王戎通過數值模擬研究空氣污染對氣候變化的作用

■本報見習記者程唯珈記者黃辛

如果只從經濟學角度出發，當用電的費用只占生活成本的很小部分時，你可能不會隨手關燈或者有意識地使用節能電器。但是，假設有一天，當用電成本占據你生活開支的一半以上時，你會怎么辦？你可能會想盡辦法去省電，因為這樣可以減少開支。

同理，當此情景出現在一個經濟體的能源系統時，就會促進技術進步從而推進節能減排和經濟發展。近日，復旦大學環境科學與工程系青年研究員王戎課題組與美國斯坦福大學、加拿大滑鐵盧大學合作證實了這一設想，相關成果日前發表于《焦耳》。

來自諾貝爾獎的假設

近年來，能源與氣候變化成為備受關注的國際問題。使用碳稅成為節能減排的途徑之一，其主要機制是提高化石能源的使用成本，減少化石能源的消耗，從而實現能源系統整體碳強度下降。但隨之而來的，是巨大的經濟損失和GDP下降。

“技術進步會提高相對稀缺要素的生產效率，獲取更高的邊際效益。”1932年，諾貝爾經濟學獎獲得者JohnRichardHicks在《工資理論》中提出假設。這就意味著，如果考慮碳排放的社會成本，化石能源使用成本增加、能源稀缺度升高，有可能會刺激能源效率技術更快進步，繼而實現節能減排。

該假設看似合乎情理，不過想要實際解決問題還需要找到觀測證據，或證明技術進步與能源成本的關系不可忽略。

此前，曾有研究分析能源價格對美國發明專利數的影響，發現當能源價格上升1%時，能源相關的技術專利數增加0.35%。但由于能源效率與宏觀經濟參數的關系復雜，缺乏簡單有效的方法直接觀測能源效率。

“環境污染問題起源于經濟，有沒有可能從經濟學的角度出發，為解決環境問題提供一個比較切合實際且適合于發展中國家的方案？”論文第一作者兼通訊作者王戎發出了疑問。他告訴《中國科學報》，對于中國、印度、非洲等發展中國家而言，未來一個世紀將同時面臨經濟發展、環境污染、節能減排等三大挑戰，研究該問題對未來發展有重要意義。

“自上而下”的研究

自2016年起，王戎開始接觸生態經濟學、福利經濟學、計量經濟學的基礎知識和前沿研究。他告訴記者，在研究過程中，他沒有通過模擬微觀經濟過程來推測能源效率的變化，而是應用了物理學中的“自上而下”的研究方法。

“如果使用一些已經發展比較成熟的微觀經濟模型，確實可以計算出技術進步對節能減排的影響，但當我深入了解這些模型后，發現這些計算基于的參數大多是假設出來的。例如，假設當1%的GDP用于技術研發，會提高2.25%的社會能源效率。”

王戎介紹，為了觀測能源效率的變化，團隊首先改進了諾貝爾經濟學家SolowRobert的經典索洛（Solow）增長模型，引入三個技術因素：能源生產效率、能源使用效率和非能源效率，考慮了能源與非能源產品（或服務）在一定程度上的可相互替代性，建立基于技術水平的新型增長模型，模擬了GDP、能源、能源成本比重（Omega）及能源價格對技術變化的動態響應，解釋了能源消耗量在能源使用效率提升時出現的反彈效應，對模型中的關鍵參數——能源與非能源的相互替代彈性系數（σ）進行了有效估計和不確定性分析。

隨后，團隊使用新建立的Solow生產模型，結合1971~2015年間中國、美國、歐洲和世界四個經濟體的資產、勞動力、能源價格、Omega、GDP和能源消耗量等數據，根據20年移動時間窗方法，反算了能源生產效率、能源使用效率和非能源效率的變化趨勢，首次直接觀測了能源使用效率的變化與Omega的關系。

“例如在1980年，由于全球能源價格上漲，刺激了四個地區能源使用效率的加速增長，其機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系解釋，與觀測的20世紀80年代美國能源使用技術的專利數據吻合，而非能源效率的增長除中國外均變化不大，與能源成本比重較低有關。”論文作者之一、美國斯坦福大學經濟學家HarrySaunders告訴《中國科學報》。

基于Omega，研究人員建立了能源生產效率、能源使用效率和非能源效率變化的回歸方程，其中能源生產效率、能源使用效率的增長與Omega顯著正相關，即當Omega提高時，在隨后20年內能源生產效率和能源使用效率的增長更快，而非能源效率只在中國與Omega呈顯著負相關，與中國經濟體中Omega較高有關。

最后，團隊使用WilliamD.Nordhaus的經濟—氣候耦合模型（DICE），考慮觀測得到的能源成本比重對能源使用效率的誘導機制，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、無誘導性技術變化（IEC）對未來100年全球能源消耗量、工業二氧化碳排放量及消費水平的影響。在兩種氣候情景下，誘導性技術變化均減少能源消耗量和二氧化碳排放量，提高了節能減排的效益，降低了節能減排的成本，提升了GDP和消費水平，為經濟發展提供了新動力。

技術創新促減排

在文章的同行評議中，評審人認為將自然科學的觀測方法與經濟學的研究相結合是這篇文章的主要創新點。“這個研究避免了傳統的微觀經濟模型需要對主要機制和參數做假設的缺陷，為誘導性技術變化提供了直接證據，具有重大科學意義。”

王戎表示，在某種程度上，該研究驗證了JohnRichardHicks的設想：當能源成本占社會總成本的比例較高，就會更強地刺激節能型的技術創新。而在環境污染和氣候變化過程中，化石能源的實際社會成本是被低估的。

他介紹，這種節能型技術創新的“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，促進經濟發展。如何調整能源成本相對其它消費成本的比例，會成為未來影響一個國家節能減排效益的重要因素。

“但是，這種技術進步對中國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。”王戎補充說。

他表示，下一步團隊計劃將建立的能源經濟模型與之前建立的大氣化學氣候模型耦合，研究如何將不同的減排方案（如風力、太陽能等新能源技術）結合，并通過學科交叉融合，探索技術創新和能源結構調整對中國空氣質量和氣候變化的綜合影響。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.07.024