3.3 几种典型气候变迁经济学模型

IPCC第四次评估报告使用了六个评估气候变迁的经济学模型，这些模型作为IPCC的附件放在排放情景专门报告中(Special Report on Emissions Scenarios, SRES)，利用这六个模型产生了40个排放情景。六个模型代表排放情景建模和不同情景文献中综合评估框架的方法，包括宏观经济(即所谓的自上而下)和系统工程模型(即所谓的自下至上)。称这六种模型为SERS模型，包括：①亚洲太平洋集成模型；②大气稳定框架模型；③温室效应评估集成模型；④能源供应战略方案和综合环境影响模型；⑤基于多区域方法的资源和产业配置模型；⑥微型气候评估模型。

3.3.1 亚洲太平洋集成模型

亚洲太平洋集成模型(AIM)是为对温室气体(GHG)排放和全球变暖对亚太地区的影响进行情景分析而构建的一个计算机模拟系统。新版的AIM包含全世界，但相对于其他地区而言，它对亚太地区的描述具有更为详细的结构，因此，该模型主要用于考察亚太地区对全球变暖的反应，同时它与世界模型结合对全球的排放和减排结果开展评估。

AIM包含三个子模型：GHG排放模型(AIM/Emission)、全球气候变迁模型(AIM/Climate)和气候变迁影响模型(AIM/Impact)。逻辑路线是排放量影响气候系统，气候系统反映气候变化，这种变化对经济部门产生影响。IPCC(2007)给出的AIM基本结构如图3-1所示。

从图3-1可以看出，该模型的优点是对各种排放因素做了详细考虑。

3.3.2 大气稳定框架模型

大气稳定框架模型(ASF)是一个基于能源流和市场平衡的模型，目前的ASF版本包括能源、农业、森林砍伐的温室气体排放以及大气模型。ASF能够对世界上九个地区的排放进行估算。在ASF中，平衡能源的供应和需求最终是通过调整能源价格来实现的。模型考虑了区域间能源价格的差异，反映了不同区域在能源问题上的贸易与生态关系。模型的能源价格因能源种类而异，这样能反映能源供给限制、加工成本和能够提供给最终用户的能源数量。据IPCC(2007)的介绍，在算法上，ASF模型通过反复搜索技术来决定供给价格，以此评价供需平衡。这些供给价格，即能源生产者收取的在矿井井口装置或矿井中的燃料支出费用，被用来估计各个区域的第二能源价格。第二价格以出口地区的边际供应价格、区域间运输成本、精制和经销成本以及区域税收政策为基础。对电力来说，第二价格反映了用于发电的每种燃料的相对比例，这些燃料的第二价格是将这些燃料转化成电力的非化石成本和转换效率。

农业ASF模型评估了主要农产品，如肉类、牛奶和谷物的生产，这些农产品的生产量是由人口和国民生产总值(GNP)的增长带动的。该模型与ASF森林开发模型相联系，ASF森林开发模型根据人口增长及其对农产品的需求评估每年陆地森林采伐的区域。

ASF温室气体排放模型使用能源的输出、农业和森林采伐模型分别评估每个区域的温室气体排放量。这些排放量的评估是通过将温室气体排放来源映射到相应的排放驱动源并通过改变这些驱动源来改变排放量，如CH4排放量从垃圾填埋场映射到人类，而CO2排放量从水泥生产映射到国民生产总值。

ASF大气模型使用温室气体排放量评估来计算温室气体浓度、相应辐射力以及温度影响。在1990年的ASF国会报告(Lashof and Tirpak,1990)中提供了ASF的详细描述，此后Pepper(1998)和Sankovski(2000)等报道了模型的应用。

3.3.3 温室效应评估集成模型

温室效应评估集成模型(IMAGE)由三个系统构成：能源—工业系统(Energy-Industry System, EIS)、陆地环境系统(Terrestrial Environment System, TES)以及大气—海洋系统(Atmosphere-Ocean System, AOS)。

IPCC第四次报告采用IMAGE的能源—工业系统(EIS)估计了世界上13个地区的温室气体排放。其中与能源相关的排放估算是以目标图像能量区域模拟模型(Targets Image Energy Regional, TIMER)为基础(见图3-2)。TIMER是一个系统动力学模型，它包括五个经济部门，并带有能源效率、电力生产和能源供应的投资决策，这些都是基于预期需求、相对费用或价格以及制度和信息延误的。

IMAGE的陆地环境系统(TES)的功能是模拟全球陆地使用和陆地覆盖变化，评估陆地环境系统对温室气体排放和臭氧气体的影响及其对生物圈和大气圈碳通量的影响，其结构如图3-3所示。TES可以被用于：①评估陆地使用政策对控制温室气体增加的效能；②评估大规模使用生物燃料对土地类型变化带来的后果；③评估气候变化对全球生态系统和农业的影响；④调查人口、经济和技术进步对改变全球土地覆盖的影响。这实际上给出了最终的政策分析结果。

与RICE模型相比，IMAGE采用系统动力学代替了复杂的经济构成和生态构成，使得它的分析可以比RICE更精细。但是，系统动力学仿真环节的线性特征反而带来了对问题的简单化。

3.3.4 能源供应战略方案和综合环境影响模型

国际应用系统分析研究所(IIASA)用一系统集成模型来描述SRES情景(Nakicenovic, e tal.,1998)。能源供应战略方案和综合环境影响模型(MESSAGE)是构成IIASA集成建模框架的六个模型之一(Messner and Strubegger,1995; Riahi and Roehrl,2000; Roehrl and Riahi, 2000)。

IIASA集成建模由三个子系统和一个反映外部作用的情景发生器(Scenario Generator, SG)构成，情景描述过程源于区域人口和人均经济增长的外生假设。能源需求的情景发生器模型是用于未来经济和能源需求的动态模型，它将广泛有关经济发展和能源系统的历史数据，与确定未来结构变化趋势的实证评估方程相结合。

经济和能源发展概况可作为能源系统工程模型MESSAGE和宏观经济模型MACRO的输入变量。MESSAGE模型是一个动态线性规划模型，可计算资源可用性、给定技术项目和有用能源需求的约束条件下最小成本供给结构。据估计，详细能源系统结构包括能源需求与供给以及排放模式，与SG产生的能源需求提高相一致。MESSAGE模型的形式及其参数的选取是大量经济发展历史数据的经验估计。MACRO是一个宏观经济动态模拟系统，它定义了最大化跨期效用函数，从而估算宏观经济发展与能源利用的关系，这里的跨期效用函数是以设定世界每个区域都是一个代表性的生产者—消费者经济体为基础的。MESSAGE与MACRO相结合，被联系到一起并串联使用以检测情景一致性，因为它们对应的能源建模通常进行的是两种不同的视角——自下而上(MESSAGE)和自上而下(MACRO)。能源价格变动对能源需求和国内生产总值(GDP)增长的影响评估是通过重复迭代MESSAGE模型的影子价格以及MACRO模型的能源需求进行的。重复迭代，直至能源强度和GDP增长率与SG模型输出一致，这个SG模型在情景描述过程初始采用外源性输入假设。模型中还包括一个反映气候过程的子系统气候变化强迫模型(Model for the Assessment of Greenhouse Gas-Induced Climate Change, MAGICC)，该模型是一个一般气候模型(GCM模型)。MAGICC系统估算了大气中温室气体的浓度以及由温室气体引起的升温潜能，这个碳循环和气候变化模型由Wigley(1994)开发。

图3-4给出了IIASA集成建模框架以及相关模型的耦合方式(Nakicenovic, et al.,1998)。在图3-4所示的六个模型中，SG、MESSAGE、 MACRO和MAGICC用来描述和分析SRES情景。另外两个模型RAINS和BLS，并不用于SRES情景建模。RAINS(Alcamo et al.,1990)是一个仿真模型，用于模拟硫和氮氧化物的排放以及随后的大气传输、排放物的化学变化、沉积和生态影响。BLS (Fischer et al.,1988,1994)是一个部门级的宏观经济模型，能够发现11种农产品生产所要求的投入(如土地、化肥、资本和劳动力)。

3.3.5 基于多区域方法的资源和产业配置模型

基于多区域方法的资源和产业配置模型(MARIA)是一个精简集成的评价模型，用来评价经济、能源、资源、土地利用与全球气候变化的关系(Mori and Takahashi,1999; Mori 2000)。该模型起源于Nordhaus (1994)开发的气候和经济的动态集成模型(Dynamic Integrated Model of Climate and the Economy, DICE)。MARIA包含能量流动，并把世界分为多个区域，用来评价用于解决全球气候变暖问题的技术和政策。在经济学上，MARIA是一个非线性跨期优化模型，用于模拟国际上八个区域间的贸易问题，包括NAM(North American，美国和加拿大)、日本、其他OECD国家、中国、东南亚国家联盟(Association of Southeast Asian Nations, ASEAN)国家(包括印度尼西亚、马来西亚、菲律宾、新加坡、韩国、泰国)、SAS(South Asian Region)(包括印度、孟加拉国、巴基斯坦、斯里兰卡)、东欧和苏联加盟国(Eastern Europe and the Former Soviet Union, EEFSU)以及非洲和拉丁美洲(Africa and Latin America, ALM)。这个模拟还包括能量流动、简化的粮食生产和土地利用变化，这些都可以用来显示生物能的潜在贡献。

在MARIA中，经济活动使用常替代生产函数(CES)而不是C-D生产函数，模型所使用的变量包括上述八个区域的资本存量、劳动力、电力和非电力能源。GDP未来的增长由人口和人均GDP增长潜能估计，这是外生的，而方程内生决定了能源成本和价格。MARIA的能源模块包括三种主要的化石能源(煤、天然气和石油)、碳汇、核能和可再生能源技术(如水力发电、太阳能、风能和地热)。能源需求可追溯到工业、交通和其他公共用途，核燃料循环技术也被简明地描述，碳固定技术也被纳入模型中。非常有代表性的是MARIA考虑了资源可开采的状况，即天然气主要用于21世纪上半叶，此后在21世纪下半叶，无碳能源(如太阳能、核能和生物能)和煤将发挥重要作用。

MARIA模型中的能源成本由能源生产和使用成本组成，市场价格以模型计算出的影子价格为基础来决定。在各种参数中，化石燃料资源的提取成本和能源转化成本系数实际上有助于决定模型的能源配置和排放。最近的模型版本MARIA-8对化石资源可用性进行估计(Rogner,1997)，为了简化，化石资源和储备分类被合计成两个分类，可用一个二次函数来解释资源创新和开发成本。

MARIA中的全球变暖子系统是基于Wigley的排放—浓度机制的五时段常数模型。同时，MARIA还采用了DICE模型中的海陆两层热储蓄模型(Wigley,1994; Nordhaus,1994)。在这个模型的组件中，只有全球碳排放是经过进一步深化研究的。

MARIA中的食物和土地利用模块用来评估生物能的潜在贡献，它包含一个简单的食物需求和土地利用子系统，其中营养、热量和蛋白质需求是人均收入的函数，可直接或是经由肉类、农作物和牧草提供这些需求。森林是生物能和木材产品的来源，也是它们作为碳汇评估的函数。图3-5显示了上述所提及子系统之间的关系。

MARIA模型的设计是为从宏观层面持续评估各种方案，并不能用于详细信息、产业结构变化和城市化问题。但是，MARIA可以提供不同情景下燃料结构变化的长期概况和可能出现的贸易溢价。

3.3.6 微型气候评估模型

微型气候评估模型(MiniCAM)是由全球气候组织太平洋西北实验室在简洁原则下开发的一个快速运行集成评估模型。它用ERB模型(Edmonds et al.,1994,1996a)以及农业、林业和土地利用模型(Edmonds et al.,1996b)评估全球温室气体排放。MiniCAM用Wigley和Raper的MAGICC(Wigley and Raper,1993)模型来评估气候变化，用SCENGEN工具(Hulme et al.,1995)来评估区域气候变化，并用破坏函数(Manne et al.,1995)来检验气候变化的影响。最近的变化包含了增补的农业土地使用模块以及评估所有京都气体排放的能力。

线性模型由11个区域(美国、加拿大、西欧、日本、澳大利亚、东欧与苏联、中央计划亚洲、中东、非洲、拉丁美洲和东南亚)组成，它提供了完整的世界覆盖。

在经济功能方面，MiniCAM采用人口乘以劳动生产率过程来估计集体的劳动生产率水平。劳动力参与率被用来估计劳动力投入，政策以外生形式影响劳动生产率。在能源消费方面，能源价格变动所产生的影响通过GNP/能源弹性作用于GNP估计值的校正，MiniCAM把能源服务分为三种需求分类(居民的/商业的、工业的和运输业的)，并将它作为价格和收入的函数，这样就构造了一个局部均衡模型，用以提高价格来对模型中11个区域的7个主要能源分类(煤、天然气、石油、核能、水能、太阳能和生物量)的能源供应和需求进行估计。这样MiniCAM就完成了气候模块、增长模块和能源需求模块的功能。

在能源需求模型中采用能源的替代序列是这个模型的优势。能源服务由四种二级燃料(固体、液体、气体和电力)供应，对二级燃料的需求依赖于它们相关的成本和通过最终用户能源效率提高来表示的用户技术进步。一级燃料需求由将它们转化为二级燃料的相应成本决定。如果石油和天然气变得非常昂贵或将用尽，那么煤和生物量会被转换成气体和液体，核能、太阳能和水能将直接被电力部门消耗。在新的版本中，氢已经被加入到模型中，而且如同精炼的天然气和石油一样，它能够被用来产生电力或者作为二级燃料供应给三种最终需求部门。

MiniCAM的能源供给部门提供了可再生资源(水电、太阳能和生物量)以及不可再生能源(煤、石油、天然气和核能)。化石资源的成本与基于等级、生产成本(技术和环境)以及历史生产能力的资源相关。关于一个基于等级的化石燃料资源的介绍，可使MiniCAM清楚地检测化石燃料资源限制的重要性并描绘非传统燃料，如油页岩和甲烷氢氧化物。就非传统燃料而言，只有少量能够在低成本下获得，而潜在的大部分需要高成本或者在广泛的技术发展之后才能获得。对于一级燃料的生产和转化，技术变化的燃料规格率是可得的，它是针对电力生产的每一分类的技术变化系数。

生物量由农业部门提供，它提供了农业、林业和土地使用模型与能源模型之间的联系。MARIA用于评估每一区域中五项活动(农作物、牧草、林业、现代生物量及其他)之一的土地分配。这种分配反映了与每一使用相关的收益率，收益率农由农作物、家畜、森林产品和生物量的价格决定，价格反映每一产品的区域需求与供给函数。农作物、家畜/牧草、林业和现代生物量产品都有各自的技术变化系数。

一旦MiniCAM在一个时期达到均衡，温室气体的排放就可以计算出来。就能源而言，CO2、CH4和N2O的排放通过燃料类型反映了化石燃料的使用，而这些气体的农业排放反映了土地使用的变化、肥料的使用以及家畜数量和类型的生产。高温室气体(氯氟烃、氢氯氟烃、氢氟烃和全氟化碳)仅被作为一个大类而不是基于它们的组成被估算。硫化物排放基于化石燃料使用的函数被估计，可反映硫化物的控制措施，它的效力由控制水平与单位资本收入的库兹涅茨曲线来确定。

在给出能源供需模块后，需要计算排放的气候影响。首先，排放评估在全球水平计算，然后作为MAGICC的输入来估计温室气体浓度、辐射强度变化以及随之发生的全球平均温度变化。全球平均温度变化被用来驱动气候模式中的SCENGEN驱动变化，从而估计温度、降雨和云层的区域变化。最后，用区域温度变化来估计基于市场和非市场的破坏程度。