2023年中国研究生数学建模竞赛D题

一、背景介绍

2021年9月22日，中共中央国务院正式发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（以下简称《意见》），明确了中国双碳行动的顶层设计。

我国是世界上最大的发展中国家，为实现中华民族伟大复兴，规划了在2035年基本实现现代化、在2050年实现中国式现代化的经济社会发展目标。因此，实现2060年碳中和的目标，必须破解发展与碳减排之间的矛盾。其中，推动经济社会高质量发展是矛盾的主要方面。

经济增长与能源消费量以及能源消费量与碳排放量之间存在关联关系，破解发展与减排的矛盾，只能寻求经济增长与碳排放量的负相关变化，必须从提高能源利用效率和提高非化石能源消费比重两个方面入手。

提高能源利用效率（即降低单位GDP能耗），可实现经济增长与能源消费量增长的负相关变化。提高能源利用效率的主要途径：一是开展管理节能、技术节能和结构节能等能效工程，降低单位产品与服务的能耗；二是开展以科技创新为基础的产业升级工程，增加单位产品与服务的科技附加值。

提高非化石能源消费比重（即降低单位能耗碳排放），可实现能源消费量与碳排放量增长的负相关变化。提高非化石能源消费比重的主要途径有：一是开展新能源发电、火电脱碳与新型电网等能源脱碳工程，提升非化石能源发电占比；二是开展以电能替代化石能源为核心的能源消费电气化工程，提升电力消费比重。

可见，破解发展与减排的矛盾，需要从提高能源利用效率和提高非化石能源消费比重两个方面，实施能效提升、产业（产品）升级、能源脱碳和能源消费电气化等四大重点工程。

本赛题需要建立并运用数学模型，分析、评价和预测能效提升、产业（产品）升级、能源脱碳和能源消费电气化等重点工程对碳排放的影响。

二、需要解决的问题

请你们结合数学建模的方法解决如下几个问题：

问题一：区域碳排放量以及经济、人口、能源消费量的现状分析

（1）建立指标与指标体系

要求1：指标能够描述某区域经济、人口、能源消费量和碳排放量的状况；

要求2：指标能够描述各部门（能源供应部门、工业消费部门、建筑消费部门、交通消费部门、居民生活消费、农林消费部门）的碳排放状况；

要求3：指标体系能够描述各主要指标之间的相互关系；

要求4、部分指标的变化（同比或环比）可以成为碳排放量预测的基础。

（2）分析区域碳排放量以及经济、人口、能源消费量的现状

要求1：以2010年为基期，分析某区域十二五（2011-2015年）和十三五

（2016-2020年）期间的碳排放量状况（如总量、变化趋势等）；

要求2：分析对该区域碳排放量产生影响的各因素及其贡献；

要求3：研判该区域实现碳达峰与碳中和需要面对的主要挑战，为该区域双碳（碳达峰与碳中和）路径规划中差异化的路径选择提供依据。

（3）区域碳排放量以及经济、人口、能源消费量各指标及其关联模型

要求1：分析相关指标的变化（环比与同比）；

要求2：建立各项指标间的关联关系模型；

要求3：基于相关指标的变化，结合双碳政策与技术进步等多重效应，确定

碳排放预测模型参数（如能源利用效率提升和非化石能源消费比重等）取值。

问题二：区域碳排放量以及经济、人口、能源消费量的预测模型

（1）基于人口和经济变化的能源消费量预测模型

要求1：以2020年为基期，结合中国式现代化的两个时间节点（2035和

2050），预测某区域十四五（2021-2025年）至二十一五（2056-2060年）期

间人口、经济（GDP）和能源消费量变化。

要求2：能源消费量与人口预测相关联。

要求3：能源消费量与经济（GDP）预测相关联；

（2）区域碳排放量预测模型

要求1：碳排放量与人口、GDP和能源消费量预测相关联；

要求2：碳排放量与各能源消费部门（工业消费部门、建筑消费部门、交通

消费部门、居民生活消费、农林消费部门）以及能源供应部门的能源消费量

相关联（如反映能效提升对总能耗在上述能源消费部门分布的影响）；

要求3：碳排放量与各能源消费部门（同上）的能源消费品种（一次能源中

化石能源消费与非化石能源消费以及二次能源（电或热）消费）以及能源供

应部门的能源消费品种（化石能源发电与非化石能源发电）相关联（如反映

非化石能源消费比重提升对各部门能源消费品种或碳排放因子的影响）。

问题三：区域双碳（碳达峰与碳中和）目标与路径规划方法

（1）情景设计（不少于三种情景，如无人为干预的自然情景、按时碳达峰与碳

中和的基准情景、率先碳达峰与碳中和的雄心情景等）。

要求1：与碳达峰和碳中和的时间节点相关联；

要求2：与能效提升和非化石能源消费比重提升相关联。

（2）多情景下碳排放量核算方法

基本假设：

假设1、2035年的GDP比基期（2020年）翻一番；2060年比基期翻两番；

假设2、2060年生态碳汇的碳消纳量为基期碳排放量的10%；

假设3、2060年工程碳汇或碳交易的碳消纳量为基期碳排放量10%。

要求1：区域碳排放与多情景假设相一致；

要求2：区域碳排放与各部门碳排放量的总和相一致；

要求3：碳排放量核算模型与问题二中预测模型相一致（即在多情景条件约

束下，区域与各部门能源消费量、能源消费品种及其碳排放量预测方法相一

致）。

（3）确定双碳（碳达峰与碳中和）目标与路径

要求1：确定GDP、人口和能源消费量的目标值（2025年、2030年、2035年、

2050年和2060年）；

要求2：确定提高能源利用效率和提高非化石能源消费比重的目标值（2025

年、2030年、2035年、2050年和2060年）；

要求3：完成能效提升、产业（产品）升级、能源脱碳和能源消费电气化的

定性与定量分析。