預(yù)期管理以降低價格波動對天然氣進(jìn)口的影響；三是通過強(qiáng)化戰(zhàn)略儲備和參與全球治理等措施增強(qiáng)中國天然氣進(jìn)口風(fēng)險抵御能力。研究結(jié)論有助于決策者制定有效的資源安全戰(zhàn)略，以建立一個具有更高韌性的貿(mào)易體系，從而提高天然氣供應(yīng)的安全性和效率。

關(guān)鍵詞 天然氣；供應(yīng)風(fēng)險；響應(yīng)；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；級聯(lián)失效

中圖分類號 F416；F746 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002-2104（2024）09-0054-13 DOI：10. 12062/cpre. 20240514

隨著氣候變化問題越來越突出，全球應(yīng)對氣候變化的進(jìn)程正在加速推進(jìn)［1］。全球各經(jīng)濟(jì)體為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)（以下簡稱“雙碳”目標(biāo)）和保障能源安全，推動能源低碳轉(zhuǎn)型是必要舉措［2］。天然氣作為清潔高效的低碳能源，對全球各經(jīng)濟(jì)體應(yīng)對極端氣候、實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型以及保障能源應(yīng)急供應(yīng)意義重大［3］。隨著全球能源低碳轉(zhuǎn)型帶來的天然氣需求激增，全球天然氣消費(fèi)量、產(chǎn)量和貿(mào)易量均出現(xiàn)不同程度的增加。根據(jù)BP統(tǒng)計年鑒，2021年全球天然氣消費(fèi)量較2020年增長4. 99%，產(chǎn)量同比增長4. 16%，貿(mào)易量上漲8. 22%。但2012—2021年全球天然氣消費(fèi)量年均增速為2. 26%，產(chǎn)量年均增速為2. 20%，天然氣消費(fèi)增速高于產(chǎn)量增速0. 06 個百分點(diǎn)，2021年全球天然氣市場供需缺口約為290. 49億 m3，全球天然氣市場供需呈緊平衡狀態(tài)，未來受極端天氣的影響和新興產(chǎn)業(yè)能源需求的拉動，全球天然氣供需缺口將進(jìn)一步增大［4］。在當(dāng)前國際能源危機(jī)蔓延、新的地緣競爭加大、全球通脹壓力持續(xù)和經(jīng)濟(jì)全球化遭遇逆流的大變局下，全球天然氣供應(yīng)安全存在極大的不確定性。一旦某天然氣主要供應(yīng)國因自然災(zāi)害、地緣政治沖突、運(yùn)輸中斷等因素中斷天然氣供應(yīng)時，極有可能形成級聯(lián)效應(yīng)，導(dǎo)致全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的分割、破碎與崩潰，甚至誘發(fā)全球性的能源危機(jī)，威脅全球各經(jīng)濟(jì)體的能源安全。

中國作為全球天然氣主要進(jìn)口國和第三大天然氣消費(fèi)國，同時也是全球最大的碳排放國，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和所面臨的困難和阻力比其他發(fā)達(dá)國家更大。天然氣作為中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵資源，其供應(yīng)穩(wěn)定對中國實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型具有舉足輕重的意義。然而，一方面中國天然氣儲量不足，盡管2022年受烏克蘭危機(jī)影響，天然氣消費(fèi)較2021 年略有降低，但對外依存度仍達(dá)39. 9%。據(jù)中國科學(xué)院相關(guān)資料，預(yù)計到2030年，中國仍有1 200億～1 700億 m3的天然氣供需缺口，需要依靠增加進(jìn)口來滿足需求；另一方面近年來天然氣供應(yīng)風(fēng)險在發(fā)生頻率和強(qiáng)度上都進(jìn)一步增強(qiáng)。2018年1月下旬，從土庫曼斯坦到中國的跨境天然氣管道沿線天然氣供應(yīng)急劇減少，從2億 m3降至0. 7億 m3，導(dǎo)致中國東北地區(qū)用于供暖的天然氣供應(yīng)嚴(yán)重短缺。2019年7月，管道天然氣供應(yīng)在沒有任何通知的情況下突然削減了42%［5］。如何在風(fēng)險頻發(fā)背景下保障天然氣供應(yīng)安全成為中國亟待解決的重要課題。

目前，關(guān)于天然氣供應(yīng)安全的相關(guān)研究比較豐富?，F(xiàn)有研究普遍采用結(jié)構(gòu)性的靜態(tài)指標(biāo)對天然氣供應(yīng)安全進(jìn)行評價，比如Pavlovi?等［6］從能源強(qiáng)度、進(jìn)口依存度等方面構(gòu)建了天然氣綜合評價指標(biāo)體系，對克羅地亞的天然氣供應(yīng)安全進(jìn)行評價。Biresselioglu等［7］以23個天然氣主要進(jìn)口國為研究對象，運(yùn)用主成分分析法評估了各國天然氣供應(yīng)安全，并指出供應(yīng)國數(shù)量、供應(yīng)商脆弱性和進(jìn)口天然氣總量是最有效的衡量指標(biāo)。Wang等［8］基于企業(yè)?市場?政府的多主體博弈框架，構(gòu)建了可耗盡的資源市場均衡模型評估中國天然氣供應(yīng)安全，并提出相應(yīng)的安全組合策略。Xie等［9］基于主成分分析法，利用年度和月度數(shù)據(jù)，從供需和外部環(huán)境的角度對天然氣長期和短期安全進(jìn)行了全面研究。盡管靜態(tài)指標(biāo)能在一定程度上從多個維度反映天然氣供應(yīng)安全水平，但無法表征天然氣供應(yīng)在遭受風(fēng)險沖擊時的性能或響應(yīng)。

一些學(xué)者運(yùn)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析、系統(tǒng)動力學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等研究方法［10-13］，對天然氣供應(yīng)風(fēng)險動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，如崔巍等［14］運(yùn)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析對中國天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，從穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)度和共生性3個維度對中國天然氣供應(yīng)安全水平進(jìn)行評估，進(jìn)一步從國外進(jìn)口減少、國內(nèi)產(chǎn)量增加及國內(nèi)消費(fèi)減少3個方面進(jìn)行情景仿真，并從區(qū)域?qū)用嫣骄縼喬葏^(qū)域?qū)μ烊粴夤?yīng)安全的異質(zhì)性影響。Li等［15］基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的系統(tǒng)韌性評價方法，從靜態(tài)和動態(tài)角度，探究中國天然氣供應(yīng)系統(tǒng)在不同情景下的韌性水平，發(fā)現(xiàn)增加氣源的供應(yīng)能力有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和恢復(fù)能力。Ding等［5］運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)模型對風(fēng)險進(jìn)行仿真，評估了中國天然氣系統(tǒng)在供應(yīng)短缺情景下的韌性，并提出提高系統(tǒng)韌性的優(yōu)化建議。Qian等［16］在構(gòu)建投入-產(chǎn)出系統(tǒng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對中國天然氣供應(yīng)中斷情景下的應(yīng)急響應(yīng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2017 年天然氣危機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失總額為21. 76億美元，并提出提高儲量釋放率和加強(qiáng)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的連通性可以有效地提高天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的韌性。楊楠［17］運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論剖析了天然氣管網(wǎng)的演化機(jī)制并探討了天然氣管網(wǎng)的韌性，發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)攻擊狀態(tài)下天然氣管網(wǎng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性，蓄意攻擊狀態(tài)下韌性較弱。現(xiàn)有關(guān)于天然氣供應(yīng)風(fēng)險響應(yīng)的研究，多通過設(shè)置不同情景評估天然氣供應(yīng)風(fēng)險水平和韌性，較少考慮風(fēng)險在供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上的傳遞和流動信息［18］。吳奇［19］則考慮到風(fēng)險流動信息，運(yùn)用投入產(chǎn)出模型和Top網(wǎng)絡(luò)分析方法，對共建“一帶一路”國家天然氣稀缺風(fēng)險及其轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天然氣稀缺風(fēng)險轉(zhuǎn)移偏好呈地理近鄰性特征，但仍未回答“風(fēng)險如何在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳導(dǎo)”這一關(guān)鍵問題。級聯(lián)失效模型可以有效解決風(fēng)險在供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的傳導(dǎo)問題［20］，如汪金洲等［21］引入級聯(lián)失效模型對復(fù)雜供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)模型的風(fēng)險動態(tài)傳播進(jìn)行分析。當(dāng)前，以級聯(lián)失效模型展開的研究多集中于模型改進(jìn)［21］及軍事［22］、交通［23］、電力系統(tǒng)［24］等領(lǐng)域。

綜上可知，部分學(xué)者已從多維層面構(gòu)建指標(biāo)體系，對天然氣供應(yīng)安全水平進(jìn)行評價，但靜態(tài)性的結(jié)構(gòu)指標(biāo)無法表征風(fēng)險的沖擊或響應(yīng)問題。對此，部分學(xué)者采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析、系統(tǒng)動力學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析等方法，探究不同情景下天然氣供應(yīng)系統(tǒng)韌性，并提出相應(yīng)政策建議。但這些研究較少關(guān)注天然氣供應(yīng)風(fēng)險的傳導(dǎo)路徑，也幾乎未有文獻(xiàn)探索天然氣進(jìn)口經(jīng)濟(jì)體在風(fēng)險傳導(dǎo)過程中進(jìn)口損失情況。級聯(lián)失效模型可以較好地處理風(fēng)險傳導(dǎo)等問題，但針對天然氣的相關(guān)研究仍然較為少見。同時，考慮到天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)具備典型的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征，即天然氣貿(mào)易主要集中在少數(shù)經(jīng)濟(jì)體，大部分經(jīng)濟(jì)體處于天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置［25］。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍基于全部經(jīng)濟(jì)體展開研究，不僅數(shù)據(jù)量和計算量大，而且對問題的研究也不夠聚焦［26-28］。一些學(xué)者選擇部分經(jīng)濟(jì)體為研究對象展開分析，但選擇普遍缺乏科學(xué)依據(jù)，主觀性較強(qiáng)［29-30］?；诖?，本研究首先基于天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)構(gòu)建全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，采用計算機(jī)仿真模擬對天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用逾滲理論過濾掉天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中大量的邊緣節(jié)點(diǎn)，識別出全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。其次，進(jìn)一步構(gòu)建多層天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型和風(fēng)險傳導(dǎo)路徑，運(yùn)用級聯(lián)失效模型探究核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體發(fā)生風(fēng)險時，中國作為核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的主要進(jìn)口經(jīng)濟(jì)體，在風(fēng)險傳導(dǎo)過程中遭受的進(jìn)口損失情況，以此來反映中國天然氣供應(yīng)風(fēng)險的響應(yīng)情況。本研究為進(jìn)一步深入探討天然氣供應(yīng)風(fēng)險問題提供一種新思路，對中國抵御未來風(fēng)險沖擊、提前制定應(yīng)對策略，保障天然氣供應(yīng)穩(wěn)定、推動能源低碳轉(zhuǎn)型及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1. 1 數(shù)據(jù)來源

目前天然氣主要以管道天然氣（PNG）和液化天然氣（LNG）的形式進(jìn)行貿(mào)易，根據(jù)聯(lián)合國貿(mào)易數(shù)據(jù)庫中的統(tǒng)計名目，選取2020年HS海關(guān)編碼為271 111（LNG）和271121（PNG）的全球257個經(jīng)濟(jì)體之間天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)，剔除無效數(shù)據(jù)，最終基于全球141個經(jīng)濟(jì)體共計456條天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)構(gòu)建全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，在聯(lián)合國貿(mào)易數(shù)據(jù)庫中進(jìn)出口數(shù)據(jù)在相同貿(mào)易流方向上存在不一致的情況，本研究主要關(guān)注的是天然氣主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體供應(yīng)減少對主要進(jìn)口經(jīng)濟(jì)體的影響。因此，統(tǒng)一使用出口數(shù)據(jù)開展研究［31-32］。數(shù)據(jù)來源于世界銀行、Knoema數(shù)據(jù)中心和聯(lián)合國貿(mào)易數(shù)據(jù)庫。

1. 2 核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法

已有研究表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭受連續(xù)蓄意攻擊時，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生顯著變化甚至走向崩潰［33］，在這個過程中，當(dāng)受攻擊比例達(dá)到何種程度會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從“完整”迅速轉(zhuǎn)為“崩潰”是本研究的重點(diǎn)，也是運(yùn)用逾滲理論識別出核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。目前，以網(wǎng)絡(luò)效率、集聚系數(shù)等指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時變化情況進(jìn)行分析的研究已較為豐富［34-38］。參考段德忠等［37］、郭衛(wèi)東等［38］的研究，從網(wǎng)絡(luò)傳輸性、集聚性、連通性、度變化、節(jié)點(diǎn)變化和網(wǎng)絡(luò)破碎程度方面選取指標(biāo)，運(yùn)用計算機(jī)仿真方法，對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照度中心性從大到小順序依次進(jìn)行攻擊，分析此過程中全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特征變化情況，并結(jié)合逾滲理論識別核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

1. 2. 1 全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)

（1）平均路徑長度。平均路徑長度是指網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的平均最短距離，通常用于衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸性［38］，網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度越大，代表從一個節(jié)點(diǎn)到另一個節(jié)點(diǎn)的資源、信息擴(kuò)散越慢，傳輸效率越低，反之則傳輸效率越強(qiáng)。在本研究中該指標(biāo)表示天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和貿(mào)易流通情況。平均路徑長度公式如下：

式中：L 表示平均最短路徑長度，n 是節(jié)點(diǎn)總數(shù)量，vi是第i 個節(jié)點(diǎn)，vj 是第j 個節(jié)點(diǎn)，V = {v1，v2，v3…，vn}是節(jié)點(diǎn)的集合，d （vi，vj ）表示節(jié)點(diǎn)vi 和vj 之間的最短路徑長度。

（2）集聚系數(shù)。集聚系數(shù)通常用來衡量網(wǎng)絡(luò)的集聚性。天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)集聚系數(shù)越大，說明網(wǎng)絡(luò)一體化程度越高，節(jié)點(diǎn)聯(lián)系越緊密。集聚系數(shù)是節(jié)點(diǎn)vi 與其相連節(jié)點(diǎn)實(shí)際存在的連接邊數(shù)和完全連接時總邊數(shù)的比值之和與總節(jié)點(diǎn)的比值。集聚系數(shù)公式如下：

式中：H 表示集聚系數(shù)，n 表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)量，ki表示節(jié)點(diǎn)vi 的鄰接經(jīng)濟(jì)體的數(shù)量，ei表示節(jié)點(diǎn)vi 與鄰接經(jīng)濟(jì)體產(chǎn)生的實(shí)際貿(mào)易關(guān)系。

（3）網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)中任意2個節(jié)點(diǎn)vi 和vj 之間最短路徑長度的倒數(shù)，代表節(jié)點(diǎn)之間天然氣貿(mào)易傳輸效率。網(wǎng)絡(luò)效率U 是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間效率的平均值，用于度量網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，網(wǎng)絡(luò)效率越高表明網(wǎng)絡(luò)連通程度和通達(dá)性越好。網(wǎng)絡(luò)效率公式如下：

式中：U 表示網(wǎng)絡(luò)效率，n 是節(jié)點(diǎn)總數(shù)量，V ={v1，v2，v3…，vn}是節(jié)點(diǎn)集合， d （vi，vj ）表示節(jié)點(diǎn)vi 和vj 之間的最短路徑長度。

（4）網(wǎng)絡(luò)平均度。該指標(biāo)代表全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度的平均數(shù)，網(wǎng)絡(luò)平均度變化越大，網(wǎng)絡(luò)越脆弱［38］。網(wǎng)絡(luò)平均度公式如下：

式中：M 表示網(wǎng)絡(luò)平均度，n 和mi 分別表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)量和節(jié)點(diǎn)vi 的度中心性。

（5）孤立節(jié)點(diǎn)比例。孤立節(jié)點(diǎn)比例是指網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)中游離節(jié)點(diǎn)的比例，孤立節(jié)點(diǎn)占比越大，網(wǎng)絡(luò)中游離節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越分散，網(wǎng)絡(luò)越接近崩潰。孤立節(jié)點(diǎn)比例是網(wǎng)絡(luò)中孤立節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比值。孤立節(jié)點(diǎn)比例公式如下：

N = δ/n（5）

式中：N 表示孤立節(jié)點(diǎn)比例，n 和δ 分別表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)量和孤立節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

（6）最大連通子圖相對大小。最大連通子圖相對大小是網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊后網(wǎng)絡(luò)被破壞程度最直接的體現(xiàn)［38］。

最大連通子圖相對大小越小，表明網(wǎng)絡(luò)被破壞程度越高，網(wǎng)絡(luò)越破碎。最大連通子圖相對大小公式如下：

G = σ/g（6）

式中：G 表示最大連通子圖相對大小，g 和σ 分別代表初始網(wǎng)絡(luò)大小和最大連通子圖大小。

1. 2. 2 逾滲理論

全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是由關(guān)鍵的天然氣供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體及其天然氣貿(mào)易流組成的網(wǎng)絡(luò)，不僅具有良好的連接關(guān)系，而且保持著較高的網(wǎng)絡(luò)密度，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)程度高。

逾滲理論能有效處理龐大無序系統(tǒng)中由于相互聯(lián)結(jié)程度變化所引起的突變效應(yīng)，該理論認(rèn)為在龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中隨著聯(lián)結(jié)程度，或某種密度、占比增加（或減少）到一定程度，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)會突然出現(xiàn)（或消失）某種長程聯(lián)結(jié)性，網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)會發(fā)生突變［38］。在天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時網(wǎng)絡(luò)密度和結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，引入逾滲理論可以有效識別核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)的逾滲閾值存在差異，如三角形、正方形、蜂房及連續(xù)區(qū)的逾滲閾值分別為0. 500、0. 593、0. 698和0. 500［38，40-42］。由于全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)基本符合無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性，參考Li等［40］、Newman等［43］的研究，無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)逾滲閾值（P）的核算方法如下：

P = ζ （λ - 1，f ）/ [ ζ （λ - 2，f ） - ζ （λ - 1，f ） ] （7）

式中：ζ 為Hurwitzzeta函數(shù)，λ 為網(wǎng)絡(luò)度分布指數(shù)，f 為網(wǎng)絡(luò)最小度。

1. 3 基于多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在充分考慮經(jīng)濟(jì)體貿(mào)易關(guān)系、產(chǎn)品供需關(guān)系和價格因素基礎(chǔ)上，參考Hao等［29］、沈曦等［44］的研究，基于多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建包含貿(mào)易層、信息層和價格指數(shù)層的天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即基于天然氣實(shí)際國際供應(yīng)關(guān)系構(gòu)建的貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)Θ、基于各經(jīng)濟(jì)體間天然氣競爭購買關(guān)系的信息層Ω 和價格指數(shù)層網(wǎng)絡(luò)B，力求準(zhǔn)確描述天然氣國際供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

1. 3. 1 基于單級產(chǎn)品的貿(mào)易層

貿(mào)易聯(lián)系是最重要的風(fēng)險傳播途徑之一［45-49］。由于天然氣普遍以基礎(chǔ)產(chǎn)品形式進(jìn)行貿(mào)易，因此，基于單級產(chǎn)品對貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)為：

Θ = （V，Φ，Ψ ） （8）

式中：Θ 為貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)；V = {v1，v2，v3…，vn}為天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)集合，表示參與天然氣貿(mào)易活動的經(jīng)濟(jì)體集合；Φ = {?ij| i，j = 0，1，2，…n }為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)連邊的集合，連邊為有向邊，箭頭方向代表天然氣流動方向；?ij代表節(jié)點(diǎn)vi 和vj 之間的貿(mào)易關(guān)系；Ψ ={ψij| i，j = 1，2，…，n }為邊權(quán)重，用經(jīng)濟(jì)體天然氣的實(shí)際貿(mào)易量表示。

1. 3. 2 信息層

全球天然氣分布相對集中，為保障天然氣供給和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，經(jīng)濟(jì)體之間會進(jìn)行資源爭奪。因此，基于經(jīng)濟(jì)體之間的進(jìn)口競爭關(guān)系構(gòu)建信息層網(wǎng)絡(luò)，以更準(zhǔn)確模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)。信息層網(wǎng)絡(luò)為：

Ω = （V，Γ，C） （9）

式中：Ω 為信息層網(wǎng)絡(luò)；V = {v1，v2，v3…，vn}為節(jié)點(diǎn)的集合，表示參與天然氣貿(mào)易活動經(jīng)濟(jì)體的集合，與貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)相同。Γ = {γij| i，j = 1，2，3…n }為邊集合，其中：當(dāng)γij 為0時，表示vi 和vj 之間不存在天然氣進(jìn)口競爭；當(dāng)γij為1時，表示vi 和vj 之間存在進(jìn)口競爭關(guān)系，信息層所有邊均為無向連邊。C = {c1，c2，c3…，cn }為節(jié)點(diǎn)進(jìn)口競爭力集合，表示在天然氣市場供不應(yīng)求情況下，各節(jié)點(diǎn)進(jìn)口量分流比例。

受極端天氣、烏克蘭危機(jī)等事件影響，近年來天然氣價格高漲。經(jīng)濟(jì)體對天然氣進(jìn)口價格的敏感性，一方面表示該經(jīng)濟(jì)體對天然氣需求的剛性程度，另一方面反映該經(jīng)濟(jì)體在天然氣進(jìn)口方面是否具有競爭力。經(jīng)濟(jì)體天然氣需求價格彈性系數(shù)較小，代表天然氣價格上漲對該經(jīng)濟(jì)體天然氣進(jìn)口量影響較小，該經(jīng)濟(jì)體在風(fēng)險沖擊下具備較高的進(jìn)口競爭力，仍能保持天然氣的進(jìn)口穩(wěn)定。

因此，采用需求價格彈性系數(shù)表征各經(jīng)濟(jì)體對天然氣的進(jìn)口競爭力。參考成金華等［50］、沈曦等［44］的研究，各經(jīng)濟(jì)體天然氣需求價格彈性系數(shù)的計算公式如下：

ln Ya = ln A + β2ln （Xa ） + β3ln （Za ） （10）

式中：Ya 為節(jié)點(diǎn)vi 第a 年的天然氣進(jìn)口量；A 為常數(shù)項；Xa為節(jié)點(diǎn)vi 第a 年的天然氣的進(jìn)口價格與居民消費(fèi)價格指數(shù)（CPI）的比值，以消除經(jīng)濟(jì)增長和通貨膨脹的影響；β2 為節(jié)點(diǎn)vi 天然氣需求價格彈性系數(shù)；Za為第a 年的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）；β3 為其回歸系數(shù)。

1. 3. 3 價格指數(shù)層

地緣政治沖突等事件的發(fā)生常伴隨著全球天然氣價格的高漲，并通過經(jīng)濟(jì)體間貿(mào)易關(guān)系以價格波動的形式在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳播，進(jìn)一步傳遞給供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的各經(jīng)濟(jì)體。價格指數(shù)變動短期內(nèi)會引起天然氣供需變化，天然氣供需改變也會影響天然氣價格，隨著價格和供需不斷調(diào)整，最終達(dá)到平衡。價格指數(shù)層網(wǎng)絡(luò)為：

B = （ p） （11）

式中：B 為價格指數(shù)層網(wǎng)絡(luò)，p 是為天然氣市場價格指數(shù)，代表市場中天然氣價格變化，原始狀態(tài)下p=1，表示風(fēng)險未發(fā)生時天然氣市場價格指數(shù)穩(wěn)定。

1. 3. 4 層間映射關(guān)系

參考文獻(xiàn)［44］，設(shè)定貿(mào)易層與信息層為“一對一”的節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系F，信息層與價格指數(shù)層為“多對一”的節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系J。由此，基于多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型NG 為：

NG = {Θ，Ω，B，F(xiàn)，J} （12）

如圖1所示，假設(shè)全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)包括9個經(jīng)濟(jì)體，對應(yīng)著貿(mào)易層和信息層中的9個節(jié)點(diǎn)，其中2個節(jié)點(diǎn)為天然氣主要出口經(jīng)濟(jì)體，4個節(jié)點(diǎn)為直接與主要出口經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易聯(lián)系的經(jīng)濟(jì)體。當(dāng)主要出口經(jīng)濟(jì)體減少供給時，與主要出口經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易聯(lián)系的經(jīng)濟(jì)體為直接受到供應(yīng)短缺風(fēng)險影響的經(jīng)濟(jì)體，與直接受影響的經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易聯(lián)系的3個節(jié)點(diǎn)，為間接受到供應(yīng)短缺風(fēng)險影響的經(jīng)濟(jì)體。貿(mào)易層中黃色和紅色的邊分別代表正常的貿(mào)易流和受到風(fēng)險影響的貿(mào)易流，信息層的藍(lán)色邊代表經(jīng)濟(jì)體間的競爭關(guān)系，價格指數(shù)層的節(jié)點(diǎn)為全球天然氣市場價格指數(shù)。

1. 4 基于改進(jìn)的級聯(lián)失效模型與風(fēng)險傳導(dǎo)規(guī)則

為進(jìn)一步評估核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體發(fā)生風(fēng)險時，對網(wǎng)絡(luò)中其他經(jīng)濟(jì)體所帶來的進(jìn)口損失，參考文獻(xiàn)［44］，基于已構(gòu)建的全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情境的風(fēng)險傳導(dǎo)特點(diǎn)，對傳統(tǒng)級聯(lián)失效模型進(jìn)行改進(jìn)，并構(gòu)建風(fēng)險傳導(dǎo)規(guī)則。

1. 4. 1 模型改進(jìn)與模型假設(shè)

（1）模型改進(jìn)。級聯(lián)失效模型被廣泛用于風(fēng)險傳導(dǎo)分析，該模型主要包含3個因素：初始負(fù)載定義、節(jié)點(diǎn)容量設(shè)置和負(fù)載重分配策略［51］。傳統(tǒng)級聯(lián)失效模型通常假設(shè)系統(tǒng)負(fù)載和容量為固定值，并使用均勻分配等簡單的負(fù)載重配原則，且設(shè)定當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載超過其負(fù)載容量時，該節(jié)點(diǎn)就會失效。但實(shí)際上當(dāng)天然氣主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體因受到地緣政治沖突等事件的影響減少了天然氣出口時，主要進(jìn)口經(jīng)濟(jì)體因主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體出口減少而進(jìn)口減少，減少天然氣出口的主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體即為風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)負(fù)載為出口減少量，其他受到影響的經(jīng)濟(jì)體為非風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)負(fù)載為進(jìn)口損失量，隨著風(fēng)險在網(wǎng)絡(luò)中不斷擴(kuò)散，天然氣市場價格和供求關(guān)系發(fā)生變化，各經(jīng)濟(jì)體天然氣進(jìn)出口量即節(jié)點(diǎn)負(fù)載，會隨風(fēng)險傳播而動態(tài)變化。而且根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體因突發(fā)事件影響減少天然氣供給，產(chǎn)生供應(yīng)短缺風(fēng)險時，風(fēng)險在供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上傳導(dǎo)并不會導(dǎo)致受影響經(jīng)濟(jì)體的失效，而是使該經(jīng)濟(jì)體減少本土天然氣出口以彌補(bǔ)進(jìn)口不足或承擔(dān)天然氣進(jìn)口損失。此外，當(dāng)發(fā)生風(fēng)險后，天然氣供需失衡，價格升高，作為非風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)的主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體會加大天然氣出口，新增的天然氣量并非簡單的均勻分配，而是根據(jù)各經(jīng)濟(jì)體進(jìn)口競爭力進(jìn)行負(fù)載重配。因此，需要對傳統(tǒng)級聯(lián)失效模型進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)合本研究內(nèi)容，模型改進(jìn)如下：

改進(jìn)一：節(jié)點(diǎn)負(fù)載容量設(shè)為各經(jīng)濟(jì)體原始狀態(tài)下的總進(jìn)口量（非風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)）或者總出口量（風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)負(fù)載定義為各經(jīng)濟(jì)體在風(fēng)險傳播過程中的進(jìn)口損失量（非風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)）或者出口減少量（風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)）。同時設(shè)定在風(fēng)險傳播過程中各節(jié)點(diǎn)（經(jīng)濟(jì)體）不會失效，而是將風(fēng)險影響轉(zhuǎn)化為各經(jīng)濟(jì)體的進(jìn)口損失量。

改進(jìn)二：在初始狀態(tài)下風(fēng)險未發(fā)生，各經(jīng)濟(jì)體均處于正常貿(mào)易狀態(tài)，未存在進(jìn)口損失和出口減少，故設(shè)各節(jié)點(diǎn)初始負(fù)載為0。

改進(jìn)三：根據(jù)各經(jīng)濟(jì)體天然氣進(jìn)口競爭力進(jìn)行負(fù)載重新分配。

（2）模型假設(shè)。設(shè)定風(fēng)險來源為某個主要天然氣出口經(jīng)濟(jì)體，風(fēng)險表現(xiàn)為風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體出口減少，以貿(mào)易周期t 為時間單位，針對風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體出口減少對天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中其他經(jīng)濟(jì)體的影響，進(jìn)行風(fēng)險傳導(dǎo)仿真模擬，量化經(jīng)濟(jì)體在風(fēng)險傳導(dǎo)過程中的進(jìn)口損失。

模型假設(shè)如下：

假設(shè)一：設(shè)定天然氣主要為賣方市場，天然氣的實(shí)際需求在風(fēng)險伊始至風(fēng)險結(jié)束的過程中不會下降。

假設(shè)二：當(dāng)全球天然氣供應(yīng)減少時，各經(jīng)濟(jì)體為優(yōu)先保障本土天然氣充分供給，將通過減少天然氣出口以最大限度保障自身供給。

1. 4. 2 風(fēng)險傳導(dǎo)規(guī)則

第一階段：基于上述假設(shè)，當(dāng)某天然氣主要出口經(jīng)濟(jì)體vi 受到風(fēng)險程度為R 的突發(fā)事件影響時，減少了天然氣出口，網(wǎng)絡(luò)中便出現(xiàn)供應(yīng)短缺風(fēng)險。在第一個貿(mào)易周期t=1內(nèi)，風(fēng)險沿著貿(mào)易層網(wǎng)絡(luò)中aahNA1w1koc1yQIcP+V/Kw==節(jié)點(diǎn)的連邊關(guān)系，以進(jìn)口缺額方式一層層地向下傳導(dǎo)，由于風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體與其他經(jīng)濟(jì)體之間貿(mào)易關(guān)系和貿(mào)易量的不同，各經(jīng)濟(jì)體受到影響的大小和順序不同。如圖2所示，天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出以天然氣主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體為圓心的、根據(jù)貿(mào)易關(guān)系進(jìn)行分層排列的、內(nèi)密外疏的同心圓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)處于最內(nèi)層的紅色風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體減少天然氣出口時，直接受影響的是與紅色風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易連邊的黃色非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體，間接受影響的是與黃色非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易連邊的紫色非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體，以此類推。

將天然氣主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體存入集合D0，將直接受風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 出口減少影響的經(jīng)濟(jì)體存入集合D1，經(jīng)濟(jì)體vj 在第t 個貿(mào)易周期內(nèi)的天然氣進(jìn)口缺額為ED1tj，計算公式如下：

ED1tj= R × D1vij （13）

式中：R 為風(fēng)險程度，D1vij 表示D1中的經(jīng)濟(jì)體vj 在原始狀態(tài)從風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 進(jìn)口的天然氣數(shù)量。

因進(jìn)口缺額的存在，D1中受風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體直接影響的經(jīng)濟(jì)體為保障自身天然氣供給，根據(jù)風(fēng)險程度大小相應(yīng)的減少天然氣出口，根據(jù)各經(jīng)濟(jì)體之間的貿(mào)易關(guān)系，由于D1中直接被影響的經(jīng)濟(jì)體減少出口，導(dǎo)致從D1中進(jìn)口天然氣的經(jīng)濟(jì)體進(jìn)口量減少，將受到D1中經(jīng)濟(jì)體影響導(dǎo)致進(jìn)口減少的經(jīng)濟(jì)體定義為間接遭受風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 影響的節(jié)點(diǎn)，并將其存入集合D2，此時經(jīng)濟(jì)體vj 的進(jìn)口缺額為ED2tj。以此類推，ED3tj，ED4tj，…，EDntj，風(fēng)險傳播至天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個經(jīng)濟(jì)體。因網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)濟(jì)體之間復(fù)雜的貿(mào)易關(guān)系，各經(jīng)濟(jì)體可能同時被包含于多個Dn中，此時將對應(yīng)的多個進(jìn)口缺額相疊加，即為經(jīng)濟(jì)體vj 在t=1內(nèi)的總進(jìn)口損失E1j。同時，需要注意的是，當(dāng)發(fā)生風(fēng)險時，各經(jīng)濟(jì)體會優(yōu)先減少本土天然氣出口以滿足自身需求，剩余進(jìn)口缺額轉(zhuǎn)化為對其他經(jīng)濟(jì)體的出口減少，若該經(jīng)濟(jì)體不出口天然氣，風(fēng)險無法向下傳遞，則進(jìn)口損失將由該經(jīng)濟(jì)體全部承擔(dān)。第一個貿(mào)易周期結(jié)束。

第二階段：從第二個貿(mào)易周期t=2開始，因?yàn)槿蛱烊粴馐袌龉┬桕P(guān)系的改變，天然氣的價格指數(shù)因需求大于供給按h 的比例上漲，即價格指數(shù)從1變?yōu)?+h，h 為價格指數(shù)上漲幅度。除風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 之外的其他天然氣主要出口經(jīng)濟(jì)體，在價格指數(shù)上升的情況下，為搶占更大的市場份額采取擴(kuò)大投資、提高生產(chǎn)效率等方法，按照擴(kuò)產(chǎn)速率為α 的速度增加天然氣的出口量。風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 在風(fēng)險發(fā)生后也將采取風(fēng)險補(bǔ)救措施，每期按產(chǎn)量恢復(fù)速率為ω 的速度恢復(fù)出口量［44］。根據(jù)天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中各經(jīng)濟(jì)體的貿(mào)易關(guān)系，其他主要天然氣出口經(jīng)濟(jì)體的出口增額，按照各經(jīng)濟(jì)體的進(jìn)口競爭力進(jìn)行分配，D1中經(jīng)濟(jì)體vj 所分配的份額為QD1 j，計算公式如下：

式中：S 為除風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 外其他主要天然氣出口經(jīng)濟(jì)體的天然氣總出口增量；uj 表示經(jīng)濟(jì)體vj 原始狀態(tài)從其他主要天然氣出口經(jīng)濟(jì)體進(jìn)口天然氣的總量；價格指數(shù)上漲幅度用h 表示；τj 代表經(jīng)濟(jì)體vj 的需求價格彈性系數(shù)。QD2 j，QD3 j，…，QDn j 與QD1 j 計算方法相同。

在第二個周期t=2內(nèi)，經(jīng)濟(jì)體vj 進(jìn)口缺額E2j因獲得部分增額而減少：

E2j= E1j- QD1 j - QD2 j - … - QDn j （15）

隨著其他主要天然氣出口經(jīng)濟(jì)體的擴(kuò)產(chǎn)以及風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體vi 出口量的逐漸恢復(fù)，經(jīng)過一個貿(mào)易周期的提升，天然氣價格指數(shù)由1+h 下降至1+h-z，其中z 為天然氣價格指數(shù)下降幅度。為簡化計算，令z=（α+ω）/3，第二個貿(mào)易周期結(jié)束［44］。

第三階段：重復(fù)第二階段，直到經(jīng)歷t 個貿(mào)易周期，網(wǎng)絡(luò)中天然氣主要出口經(jīng)濟(jì)體的總出口量恢復(fù)到原始水平，風(fēng)險傳播結(jié)束，將經(jīng)濟(jì)體vj 在所有貿(mào)易周期中累計的進(jìn)口損失占其原始狀態(tài)下進(jìn)口量的比例，定義為經(jīng)濟(jì)體vj在風(fēng)險傳播過程中的損失比例Wj，計算公式如下：

Wj = （E1j+ E2j+ … + Etj）/qj （16）

式中：Etj為經(jīng)濟(jì)體vj 在第t 個貿(mào)易周期內(nèi)的進(jìn)口缺額，qj 為經(jīng)濟(jì)體vj 在原始狀態(tài)下的總進(jìn)口量。當(dāng)總損失Wj小于0時，表明經(jīng)濟(jì)體vj 在風(fēng)險響應(yīng)中遭受了進(jìn)口損失；當(dāng)總損失Wj等于0時，表明經(jīng)濟(jì)體vj 在此次風(fēng)險響應(yīng)中沒有進(jìn)口損失；當(dāng)總損失Wj大于0時，表明經(jīng)濟(jì)體vj 在此次風(fēng)險響應(yīng)中不僅沒有進(jìn)口損失，反而通過其貿(mào)易競爭優(yōu)勢獲得更大的市場份額。

2 全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)識別

全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是由參與全球天然氣貿(mào)易的各經(jīng)濟(jì)體及其貿(mào)易數(shù)據(jù)構(gòu)成的，當(dāng)各經(jīng)濟(jì)體及其貿(mào)易關(guān)系發(fā)生較大變化時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也會改變。根據(jù)公式（1）—公式（6），運(yùn)用計算機(jī)仿真模擬，按照度中心性順序由大到小對參與貿(mào)易的各經(jīng)濟(jì)體進(jìn)行連續(xù)攻擊，得到各網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)變化情況（圖3），進(jìn)一步結(jié)合逾滲理論識別全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

隨著高度中心性經(jīng)濟(jì)體依次被攻擊，網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)發(fā)生顯著變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例達(dá)到6%時，集聚系數(shù)、平均路徑長度和孤立節(jié)點(diǎn)比例近似實(shí)現(xiàn)交匯，此階段集聚系數(shù)波動下降，最大連通子圖被分割變小，網(wǎng)絡(luò)中冗余路徑損毀，平均路徑長度隨之大幅度下降，孤立節(jié)點(diǎn)比例持續(xù)上升，網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)平均度基本呈線性下降趨勢，全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重沖擊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例持續(xù)至16%時，網(wǎng)絡(luò)效率、集聚系數(shù)和平均路徑長度近似實(shí)現(xiàn)交匯，此階段平均路徑長度和集聚系數(shù)波動下降，最大連通子圖相對大小呈階梯式下降后降速放緩，孤立節(jié)點(diǎn)比例不斷攀升后增長減緩，網(wǎng)絡(luò)平均度和網(wǎng)絡(luò)效率持續(xù)下降至拐點(diǎn)位置，意味著此過程網(wǎng)絡(luò)分裂成諸多子網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連通性變差，逐漸趨于碎片化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例達(dá)到27%時，集聚系數(shù)為0，孤立節(jié)點(diǎn)比例超過50%，網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)平均度、最大連通子圖相對大小降至0. 01附近，與集聚系數(shù)在圖3中近似實(shí)現(xiàn)交匯，平均路徑長度到達(dá)最后一個峰值，此時網(wǎng)絡(luò)連通性很差，網(wǎng)絡(luò)瀕臨崩潰，整體網(wǎng)絡(luò)已分裂成若干個不連通的子網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例達(dá)65%時，整個網(wǎng)絡(luò)完全崩潰，孤立節(jié)點(diǎn)比例為100%。

由于高度中心性經(jīng)濟(jì)體遭受攻擊，使得全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向極不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到某一閾值時網(wǎng)絡(luò)開始迅速分裂并走向完全崩潰，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特征會發(fā)生明顯變化，并在曲線上出現(xiàn)顯著突變點(diǎn)，即全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)存在由一定數(shù)量節(jié)點(diǎn)組成的核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，在核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)未遭受大范圍攻擊時，全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仍可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)變化情況（表1），以網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例為16%和27%的兩個突變點(diǎn)作為判斷核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的臨界值。

結(jié)合公式（7）計算得出，全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的逾滲閾值為0. 005。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例在16%和27%時，網(wǎng)絡(luò)密度分別為0. 006和0. 003，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例從16%上升至27%時，全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密度越過了其逾滲閾值，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由“緊”到“疏”，核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)特性凸顯。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例在16%之前，各網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)呈大幅下降態(tài)勢，網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例在16%以后，各網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)整體上均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，可以認(rèn)為受攻擊的前16%經(jīng)濟(jì)體彼此關(guān)聯(lián)構(gòu)成核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被攻擊比例達(dá)到27%時，孤立節(jié)點(diǎn)比例超過50%，最大連通子圖僅包含2個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)平均度、網(wǎng)絡(luò)效率和集聚系數(shù)近似為0，平均路徑長度到達(dá)最后一個峰值后下降至0，此時網(wǎng)絡(luò)基本崩潰，僅有2個經(jīng)濟(jì)體存在貿(mào)易聯(lián)系，碎片化程度很高，可以認(rèn)為受攻擊的前27%經(jīng)濟(jì)體構(gòu)成全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)，該比例為網(wǎng)絡(luò)崩潰臨界值，其他經(jīng)濟(jì)體相對處于全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置（圖4）。

3 風(fēng)險仿真及中國天然氣進(jìn)口損失評估

3. 1 風(fēng)險仿真情景設(shè)計

3. 1. 1 需求價格彈性系數(shù)

以全球天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為研究對象，根據(jù)聯(lián)合國貿(mào)易數(shù)據(jù)庫2020年天然氣出口數(shù)據(jù)，2020年各經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣總量共計1. 64億 t，其中核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣達(dá)1. 38億 t，占全球出口中國天然氣總量的84. 56%，從側(cè)面印證了核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的重要地位。在核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，尼日利亞、馬來西亞、美國和俄羅斯4個經(jīng)濟(jì)體出口中國的天然氣量占整個核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)出口中國天然氣總量的99%，其他經(jīng)濟(jì)體僅占1%。因此，選擇尼日利亞、馬來西亞、美國和俄羅斯作為核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的天然氣主要出口經(jīng)濟(jì)體并依次作為風(fēng)險源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬，量化當(dāng)核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要出口經(jīng)濟(jì)體減少天然氣供應(yīng)時，核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要進(jìn)口國中國遭受的天然氣進(jìn)口損失情況。

天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中各經(jīng)濟(jì)體天然氣需求價格彈性系數(shù)，是基于各經(jīng)濟(jì)體2011—2020年天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)，運(yùn)用Stata進(jìn)行雙對數(shù)線性回歸計算得到，部分經(jīng)濟(jì)體的天然氣需求價格彈性系數(shù)見表2。

3. 1. 2 情景及參數(shù)設(shè)計

通過查閱和評估過去與天然氣有關(guān)的重大事件相關(guān)資料以及1997—2023年美國亨利中心天然氣現(xiàn)貨價格波動情況，參考Li等［15］和沈曦等［44］的研究，設(shè)定風(fēng)險程度R分別為35%、50%和65%，以此來表征天然氣歷史上曾經(jīng)發(fā)生的低風(fēng)險程度的突發(fā)事件、中風(fēng)險程度的突發(fā)事件和高風(fēng)險程度的突發(fā)事件；設(shè)價格指數(shù)上漲幅度分別為15%、20%和25%，以此模擬天然氣價格指數(shù)低幅度、中幅度、高幅度的上漲情景；通過對天然氣月產(chǎn)量和天然氣月價格變動趨勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，受制于天然氣資源開發(fā)限制，每當(dāng)天然氣價格發(fā)生劇烈波動時，天然氣產(chǎn)量變動幅度明顯小于價格變動幅度，且從時間上看略滯后于價格的變動，基于對現(xiàn)實(shí)情況的考量，設(shè)擴(kuò)產(chǎn)速率α 為5%，產(chǎn)量恢復(fù)速率ω 為10%，經(jīng)歷4個貿(mào)易周期，通過Python編程進(jìn)行36種風(fēng)險情景仿真，參數(shù)設(shè)計見表3。

3. 2 供應(yīng)短缺風(fēng)險對中國天然氣進(jìn)口的影響

通過對不同風(fēng)險情景進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，中國天然氣進(jìn)口損失在不同情景下存在較大差異。結(jié)合2020年各經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣數(shù)量情況，由圖5—圖8可以看出，風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣量越多，其發(fā)生風(fēng)險時中國遭受的進(jìn)口損失越大，而且中國天然氣進(jìn)口損失與價格指數(shù)、風(fēng)險程度普遍呈現(xiàn)正向聯(lián)系，即隨著價格指數(shù)上漲幅度和風(fēng)險程度的增加，中國天然氣進(jìn)口損失增大，表現(xiàn)為正向損失比例逐漸增加，負(fù)向損失比例（進(jìn)口量增加）逐漸減小。此外，供給不足導(dǎo)致的價格波動對于中國天然氣進(jìn)口的影響相較于風(fēng)險程度并不顯著，這與中國天然氣需求價格彈性較低的情況相符。

尼日利亞是中國2020年天然氣最大進(jìn)口來源國，當(dāng)其減少天然氣出口時，中國會率先遭受較為明顯的進(jìn)口沖擊。因此，當(dāng)風(fēng)險源為尼日利亞時，中國天然氣進(jìn)口始終存在較大損失。其中，當(dāng)風(fēng)險程度為50%時，中國進(jìn)口損失最小，主要原因是當(dāng)風(fēng)險程度為35%時，其他天然氣主要出口國因風(fēng)險程度較小，并不會盲目地加速擴(kuò)產(chǎn)，此時，中國從其他非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體獲取的天然氣進(jìn)口增額，并不會比風(fēng)險程度為50%時的進(jìn)口增額多，導(dǎo)致中國在風(fēng)險程度為35%時的進(jìn)口損失比風(fēng)險程度為50%時更大。同時，尼日利亞也是2020年全球最大的天然氣出口國，當(dāng)其風(fēng)險程度達(dá)到65%時，包括中國在內(nèi)的其他非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體都將遭受巨大損失，此時盡管其他非風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體提高效率擴(kuò)大產(chǎn)量，但也會優(yōu)先彌補(bǔ)本土天然氣進(jìn)口缺額，以滿足國內(nèi)生產(chǎn)生活需要，剩余部分再進(jìn)行出口，也就導(dǎo)致此風(fēng)險程度下中國能夠獲取的天然氣進(jìn)口增額低于風(fēng)險程度為50%的情景。因此，中國在風(fēng)險程度為65%時遭受的進(jìn)口損失最大。此外，當(dāng)風(fēng)險源為尼日利亞時，中國遭受的進(jìn)口損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他經(jīng)濟(jì)體為風(fēng)險源時的損失，表明當(dāng)中國天然氣最大進(jìn)口來源經(jīng)濟(jì)體發(fā)生風(fēng)險時，對中國天然氣進(jìn)口將造成巨大沖擊和威脅。

當(dāng)風(fēng)險源為美國和俄羅斯時，在風(fēng)險程度為35%和50%的情況下，中國天然氣進(jìn)口損失比例基本為負(fù)數(shù)，表明中國天然氣進(jìn)口量不降反增，主要是由于當(dāng)美國、俄羅斯發(fā)生風(fēng)險時，尼日利亞、馬來西亞等非風(fēng)險源主要出口經(jīng)濟(jì)體受到天然氣價格上漲的影響而增加產(chǎn)量。2020年，中國從尼日利亞和馬來西亞進(jìn)口天然氣約1. 29億 t，是從美國進(jìn)口天然氣量的24倍和從俄羅斯進(jìn)口天然氣量的40倍。因此，盡管美國和俄羅斯減少天然氣出口會直接導(dǎo)致中國天然氣的進(jìn)口損失，但由于中國在尼日利亞和馬來西亞等經(jīng)濟(jì)體的天然氣出口市場上占據(jù)大量市場份額，在尼日利亞、馬來西亞等經(jīng)濟(jì)體增產(chǎn)的情況下，中國憑借其較高的進(jìn)口競爭力能夠獲取更多的天然氣進(jìn)口，中國天然氣進(jìn)口不僅沒有損失，反而獲得了更大的市場份額。但當(dāng)風(fēng)險程度為65%時，作為全球天然氣主要供應(yīng)國和中國天然氣主要進(jìn)口來源國，美國和俄羅斯大量減少天然氣出口對中國及其他經(jīng)濟(jì)體會產(chǎn)生較大沖擊，使得中國不僅從美國和俄羅斯進(jìn)口的天然氣減少，從其他經(jīng)濟(jì)體進(jìn)口的天然氣也減少，因此，在此情景下，中國天然氣存在進(jìn)口損失。

當(dāng)風(fēng)險源為馬來西亞時，在風(fēng)險程度為35%情況下，當(dāng)價格指數(shù)為15%時，中國天然氣進(jìn)口沒有損失，反而略有增加；相同風(fēng)險程度下，隨著價格指數(shù)漲幅的上升，中國天然氣進(jìn)口出現(xiàn)損失并逐漸增大。當(dāng)風(fēng)險程度為50%時，中國天然氣不存在進(jìn)口損失情況，主要是由于馬來西亞是核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中中國第二大進(jìn)口來源國，與風(fēng)險源為尼日利亞的情況類似。當(dāng)馬來西亞發(fā)生風(fēng)險時，尼日利亞等非風(fēng)險源主要出口經(jīng)濟(jì)體會因?yàn)樘烊粴鈨r格上漲而擴(kuò)產(chǎn)，中國因其良好的進(jìn)口競爭力在此過程中獲得較大進(jìn)口增額，從而彌補(bǔ)因馬來西亞的出口減少所造成的進(jìn)口缺額。當(dāng)風(fēng)險程度為65%時，中國天然氣進(jìn)口損失隨天然氣價格指數(shù)上漲幅度的增加而增大。

4 結(jié)論及建議

作為重要的“橋梁性”能源資源，天然氣供應(yīng)穩(wěn)定對中國推動能源轉(zhuǎn)型、保障能源供應(yīng)安全、如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大?！半p碳”目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型為中國天然氣帶來巨大需求，但地緣政治沖突等不確定事件加大了中國天然氣供應(yīng)中斷風(fēng)險。在滿足能源低碳轉(zhuǎn)型內(nèi)源性需求與化解供應(yīng)中斷外源性風(fēng)險的雙重影響之下，中國迫切需要重新考察風(fēng)險頻發(fā)背景下天然氣供應(yīng)安全問題。對此，本研究首先基于天然氣貿(mào)易數(shù)據(jù)構(gòu)建全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，采用計算機(jī)仿真模擬，按照度中心性大小由高到低對全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中各經(jīng)濟(jì)體進(jìn)行攻擊，分析網(wǎng)絡(luò)特征變化情況，并運(yùn)用逾滲理論過濾掉網(wǎng)絡(luò)中大量邊緣節(jié)點(diǎn)，識別出核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。其次，從貿(mào)易層、信息層和價格指數(shù)層構(gòu)建全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，運(yùn)用改進(jìn)的級聯(lián)失效模型模擬風(fēng)險傳遞動態(tài)過程，構(gòu)建風(fēng)險傳導(dǎo)路徑。最后，運(yùn)用風(fēng)險仿真量化核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)體減少出口，中國在不同風(fēng)險源、風(fēng)險程度、價格指數(shù)上漲情景下的天然氣進(jìn)口損失情況。

通過仿真得出如下結(jié)論：①當(dāng)天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時，網(wǎng)絡(luò)特征會發(fā)生明顯變化，網(wǎng)絡(luò)受攻擊比例由16%上升至27%過程中，網(wǎng)絡(luò)越過了逾滲閾值。根據(jù)度中心性由高到低排序，度中心性排名前16%的經(jīng)濟(jì)體構(gòu)成核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，前27%的經(jīng)濟(jì)體構(gòu)成整體網(wǎng)絡(luò)，其他經(jīng)濟(jì)體相對處于網(wǎng)絡(luò)邊緣位置。②從不同風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體看，風(fēng)險源經(jīng)濟(jì)體出口中國天然氣數(shù)量越多，其發(fā)生風(fēng)險時中國天然氣進(jìn)口損失越大。從不同風(fēng)險程度和價格指數(shù)上漲幅度看，中國天然氣進(jìn)口損失隨著價格指數(shù)漲幅和風(fēng)險程度的上升而增加，其中風(fēng)險程度增加造成的影響大于價格波動對天然氣進(jìn)口的影響。③基于2020年天然氣出口數(shù)據(jù)仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)險源為尼日利亞時，中國天然氣進(jìn)口損失最大。當(dāng)風(fēng)險源為美國、俄羅斯和馬來西亞時，在風(fēng)險程度為50%的情況下，中國天然氣沒有進(jìn)口損失，而是獲得更大的市場份額，在風(fēng)險程度為35%和65%時，中國天然氣存在進(jìn)口損失。

基于上述結(jié)論，提出以下政策建議。

一是保障全球天然氣供應(yīng)安全時，應(yīng)著重提高天然氣核心供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中各經(jīng)濟(jì)體應(yīng)對風(fēng)險沖擊的能力，以精準(zhǔn)高效地維護(hù)全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定，否則一旦這些關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)體遭受風(fēng)險導(dǎo)致供應(yīng)中斷，將對全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重影響，甚至引發(fā)全球性的能源危機(jī)。

二是當(dāng)面臨供應(yīng)短缺風(fēng)險時，中國需提高警惕并采取投放儲備等必要措施穩(wěn)定國內(nèi)天然氣市場價格及供應(yīng)，切勿因自身較強(qiáng)的進(jìn)口競爭力而忽視價格指數(shù)上漲對天然氣進(jìn)口損失的影響。當(dāng)前，中國的天然氣進(jìn)口主要依賴長期合同，合同價格掛靠Brent及JCC原油價格，受到中國的需求狀況、歐盟對俄油的禁運(yùn)制裁、柴油供應(yīng)的緊張程度、美國頁巖油氣的前景、美國戰(zhàn)略石油儲備釋放的結(jié)束以及能源行業(yè)的資本支出等不確定因素的影響，國際油價保持高位，將導(dǎo)致中國長期合同的天然氣進(jìn)口價格上漲。中國是LNG現(xiàn)貨和短約市場的主要買方，現(xiàn)貨和短約合同價格過高，將導(dǎo)致資源進(jìn)口量大幅減少，從而引發(fā)國內(nèi)市場供需緊張。受持續(xù)高漲氣價的影響，2022年中國天然氣進(jìn)口量為10 924. 8萬 t，同比減少9. 9%。未來中國應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)宏觀調(diào)控，建立氣源多元化的進(jìn)口合同機(jī)制，運(yùn)用大數(shù)據(jù)等手段做好天然氣市場的預(yù)期管理，最大程度降低價格指數(shù)上漲對天然氣進(jìn)口的不利影響。

三是當(dāng)前國際形勢復(fù)雜多變，風(fēng)險發(fā)生的頻率和強(qiáng)度都進(jìn)一步增強(qiáng)，對中國天然氣供應(yīng)安全造成較大沖擊。一方面，突發(fā)事件的多樣性和耦合性使得當(dāng)下風(fēng)險識別和評估難度加大；另一方面，突發(fā)事件帶來的嚴(yán)重后果跨域影響明顯，針對單一類型事件和單一經(jīng)濟(jì)體的傳統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警機(jī)制難以充分發(fā)揮作用，影響中國風(fēng)險預(yù)警水平。當(dāng)前中國應(yīng)建立完善的智能化風(fēng)險防范預(yù)警機(jī)制，尤其是針對中國天然氣主要進(jìn)口來源經(jīng)濟(jì)體進(jìn)行實(shí)時風(fēng)險監(jiān)測并制定完備的應(yīng)急預(yù)案，最大限度地降低主要進(jìn)口來源經(jīng)濟(jì)體斷供對中國天然氣供應(yīng)造成的沖擊和不利影響。與此同時，及時追蹤中國天然氣貿(mào)易政策變動最新情況，根據(jù)政策走向，實(shí)時更新重點(diǎn)監(jiān)測對象群體及相應(yīng)的預(yù)警措施。此外，自烏克蘭危機(jī)以來，全球天然氣貿(mào)易格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，俄歐管道天然氣交易量大幅走低，歐美LNG貿(mào)易關(guān)系空前加強(qiáng)，美國成為2023年全球最大的LNG 出口國，美國產(chǎn)量集中度與領(lǐng)導(dǎo)地位進(jìn)一步加強(qiáng)。近年來，中美貿(mào)易摩擦不斷，美國對中國在各領(lǐng)域的封鎖愈發(fā)明顯，對于美國這類在全球天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中具有強(qiáng)大影響力的超級大國，中國不僅要防范其作為主要供應(yīng)國產(chǎn)生的風(fēng)險，更為重要的是預(yù)防受其政治影響的其他經(jīng)濟(jì)體主動或被動產(chǎn)生的供應(yīng)風(fēng)險。

四是加大中國天然氣進(jìn)口風(fēng)險抵御能力建設(shè)，如持續(xù)鞏固現(xiàn)有的天然氣貿(mào)易伙伴關(guān)系并進(jìn)一步拓寬進(jìn)口來源渠道，提升國際天然氣交易定價的主動性和話語權(quán)，加速推進(jìn)國內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)，強(qiáng)化天然氣戰(zhàn)略儲備與儲氣設(shè)施建設(shè)，積極主動參與全球治理等，提升大國博弈下中國天然氣供應(yīng)風(fēng)險應(yīng)對能力。

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（責(zé)任編輯：田紅）

基金項目：國家社會科學(xué)基金重大項目“我國深海戰(zhàn)略性資源勘探開發(fā)政策研究”（批準(zhǔn)號：23&ZD107）。