王戎通過(guò)數(shù)值模擬研究空氣污染對(duì)氣候變化的作用

■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者程唯珈記者黃辛

如果只從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)，當(dāng)用電的費(fèi)用只占生活成本的很小部分時(shí)，你可能不會(huì)隨手關(guān)燈或者有意識(shí)地使用節(jié)能電器。但是，假設(shè)有一天，當(dāng)用電成本占據(jù)你生活開(kāi)支的一半以上時(shí)，你會(huì)怎么辦？你可能會(huì)想盡辦法去省電，因?yàn)檫@樣可以減少開(kāi)支。

同理，當(dāng)此情景出現(xiàn)在一個(gè)經(jīng)濟(jì)體的能源系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步從而推進(jìn)節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近日，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系青年研究員王戎課題組與美國(guó)斯坦福大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)合作證實(shí)了這一設(shè)想，相關(guān)成果日前發(fā)表于《焦耳》。

來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)的假設(shè)

近年來(lái)，能源與氣候變化成為備受關(guān)注的國(guó)際問(wèn)題。使用碳稅成為節(jié)能減排的途徑之一，其主要機(jī)制是提高化石能源的使用成本，減少化石能源的消耗，從而實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)整體碳強(qiáng)度下降。但隨之而來(lái)的，是巨大的經(jīng)濟(jì)損失和GDP下降。

“技術(shù)進(jìn)步會(huì)提高相對(duì)稀缺要素的生產(chǎn)效率，獲取更高的邊際效益。”1932年，諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)獲得者JohnRichardHicks在《工資理論》中提出假設(shè)。這就意味著，如果考慮碳排放的社會(huì)成本，化石能源使用成本增加、能源稀缺度升高，有可能會(huì)刺激能源效率技術(shù)更快進(jìn)步，繼而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

該假設(shè)看似合乎情理，不過(guò)想要實(shí)際解決問(wèn)題還需要找到觀測(cè)證據(jù)，或證明技術(shù)進(jìn)步與能源成本的關(guān)系不可忽略。

此前，曾有研究分析能源價(jià)格對(duì)美國(guó)發(fā)明專利數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)能源價(jià)格上升1%時(shí)，能源相關(guān)的技術(shù)專利數(shù)增加0.35%。但由于能源效率與宏觀經(jīng)濟(jì)參數(shù)的關(guān)系復(fù)雜，缺乏簡(jiǎn)單有效的方法直接觀測(cè)能源效率。

“環(huán)境污染問(wèn)題起源于經(jīng)濟(jì)，有沒(méi)有可能從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)，為解決環(huán)境問(wèn)題提供一個(gè)比較切合實(shí)際且適合于發(fā)展中國(guó)家的方案？”論文第一作者兼通訊作者王戎發(fā)出了疑問(wèn)。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，對(duì)于中國(guó)、印度、非洲等發(fā)展中國(guó)家而言，未來(lái)一個(gè)世紀(jì)將同時(shí)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境污染、節(jié)能減排等三大挑戰(zhàn)，研究該問(wèn)題對(duì)未來(lái)發(fā)展有重要意義。

“自上而下”的研究

自2016年起，王戎開(kāi)始接觸生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、福利經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和前沿研究。他告訴記者，在研究過(guò)程中，他沒(méi)有通過(guò)模擬微觀經(jīng)濟(jì)過(guò)程來(lái)推測(cè)能源效率的變化，而是應(yīng)用了物理學(xué)中的“自上而下”的研究方法。

“如果使用一些已經(jīng)發(fā)展比較成熟的微觀經(jīng)濟(jì)模型，確實(shí)可以計(jì)算出技術(shù)進(jìn)步對(duì)節(jié)能減排的影響，但當(dāng)我深入了解這些模型后，發(fā)現(xiàn)這些計(jì)算基于的參數(shù)大多是假設(shè)出來(lái)的。例如，假設(shè)當(dāng)1%的GDP用于技術(shù)研發(fā)，會(huì)提高2.25%的社會(huì)能源效率。”

王戎介紹，為了觀測(cè)能源效率的變化，團(tuán)隊(duì)首先改進(jìn)了諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)家SolowRobert的經(jīng)典索洛（Solow）增長(zhǎng)模型，引入三個(gè)技術(shù)因素：能源生產(chǎn)效率、能源使用效率和非能源效率，考慮了能源與非能源產(chǎn)品（或服務(wù)）在一定程度上的可相互替代性，建立基于技術(shù)水平的新型增長(zhǎng)模型，模擬了GDP、能源、能源成本比重（Omega）及能源價(jià)格對(duì)技術(shù)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，解釋了能源消耗量在能源使用效率提升時(shí)出現(xiàn)的反彈效應(yīng)，對(duì)模型中的關(guān)鍵參數(shù)——能源與非能源的相互替代彈性系數(shù)（σ）進(jìn)行了有效估計(jì)和不確定性分析。

隨后，團(tuán)隊(duì)使用新建立的Solow生產(chǎn)模型，結(jié)合1971~2015年間中國(guó)、美國(guó)、歐洲和世界四個(gè)經(jīng)濟(jì)體的資產(chǎn)、勞動(dòng)力、能源價(jià)格、Omega、GDP和能源消耗量等數(shù)據(jù)，根據(jù)20年移動(dòng)時(shí)間窗方法，反算了能源生產(chǎn)效率、能源使用效率和非能源效率的變化趨勢(shì)，首次直接觀測(cè)了能源使用效率的變化與Omega的關(guān)系。

“例如在1980年，由于全球能源價(jià)格上漲，刺激了四個(gè)地區(qū)能源使用效率的加速增長(zhǎng)，其機(jī)制可由模型中能源使用效率的邊際效益與能源成本比重的關(guān)系解釋，與觀測(cè)的20世紀(jì)80年代美國(guó)能源使用技術(shù)的專利數(shù)據(jù)吻合，而非能源效率的增長(zhǎng)除中國(guó)外均變化不大，與能源成本比重較低有關(guān)。”論文作者之一、美國(guó)斯坦福大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)家HarrySaunders告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

基于Omega，研究人員建立了能源生產(chǎn)效率、能源使用效率和非能源效率變化的回歸方程，其中能源生產(chǎn)效率、能源使用效率的增長(zhǎng)與Omega顯著正相關(guān)，即當(dāng)Omega提高時(shí)，在隨后20年內(nèi)能源生產(chǎn)效率和能源使用效率的增長(zhǎng)更快，而非能源效率只在中國(guó)與Omega呈顯著負(fù)相關(guān)，與中國(guó)經(jīng)濟(jì)體中Omega較高有關(guān)。

最后，團(tuán)隊(duì)使用WilliamD.Nordhaus的經(jīng)濟(jì)—氣候耦合模型（DICE），考慮觀測(cè)得到的能源成本比重對(duì)能源使用效率的誘導(dǎo)機(jī)制，在福利最大化和全球增溫2攝氏度這兩種情景下，比較了有、無(wú)誘導(dǎo)性技術(shù)變化（IEC）對(duì)未來(lái)100年全球能源消耗量、工業(yè)二氧化碳排放量及消費(fèi)水平的影響。在兩種氣候情景下，誘導(dǎo)性技術(shù)變化均減少能源消耗量和二氧化碳排放量，提高了節(jié)能減排的效益，降低了節(jié)能減排的成本，提升了GDP和消費(fèi)水平，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新動(dòng)力。

技術(shù)創(chuàng)新促減排

在文章的同行評(píng)議中，評(píng)審人認(rèn)為將自然科學(xué)的觀測(cè)方法與經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究相結(jié)合是這篇文章的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。“這個(gè)研究避免了傳統(tǒng)的微觀經(jīng)濟(jì)模型需要對(duì)主要機(jī)制和參數(shù)做假設(shè)的缺陷，為誘導(dǎo)性技術(shù)變化提供了直接證據(jù)，具有重大科學(xué)意義。”

王戎表示，在某種程度上，該研究驗(yàn)證了JohnRichardHicks的設(shè)想：當(dāng)能源成本占社會(huì)總成本的比例較高，就會(huì)更強(qiáng)地刺激節(jié)能型的技術(shù)創(chuàng)新。而在環(huán)境污染和氣候變化過(guò)程中，化石能源的實(shí)際社會(huì)成本是被低估的。

他介紹，這種節(jié)能型技術(shù)創(chuàng)新的“副作用”就是大量減少了二氧化碳等溫室氣體的排放，降低了減排成本，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何調(diào)整能源成本相對(duì)其它消費(fèi)成本的比例，會(huì)成為未來(lái)影響一個(gè)國(guó)家節(jié)能減排效益的重要因素。

“但是，這種技術(shù)進(jìn)步對(duì)中國(guó)大氣污染和氣候變化的具體影響尚不確定，它與其它減排措施的相互作用也不清楚。”王戎補(bǔ)充說(shuō)。

他表示，下一步團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將建立的能源經(jīng)濟(jì)模型與之前建立的大氣化學(xué)氣候模型耦合，研究如何將不同的減排方案（如風(fēng)力、太陽(yáng)能等新能源技術(shù)）結(jié)合，并通過(guò)學(xué)科交叉融合，探索技術(shù)創(chuàng)新和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)中國(guó)空氣質(zhì)量和氣候變化的綜合影響。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.07.024