基于无偏预测模型对中国黄河流域碳排放的研究

《Frontiers in Ecology and Evolution》：A study on carbon emissions in the Yellow River Basin of China based on an unbiased prediction model

黄河流域九省区碳排放特征分析及峰值预测，采用改进型无偏灰色模型（UNGM(1,1)）评估2022-2030年碳达峰潜力，发现青海、四川、河南三省有望达标，其余六省需强化减排。

　　在当今全球气候变化日益严峻的背景下，中国作为世界第二大经济体，其在碳排放问题上的研究和实践具有重要意义。黄河流域不仅是中国的重要经济走廊，还对国家的生态安全具有深远影响。该流域的碳排放问题直接关系到中国实现“双碳”目标（碳达峰和碳中和）的进程，因此，准确预测和有效控制碳排放对于推动区域绿色发展和实现高质量发展至关重要。基于黄河流域九省的碳排放数据特征，本文选择了一种新的无偏非齐次灰色预测模型（UNGM(1,1)）来分析和预测这些省份是否能够在2030年前实现碳达峰。研究结果显示，黄河流域的九省中，有三个省份——青海、河南和四川——有望在2030年前达到碳达峰，而其余六个省份——甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西和山东——则无法在2030年前实现这一目标。这一研究结果为分析黄河流域碳排放问题、制定差异化的减排政策、优化资源配置以及精准实施“双碳”目标提供了重要的参考价值。

黄河流域的碳排放问题在多个层面都表现出复杂性。从地理分布来看，该区域横跨中国三大气候带，上游地区（青海、四川、甘肃）以碳汇为主，但生态环境脆弱，需在生态保护和经济发展之间寻求平衡。中游地区（宁夏、内蒙古、陕西、山西）煤炭资源丰富，碳排放强度较高，面临减排和碳汇的协同挑战。下游地区（河南、山东）则以工业排放为主，经济增长迅速，但同时带来了显著的碳排放增长。这种碳汇与碳排放的梯度差异为研究生态经济系统的耦合提供了典型样本。此外，黄河流域在国家“双碳”战略中占据核心地位，其煤炭生产能力占全国的70%。然而，该地区风能和太阳能资源潜力巨大，能源转型的成败将直接影响全国的碳达峰进程。2023年，黄河流域保护法将污染减排与碳减排的协同纳入立法框架，使该区域成为检验中国现代化路径的核心试点区域。因此，关注黄河流域不仅是解决生态保护与高质量发展矛盾的关键突破，也是实施国家气候承诺的战略支点。

从数据特征来看，黄河流域的碳排放数据具有非线性和非齐次的特点，这对传统模型的预测精度提出了挑战。灰色系统理论在处理小样本和不确定性数据方面具有独特优势，被广泛应用于经济、环境和能源等领域。本文选择的UNGM(1,1)模型在传统灰色模型的基础上进行了优化，引入了积分中值定理，重构了背景值，从而实现了对非线性和非齐次数据的更准确预测。该模型还通过线性组合统一了参数估计与方程求解，消除了传统模型中“参数跳跃”的缺陷。此外，模型还考虑了变量之间的相互作用，使其在面对复杂数据环境时具备更强的适应性和稳定性。

为了验证UNGM(1,1)模型的预测能力，本文以山东和河南两省的碳排放数据为案例，与其他模型（如DGM(1,1)、FGM(1,1)和CGM(1,1)）进行了对比分析。结果显示，UNGM(1,1)模型在预测和拟合阶段均表现出更低的平均绝对百分比误差（MAPE）和更稳定的平均绝对误差（MAE）。特别是在山东和河南的碳排放预测中，该模型能够更准确地反映碳排放的演变趋势，并且其预测曲线更加平滑，误差更小。因此，可以认为，UNGM(1,1)模型在预测碳排放方面具有更强的适用性和稳健性，能够有效支持黄河流域的碳排放研究。

通过预测黄河流域九省的碳排放趋势，本文发现，青海、四川和河南三个省份在2030年前有望实现碳达峰。青海的碳排放高峰出现在2016年，此后碳排放波动较大，但整体呈现下降趋势。四川在2013年达到碳排放高峰，尽管在2019年和2021年出现短暂反弹，但整体仍呈下降趋势。河南在2014年达到碳排放高峰，之后虽有小幅波动，但整体呈现下降趋势。相比之下，甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西和山东六个省份在2030年前无法实现碳达峰。这些省份的碳排放趋势表明，尽管部分省份在近年来采取了一些减排措施，但由于产业结构不合理、能源结构依赖化石燃料以及经济增长与减排目标之间的矛盾，这些省份的碳排放仍然呈现上升趋势。

对于能够实现碳达峰的省份，本文提出了一些政策建议，以巩固现有成果并防止碳排放反弹。例如，青海应建立碳排放预警机制，实时监控重点企业的排放情况，进一步扩大清洁能源的比重，并探索风能、太阳能和储能的综合项目。四川则应继续优化产业结构，推广低碳技术，并加强碳排放的实时监测。河南可以进一步推进产业结构优化，发展服务型和高科技产业，减少工业排放，并将碳排放配额管理纳入地方政策体系，推动碳中和示范区建设。

对于尚未实现碳达峰的省份，本文认为需要更深入的结构调整和技术创新。例如，甘肃和宁夏应加强基础设施建设与碳排放的协调，同时加快清洁能源的替代进程。内蒙古和山西作为煤炭依赖型省份，应推动煤电与可再生能源耦合项目的试点，逐步降低煤炭在能源结构中的比重。陕西和山东则应加强工业结构的绿色转型，严格限制高能耗行业的准入，并创新绿色金融工具，如省级碳配额质押贷款和绿色债券，以增强减排的经济激励。此外，黄河流域应建立碳排放交易联盟，推动省际碳排放配额调整和生态补偿机制，以实现减排成本最小化和效益最大化。

本文的研究不仅在方法上引入了新的无偏灰色预测模型，还在实证层面系统分析了黄河流域九省的碳达峰潜力，填补了现有研究中对黄河流域内部差异关注不足的空白。同时，该研究也与国际上的相关研究相呼应，强调了区域协同和政策定制化的重要性。例如，IPCC报告指出，发展中国家需要根据区域特点制定差异化的减排路径，而本文的研究结果表明，黄河流域六省未能实现碳达峰的主要原因包括化石能源依赖、产业结构不合理以及西部开发政策带来的短期排放增长。这些发现不仅支持了Sun等人关于清洁能源对碳排放影响的研究，还揭示了中国内陆省份在转型过程中面临的结构性挑战。

尽管本文的研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。首先，模型基于历史数据进行外推，假设未来趋势保持连续性，但未能充分考虑突发事件（如政策干预、技术突破或极端天气）对碳排放的影响。其次，研究使用的省级碳排放数据缺乏更细粒度的支持，如城市或行业层面的数据，这可能影响对省内差异和结构性排放特征的深入分析。因此，未来的研究可以进一步引入动态情景分析或混合建模方法，以量化政策干预和技术进步对碳排放的边际影响。此外，可以整合多种数据源（如夜间灯光、电力消费和交通流量），以增强数据的维度和时效性。最后，可以开展跨省比较研究，以识别区域协同减排的潜在机会和机制设计。

总之，本文的研究为黄河流域的碳排放问题提供了科学依据，有助于制定差异化的减排政策，优化资源配置，并推动“双碳”目标的精准实现。对于实现碳达峰的省份，应继续巩固成果，防止碳排放反弹；对于尚未达峰的省份，需加快结构调整和技术创新，以应对减排压力。同时，建立黄河流域碳排放交易联盟和省际协同机制，将有助于实现减排目标，并推动区域绿色转型。本文的研究不仅具有理论价值，也对政策制定者和相关行业具有重要的实践意义。