基于反推方法的交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放評(píng)估研究

閆 琰，周嗣恩，楊新苗

（清華大學(xué)交通研究所，北京100084）

能源過(guò)度消耗和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球性問(wèn)題，尤其是碳排放引起的溫室效應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)向人類敲響警鐘。交通運(yùn)輸行業(yè)的能源消耗量與相應(yīng)的碳排放量異常突出，據(jù)國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)表明，2008年交通運(yùn)輸行業(yè)的碳排放量占全球的22.5%，僅次于電力行業(yè)。同許多地區(qū)一樣，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的能源消耗強(qiáng)度也比較大，有報(bào)道稱2006年我國(guó)的單位能耗強(qiáng)度是日本的8倍，是歐盟的4.6倍，是美國(guó)的2.4倍[1]，由此也帶來(lái)了較高的碳排放強(qiáng)度。為積極應(yīng)對(duì)這一形勢(shì)，我國(guó)政府于2009年哥本哈根氣候變化大會(huì)前，正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，即到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的二氧化碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%，并將其作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。這對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)提出更高的要求，迫切需要系統(tǒng)的碳排放評(píng)估方法以輔助碳排放政策的制定與生成。但傳統(tǒng)的碳排放評(píng)估方法在以下方面存在改進(jìn)空間：①傳統(tǒng)方法側(cè)重于用人口數(shù)量等宏觀社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行碳排放分解測(cè)算這些方法與交通指標(biāo)的契合程度有待提高；②傳統(tǒng)方法關(guān)注用一定的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)碳排放趨勢(shì)，但針對(duì)該趨勢(shì)的相應(yīng)政策計(jì)劃以達(dá)到預(yù)定調(diào)控目標(biāo)的評(píng)判力度不足。

為此，研究提出基于反推方法的交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放評(píng)估方法，它植根客運(yùn)、貨運(yùn)交通需求數(shù)據(jù)，充分考慮交通運(yùn)輸指標(biāo)與能源消耗以及碳排放的邏輯與量化轉(zhuǎn)換關(guān)系，繼承預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)碳排放形勢(shì)的判斷，并結(jié)合國(guó)家宏觀調(diào)控目標(biāo)，反推達(dá)到預(yù)定控制目標(biāo)的可能實(shí)施路徑。

1 文獻(xiàn)綜述

交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放評(píng)估方法研究主要包括碳排放的測(cè)算體系以及碳排放的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究2個(gè)方面。

在碳排放測(cè)算研究中，常用方法包括Kaya方法，對(duì)數(shù)均分，場(chǎng)景分析等方法。Kaya等[2]提出用人口數(shù)量，人均經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，單位經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的能源消耗量，單位能源消耗量的碳排放量進(jìn)行碳排放量分解與估算的方法。Yang等[3]繼承Kaya方法分析思路，將碳排放因子分解為4大組成部分：人口強(qiáng)度，交通強(qiáng)度，能源強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度，用于分析碳排放和緩解策略。Papagiannaki等[4]采用對(duì)數(shù)均分方法獲取希臘和丹麥道路交通碳排放影響因素。Wang等[5]也采用對(duì)數(shù)均分方法分析削減中國(guó)交通行業(yè)碳排放的驅(qū)動(dòng)力是改善交通運(yùn)輸強(qiáng)度和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)。He等[6]采用自下而上的模型方法核算了1997－2002年中國(guó)道路交通歷史油耗和碳排放數(shù)據(jù)。場(chǎng)景分析通常與其它方法組合使用，用于測(cè)算未來(lái)不同場(chǎng)景下碳排放的發(fā)展趨勢(shì)。

碳排放發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)估研究主要是基于當(dāng)前狀況及政策環(huán)境，采用數(shù)學(xué)模型對(duì)未來(lái)發(fā)展軌跡進(jìn)行預(yù)先判斷，為政策制定提供參考?；疑碚摚嘣貧w，彈性預(yù)測(cè)，偏最小二乘回歸，多層遺傳算法、隨機(jī)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等都曾被用于碳排放的發(fā)展形勢(shì)判斷。研究主要考慮部分預(yù)測(cè)模型的或激進(jìn)或保守內(nèi)在特征，綜合發(fā)展情景輔助碳排放的目標(biāo)反推。反推方法由Lovins于1977年提出并用于電力行業(yè)能源的供需規(guī)劃[7]，Robinson豐富和發(fā)展了該方法，認(rèn)為其本質(zhì)在于驅(qū)動(dòng)可行的社會(huì)、環(huán)境、政策因素，逐漸靠近并達(dá)成目標(biāo)[8]。

研究集成上述方法的內(nèi)在特征，繼承反推方法理念，設(shè)定交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放的期望控制目標(biāo)，結(jié)合趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果與落差，反推當(dāng)前階段應(yīng)采取的碳排放行動(dòng)計(jì)劃，通過(guò)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)與目標(biāo)導(dǎo)向，以盡可能實(shí)現(xiàn)期望目標(biāo)。

2 研究方法

研究歸納我國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒以及交通運(yùn)輸行業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)指標(biāo)、類型與格式特征，考慮綜合交通運(yùn)輸方式結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的能耗因子與碳排放水平，結(jié)合趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法，形成交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放測(cè)算評(píng)估的反推方法，其前提條件包括：①交通運(yùn)輸行業(yè)的能源消耗可劃分為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能源消耗和運(yùn)營(yíng)過(guò)程能源消耗兩部分，后者稱為終端能源消耗量。為便于與國(guó)際能源數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，本文僅測(cè)算交通運(yùn)輸行業(yè)終端能源消耗量。②交通運(yùn)輸行業(yè)傳統(tǒng)劃分為道路、鐵路、航空、水運(yùn)、管道運(yùn)輸五種交通運(yùn)輸方式，其中管道運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕枯^其它幾種方式較少，且其碳排放特征不同于其它運(yùn)輸方式，故不包括在本次研究范圍內(nèi)。③道路運(yùn)輸包括城市道路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸，兩者統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算方法均不同，研究分別測(cè)算兩者的終端能耗和碳排放量，并將疊加結(jié)果作為道路運(yùn)輸方式的終端能耗和碳排放量。

研究提出的基于反推方法的交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放評(píng)估以碳排放的現(xiàn)狀測(cè)算與發(fā)展形勢(shì)預(yù)估為參照，結(jié)合預(yù)測(cè)目標(biāo)與預(yù)期控制目標(biāo)的落差，反推實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)的可能實(shí)施路徑。

2.1 數(shù)據(jù)收集

主要收集分運(yùn)輸方式的交通運(yùn)輸客貨運(yùn)需求、能耗因子與碳排放水平特征數(shù)據(jù)；同時(shí)搜集其它地區(qū)能源消耗與碳排放的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用于對(duì)照分析。

2.2 終端能耗及碳排放測(cè)算

終端能源消耗量是交通運(yùn)輸需求與碳排放的紐帶，碳排放量，終端能源消耗量，交通運(yùn)輸需求之間分別呈正相關(guān)關(guān)系。首先收集分運(yùn)輸方式的交通運(yùn)輸客、貨運(yùn)需求量；然后根據(jù)各運(yùn)輸方式油耗特征，測(cè)算終端能源消耗量；再結(jié)合不同燃油的碳排放因子，估算整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量。分運(yùn)輸方式的終端能耗及碳排放測(cè)算模型如下所述。

2.2.1 公路運(yùn)輸

公路運(yùn)輸方式以營(yíng)運(yùn)性車(chē)輛的年平均客運(yùn)、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為基數(shù)，考慮單位周轉(zhuǎn)量的終端能源消耗量，并考慮不同車(chē)型所用燃料碳排放因子的差異進(jìn)行公路運(yùn) 輸終端能耗及碳排放量的計(jì)算，詳見(jiàn)公式（1）和（2）。

式中：EH為公路運(yùn)輸終端能源消耗量；EHi,j為i燃料 j車(chē)型終端能源消耗量；UHi,j為i燃料 j車(chē)型單位周轉(zhuǎn)量平均終端能源消耗量（客運(yùn)為百車(chē)公里，貨運(yùn)為百噸公里）；?i,j為i燃料 j車(chē)型所占比例；Vi,j為i燃料 j車(chē)型的年均周轉(zhuǎn)量（客運(yùn)為百車(chē)公里，貨運(yùn)為百噸公里）。

式中：CH為公路運(yùn)輸碳排放量；Fi為i燃料的碳排放因子。

2.2.2 城市道路運(yùn)輸

城市道路運(yùn)輸方式，以分車(chē)型的年均行駛里程為基數(shù)，考慮單位行駛里程的能源消耗、車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、不同燃料的碳排放因子等因素，進(jìn)行城市道路運(yùn)輸方式終端能耗及碳排放量的計(jì)算，詳見(jiàn)公式（3）和（4）。

式中：EU為城市道路運(yùn)輸終端能源消耗量；EUi,k為i燃料k車(chē)型終端能源消耗量；Qi,k為i燃料k車(chē)型的保有量；Li,k為i燃料k車(chē)型的年均行駛里程；Gi,k為i燃料k車(chē)型平均單位公里能耗。

式中：CU為城市道路運(yùn)輸碳排放量；Fi為i燃料的碳排放因子。

2.2.3 鐵路運(yùn)輸

鐵路運(yùn)輸方式，以統(tǒng)一換算后的客運(yùn)、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為基數(shù)，考慮鐵路機(jī)車(chē)類型、單位周轉(zhuǎn)量能源消耗、不同機(jī)車(chē)類型的能耗方式、牽引動(dòng)力比重及排放因子，進(jìn)行鐵路運(yùn)輸方式終端能耗及碳排放量的計(jì)算，詳見(jiàn)公式（5）和（6）。

式中：ER為鐵路運(yùn)輸終端能源消耗量；ERm

為m類型列車(chē)的終端能源消耗量；URm為m類型列車(chē)單位周轉(zhuǎn)量平均終端能源消耗量；βm為m類型列車(chē)牽引權(quán)重；FRm為m類型列車(chē)貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量；PRm為m類型列車(chē)客運(yùn)周轉(zhuǎn)量；γR為鐵路客貨運(yùn)轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常取1。

式中：CR為鐵路運(yùn)輸碳排放量；CRm

為m類型列車(chē)的碳排放量；ERf，ERd分別為燃料列車(chē)，電氣列車(chē)的總的終端能源消耗量，CRd為電氣列車(chē)中火電的比例；SRd

為單位電量的標(biāo)準(zhǔn)耗煤；fd為標(biāo)準(zhǔn)煤與原煤的折算系數(shù)，通常取1.4；Fc為原煤的碳排放因子。

2.2.4 水運(yùn)與航空運(yùn)輸

水運(yùn)、航空運(yùn)輸方式，以統(tǒng)一換算后的客運(yùn)、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為基數(shù)，考慮運(yùn)輸工具類型、以不同運(yùn)輸工具的單位能耗及排放，進(jìn)行水運(yùn)、航空運(yùn)輸方式終端能耗及碳排放量的計(jì)算，詳見(jiàn)公式（7）和（8）。

式中：ES為水運(yùn)、航空運(yùn)輸?shù)目偨K端能源消耗量；ESn為n類型運(yùn)輸工具的終端能源消耗量；USn為n類型運(yùn)輸工具單位周轉(zhuǎn)量平均終端能源消耗量；FSn為n類型運(yùn)輸工具貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量，PSn為n類型運(yùn)輸工具客運(yùn)周轉(zhuǎn)量；γS為客貨運(yùn)轉(zhuǎn)換系數(shù)，水運(yùn)取0.33，航空取0.072。

式中：CS為水運(yùn)、航空運(yùn)輸?shù)目偺寂欧帕?；Fn為n類型交通工具使用燃料的碳排放因子。

2.3 終端能耗及碳排放趨勢(shì)預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)在當(dāng)前措施和政策執(zhí)行力度情況下，參考彈性系數(shù)法、回歸分析法、灰色預(yù)測(cè)模型等模型預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)未來(lái)終端能消量進(jìn)行估算，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量趨勢(shì)。從長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，回歸分析方法預(yù)測(cè)結(jié)果偏保守，灰色預(yù)測(cè)模型結(jié)果偏激進(jìn)。研究綜合分析預(yù)測(cè)方法的保守或激進(jìn)特征、結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)彈性、交通發(fā)展政策等因素影響確定未來(lái)交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放趨勢(shì)。

2.4 反推分析

順承我國(guó)政府提出的碳排放控制目標(biāo)，確定交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放的控制目標(biāo)。以上述測(cè)算結(jié)果為基準(zhǔn)情景與控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算兩者的落差。在此基礎(chǔ)上分析交通運(yùn)輸行業(yè)各運(yùn)輸方式的碳減排潛力，考慮碳排放政策措施效果的滯后效應(yīng)，以及基準(zhǔn)情景與控制目標(biāo)的落差，反推交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)的路徑及措施。

3 案例分析

研究收集我國(guó)1999－2009年各種運(yùn)輸方式客運(yùn)、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量歷史數(shù)據(jù)及相應(yīng)能耗因子與碳排放水平特征數(shù)據(jù)用于案例分析，數(shù)據(jù)主要來(lái)源為《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)交通統(tǒng)計(jì)年鑒》等。核算我國(guó)2000－2009年交通運(yùn)輸行業(yè)終端能耗及碳排放量，并預(yù)測(cè)我國(guó)2015年，2020年交通運(yùn)輸行業(yè)終端能耗及碳排放趨勢(shì)，測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)能耗及碳排放測(cè)算Tab.1 Energy consumption and carbon emission estimation in transportation sectors

測(cè)算結(jié)果表明自2000－2009年，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)終端能耗量的年均增速為21%，2009年行業(yè)終端總能耗量為5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。碳排放量總體呈增加趨勢(shì)，但增幅經(jīng)2007－2008年的高峰后，由2008－2009年開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。2009年，交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放總量高達(dá)12億噸，道路運(yùn)輸方式占88%。鐵路運(yùn)輸方式的碳排放量所占比例較低。按照當(dāng)前政策措施水平2020年交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量將達(dá)45億噸，其中道路運(yùn)輸（包含公路，城市道路），鐵路，水路，民航的比例分別為90%，1%，6%，3%。

以我國(guó)政府提出2020年單位GDP碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%的目標(biāo)作為交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放的預(yù)期控制目標(biāo)，反推控制目標(biāo)與基準(zhǔn)情景的差距，表2詮釋了反推結(jié)果。以2005年為基準(zhǔn)，交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量需要以年均3.3%的下降速率方能達(dá)到控制目標(biāo)，但事實(shí)上自2005年至2009年交通行業(yè)排放年均增幅約為20%。這說(shuō)明交通運(yùn)輸行業(yè)現(xiàn)有碳排放控制政策不足以扭轉(zhuǎn)碳排放加劇的趨勢(shì)，迫切需要革命性的技術(shù)變革或全面系統(tǒng)的碳排放控制措施。

表2 交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放反推及落差分析 萬(wàn)噸CO·2億元-1Tab.2 Backcasting and gap analysis of carbon emissions in transportation sectors

在碳排放控制措施研究方面，許多學(xué)者從稅收制度、燃油標(biāo)準(zhǔn)、燃油定價(jià)、交通運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移等角度進(jìn)行研究。其中交通運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移，提高鐵路客貨運(yùn)比例[9]，鼓勵(lì)公共交通出行，是交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排的主要?jiǎng)恿?。本研究綜合已有研究成果，結(jié)合我國(guó)國(guó)情歸納匯總，提出交通行業(yè)碳減排控制目標(biāo)措施建議如表3所示。

表3 交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放控制措施建議Tab.3 Carbon emission control measures for transportation sectors

5 結(jié)論

研究根據(jù)我國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，從目標(biāo)驅(qū)動(dòng)與目標(biāo)導(dǎo)向角度提出適用于我國(guó)的基于反推方法的交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放測(cè)算評(píng)估體系。并利用1999－2009年客運(yùn)、貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量等宏觀交通運(yùn)行歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，核算了我國(guó)2000－2009年交通運(yùn)輸行業(yè)終端能耗及碳排放量，預(yù)測(cè)2020年碳排放量趨勢(shì)。并應(yīng)用反推分析方法，計(jì)算基準(zhǔn)情景與控制目標(biāo)的落差，反推實(shí)現(xiàn)碳排放控制目標(biāo)的可能路徑與對(duì)策措施建議。研究結(jié)果表明，道路運(yùn)輸方式碳排放量占據(jù)整個(gè)交通行業(yè)85%以上。

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