能源价格变动对我国能源需求及污染排放的影响
全球变化是现今世界面临的难题，也是目前气候变化研究的热点。黑碳气溶胶主要产生于化石能源的不完全燃烧，并因其高增温效率与短生命周期成为影响区域气候变化的主要短寿命污染物。作为细颗粒物的重要组分，黑碳对人类健康的影响也不容忽视。黑碳减排依赖于相关能源政策的制定和实施。本文利用可计算一般均衡(CGE)模型研究了煤炭价格变动情况下，我国宏观经济、部门能源需求与污染物排放的变化。模拟结果显示，煤炭价格的提高会使我国部门的能源需求量减小，黑碳排放量下降，并且不同省市的能源需求量及黑碳减排量有显著的区别，煤炭价格提高对能源消耗大的省市（如河北、河南、山东、山西等）的黑碳减排作用更为显著。同时，提高煤炭价格会给我国经济发展带来负面影响。
关键词：黑碳气溶胶，可计算一般均衡模型，煤炭价格，能源需求
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着世界经济的快速发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈，能源问题成为各个国家关注的焦点(Xiaohong, xin et al. 2011)，(张少楠 2006)。而与之相关的全球变暖问题也是现如今世界面临的难题(S?zen, Gülseven et al. 2007)，由化石能源排放的温室气体引起的气候变化是能源系统存在的巨大威胁(Demirbas 2003)。
传统工业排放的温室气体（CO2,SO2,NOX等）造成的全球变暖问题，曾经受到一些学者的质疑。但是，在政府气候变化专门委员（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC第四次和第五次报告中均指出，气候变暖已成为不争的事实。全球平均气温和海温的升高、大范围雪山冰川的融化、以及海平面上升都是由气候变暖引起的。自1750年以来，受到人类活动的影响，全球大气CO2，CH4，N2O等气体的浓度已明显增加。全球大气温室气体的增加，主要由于化石燃料使用和土地利用变化引起的(秦大河 and 罗勇 2007)。
这些温室气体中，CO2的贡献无疑是最大的，因而CO2排放的问题成为研究的热点。然而，近年来的一些研究表明，短寿命污染物在气候变化中也起到重要
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的作用。黑碳气溶胶作为一种重要的短寿命污染气体，其气候效应成为全球行的研究热点之一(Ramanathan and Carmichael 2008)。(Bond, Doherty et al. 2013)的研究认为黒碳气溶胶对气候变暖具有较强的影响，其增温效应约为二氧化碳的三分之二，跃居甲烷之前，超出先前估计的两倍，成为工业排放的第二大气候污染物。
黒碳气溶胶对气候的影响方式主要有3种(张华 and 王志力 2009)：直接吸收太阳辐射和红外辐射，扰动地球大气系统能量收支；与硫酸盐、有机碳等水溶性气溶胶混合作为云凝结核，改变云的微物理和辐射性质以及云的寿命；处于云层中的黑炭气溶胶吸收太阳辐射，加热云层大气，导致云的蒸发、减少。
大气中的黑碳（black carbon，BC）主要来源于各种化石燃料和生物质燃料的不完全燃烧过程(Chameides and Bergin 2002; Bond 2004; Ramanathan and Carmichael 2008)。根据过去的排放清单研究(Bond, Doherty et al. 2013)，大气中的黑碳气溶胶来源主要包括：1）有机燃料的燃烧，包括能源部门，工业燃烧以及居民生活的煤、石油和天然气的消耗使用；2）工业炼焦，主要包括炼制过程、焦炉加热系统以及焦炉煤气的泄露等；3）工业制砖，包括制砖中无聊破碎输送和烧成工段等过程；4）垃圾处理，包括生活垃圾和工业废料的燃烧过程。由此可见，黑碳气溶胶的排放与能源部门、产业结构、生产活动有密切的联系。且黑碳气溶胶在大气中的寿命只有一周左右(Cape, Coyle et al. 2012)，因而黒碳的排放在不同省市各个行业源贡献比例差异显著(Zhang, Qin et al. 2013)。
由于黒碳气溶胶的增温效率高于二氧化碳等温室气体，而且排放量较大，加上大气存留时间仅为几周，减少黒碳气溶胶的排放可能是短期内减缓气候变暖的最迅捷途径。同时，黒碳气溶胶在空气中反应会产生危害人类健康的物质，给人类生存带来威胁。因此，减少黒碳排放不仅有助于减缓区域气候变化，也有益人体健康。
黑碳减排与能源结构有密切的联系，尤其是中国，其高速发展的工业消耗了大量的能源，以及部分落后的技术和产生结构的不合理，已经成为世界上黑碳排放量最高的国家。黑碳减排依赖于相关能源政策的实施，研究不同能源政策下黑碳在我国各个地区各行业的排放特点是很有必要的。可计算一般均衡问题（Computable Generable Equilibrium, CGE）模型方法是研究能源与环境问题的主流方法，本文将建立CGE能源与环境模型讨论煤炭价格变动下我国的能源结构和环境排放的变化。
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1.2 文献综述
为了全面准确地分析能源环境与各个地区经济体系和相关政策的关系，国内外学者普遍采用CGE模型方法。CGE模型方法能够对以能源流动为纽带的“能源-经济-环境”体系的各个部门、各个要素以及这些部门要素之间的关系和所采用的政策进行量化模拟，并通过特定的优化均衡准则，算出动态平衡下的结果(Yang 2001; 李创 2012; Mahmood and Marpaung 2014)。
(Johansen1960)提出了第一个CGE模型。此后模型发展没有太大进展，直到20世纪70年代国际贸易和世界经济受到能源价格的冲击，促使CGE模型的快速发展。之后随着模型的完善，加之计算机的高速发展，人们开始利用计算机来求解CGE模型，出现了专业求解CGE模型的GAMS语言（通用数学建模语言）(BURFISHER 2011)。随着不断的发展，CGE 模型应用于各个国家各个地区的各个领域。尤其应用较多的是环境经济，税收，劳动力流动，水资源经济等领域。涉及气候环境问题的CGE模型最早出现在20世纪90年代，近年来该模型在能源经济环境政策等方面倍受青睐。(Whalley and Wigle 1992) 第一个将CGE模型应用到气候变化问题中，他们开发了一个包含多个国家的、静态的、涉及全球贸易和碳排放的CGE模型，并且在研究中分别将碳税纳入生产税和消费税来分析不同方案下碳税的国际影响。
目前，能源CGE 模型的研究主要针对能源价格的变化，能源税收的变化，生产技术的提高等。(Doroodian and Boyd 2003),(Ayd?n and Acar 2011),(Guivarch, Hallegatte et al. 2009)分别利用CGE模型来分析石油价格冲击对美国，土耳其和欧盟的影响。(Timilsina 2015)利用全球的CGE模型模拟石油价格上涨对全球的影响，他指出石油价格上涨对各个国家的经济有不同程度的影响，对能源密集型的国家比如：印度、中国等国家影响最为显著。(Kuster 2007),(De 2006), (Schumacher and Sands 2007)将生产技术转变引入到CGE模型中，他们的研究表明，技术转变通过提高生产效率，改变能源密集型产业的结构，最终达到减少碳排放的目的。技术转变对控制能源消耗和减缓污染物排放有明显的作用。
针对能源政策研究最多的是能源税收的问题。西方发达国家的相关研究表明，征收能源税是解决能源环境的有效途径。(Whalley and Wigle 1992)首次将碳税引入CGE模型，并且将碳税分别以消费税和生产税的方式加入CGE模型，分析了碳税对全球经济以及碳排放的影响。在这个基础上，(Goulder 1994),(Gottinger 1998),(K.FARMER and K.W.STEININGER 1999)分别研究了能源税对澳大利亚，欧洲和美国的经济和环境问题的影响。他们的研究结果一致表
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明，征收能源税对减少污染物排放，提高环境质量有显著的作用，但同时会对GDP产生负面的影响。(Kumbaro?lu 2003)利用CGE模型研究了税收对土耳其国民经济的影响。(Orecchia and Parrado 2013)比较了只对二氧化碳征税和对所有温室气体征税的差别，研究表明，实施对多种温室气体排放征税的减排政策会比只实施对二氧化碳排放征税的成本要低。
环境—经济—能源CGE模型在国内的应用逐渐增加，如：(魏涛远 2002; 王灿 and 陈吉宁 2005; 郭正权 and 刘海滨 2012)，他们讨论了针对能源的生产和使用环节征收碳税的差别，并且采用不同的税率来研究碳税对碳减排、微观经济体和产业结构的影响。结果表明，碳税能有效的减少高碳能源的需求量，减少二氧化碳等温室气体的排放，但是对中国的对外贸易，经济结构，人力资源需求和居民收入都会造成一定程度的负面影响。(胡宗义 and 刘义文 2010), (沈可挺 2002),(李娜 2010)在静态的CGE 模型上建立了动态CGE模型，用以模拟和分析中国的碳税政策。(贺菊煌 and 沈可挺 2002)在能源CGE模型中将生产税分为产值税、增值税和碳税。其结论为，当征收碳税时，产值税和增值税会有相同比例的削减，碳税会对GDP的影响较小。(杨岚 2009)搭建了一个10个部门的静态CGE 模型模拟了不同能源税的情形。通过研究得出，在能源税收政策的实施下，GDP会有小范围的下降，能源需求量减少，有助于部门生产由能源强度大转为能源强度小的产业形态，促使高耗能的产业向低耗能的产业转型。
以上的研究多针对能源税收进行讨论，且均将中国看作整体而建立的单区域CGE模型，然而，中国区域间的经济基础，产业结构，资源禀赋和能源利用技术都存在很大的差别。因而将中国的环境经济问题分为多个区域研究是很有必要的。但目前国内对多区域CGE模型的研究相对较少。(Zhigang and Shantong 2004) 建立了双区域（北京市，我国其他地区）CGE模型，来模拟预测北京2008年奥运会对北京市产业结构的影响。基于双区域CGE模型，(Shantong and Jianwu 2005) 构建了三区域（广东，山西和我国其他地区）CGE模型，同时引入了环境模块来讨论污染税收和环境政策问题。(Zhang, Rausch et al. 2013)利用全球的CGE模型将我国分为30个区域来研究全国目标下的省际区域二氧化碳排放目标，他指出区域差异对减排目标的制定有很大的影响。(Meng, Guo et al. 2011)分析了从1997年到2009年来中国区域二氧化碳排放的特征和减排对经济和能源的影响。结果表明，区域之间的碳排放有着显著的差异，实施能源政策后，对能源密集型地区影响很大。这种能源生产和消费的差异源于能源价格和税收的差异，最后引起碳排放的差异。研究还显示，区域间的碳转移主要出现在2003年以后，主要表现为碳足迹由东部地区逐渐向中西部地区转移，尤其转向中部能源强度大的地区。
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基于以上相关研究，本文将煤炭价格变动作为能源政策，先利用单区域CGE模型讨论煤炭价格变动对我国宏观经济、能源消耗总量的影响。之后，在全国各个区域的部门是完全可替代的多区域CGE模型假设下，模拟煤炭价格变动对区域能源消费和黑碳气溶胶排放的影响。
1.3 本文的研究内容及创新
本文基于可计算一般均衡的原理构建了能源可计算一般均衡模型，研究能源政策下经济和能源环境的变化，为相关能源政策的可实施性提供参考。
全文一共五章。第一章为绪论，介绍了本文的研究背景和意义，同时对目前国内外的CGE模型研究、应用现状进行了综述；第二章为建模部分，首先介绍了模型的标准数据SAM的原理、基本结构以及SAM的平衡方法；接着简要的介绍了能源CGE模型的建模原理，之后详细描述了模型的结构，并介绍了模型求解的方法；第三章是对目前我国的能源结构，黑碳排放分布的分析；第四章模拟了煤炭价格变动下，我国经济、各部门能源和排放的变化；第五章为全文的结论与展望。
本文的创新点在利用CGE模型结合分析了能源政策下的经济活动与能源排放的变化特点；将黑碳气溶胶的排放纳入CGE模型中，更好的反应出区域经济活动与区域污染物排放之间的联系。
2 模型的构建
CGE模型因其能够描述政策对市场供求平衡、环境经济及相应价格的影响而被广泛应用于政策模拟分析。CGE模型的实质就是用一组相互影响、相互联系的线性和非线性方程组来描述供给关系、需求关系以及使供给和需求在一系列约束下达到平衡的过程。这些约束包括：居民效用最大化、企业利润最大化、成本最小化等。
为了讨论能源政策下经济，能源和排放的变化。本文在中国经济可计算一般均衡模型的基本结构(张欣 2010)的基础上，针对能源部门的结构特点，将能源分为原油，加工石油，煤炭，燃气和电力五个部门，建立了能源CGE模型。
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能源价格变动对我国能源需求及污染排放的影响
