INDC背景下研发投资驱动的碳减排研究

顾高翔,王 铮

(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)

INDC背景下研发投资驱动的碳减排研究

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)

本文采用集成评估模型CIECIA，以提高研发投资、增加知识资本存量，进而驱动过程技术进步的方式实现了包括低碳节能技术进步在内的过程技术进步的内生化，通过设置不同的研发投资情景，模拟了研发投资率的提高对各国经济增长和碳排放的影响，对其实现国家自主贡献(INDC)目标和全球气候保护目标的有效性进行了评估。结果显示：中国、俄罗斯、印度和除美国、欧盟外的发达国家可通过提高研发投资率实现INDC目标，而占未来全球碳排放量50%以上的众多发展中国家无法通过提高自主技术创新速度实现INDC目标，进而导致研发投资情景无法实现全球2100年升温控制目标。但是，研发投资措施促进经济发展，从碳治理角度出发，可与经济损害型减排措施集成，提高碳减排政策的可行性。

国家自主贡献；过程技术进步；研发投资；碳减排；集成评估模型

1 引言

2015年12月12日，巴黎气候变化大会达成包括《巴黎协定》和相关决定在内的巴黎成果，提出要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1.5℃以内[1]。已有超过190个国家/地区提交了“国家自主贡献(Intended Nationally Determined Contributions，INDCs)预案”，其中中国确定到2020年碳排放强度较2005年下降40%～45%，到2030年碳排放强度较2005年下降60%～65%，并争取尽早达峰；美国承诺到2025年较2005年减排26%～28%，欧盟承诺到2030年较1990年减排40%，各国均面临严峻的减排形势。

技术创新是人类社会经济发展的推动力，是降低产品生产成本、提高生产效率，以及推动产业结构升级的重要力量，也是降低能源消耗、减少温室气体排放重要的动力来源。因此，推动技术进步和创新，应用和发展节能低碳技术，对于应对全球地表升温，减缓气候变化至关重要[2-4]。低碳技术创新的定义不应只包含直接降低碳排放强度的技术(狭义低碳技术)，生产过程中工艺技术的革新、中间成本的降低带来中间需求量的下降，同样带来碳排放的降低，因为中间产品的生产同样会带来能源消费，因此能够使中间成本降低的生产技术革新，或称为过程技术进步，即为广义上的低碳节能技术。遗憾的是，大多数研究，尤其是许多技术模型聚焦于狭义低碳技术，通过大量技术参数，详细刻画各种低碳技术(CCS，生物质能等)，并未考虑产业结构与投入产出关系变化带来的碳减排作用，且其技术进步机制大多依赖技术参数的设定，并未完全实现内生化[5-7]。

近年来，集成评估模型(IAM)被广泛应用于技术进步与碳减排的研究中，但许多IAM在经济体系上仍存在缺陷，技术进步机制也有不足。比如，著名的RICE、DICE模型系列缺乏对于多国多部门间经济联系的刻画[8-9]；MERGE、WITCH等模型的内生技术进步仍然以学习曲线为主，无法描述广义的工艺技术革新[10-11]。在引入了基于Lorentz和Savona工作的过程技术进步机制，用于刻画广义低碳技术进步，但其过程技术进步的速度仍为外生给定，需要改进[12-13]。

针对上述研究的不足，本文采用气候-经济集成评估模型CIECIA(Capital，Industrial Evolution and Climate change Integrated Assessment model)，对技术进步的经济和碳排放影响进行研究。在技术进步方面，CIECIA采用知识资本累积[14]驱动过程技术进步[13]的方式，实现了技术进步的内生化。值得注意的是，CIECIA的技术进步并不特指某一项具体的低碳技术，而是包括了宏观意义上的知识积累和微观意义上的生产工艺的改进，而低碳技术进步则包含在技术革新后对能源产品需求的减少当中。这样的考虑体现了经济、知识和生产技术进步之间的互动关系，更加符合世界经济发展的现实。

在模型的基础上，本文通过情景模拟分析了在INDC背景下研发投资带动的技术进步速度的提高对各国的经济增长和碳排放的影响，及其对减缓全球气候变化的作用，评估了研发投资率的提高对实现各国INDC目标和全球气候保护目标的可行性和有效性，并在此基础上提出了政策建议。

2 模型与数据

CIECIA以一个发展自Jin[15]的多国多部门一般均衡模型为经济核心，刻画经济-气候之间的动态关系，解决了以往的模型中存在的缺乏经济联系和经济动态机制等方面的不足[16]。受篇幅限制，本文主要介绍CIECIA的技术进步及其相关模块，详细的模型体系见Wang等[16]和顾高翔等[17]。

2.1 生产、研发投资与知识资本

CIECIA以Leontief函数和Cobb-Douglas函数嵌套的形式定义各部门的生产。

(1)

(2)

(3)

CIECIA引入知识资本概念[14]以刻画经济发展过程中知识的累积过程。知识资本的增加依赖研发投入，同时具有折旧性质：

(4)

CIECIA采用凯恩斯-拉姆齐累积效用UA描述各国在模拟期间的经济实力：

(5)

2.2 过程技术进步

过程技术进步指的是产品生产工艺的革新，体现在生产一单位的产品需要的中间品的减少，包含了生产过程中低碳节能技术的革新，反映了广义低碳技术的进步。CIECIA参考Lorentz，Savona[13]，采取循环随机对数冲击方法，模拟部门生产过程中对中间需求的减少，具体过程为：

(1)在[0,1]之间取一个服从均匀分布的随机数。

(2)若随机数落在[0,σ]区间，则产生一个技术冲击。

(3)若过程技术冲击发生，则国家j各部门的中间需求系数都受到一次冲击。

(6)

(7)

2.3 参数取值

CIECIA依据联合国人类发展指数将全球划分为10个国家/地区：中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、印度、其他发达国家、高发展国家、中发展国家和低发展国家。基准情景下各国的研发投资率参考世界发展指数[19-20]，如表1所示。

表1 基准情景下各国的研发投资率

表2 过程技术冲击方差与研发投资率关系修正参数(1×10-5)

3 模拟结果分析

基于CIECIA模型，本文设计了两种研发投资提高的情景，尝试提高各国的研发投资率以加快其过程技术进步速度，降低碳排放量并改善经济增长。如表1所示，当前各国的研发投资率存在较大差别，发展中国家的技术进步存在较大的提升空间。另一方面，由于各国的实际研发能力有限，因此研发投资率在短时期内具有一定上限，难以上升到非常高的程度。本文假定当前发达国家的研发投资率已接近投资占比极限，即3.5%～4%之间。

表3显示了两种情景下各国的研发投资率。情景1下，发展中国家将研发投资率提高到1%以上，而发达国家则提高到3%以上，而在情景2下，发达国家和发展中国家的研发投资率都提高到3.5%～4%，接近研发投资率极限。

表3 两种研发投资情景下各国的研发投资率

图1显示了情景1下各国2007—2100年碳排放变化趋势。在情景1下，中国的碳排放高峰出现在2031年，接近《中美气候变化联合声明》和INDC承诺的2030年碳高峰目标，其碳排放峰值为3.61GtC，到2100年降低至1.72GtC。欧美等发达国家的碳排放呈持续下降趋势，其到2100年的碳排放量均低于1GtC，其中日本仅有100MtC。印度，中发展和高发展国家的碳排放尽管持续增长，但在2060年后增速明显放缓，并均在2100年前达到碳排放高峰。

图1 情景1下各国碳排放趋势

图2显示了情景1下各国INDC目标年的碳排放量和单位GDP碳排放强度较基准情景和各基准年的变化率。从中可以看到，中国2030年碳排放强度较2005年下降68.26%，达到2030年碳排放强度下降60%～65%的INDC目标；美国2025年碳排放较2005年下降20.82%，未能达到其最低26%减排目标；日本2030年碳排放较2005年下降34%，已大大超过其25.4%的减排目标；欧盟2030年碳排放较1990年下降18.41%，距离其40%的减排目标仍有距离；印度2030年碳排放强度较2005年下降43.53%，满足其33%～35%的减排目标；俄罗斯2030年碳排放较1990年下降17.56%，未能达到其25%的减排目标。

图2 情景1下各国INDC目标年碳排放量与排放强度较基准情景和各基准年变化率(%)

其他发达国家与发展中国家存在大量不同形式的减排目标，且许多国家尚未提交自主贡献，而部分已提交的国家并没有明确的减排目标(如埃及、玻利维亚等)，因而其减排目标尚难以统一，但仍可通过比较总体减排率与主要碳排放国家的减排目标来判断。其他发达国家2030年碳排放较2005年下降29.48%，较基准情景同期下降29.36%，碳排放强度较2005年下降58.18%，基本满足各成员INDC目标(如加拿大2030年较2005年减排30%、澳大利亚较2005年减排28%、以色列较2005年减排26%)。

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，其在情景1下到2030年的碳排放较基准情景同期下降率均不足3%，较主要碳排放国家的INDC目标(如巴西2030年较2005年减排43%、南非较基准情景减排30%左右、墨西哥较基准情景减排22%、土耳其较基准情景减排21%、泰国较基准情景减排20%、印度尼西亚较基准情景下降29%、乌克兰不超过1990年碳排放量的60%、埃塞俄比亚较基准情景减排64%、安哥拉较基准情景减排35%)均有很大的距离。

图3显示了情景2下各国的碳排放趋势。研发资本投资率进一步提高后，中国的碳排放高峰提前到2029年，高峰值下降到3.16GtC；印度、高发展和中发展国家分别在2047年、2041年和2056年达到碳高峰，俄罗斯的碳高峰也提前到2020年之前。欧美发达国家在2100年的碳排放量进一步降低，其中欧盟和其他发达国家的碳排放低于500MtC，日本仅为95.37MtC。

图4显示了情景2下各国INDC目标年的碳排放量和单位GDP碳排放强度较基准情景和各基准年的变化率。中国2030年碳排放强度较2005年下降72%，已超过其INDC目标；日本和其他发达国家2030年碳排放量较2005年分别下降35%和30%，满足其INDC目标，但较情景1变化幅度很小，表明研发投资率的提高对其中短期减排作用已接近极限；美国2025年碳排放较2005年下降24%，欧盟2030年碳排放较1990年下降20.93%，仍无法满足其INDC目标。印度2030年碳排放强度较2005年的下降率提高到57%，俄罗斯2030年碳排放较1990年下降40%，大大超过INDC目标。高、中、低发展国家2030年碳排放较基准情景下降率在15%左右，较其主要碳排放国家的INDC目标仍相去甚远。

图3 情景2下各国碳排放趋势

图4 情景2下各国INDC目标年碳排放量与排放强度较基准情景和各基准年变化率(%)

对比图2和图4，在研发投资率上升幅度相近的情况下，发达国家较基准情景的减排率明显低于发展中国家。这主要由于发达国家普遍将要达到或已经达到碳排放高峰，减排潜力有限，且其初始知识资本存量和过程技术水平都远高于发展中国家，造成研发投资措施对其过程技术进步速度的影响较小。

研发投资情景下中国、日本、印度、俄罗斯、其他发达国家可实现其INDC目标，美国在情景2下也已非常接近目标；欧盟和高、中、低发展国家的碳减排率距INDC目标仍有较大距离，难以依靠提高研发投资实现减排目标。其中，各发展中国家尽管碳减排效果好于发达国家，但其仍处在工业化进程中，未来对碳排放的需求仍将持续上涨，且初始过程技术水平较低，因此单纯依靠自主研发创新无法实现在2030年较基准情景35%以上的碳减排率。

由于高、中、低发展中国家将是未来全球主要的碳排放源，基准情景下其到2100年的碳排放量占全球总碳排放量50%以上(美国和欧盟仅占8%)，其未能实现INDC目标直接影响了全球2℃升温控制目标的实现。图5显示两种情景下全球地表较工业化前升温幅度。情景2下，全球2100年地表升温仍然接近2.5℃。进一步的研究发现，要实现2℃目标，各国需要把研发投资率提高到7%以上，而要实现1.5℃目标，各国的研发投资率更是要达到15%以上，这在现实世界中是难以实现。因此为实现全球气候保护目标，仍需要采取其他如生产控制、碳税、碳关税等减排措施。

图5 两种情景下全球地表温度较工业化前水平上升幅度

尽管如此，研发投资措施仍有其碳治理意义。图6显示两种情景下各国2007—2100年累积效用较基准情景明显提高，表明研发投资的提高带动了经济的发展。与碳减排的趋势一致，在研发投资率上升幅度相近的情况下，发展中国家累积效用的提高率远高于发达国家。这同样由于发展中国家本身知识资本存量小，基准情景下的投资率也较低，从而对投资率的变化较为敏感。因此，尽管研发投资措施不具备满足全球气候保护目标的有效性，但同时避免了各国因减排出现经济损失，满足Wang等提出的碳治理措施的可行性标准[16]。

图6 两种情景下各国累积效用较基准情景变化率

4 结论

本文针对巴黎气候大会达成的《巴黎协定》和各缔约国提交的INDC目标，使用气候-经济集成评估模型CIECIA，模拟分析了研发投资率的提高对各国的经济发展和碳排放的影响，对其实现INDC目标和全球气候保护目标的有效性和可行性进行评估，得到以下结论：

在碳减排效果方面，研发投资率的提高对减少碳排放量具有显著的作用，但仅依靠研发投资措施只能使部分国家/地区实现INDC目标，且无法实现到2100年的2℃升温控制目标。其中，中国、日本、印度和其他发达国家在情景1下即可满足INDC中短期减排目标。俄罗斯亦可在情景2下实现INDC目标。而美国、欧盟和高、中、低发展国家在两种情景下均未能实现INDC目标。高、中、低发展国家在两种情景下尽管减排效果好于发达国家，但其仍处于工业化进程中，且过程技术水平较低，无法单纯依靠自主研发创新来实现INDC目标。

在经济影响方面，研发投资率的提高在一定程度上促进了各国，尤其是发展中国家的经济发展，提高其累积效用，可减轻碳减排措施可能带来的经济损失。这使得采取研发投资进行碳减排的措施容易被大多数减排参与者接受，具有较高的可实现性和治理意义。

从长期来看，研发投资只是碳减排措施中的一种，而采取其他如生产控制、投资控制、产业结构和能源结构转变、碳税、碳关税等减排措施仍然是必要的，尤其是对研发投资措施不敏感的发达国家。针对这一问题，可以采取综合集成减排的方式，利用研发投资措施减轻减排损失的特点，将其与其他碳减排措施结合，以体现研发投资措施的碳治理意义。

[1]UNFCCC COP.Adoption of the Paris Agreement[R].Proposal by the President，Paris.2015.

[2]PACALA S，SOCOLOW R.Stabilization wedges：Solving the climate problem for the next 50 years with current technologies[J].Science，2004，305，968-972.

[3]NIU S，DING Y，NIU Y，LI Y，LUO G.Economic growth，energy conservation and emissions reduction：a comparative analysis based on panel data for 8 Asian-Pacific countries[J].Energy policy，2011，39(4)：2121-2131.

[4]MYHRVOLD N P，CALDEIRA K.Greenhouse gases，climate change and the transition from coal to low-carbon electricity[J].Environmental research letters，2012，7，014019.

[5]RIAHI K，RAO S，KREY V，CHO C，CHIRKOV V，FISCHER G，KINDERMANN G，NAKICENOVIC N，RAFAJ P.RCP 8.5-a scenario of comparatively high greenhouse gas emissions[J].Climatic change，2011，109，33-57.

[6]TAVONI M，DE CIAN E，LUDERER G，STECKEL J，WAISMAN H.The value of technology and of its evolution towards a low carbon economy[J].Climate change，2012，114:39-57.

[7]EOM J，EDMONDS J，KREY V，JOHNSON N，LONGDEN T，LUDERER G，RIAHI K，VAN Vuuren D P.The impact of near-term climate policy choices on technology and emission transition pathways[J].Technological forecasting and social change，2015，90(A)：73-88.

[8]NORDHAUS W D，YANG Z.RICE：a regional dynamic general equilibrium model of optimal climate-change policy[J].The American economic review，1996，86(4)，741-765.

[9]NORDHAUS W D.A question of balance：Weighing the options on global warming policies[M].Yale University Press，New Haven，USA.2008.

[10]KYPREOS S，BAHN O.A MERGE model with endogenous technological progress[J].Environmental modeling and assessment，2003，8：249-259.

[11]BOSETTI V，MASSETTI E，TAVONI M.The WITCH Model.Structure，Baseline，Solutions[R].FEEM Working Paper，10-2007，Millan.2007.

[12]顾高翔，王铮.技术进步推动下的多国多部门碳排放与能源使用趋势研究[J].城市与环境研究，2014，1(1)：56-74

[13]LORENTZ A，SAVONA M.Evolutionary micro-dynamics and changes in the economic structure[J].Journal of evolutionary economics，2008，18：389-412.

[14]BUONANNO P，CARRARO C，GALEOTTI M.Endogenous induced technical change and the costs of Kyoto[J].Resource and energy economics，2003，25：11-34.

[15]JIN K.Industrial structure and capital flows[J].The American economic review，2012，102：2111-2146.

[16]WANG Z，GU G，WU J，LIU C.CIECIA：a new climate change integrated assessment model and its assessments of global carbon abatement schemes[J].Science China earth sciences，2016，59(1)：189-206.

[17]顾高翔，王铮.经济相互作用与产业进化下全球经济和气候保护问题研究[M].北京：科学出版社，2015.

[18]WANG Z，ZHANG S，WU J.A new RICEs model with the global emission reduction schemes[J].Chinese science bulletin，2012，57(33)：4373-4380.

[19]World Bank.World Economic Outlook Database[EB/OL].2015.http://databank.worldbank.org/.

[20]刘昌新.新型集成评估模型的构建与全球减排合作方案研究[D].北京：中国科学院大学.2013.

(责任编辑 刘传忠)

A Research of Carbon Reductions Driven by R&DInvestments in the Context of INDC

Gu Gaoxiang1，Wang Zheng2,3

(1.Population Research Institute，East China Normal University，Shanghai 200241，China;2.Institute of Policy and Management，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;3.Key Laboratory of Geographical Information Science，Ministry of State Education of China,East China Normal University，Shanghai 200241，China)

This study applied the integrated assessment model named CIECIA.In CIECIA，a process technological progress mechanism driven by knowledge capital accumulation based on R&D investment is built to realize the endogenous of process technological progress including energy efficiency technological progress.Based on this model，this study simulated the impact of R&D on the economic developments and carbon emissions，assessing their effectiveness on their intended nationally determined contributions(INDCs)and global climate mitigation targets.The results indicate that China，Russia,India and the developed countries except US and EU would meet their INDC targets by improving R&D rates，whereas most of developing countries that occupy more than 50 percent of global carbon emissions in future would fail because of higher carbon emission demands and lower process technological levels，which would result in the global climate mitigation target failing in those scenarios.Policy for R&D investment could improve economy of a country，and it can be integrated with other measures of emission reduction that may cause economic losses，to improve the feasibility of emission reduction policies.

Intended nationally determined contribution；Process technological progress；R&D investment；Carbon reduction；Integrated assessment model

2016-06-28

顾高翔(1985-)，男，浙江宁波人，讲师，博士；研究方向：地理计算、经济计算。

F062.1；F062.4；X196

A