2023华为杯数学建模D题第三问——区域双碳目标情景设计样例

在第二问建立好预测模型的基础上，如何设计第三问所说的区域双碳路径，以对宏观政策进行指导！

采用STIRPA的基本模型对中国碳达峰时间进行预测，对该模型公式两边取对数得到：

 其中：P为人口，A为GDP总量，T为技术即碳排放强度（对应到赛题中与各产业能源碳排放因子相关） 然后采用 GLS 法对模型进行估计，得到参数如下：

比较其模型方程中各个变量系数对排放量作用得出结论：影响最大的为碳排放强度，其次为人口，再次为GDP总量。

然后根据目前国内生育率状况，对人口因素进行设计：由于今后中国人口数量波动较小，可设计其变化率保持稳定，因此主要影响碳排放的变量为碳排放强度及 GDP总量。

假定2020－2030年间人口、人均 GDP、能源强度等变量维持目前发展趋势，即年均增长率为2010－2020年年均增长率。若要实现碳排放于2050年内达到峰值目标需对人口、人均 GDP、能源强度等变量增长率进行一定控制。作者设定四种减排方案，以显示出为使2050年内碳排放达到峰值，各变量至少要控制到的增长率：（如下）

减排方案1为人口年均下降4．5％，显然不可能实现；减排方案2要求人均 GDP 年均增长率降至
3．1％以下，对于处于工业化进程中的我国则很难容忍这种较低的发展速度；减排方案3需碳排放强度年均下降9．1％，难度同样较大，主要解决办法是加大节能减排力度和新能源开发利用的速度，但需为此付出巨大的转型成本。鉴于人口增长速度较难控制，笔者延伸出第四种减排方案，即同时控制人均 GDP 增长率及碳排放强度。该方案显示人均 GDP 年均增长率需控制至5．1％以内，碳排放强度年均至少下降6％。

相比前三种方案，该方案具备一定的可实施性，对国民经济增长影响相对较小，并显示出了人均 GDP 增长率与碳排放强度下降率之间的反向关系：要实现2050年内出现峰值的目标，人均 GDP 与碳排放强度之间需有所取舍，若想保障较高的增长速度必须伴随着较高速度的碳排放下降，而若想承受较小的碳排放下降压力必须承担较低经济增长速度的损失。

中国碳达峰路径预测

为了预估2009－2050年 CO2排放量，首先假定今后三种社会经济发展方案，即低、中、高模式。低发展模式假定人口、人均 GDP 等变量均按较低速度增长；中发展模式假定各变量变化速度适中；高发展模式假定各变量均按较高速度增长。另根据这三种方案延伸设定出高中模式、高低
模式、低中模式、中高模式与中低模式（延伸模式原为6种，去除了结果不切合实际的1种模式）。高中模式假定人口、人均 GDP 按高速增长，而碳排放强度适中增长；高低模式假定人口、人均 GDP 按高速增长，而碳排放强度低速增长；低中模式假定人口、人均 GDP 按低速增长，而碳
排放强度适中增长；中高模式假定人口、人均 GDP 按中速增长，而碳排放高速增长；中低模式假定人口、人均 GDP按中速增长，而碳排放强度低速增长。

 情景模式中各变量的变化速度以先设定中模式为基准，低模式各变量增长速度相对中模式稍低，而高模式则相对中模式稍高。人口增长率设定的基本判断为随着经济发展人口增长率将进一步降低。中模式的设定参照联合国（2009）对未来中国人口的预测，中国人口将于21世纪30年代达到峰值，进入21世纪40年代后人口逐步开始负增长；低模式假定人口于21世纪20年代达到峰值，21世纪30年代后进入负增长阶段；高模式则假定人口于2050年内不会出现负增长，人口增长率随时间逐步下降。人均 GDP 增长率设定的基本判断仍为随着经济发展人均GDP 增长率将逐步降低。中模式下人均 GDP 增长率参照许宪春（2002）对未来中国人均 GDP 的预测，至2050年人均 GDP 为2008年人均 GDP 的10倍（约30000美元），达到目前中等发达国家水平；低模式假定2050年人均 GDP 为2008年的6倍（约18000美元），达到目前新兴工业国家水平；高模式则假定2050年人均 GDP 为2008年的16倍（约48000美元），接近目前高度发达国家水平。碳排放强度增长率设定的基本判断为碳减排难度随着时间的推移将逐步加大，即碳排放下降速度逐步降低。中模式假定至2050年中国碳排放强度较2005年下降80％；低模式假定至2050年中国碳排放强度较2005年下降70％；高模式则假定至2050年中国碳排放强度较2005年下降90％。

利用 Matlab 模拟，模拟方法为选取若干整数年节点值，利用三次函数插值，从而拟合出较为平滑碳排放曲线，并由此测算出峰值出现时间与峰值额。

比较8种模式下的碳排放量估计，可以发现：在低、中、高、低中、中高五种情景模式下中国碳排放峰值会出现。技术对峰值的影响较为重要，若经济社会发展速度较高，而碳排放强度下降速度相对较低，则不能在2050年内出现峰值（如高中、高低、中低模式）。同样，若碳排放强度降低速度相比经济社会发展速度为快，则会推动排放提早达到峰值（如低中、中高模式）。由此可预计，按照目前发展趋势，若经济社会发展的同时保持碳排放强度合理下降，中国的峰值到达时间应为2020－2045年之间。而若经济社会发展的同时不重视碳排放强度的降低，则会导致峰值出现时间后延。因此，保持碳排放强度的不断下降对我国尽快出现碳排放峰值至关重要，加大清洁能源使用，减少传统能源消耗应成为今后的重点工作任务。