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后INDC时期全球1.5℃合作减排方案

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

顾高翔¹^,, 王铮²^,³^,

1. 华东师范大学人口研究所,上海 200241

2. 中国科学院科技政策与管理科学研究所,北京 100190

3. 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241

Global carbon abatement schemes for the 1.5℃ warming limitation in the post-INDC period

GUGaoxiang¹^,, WANGZheng²^,³^,

1. Population Research Institute, East China Normal University, Shanghai 200241, China

2. Institute of Policy and Management, CAS, Beijing 100080, China

3. Key Laboratory of Geographical Information Science, Ministry of Education of China, East China Normal University, Shanghai 200241, China

通讯作者:王铮(1954-), 男, 云南陆良人, 研究员, 博士, 研究方向为计算经济学、计算地理学、区域科学与管理研究。E-mail: wangzheng@mail.casipm.ac.cn
收稿日期:2016-11-14
修回日期:2017-07-7
网络出版日期:2017-09-30
版权声明:2017《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家重点研发计划(2016YFA0602702)

国家自然科学基金项目(41501130)

作者简介:
-->作者简介：顾高翔(1985-), 男, 浙江宁波人, 讲师, 博士, 研究方向为地理计算、经济计算。E-mail: caesarggx@163.com

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摘要
《巴黎协议》提出要将全球地表升温努力维持在低于较工业化前提高1.5 ℃的水平下,然而当前各国提交的国家自主贡献（INDCs）甚至无法实现成本最低的2 ℃温控目标,后INDC时期全球减排将面临严峻的形势。本文针对全程和终期两种1.5 ℃温控目标实现标准,基于不同的减排原则设置了三种全球合作减排方案,使用集成评估模型CIECIA对其气候有效性和经济可行性进行评价。研究结果显示：若要实现全程1.5 ℃升温控制目标,则各国必须在INDC目标年后立即实现净零排放;终期1.5 ℃温控目标可以使各国在INDC目标年后有一个到净零排放的缓冲期,但是由此带来的地表温度上升反而有损经济发展;方案3对因产业和地理因素在其他方案下经济受损的俄罗斯和高发展国家实行宽松减排措施,在满足终期1.5 ℃目标前提下实现了所有减排参与国经济利益的帕累托改进,是可行有效的国际减排合作方案;方案3显示中国和美国在减排过程中的经济联系更加紧密,而与俄罗斯和高发展国家存在竞争关系,因此可进一步加强与美国的减排合作,并注意协调与俄罗斯和高发展国家的利益关系。

关键词：国家自主贡献;1.5 ℃升温控制目标;全球合作减排方案;集成评估模型;帕累托改进
Abstract
The Paris Agreement recommended efforts to limit the temperature increase to 1.5℃ above pre-industrial levels. However, the current intended nationally determined contributions (INDCs) fall short of 2 ℃ scenarios, and the post-INDC period will bring severe challenges. This study details the 1.5 ℃ warming in terms of two types of restrictions. The first restriction conforms with the requirement of the Paris Agreement and requires an overall 1.5 ℃ warming restriction throughout the simulation. In the second restriction, the terminal 1.5 ℃ control relaxes the temperature restriction during the simulation and requires a 1.5 ℃ warming restriction only at the end of the simulation. Using the two restrictions, this study proposes three global cooperating abatement schemes according to different principles. Next, the study assesses the climatic effectiveness and economic feasibility of these three schemes using CIECIA, an economic-climatic integrated assessment model. The results indicate that the carbon emissions of countries should be net zero immediately following the INDC target year to meet the overall 1.5 ℃ goal in Scheme 1, and countries suffer great economic losses at the beginning of post-INDC period. In Scheme 2, the terminal 1.5 ℃ restriction allows a buffer period from INDC target years to the net zero emission period that starts in 2041. Throughout this period, approximately 52 GtC of carbon emissions are permitted. In this scheme, the economic shock around 2030 is less significant. However, by 2100 the countries suffer more cumulative utility losses than those in Scheme 1 due to warmer global temperatures during the late period. Of the three schemes, the Pareto improvement scheme permits looser carbon limits for Russia, and the high development countries (HDC) suffer more in the other schemes for industrial and geographic reasons. This scheme meets both the terminal 1.5 ℃ target and the Pareto improvement in the economies of all countries participating in global carbon abatement. Thus, it is economically feasible and climatically effective. Scheme 3 shows a link between the economies of China and the United States during carbon abatement, but it also shows that these countries are in competition with Russia and the HDC. Therefore, China could strengthen its abatement cooperation with the United States and pay attention to balance its gains with the gains of Russia and the HDC.

Keywords：intended nationally determined contribution (INDC);1.5 ℃ warming limitation;global cooperating abatement scheme;integrated assessment model;Pareto improvement

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顾高翔, 王铮. 后INDC时期全球1.5℃合作减排方案[J]. , 2017, 72(9): 1655-1668 https://doi.org/10.11821/dlxb201709010
GU Gaoxiang, WANG Zheng. Global carbon abatement schemes for the 1.5℃ warming limitation in the post-INDC period[J]. 地理学报, 2017, 72(9): 1655-1668 https://doi.org/10.11821/dlxb201709010

1 引言

于2015年12月缔结,2016年9月正式实施的《巴黎协定》（Paris Agreement）要求缔约方以“国家自主贡献”的形式进行自主减排,以争取将全球平均气温升幅控制较工业化前水平提高2 ℃以内,并努力将气温升幅限制在较工业化前水平提高1.5 ℃以内^[1]。当前,已有超过190个国家/地区正式提交了“国家自主贡献（Intended Nationally Determined Contributions, INDCs）预案”,给出了详细的中短期减排目标和方式。这些国家/地区2012年由能源使用带来的二氧化碳排放占全球的比例超过98%,标志着全球气候保护合作已经进入到具体实施的阶段。
尽管如此,INDC目标只是各国中短期的减排承诺,在后INDC时期全球如何进行温室气体减排将成为能否实现长期气候保护目标的关键^[2]。一方面,当前世界各国的INDC减排承诺不足以在未来实现2 ℃升温的控制目标。UNFCCC指出,INDC目标下2030年温室气体排放量将达到550亿t水平,无法达到最低成本2 ℃情景的要求。Rogelj等认为以INDC目标的减排力度,全球到2100年的地表升温仍会在2.6~3.1 ℃之间^[3]。对此,《巴黎协定》规定自2020年起缔约方每5年通报并更新一次减排成果和目标,自2023年起每5年举行一次缔约方全球总结会议,以加强减排合作。另一方面,当前全球的政治形势正出现重大变化,美国总统特朗普的当选反映了保护主义和孤立主义思潮重新泛起,而其以阻碍经济为由退出《巴黎协定》,更为全球减排合作蒙上阴影。在此背景下,国际气候谈判将对未来全球气候保护工作,尤其是使各国就《巴黎协定》的执行和修订及其后续减排目标的制定达成共识,起到重要的推动作用。因此,评估在INDC目标基础上实现《巴黎协定》气候保护目标可能带来的经济和环境影响,探索合理可行的后INDC时期全球合作减排方案,有助于各国明确合作减排的经济和环境意义,为进一步碳减排目标的确定提供支持,为包括《巴黎协定》后续的更新和修订在内的国际气候谈判提供科学依据,具有极其重要的理论和现实意义。
全球减排合作是一个涉及多国利益分配和责任分摊的复杂问题,国际上一般采用集成评估模型（integrated assessment model, IAM）进行相关的政策、方案的分析和评价。对于减排过程中经济损失的顾虑使得各国对减排责任和义务存在较大分歧,导致全球合作减排进展艰难^[2]。已有的许多重要的IAM,如RICE（the Regional Integrated model of Climate and the Economy）、DICE（Dynamic Integrated Model of Climate and the Economy）、MERGE（Model for Evaluating Regional and Global Effects of GHG Reductions）、FUND（Climate Framework for Uncertainty, Negotiation and Distribution）等往往存在经济模型过于简化、国家之间缺乏经济联系、技术进步机制存在缺陷等问题,导致其对碳减排措施的经济影响评估较为粗糙,影响了由此得到的减排方案的经济可行性^[4-7]。针对这一问题,Wang等构建了资本—产业进化与气候保护集成评估模型（Capital Industrial Evolution and Climate Change Integrated Assessment Model, CIECIA）^[8]。较之现有的IAM,CIECIA以一个多国多部门一般均衡模型作为其经济核心,包含国际资本流动和内生技术进步机制,刻画了全球经济一般均衡条件下国家/部门间的经济联系,可详细分析和评价气候变化与减排措施对国家/部门的经济影响,弥补当前大部分已有的IAM在经济模型上存在的不足。
本文采用CIECIA模型,对后INDC时期全球碳减排合作方案进行了研究。尽管《巴黎协定》要求努力在未来将气温升幅控制在1.5 ℃以内（即全程1.5 ℃温控目标）,但相对于已提交的INDC减排目标来说,全程1.5 ℃温控太过艰难,因此本文设计了终期1.5 ℃温控目标,放宽温控限制,允许全球地表升温幅度在某一时段内突破1.5 ℃,但要求到目标年份（本文为2100年）前再降回到1.5 ℃以下。基于此,本文依据已有的碳减排方案设计原则设置了三种后INDC时期全球碳减排合作方案,使用CIECIA模型对其升温控制的有效性和经济可行性进行了综合分析和评估,对合理可行有效的全球碳排放合作方案进行了探索,并给出了相应的政策建议。

2 模型与校验

本文采用的CIECIA模型属于自上而下的政策评价IAM,由经济模块、气候模块、政策模块以及其他辅助模块构成,模块之间通过消息传递相互联系^[8-9]。由经济模块计算每期各国各部门的生产、投资和消费;由碳核算模块计算当期能源使用和碳排放量,并将全球碳排放量传递到气候模块;气候模块中的全球碳循环模型据此计算当期大气碳浓度的变化,并由升温方程计算地表升温幅度;气候模块和经济模块之间由气候损失方程连接,计算在当前地表升温幅度下,各国的经济损失系数（图1）。

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图1CIECIA的基本模块结构
-->Fig. 1The basic module structure of CIECIA
-->

2.1 经济模块

CIECIA的经济核心是一个以Jin模型为基础扩展得到的多国多部门一般均衡模型^[10],以体现国家和部门间的内在经济联系。模型以两层Leontief函数和Cobb-Douglas函数嵌套的方式定义部门生产,并依据RICE模型^[4],在气候损失方程中添加减排措施对经济的影响因子,即将减排看作气候对于经济的影响之一。

\begin{matrix} X_{i, t}^{j} = \min \{\frac{M_{1, i, t}^{j}}{a_{1, j, i, t}^{}}, \dots, \frac{M_{k, i, t}^{j}}{a_{k, j, i, t}^{}}, \dots, \frac{M_{I, i, t}^{j}}{a_{I, j, i, t}^{}}, X_{i, j, t}^{*}\}, k = 1,2, \dots, I \end{matrix}

（1）

\begin{matrix} X_{i, j, t}^{*} = Ω_{i, t}^{j} {(K_{i, t}^{j})}^{α_{i}} {(A_{t}^{j} L_{i, t}^{j})}^{1 - α_{i}} {(Z_{t}^{j})}^{β_{j, t}^{Z}} \end{matrix}

（2）
式中：

\begin{matrix} X_{i, t}^{j} \end{matrix}

表示国家j部门i在第t期的增加值;

\begin{matrix} M_{k, i, t}^{j} \end{matrix}

表示部门i在生产过程中实际投入的部门k产品的数量;

\begin{matrix} a_{k, j, i, t}^{} \end{matrix}

是中间需求系数;

\begin{matrix} K_{i, t}^{j} \end{matrix}

为固定资本存量;

\begin{matrix} L_{i, t}^{j} \end{matrix}

为劳动力数量;

\begin{matrix} A_{t}^{j} \end{matrix}

为劳动力技术水平;

\begin{matrix} α_{i} \end{matrix}

是部门i的产出弹性;

\begin{matrix} Z_{t}^{j} \end{matrix}

表示知识资本存量;

\begin{matrix} β_{j, t}^{Z} \end{matrix}

表示知识资本的产出弹性;

\begin{matrix} Ω_{i, t}^{j} \end{matrix}

表示气候因素对经济的影响。
参考RICE模型^[4],加上减排损失因子的气候损失方程为：

\begin{matrix} Ω_{i, t}^{j} = \frac{1 - b_{1, j} μ_{t}^{j}}{1 + (\frac{D_{0, j}}{9}) T_{t}^{2}} \end{matrix}

（3）
式中：b_1,_j表示国家j的生产型破坏系数;D_0,_j是温度上升3 ℃所导致的GDP损失;T_t表示第t期地表温度;

\begin{matrix} μ_{t}^{j} \end{matrix}

表示国家j的碳减排控制率;

\begin{matrix} 1 - b_{1, j} μ_{i, t}^{j} \end{matrix}

反映减排对经济的破坏作用。
为评价全球合作减排方案对于整个模拟过程中对各国经济发展的影响,CIECIA采用凯恩斯—拉姆齐效用函数,以累积效用体现模拟过程中各国经济实力的变化。

\begin{matrix} U A_{}^{j} (T) = \overset{T}{\sum_{t = 1}} {(β + 1)}^{- t} Po p_{t}^{j} \frac{{(\frac{C_{t}^{j}}{Po p_{t}^{j}})}^{1 - ρ}}{1 - ρ} \end{matrix}

（4）
式中：

\begin{matrix} U A_{}^{j} (T) \end{matrix}

表示国家j到第T期的累积效用;

\begin{matrix} C_{t}^{j} \end{matrix}

表示消费量;

\begin{matrix} Po p_{t}^{j} \end{matrix}

是人口数;

\begin{matrix} β \end{matrix}

为贴现率,参考Wang等^[11],为0.015;

\begin{matrix} ρ \end{matrix}

是消费者时间偏好。

2.2 气候模块

气候模块的主体是一个参考Svirezhev等的三层碳循环模型^[12],将全球碳循环分解成大气、陆地（包括植被和土壤）、海洋三部分,计算每期大气碳浓度变化;而升温方程则沿用Svirezhev等采用Petschel-Held等的方法^[12-13],认为地表温度的变化完全由大气碳浓度决定：

\begin{matrix} Ψ_{t}^{} = Ψ_{t - 1}^{} + Q_{t} - Δ V_{t} - ΔS o_{t} - Δ O_{t} \end{matrix}

（5）

\begin{matrix} T_{t} = (1 - ν) T_{t - 1} + χln (\frac{Ψ_{t}}{Ψ_{0}}) \end{matrix}

（6）
式中：

\begin{matrix} Ψ_{t}^{} \end{matrix}

表示大气碳含量;

\begin{matrix} Δ V_{t} \end{matrix}

表示植被对碳的净吸收量;

\begin{matrix} ΔS o_{t} \end{matrix}

表示土壤对碳的净吸收量;

\begin{matrix} Δ O_{t} \end{matrix}

表示海洋对碳的净吸收量;

\begin{matrix} χ \end{matrix}

和

\begin{matrix} ν \end{matrix}

是地表温度变化参数。

2.3 技术进步模块

在技术进步方面,CIECIA引入了知识资本概念^[14]和过程技术进步机制^[15-16],采用研发投资驱动的方式,刻画了生产工艺技术的研发、产生与采纳过程,反映部门生产过程中包括能源消耗在内的中间品投入需求的下降。其具体过程为通过对中间需求系数

\begin{matrix} a_{k, i, j, t}^{} \end{matrix}

进行循环随机对数冲击,得到新的中间需求系数组,若新的中间需求系数带来的单位生产成本小于冲击之前,则接受这组系数,否则维持原先的系数。

\begin{matrix} \ln (a_{k, j, i, t}^{'}) = \ln (a_{k, j, i, t, n - 1}^{*}) + ε_{j, k, i, t, n}, ε_{j, k, i, t, n} \in N (0; ρ_{t}^{j}) \end{matrix}

（7）

\begin{matrix} (a_{1, j, i, t, n}^{*}, \dots, a_{I, j, i, t, n}^{*}) = \{\begin{matrix} (a_{1, j, i, t}^{'}, \dots, a_{I, j, i, t}^{'}) if \sum_{k}^{J} a_{k, j, i, t}^{'} p_{i, t} < \sum_{k}^{J} a_{k, j, i, t, n - 1}^{*} p_{i, t} \\ (a_{1, j, i, t, n - 1}^{*}, \dots, a_{I, j, i, t, n - 1}^{*}) O th erwise \end{matrix} \end{matrix}

（8）
式中：

\begin{matrix} ε_{j, k, i, t, n} \end{matrix}

为每次冲击的强度,服从方差为

\begin{matrix} ρ_{t}^{j} \end{matrix}

的正态分布。这一机制体现了生产部门在技术采纳过程中的自主选择性,更加符合技术进步规律,即技术进步是企业利润选择的结果,而不仅仅是一个缓慢的渐进过程。这一机制也体现了经济发展过程中由产业结构变化带来的广义低碳技术的发展。

2.4 数据来源与模型校验

依据Malik^[17],CIECIA将全球各国划分为四大类：发达国家、高发展国家、中发展国家和低发展国家。由于中国、美国、日本、欧盟、印度和俄罗斯这六个国家/集团在经济发展和碳排放上具有代表性,基本涵盖了从中低发展中国家到高度发达国家,从能源供应国到资源匮乏国的各种类型,值得重点考察和分析,因此需要将其单独列出。其中,中国、美国、欧盟、印度是全球最主要的经济体和碳排放国家,中国和印度也是处于快速发展中的人口大国;俄罗斯是重要的能源出口国;日本代表资源匮乏国家,同时也代表了先进的低碳技术。这样CIECIA就包含了10个国家/集团。在生产部门方面,依据产业和能源消费特征,CIECIA将国民经济划分为12个部门：农业、食品加工业、能源开发与供应业、金属及其他矿业、轻工业、化工业、重工业、建筑业、商贸零售业、交通运输业、金融保险业和其他服务业。
模型的经济参数主要来源于GTAP-8,包括初始的总产出、增加值、固定资本及其产出弹性、中间需求系数等。人口及其增长预测参考联合国世界人口自然增长率^[18],研发投资与知识资本相关参数取值参考刘昌新^[19],能源与碳排放相关数据来源EIA^[20]。
为检验CIECIA模拟结果的准确性,本文就基准情景（即不减排情景）下各国2007-2011年GDP、经常账户余额、能源使用和碳排放4个方面的模拟结果与现实数据进行校验。表1所示,4组模拟值与真实值的回归分析得到的相关系数都达到0.9以上,且在1%水平上显著;而Z检验和方差分析表明,真实值和模拟值之间不存在显著的差异。因此,基准情景的模拟结果可以准确地反映真实世界中经济发展、能源使用和碳排放的变化。
Tab. 1
表1
表1基准情景模拟结果校验
Tab. 1Calibration of baseline results from CIECIA

校验项	回归分析	Z检验	方差分析
校验项	相关系数	Z值	F值
GDP	0.9962^***	0.4744	0.2250
经常账户余额	0.9238^***	0.0652	0.0043
能源使用	0.9964^***	0.0251	0.0006
碳排放	0.9954^***	0.0070	0.0000

注：① GDP、能源使用和碳排放的真实数据来自EIA^[20],经常账户余额的真实数据来自IMF^[21];② ^***：在1%水平上显著。

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3 INDC目标年碳排放核算

根据《巴黎协定》,当前各国提出的INDC减排目标可能连实现2 ℃升温控制目标都非常困难^[1],因此本文只考虑各国在INDC中设定的最高无条件减排目标（unconditional contributions）。中国的INDC目标为碳排放强度到2030年较2005年下降60%~65%,本文以65%核算,计算得到中国在2030年的碳排放强度应下降到0.8473 t CO₂/千美元^（根据EIA,中国2005年消耗能源带来的CO₂强度为2.4209 t CO₂/千美元。^）,CIECIA预测2030年中国的GDP为16.97万亿美元（2005年平价）,折合碳排放量为3921.34 Mt C。依据同样方法,可得到美国、日本、欧盟、印度、俄罗斯到INDC目标年的碳排放量。
其他发达国家与发展中国家由于其成员国家/地区存在大量不同的碳减排和减排参照方法形式,且部分国家尚未提交自主贡献,而已提交的部分国家缺乏明确的减排目标（如埃及、玻利维亚、巴基斯坦等）,其减排目标尚难统一,因此只能通过比较总体减排率与主要国家减排目标来判断。其他发达国家中,加拿大的碳减排率为2030年较2005年减排30%,新西兰为2030年较2005年减排30%,澳大利亚为2030年较2005年减排28%,以色列为2030年较2005年减排26%,挪威为2030年较1990年减排40%,新加坡为2030年较2005年减排36%。总体上,各国的碳减排率在较2005年减排30%左右,折合碳排放量为301.86 Mt C。
高、中、低发展国家的INDC目标以碳排放强度和较基准情景的减排率为主,但各国的减排目标差异极大。各主要碳排放国家中,乌克兰计划2030年碳排放量不超过1990年水平的60%,巴西2030年较2005年减排43%,南非将2030年温室气体排放量控制在398~614 Mt CO₂-eq,以最低排放量计算相当于较2005年减排35%,墨西哥2030年较基准情景减排22%,土耳其2030年较基准情景减排21%,泰国2030年较基准情景减排20%,印度尼西亚2030年较基准情景下降29%,菲律宾2030年较基准情景减排70%,埃塞俄比亚较2030年基准情景减排64%,安哥拉2030年较基准情景减排35%,越南2030年较基准情景减排8%,喀麦隆2035年基准情景减排32%。综合考虑各国的碳排放基数,以及发展中国家在未来对碳排放需求的增加,本文将高、中、低发展国家2030年的碳减排率设定为较基准情景下降35%。整合后各国具体的INDC目标和目标年碳排放量如表2所示。
Tab. 2
表2
表2INDC目标与目标年折算碳排放量
Tab. 2INDCs of countries and their associated converted carbon emissions in the target years

国家/集团	INDC目标	目标年碳排放量(Mt C)
中国	2030年碳排放强度较2005年下降65%	3921.34
美国	2025年碳排放量较2005年下降28%	1178.03
日本	2030年碳排放量较2005年下降25.4%	227.09
欧盟	2030年碳排放量较1990年下降40%	648.00
印度	2030年碳排放强度较2005年下降35%	990.18
俄罗斯	2030年碳排放量较1990年下降25%	412.50
其他发达国家	2030年碳排放量较2005年下降30%	301.86
高发展国家	2030年碳排放量较基准情景同期下降35%	1169.31
中发展国家	2030年碳排放量较基准情景同期下降35%	739.39
低发展国家	2030年碳排放量较基准情景同期下降35%	207.33

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值得注意的是,《巴黎协定》中的减排措施是以温室气体排放量计算,而CIECIA中仅涉及二氧化碳,并以固定比例折算其他温室气体的排放^（根据世界资源研究所（World Resources Institute）提供的CAIT气候数据^[22],全球温室气体排放与CO₂排放之间的比例关系稳定在68%~70%。^）。根据EIA提供的数据,2010年全球因能源消耗带来的CO₂排放量为311.54亿t,而本文核算得到2030年全球CO₂排放量为359.15亿t（美国按2025年碳排放量计算）,较2010年上升了14.25%,与UNFCCC在《巴黎协定》中预测的温室气体排放变化率非常接近^（对于全球2030年温室气体排放量,UNFCCC预计若按当前各国的INDC目标执行,则2030年全球温室气体排放量为550亿t左右^[1];对于2010年全球温室气体排放各机构的估算结果有差异,UNFCCC给出的排放量为500亿t左右,而世界资源研究所的CAIT^[22]数据统计2010年全球温室气体排放为457亿t,本文综合考虑后认为2010年全球温室气体排放量在475亿t左右。这样2030年的温室气体排放量为2010年的115%左右。^）,表明本文对于INDC目标年全球碳排放量的核算与UNFCCC的预测基本一致。

4 后INDC时期1.5 ℃升温控制减排方案

为将全球地表温度较工业化前水平的上升幅度控制在1.5 ℃以内,本文基于CIECIA模型,结合核算得到的各国在INDC目标年的碳排放量,设计了三种后INDC时期的碳减排方案,以此制定了相应的减排情景。方案1下各国在INDC目标年后立即实现净零排放,而方案2则设置了一个实现净零排放的缓冲期,本文采取人均碳排放趋同原则^[23-24],各国自INDC目标年开始逐步降低碳排放量,在2041年同时实现净零排放。在此基础上,针对方案1和方案2的不足,本文设计了一种帕累托改进方案（方案3）,调整了各国在净零排放缓冲期内的减排率,以确保所有减排参与国的经济利益。
三种减排情景的模拟时期为2007-2100年,各国从2016年开始减排,在INDC目标年之前的碳减排率依据各国自身的承诺目标,2031-2100年的减排目标和碳排放空间如表3所示。方案1下,全球在后INDC时期保持净零排放,其总碳排放额为0;而在方案2下,从INDC目标年到净零排放的缓冲期内,全球的碳排放总额为51.92 Gt C;方案3针对部分国家/集团调整了缓冲期,并将其余各国的净零排放实现时间提前到2035年,全球在后INDC时期的总碳排放额为37.90 Gt C,介于方案1和方案2之间。
Tab. 3
表3
表3三种减排方案后INDC时期各国减排目标与碳排放空间(Mt C)
Tab. 3The abatement targets and emission permits of countries in the post-INDC period in the three schemes (Mt C)

国家/集团	起始年	方案1			方案2			方案3
国家/集团	起始年	减排目标		排放空间		减排路径	排放空间	减排路径	排放空间
中国	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	19606.68		到2035年实现净零排放	7842.67
美国	2026年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	8835.25		到2035年实现净零排放	5301.15
日本	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	1135.47		到2035年实现净零排放	454.19
欧盟	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	3240.00		到2035年实现净零排放	1296.00
印度	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	4950.87		到2035年实现净零排放	1980.35
俄罗斯	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	2062.50		2031-2045年维持2030年排放量;2052年实现净零排放	7425.00
其他发达国家	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	1509.29		到2035年实现净零排放	603.71
高发展国家	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	5846.57		到2050年实现净零排放	11108.48
中发展国家	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	3696.94		到2035年实现净零排放	1478.77
低发展国家	2031年	立即实现净零排放	0		到2041年实现净零排放	1036.67		到2035年实现净零排放	414.67

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图2显示了三种方案下全球地表升温幅度的变化趋势。在CIECIA的基准情景（不减排情景）下,全球地表升温幅度保持上升趋势,在2100年达到3.2 ℃左右;而在三种减排方案下,随着净零排放的实现,全球地表升温幅度较基准情景大幅下降,并呈现先上升后下降的趋势,出现升温高峰。

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图2三种方案下全球地表温度较工业化前水平上升幅度
-->Fig. 2Global warming compared with pre-industrial levels in the three schemes
-->

在方案1下,全球地表升温幅度在2056年达到高峰,峰值为1.50 ℃;到2100年更是下降到1.37 ℃。方案1将全球地表升温幅度在2100年前控制在1.5 ℃以下,实现了全程1.5 ℃地表升温控制的目标,即在2100年前,全球地表温度没有超过1.5 ℃。
在较为宽松的碳排放措施下,方案2下全球地表升温幅度在2042-2098年间超过1.5 ℃,并在2061年达到高峰,峰值为1.62 ℃;到2100年,全球地表升温幅度重新下降到1.5 ℃以下,为1.49 ℃,实现终期1.5 ℃升温控制目标,但无法实现整个模拟过程中1.5 ℃的升温控制目标。
与后INDC时期全球碳排放空间一致,方案3下全球的地表升温幅度基本介于方案1和方案2之间,其升温高峰出现在2060年,峰值为1.58 ℃,超过了1.5 ℃升温限制,无法实现全程1.5 ℃控制目标;而到2100年,全球地表升温下降到1.46 ℃,满足终期1.5 ℃的升温控制目标。尽管无法实现全程1.5 ℃目标,方案2和方案3下全球地表升温幅度最高也仅为1.6 ℃左右,完全满足2 ℃升温控制的哥本哈根目标。此外,两种方案下的全球地表升温幅度在达到峰值后长期处于下降趋势,因此,在趋势上地表升温幅度在2100年后将长期低于1.5 ℃。
图3显示了方案1下各国的累积效用较基准情景的变化率。可以看到,随着INDC目标年后净零排放的实施,各国到2050年的累积效用较基准情景出现大幅下降。其中中发展和低发展国家累积效用的下降率超过了1.5%,而中国、俄罗斯、印度和高发展国家的下降率也在1.5%附近。随着时间的推移,由碳减排导致的全球地表升温幅度的下降带来了气候福利,使得各国的累积效用出现回升。到2100年,除俄罗斯外所有国家/集团的累积效用均高于基准情景,其中印度的累积效用更是上升了1.58%,而其他发达国家和中发展国家的累积效用上升率也超过1%。这表明对于大部分国家/集团而言,由碳减排带来的长期的气候福利可以抵消其由于激进的净零排放措施造成的经济损失。

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图3方案1下各国累积效用较基准情景变化率
-->Fig. 3Percentage change in the cumulative utilities of countries in Scheme 1, with respect to baseline
-->

图4显示了方案2下各国的累积效用较基准情景的变化率。与方案1相同,由于INDC目标年后大量减排,各国到2050年和到2075年的累积效用较基准情景大幅下降。但由于方案2下要到2041年才实现净零排放,其减排措施较方案1略为宽松,因此其累积效用的降幅略低于方案1。到2100年,除俄罗斯和高发展国家外所有国家/集团的累积效用均高于基准情景,其中印度的累积效用较基准情景上升1.28%,中国、日本、欧盟、其他发达国家和中发展国家的累积效用上升率均在0.7%左右,而俄罗斯的累积效用则较基准情景下降了0.68%。值得注意的是,尽管方案2下各国到2050年的累积效用略高于减排措施更加激进的方案1,然而其到2100年的累积效用却普遍低于方案1。这主要是由于宽松的减排措施使得方案2下全球地表升温幅度高于方案1,带来气候福利的长期减少,而增加的碳排放额度并没有为2050年后的经济增长带来太大的促进作用,这就使得2050年后各国的经济回升速度缓慢,最终导致2007-2100年的累积效用反而低于方案1。

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图4方案2下各国累积效用较基准情景变化率
-->Fig. 4Percentage change in the cumulative utilities of countries in Scheme 2, with respect to baseline
-->

俄罗斯和高发展国家在两种方案下的累积效用较低,其中俄罗斯是唯一在两种方案下累积效用均受损的国家。这主要是由于俄罗斯本身地处寒带,因此全球升温幅度下降对俄罗斯带来的气候福利小于其他国家/集团;另一方面,俄罗斯和高发展国家是全球经济体系中重要的能源供应国,以能源业为代表的高能耗部门在俄罗斯和高发展国家的国民经济中占据非常重要的地位,这也在一定程度上使得这两个国家/集团在同样长期实现净零排放的情况下,经济损失较其他国家更为严重。
从方案1和方案2的评估结果中可以看到,尽管两种方案可以实现全程或者终期的1.5 ℃全球升温控制目标,但是均无法保证所有减排参与国的经济福利较不减排情景得到改善。这就意味着两种方案下都存在因减排而造成经济损失的国家/集团,这就大大降低了这两种方案的可行性。从气候变化伦理学的角度出发,一个可行的全球合作减排方案必须能够使所有减排参与国从减排活动中受益,实现所有参与国在经济利益上的帕累托改进（帕累托改进指的是一项社会变革使一部分人的社会福利增加,而同时不损害其他社会成员的利益）,否则全球合作减排将无从谈起^[25]。
因此,方案3在方案1和2的基础上进行改进,为俄罗斯和高发展国家设置了较其他国家/集团更加宽松的减排措施,其中俄罗斯将保持2030年碳排放量至2045年,然后至2050年实现净零排放,而高发展国家从2030年起逐步降低碳排放量,至2050年实现净零排放（表3）,以实现所有国家/集团到2100年经济利益的帕累托改进。
图5显示了方案3下各国的累积效用较基准情景的变化率。在此方案下,所有国家/集团到2100年的累积效用均超过了基准情景,实现了减排过程中经济效用的帕累托改进。其中,印度到2100年的累积效用较基准情景的上升率仍然最高,达到1.31%;中国、日本、欧盟等国的累积效用上升率也在0.5%以上;在更加宽松的减排措施的作用下,俄罗斯到2100年的累积效用较基准情景上升0.03%,而高发展国家则较基准情景上升了0.10%。较之方案1和方案2,方案3保证各国在模拟期间的累积效用高于不减排情景,使得各国的经济发展从长期来看不仅未受损失,反而受益于碳减排措施。这使得方案3被所有减排参与国接受的可能性明显高于方案1和方案2,使其可行性大大提高。

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图5方案3下各国累积效用较基准情景变化率
-->Fig. 5Percentage change in the cumulative utilities of countries in Scheme 3, with respect to baseline
-->

比较三种方案下各国到2100年累积效用较基准情景的变化率（图6）,可以看到在方案3下,随着对俄罗斯和高发展国家碳排放限制的放宽,中国、美国和日本的累积效用较方案2出现下降,而其余各国的累积效用较基准情景均有所上升。如本文第2节所介绍,CIECIA的经济核心是一个多国多部门一般均衡模型,模型刻画了国家/部门间包括竞争、互利在内的经济联系。方案3下,俄罗斯和高发展国家获得更多的碳排放额,促进其经济的发展,而对其他国家的经济发展则产生了一定的冲击,而尤以中国、美国和日本最为严重;而其他国家受到的冲击较小,再加上气候福利的作用,使得其余各国的累积效用较方案2出现上升。此外,由于中国、美国、日本经济受到的冲击较大,使得资本等生产要素出现流动到其他国家的倾向,从而带动了其他各国经济的增长,也从另一方面导致了印度、中低发展国家等国累积效用的上升。

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图6三种方案下各国到2100年累积效用较基准情景变化率
-->Fig. 6Percentage change in the cumulative utilities of countries by 2100 in the three schemes, with respect to baseline
-->

模拟结果显示,在国际合作减排带来的经济影响方面,中国、美国和日本之间具有更加紧密的经济联系和利益关系,需要在未来加强国际间的碳减排合作,就减排立场达成共识,而《中美气候变化联合声明》为这一合作打下了良好的基础;俄罗斯、高发展国家在未来的碳减排过程中可能与中国、美国之间存在经济上的相互竞争关系,因此需要明确各自的碳减排任务,注意协调相互之间的利益关系。
图7显示了本文三种1.5 ℃地表升温控制方案与5种2 ℃方案下全球2031-2050年和2031-2100年累积效用较基准情景的变化,其中5种2 ℃方案的累积效用来自Wang等^[8]。可以看到,2031-2050年严格的减排措施使得三种1.5 ℃方案下全球的累积效用明显低于2 ℃方案,而2050年后由地表升温幅度进一步下降带来的气候福利将三种方案下到2100年的累积效用重新提高到与2 ℃方案接近的水平。

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图7方案1~3与五种2 ℃方案下全球累积效用较基准情景变化率
-->Fig. 7Percentage change in global cumulative utilities in Schemes 1, 2, and 3 and five 2℃ schemes, with respect to baseline
-->

从长期来看,碳减排对全球经济的损害程度和带来的气候福利的大小基本是同步的,即严格的减排措施对经济损害较大,尤其是在短期内,但是带来了长期的额外气候福利;而宽松的减排措施对经济影响较小,但也导致气候福利较低。从模拟结果看,不管是严格的1.5 ℃减排方案和较为宽松的2 ℃方案,全球经济在减排损失和气候福利的双重作用下,其2031-2100年累积效用都收敛在较基准情景上升1%的水平,体现出各减排方案对全球经济影响的趋同性。

6 结论与讨论

针对《巴黎协定》给出的地表升温控制在1.5 ℃以内的全球气候保护目标,依据各国提交的国家自主减排贡献,本文设定了两种1.5 ℃温控目标实现形式,即全程1.5 ℃升温控制和终期1.5 ℃升温控制,以此为基础设置了三种不同的全球合作减排方案,使用气候—经济集成评估模型CIECIA对三种方案的气候有效性和经济可行性进行了评估,探索了满足所有减排参与者经济利益不因减排受到损失的帕累托改进方案,得到以下研究结果：
（1）若要在2007-2100年期间全程实现1.5 ℃地表升温控制目标,则不仅要求各国严格执行INDC减排计划,还需要在INDC目标年后立即实现净零排放。从模拟结果来看,方案1下的地表升温高峰值已经达到1.49 ℃,意味着在INDC目标年后任何形式的碳排放量的增加都可能导致全球地表升温幅度在2030年后的某一时刻突破1.5 ℃控制目标。
（2）若将地表升温控制目标放宽到实现2100年终期1.5 ℃升温控制,则在INDC目标年后尚余大约52 Gt C的碳排放空间可供各国在实现净零排放之前进行碳减排的缓冲。方案2的模拟结果显示,在人均碳排放趋同原则下,要实现2100年终期1.5 ℃升温控制目标,则各国最晚要在2041年实现全面的净零排放,保证2100年的地表升温幅度落在1.5 ℃以内。
（3）由于俄罗斯和高发展国家的高能耗产业较为集中,且俄罗斯地处寒带,较难获得碳减排带来的气候福利,因此,在方案1和方案2下到2100年累积效用较基准情景出现下降。这使得方案1和方案2难以被所有的减排参与国接受,其可行性大大降低。方案3在此基础上放宽了对俄罗斯和高发展国家的碳排放限制,确保所有减排参与国到2100年的累积效用较不减排情景均得到改善,实现了各国在经济利益上的帕累托改进,同时也确保到2100年的全球地表升温低于1.5 ℃,因此是一个可行有效的后INDC时期全球合作减排方案。
（4）实现1.5 ℃升温目标要求各国在后INDC时期及早实现净零排放,即使是在帕累托改进方案下,各国仍将在2030年前后的短时期内承受较大的经济损失,因此若非出现重大技术突破大幅降低减排成本,其可实现性并不高,各国对此仍需要慎重考虑。
（5）对比方案2和方案3的模拟结果,中国和美国作为未来世界的两大经济体,其在减排过程中的经济联系更加紧密,而与俄罗斯和高发展国家存在一定的竞争关系,对俄罗斯和高发展国家碳排放限制的放宽可能会对中美经济带来影响,而使其他国家/集团受益。因此在全球合作减排中中国可以进一步加强与美国的合作,并注意协调与俄罗斯和高发展国家之间的经济利益关系。
从模拟结果中可以看到,在美国退出《巴黎协定》,放弃其INDC承诺的情况下,除非其余国家/地区,尤其是中国、印度、欧盟这样的排放大国进一步加大减排力度,弥补因美国退出或下调减排目标而额外增加的碳排放,否则将无法在2100年把地表升温控制在1.5 ℃以内（根据方案2,终期1.5 ℃目标下全球后INDC时期总碳排放空间只有不到52 Gt C,而美国近年来年碳排放量均在1 GtC以上）。其对全球合作减排产生重大的地缘政治冲击,甚至可能导致《巴黎协定》框架崩溃。在这种情况下,中国作为当前全球最大的碳排放国家,积极参与国际治理体系,通过亚投行、“一带一路”战略等措施提高自身的国际影响力,在气候变化领域承担起“全球领袖”的地位,对于实现全球气候保护目标将至关重要。
对此,在未来的工作中,将着重研究在美国以及其他国家/地区退出或降低减排目标的情况下,各国可实现气候保护目标（1.5 ℃或2 ℃温控目标）的合理、有效、可行的碳减排路径。此外,考虑到为实现1.5 ℃升温控制目标,全球需要在短时间内实现净零排放,本文在设计方案2和方案3的时候采取最为简明的人均碳排放趋同原则,并未过多考虑净零排放前的缓冲期内碳排放的分配问题。在下一步的研究中,我们将依据不同的分配原则对缓冲期内各国碳排放进行细分,评估其对各国经济发展的影响。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
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[24]	Chen Wenying, Wu Zongxin, He Jiankun.Two-convergence approach for future global carbon permit allocation . Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2005, 45: 850-853. [本文引用: 1] [陈文颖, 吴宗鑫, 何建坤. 全球未来碳排放权“两个趋同”的分配方法 . 清华大学学报(自然科学版), 2005, 45(6): 850-853.] [本文引用: 1]
[25]	Wang Zheng, Liu Xiao, Liu Changxin, et al.Several issues of climate change ethics . Scientia Sinica Terrae, 2014, 44: 1600-1608. [本文引用: 1] [王铮, 刘筱, 刘昌新, 等. 气候变化伦理的若干问题探讨 . 中国科学: 地球科学, 2014, 44: 1600-1608.] [本文引用: 1]

后INDC时期全球1.5℃合作减排方案

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Global carbon abatement schemes for the 1.5℃ warming limitation in the post-INDC period

1 引言