构建气候变化综合评估模型CE3METL的方法和系统与流程

构建气候变化综合评估模型ce3metl的方法和系统
技术领域
1.本发明涉及气候变化综合评估模型技术领域，尤其是一种构建气候变化综合评估模型ce3metl的方法和系统。


背景技术：

2.ce3metl模型是全球e3metl模型的中国版本，e3metl是一个基于内生经济增长理论的全球单区域动态跨期优化模型，基于政策驱动的logistic多重技术扩散机制的引入是该模型最大的特点；目前该模型已被广泛应用于全球及中国的能源和气候政策模拟与评估工作中：例如，duan et al讨论了排放空间限制下中国的最优排放和碳税路径问题；duan et al则对全球浓控目标下成本有效的政策或组合政策选择问题进行了研究；随后，基于该模型的研究应用还拓展到了多重能源技术演变关系、ccs技术潜力评估以及能源技术替代的环境效应评价等诸多方面。
3.中国开发的3e模型进展相对缓慢，在气候综合区域化模型方面具有局限性，同时硬耦合了多能源技术优化模型，其优势体现在参数设置更贴合发展中国家的实际情况；尽管当前欧美等国开发的多区域模型中往往将中国作为排放大国单独列出，但其数据及参数估值与本国模型相比并不完全可靠。因此，针对上述问题提出一种构建气候变化综合评估模型ce3metl的方法和系统。


技术实现要素：

4.一种构建气候变化综合评估模型ce3metl的方法和系统，包括以下步骤：
5.s1.目标函数，在ce3metl中，假设整个宏观经济是完美预期的，以给定偏好的社会福利最大化为目标，而福利的累积来源于代际人均消费的增加；因此，福利目标的最大化与动态消费流和人口的演变路径紧密相关；不同代际间的效用分配依赖于纯时间偏好和边际消费效用(或消费弹性)两个因素，而这又决定了跨期效用累积的贴现因子选择；给定c为消费，l为人口总数，则模型的优化目标安排如下：
[0006][0007][0008]ct
＝c
t
/l
t
；
[0009]
s2.经济模块，ce3metl中的生产基于资本k、劳动l和能源e等投人要素，以cobb-douglas生产函数形式进行，记y为产出，则生产过程的具体表达如下：
[0010][0011]kt
＝(1-δ1)k
t-1
+i
t
；
[0012]
对投入而言，人口增长轨迹外生给定，资本存量通过消费流的优化来决定；能源投入主要包含传统能源(化石能源)和非化石能源两部分，经济范围内的能源技术进步通过自
发性能源效率改进参数来刻画；
[0013]
gdp
t
＝y
t-ec
t-ac
t
；
[0014]ct
＝gdp
t-i
t-x
t
+m
t
；
[0015]
ec
t
+ac
t
＝e
t
(pe
t
+pne
t
)；
[0016]
s3.能源模块，ce3metl模型能源技术部门的特点集中在两个方面，即多重能源技术替代演变机制和内生能源技术进步机制；能源技术主要包括煤炭、石油和天然气3种含碳能源技术，以及生物质能、水电、核能、风能、太阳能、潮汐能和地热能7种替代能源技术；假定si为能源技术在市场中的份额，ai为替代参数，通过将技术相对价格的变化替代时间的变化，则多重技术扩散logistic模型可表述为：
[0017][0018][0019][0020]
s4.气候模块，对于全球气候经济综合评估模型而言，刻画气候系统与经济、能源系统之间的关系是建模的主体工作之一，这种关系包括碳循环、辐射强迫流的形成、温升响应关系以及气候反馈损害等；对于区域模型而言，我们对气候系统模块进行了简化，仅仅考虑内生的人为碳排放，它可以通过加总各种含碳能源的碳含量与对应消费量的乘积得到，即：
[0021]
emis
t
＝∑fξfs
fef,t
；
[0022]
全球碳排放总量temis
t
是中国碳排放总量emis
t
、全球其他地区的碳排放remis
t
与全球外源性自然排放之和：
[0023]
temis
t
＝emis
t
+remis
t
+emis0；
[0024]
碳排放存量由年co2排放量和按自然沉降率调整的过去排放存量累积，即：
[0025]
cume
t
＝(1-sr)cume
t
+temis
t
；
[0026]
ce3metl模型中构建了完整的气候模块，包括辐射强迫、温升和气候损伤估计等；
[0027][0028]
g(t)＝0.127+0.224e-t/394.4
+0.282e-t/36.54
+0.276e-t/4.304
；
[0029]
δf
t
＝3.35(g(p
emis,t
+θm
emis,t
)-g(p
emis,0
))；
[0030]
g(p)＝log(1.4
×
10-6
p3+0.005p2+1.2p+1)；
[0031][0032]
s5.气候模块，模型中关键参数的取值源自基于历史数据的估计研究和权威模型的参考取值，并对各个耦合系统主要变量指标的进行校准；首先，根据以往模型校准的惯例，基于未来人口趋势、经济增长、能源消费、碳排放以及碳排放强度等关键指标对模型基准情景进行校调；同时，将基准情景结果与国内外主流研究关于中国未来中长期经济增长﹑能源消费及碳排放走势的结果进行了对比。
[0033]
进一步地，所述步骤s2中，α和β为规模参数，分别表征了投入效率的动态变化，y和p分别为资本值份额以及资本劳动组合与能源间的替代弹性。
[0034]
进一步地，所述步骤s2中，ce3metl假设进口和出口随gdp优化路径的变化而变化，这主要通过设定进口的上界和出口的下界来实现；
[0035]
x
t
≥θ
x
gdp
t
；
[0036]mt
≤θmgdp
t
。
[0037]
进一步地，所述步骤s3中，常弹性替代函数方法(ces)是传统自顶向下的综合评估模型惯用的技术描述方法，然而这种方法难以对复杂能源技术体系进行有效的刻画。
[0038]
进一步地，所述步骤s3中，基于logistic技术扩散模型的多重技术演变机制被引入到ce3metl模型中，以丰富3e集成模型技术细节的刻画；该机制以logistic技术扩散模型为基础，将技术份额关于时间的变化调整为市场份额关于相对价格的变化(即标杆技术价格与替代技术价格的比值)，并考虑碳税和补贴等政策干预效果。
[0039]
进一步地，所述步骤s3中，内生能源技术进步机制主要指刻画非化石能源技术成本演化的单因素学习曲线方法，这种方法的本质是随着生产规模的扩大，生产经验或知识会逐渐累积，而知识存量的累积反过来会促进技术改进，继而降低生产或技术使用成本，记ci(t)与ci(0)分别为技术i在第t期和初始期的成本，则学习效应下能源技术成本的动态演变关系为：
[0040][0041]
其中，bi为学习指数，可以通过指数关系式转化为通常意义下的技术学习率，具体地，两者的转化关系可表述为：
[0042][0043]
进一步地，所述步骤s4中，知识资本kd
k,t
与传统资本一样在跨期累积过程中需要考虑折旧效应，因此，当期的知识资本应当是上一期的知识存量扣减过时部分之后的净值与新增知识流之和，知识资本的折旧率为δ2：
[0044]
kd
k,t
＝(1-δ2)kd
k,t-1
+s
k,tet
。
[0045]
进一步地，ce3metl模型的总能源价格是由化石能源价格和非化石能源价格在碳税和补贴政策作用下复合而成，也可理解为技术份额和政策作用加权的能源价格组合：
[0046]
pf
t
＝∑
fcf,tsf,t
(1+tax
f,t
)；
[0047]
pnf
t
＝∑
kck,tsk,t
(1-sub
k,t
)。
[0048]
进一步地，所述步骤s4中，ce3metl模型采用dice模型中损伤函数形式，即假设变暖上升与气候破坏之间为二次关系；在没有气候适应的情况下，这个过程可以描述如下：
[0049][0050]
其中损伤因子φ
t
剩余损伤如下：
[0051][0052][0053]
如果将气候适宜考虑在内，φ
t
更新为：
[0054][0055][0056]
适应投资k
pas,t
是前期适应存量折旧与新增投资i
pas,t
之和，即：
[0057]kpas,t
＝(1-δ
pas
)k
pas,t-1
+i
pas,t
；
[0058]
气候适应成本adc
t
被定义为所有适应性投资之和，即：
[0059]
adc
t
＝i
rfa,t
+i
pas,t
；
[0060]
相应的适应效益被定义为：
[0061][0062]
进一步地，ce3metl是一个基于内生经济增长理论的全球单区域动态跨期优化模型，构建气候变化综合评估模型由宏观经济、能源技术和气候三大板块构成。
[0063]
通过本发明上述实施例，以logistic曲线为技术模块的内核并考虑内生技术变化的中国单部门能源-经济-环境系统集成模型，ce3metl模型继承了e3metl最大的特色，即以多方程logistic技术扩散模型为内核来刻画能源系统的多重技术替代和演变关系。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0065]
图1为本发明一种实施例的气候变化综合评估模型系统流程图；
[0066]
图2为本发明一种实施例的气候变化综合评估模型方法流程图。
具体实施方式
[0067]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0068]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0069]
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0070]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
[0071]
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0072]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0073]
请参阅图1-2所示，一种构建气候变化综合评估模型ce3metl的方法和系统，包括以下步骤：
[0074]
s1.目标函数，在ce3metl中，假设整个宏观经济是完美预期的，以给定偏好的社会福利最大化为目标，而福利的累积来源于代际人均消费的增加；因此，福利目标的最大化与动态消费流和人口的演变路径紧密相关；不同代际间的效用分配依赖于纯时间偏好和边际消费效用(或消费弹性)两个因素，而这又决定了跨期效用累积的贴现因子选择；给定c为消费，l为人口总数，则模型的优化目标安排如下：
[0075][0076][0077]ct
＝c
t
/l
t
；
[0078]
s2.经济模块，ce3metl中的生产基于资本k、劳动l和能源e等投人要素，以cobb-douglas生产函数形式进行，记y为产出，则生产过程的具体表达如下：
[0079][0080]kt
＝(1-δ1)k
t-1
+i
t
；
[0081]
对投入而言，人口增长轨迹外生给定，资本存量通过消费流的优化来决定；能源投入主要包含传统能源(化石能源)和非化石能源两部分，经济范围内的能源技术进步通过自发性能源效率改进参数来刻画；
[0082]
gdp
t
＝y
t-ec
t-ac
t
；
[0083]ct
＝gdp
t-i
t-x
t
+m
t
；
[0084]
ec
t
+ac
t
＝e
t
(pe
t
+pne
t
)；
[0085]
s3.能源模块，ce3metl模型能源技术部门的特点集中在两个方面，即多重能源技术替代演变机制和内生能源技术进步机制；能源技术主要包括煤炭、石油和天然气3种含碳能源技术，以及生物质能、水电、核能、风能、太阳能、潮汐能和地热能7种替代能源技术；假定si为能源技术在市场中的份额，ai为替代参数，通过将技术相对价格的变化替代时间的变化，则多重技术扩散logistic模型可表述为：
[0086][0087][0088][0089]
s4.气候模块，对于全球气候经济综合评估模型而言，刻画气候系统与经济、能源系统之间的关系是建模的主体工作之一，这种关系包括碳循环、辐射强迫流的形成、温升响应关系以及气候反馈损害等；对于区域模型而言，我们对气候系统模块进行了简化，仅仅考虑内生的人为碳排放，它可以通过加总各种含碳能源的碳含量与对应消费量的乘积得到，即：
[0090]
emis
t
＝∑fξfs
fef,t
；
[0091]
全球碳排放总量temis
t
是中国碳排放总量emis
t
、全球其他地区的碳排放remis
t
与全球外源性自然排放之和：
[0092]
temis
t
＝emis
t
+remis
t
+emis0；
[0093]
碳排放存量由年co2排放量和按自然沉降率调整的过去排放存量累积，即：
[0094]
cume
t
＝(1-sr)cume
t
+temis
t
；
[0095]
ce3metl模型中构建了完整的气候模块，包括辐射强迫、温升和气候损伤估计等；
[0096][0097]
g(t)＝0.127+0.224e-t/394.4
+0.282e-t/36.54
+0.276e-t/4.304
；
[0098]
δf
t
＝3.35(g(p
emis,t
+θm
emis,t
)-g(p
emis,0
))；
[0099]
g(p)＝log(1.4
×
10-6
p3+0.005p2+1.2p+1)；
[0100][0101]
s5.气候模块，模型中关键参数的取值源自基于历史数据的估计研究和权威模型的参考取值，并对各个耦合系统主要变量指标的进行校准；首先，根据以往模型校准的惯例，基于未来人口趋势、经济增长、能源消费、碳排放以及碳排放强度等关键指标对模型基准情景进行校调；同时，将基准情景结果与国内外主流研究关于中国未来中长期经济增长﹑能源消费及碳排放走势的结果进行了对比。
[0102]
进一步地，所述步骤s2中，α和β为规模参数，分别表征了投入效率的动态变化，y和p分别为资本值份额以及资本劳动组合与能源间的替代弹性。
[0103]
进一步地，所述步骤s2中，ce3metl假设进口和出口随gdp优化路径的变化而变化，这主要通过设定进口的上界和出口的下界来实现；
[0104]
x
t
≥θ
x
gdp
t
；
[0105]mt
≤θmgdp
t
。
[0106]
进一步地，所述步骤s3中，常弹性替代函数方法(ces)是传统自顶向下的综合评估模型惯用的技术描述方法，然而这种方法难以对复杂能源技术体系进行有效的刻画。
[0107]
进一步地，所述步骤s3中，基于logistic技术扩散模型的多重技术演变机制被引入到ce3metl模型中，以丰富3e集成模型技术细节的刻画；该机制以logistic技术扩散模型为基础，将技术份额关于时间的变化调整为市场份额关于相对价格的变化(即标杆技术价格与替代技术价格的比值)，并考虑碳税和补贴等政策干预效果。
[0108]
进一步地，所述步骤s3中，内生能源技术进步机制主要指刻画非化石能源技术成本演化的单因素学习曲线方法，这种方法的本质是随着生产规模的扩大，生产经验或知识会逐渐累积，而知识存量的累积反过来会促进技术改进，继而降低生产或技术使用成本，记ci(t)与ci(0)分别为技术i在第t期和初始期的成本，则学习效应下能源技术成本的动态演变关系为：
[0109][0110]
其中，bi为学习指数，可以通过指数关系式转化为通常意义下的技术学习率，具体地，两者的转化关系可表述为：
[0111][0112]
进一步地，所述步骤s4中，知识资本kd
k,t
与传统资本一样在跨期累积过程中需要考虑折旧效应，因此，当期的知识资本应当是上一期的知识存量扣减过时部分之后的净值与新增知识流之和，知识资本的折旧率为δ2：
[0113]
kd
k,t
＝(1-δ2)kd
k,t-1
+s
k,tet
。
[0114]
进一步地，ce3metl模型的总能源价格是由化石能源价格和非化石能源价格在碳税和补贴政策作用下复合而成，也可理解为技术份额和政策作用加权的能源价格组合：
[0115]
pf
t
＝∑
fcf,tsf,t
(1+tax
f,t
)；
[0116]
pnf
t
＝∑
kck,tsk,t
(1-sub
k,t
)。
[0117]
进一步地，所述步骤s4中，ce3metl模型采用dice模型中损伤函数形式，即假设变暖上升与气候破坏之间为二次关系；在没有气候适应的情况下，这个过程可以描述如下：
[0118][0119]
其中损伤因子φ
t
剩余损伤如下：
[0120][0121][0122]
如果将气候适宜考虑在内，φ
t
更新为：
[0123][0124][0125]
适应投资k
pas,t
是前期适应存量折旧与新增投资i
pas,t
之和，即：
[0126]kpas,t
＝(1-δ
pas
)k
pas,t-1
+i
pas,t
；
[0127]
气候适应成本adc
t
被定义为所有适应性投资之和，即：
[0128]
adc
t
＝i
rfa,t
+i
pas,t
；
[0129]
相应的适应效益被定义为：
[0130][0131]
进一步地，ce3metl是一个基于内生经济增长理论的全球单区域动态跨期优化模型，构建气候变化综合评估模型由宏观经济、能源技术和气候三大板块构成。
[0132]
本发明的有益之处在于：本发明以logistic曲线为技术模块的内核并考虑内生技术变化的中国单部门能源-经济-环境系统集成模型，ce3metl模型继承了e3metl最大的特色，即以多方程logistic技术扩散模型为内核来刻画能源系统的多重技术替代和演变关系。
[0133]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。