气候变化对大城市能源消费的影响研究——以上海为例

摘要

经济发展过程中产生大量能源消费，能源消费伴随着大量二氧化碳排放，从而导致全球气候变化，因而经济发展对气候环境造成外部不经济影响。随着世界经济不断发展，世界能源消费不断增多，全球气候逐渐变暖。大城市地区经济活动相对其他地区更加剧烈，形成了独特的城市热岛效应，与全球气候变暖的趋势叠加，造成大城市地区气候变暖的趋势相对其他地区更加明显。大城市地区人口集中，生活水平相对较高，对温度适宜性要求相对更高，从而增加了大城市地区因温度调节而产生的额外能源消费，加剧了能源稀缺性，增加了社会经济发展过程中的经济损失，从而影响经济的可持续发展。这样，就形成了大城市地区“社会经济-气候环境”两个系统之间的恶性循环。
　　近年来，全球气候变暖的基本事实得到了国内外大多数专家认可，世界范围内大城市热岛效应明显存在，全球气候变暖和城市热岛效应两种因素叠加影响而导致城市气候不断变暖，日益频发的高温天气给城市能源供应系统造成巨大压力，导致多个城市能源供应系统拉响警报。基于上述理论和现实背景考虑，本文选题定位在于，从定量和定性两个角度，以上海为例，考察大城市气候变化特征和形成原因，评估其对能源消费重点敏感领域的影响，以及带来的经济损失，并在此基础上提出减少这种损失的对策。
　　围绕这一主旨，本文首先对国内外相关研究文献进行了回顾;然后，介绍了相关经济学理论，如负外部性理论、能源危机理论、社会福利理论、公共产品理论、可持续发展理论等，梳理了“社会经济-气候环境”系统之间的相互影响作用机制;第三，本文以上海为例，分析了大城市气候变化的时间变化和空间分布特征，及其形成原因;第四，由于生活能源消费相对于生产能源消费对城市气候变化更加敏感，电力消费相对于煤炭、石油、天然气等其他能源形式对城市气候变化更加敏感，因此，本文以上海为例，分别分析了大城市气候变化对生活能源消费和电力消费两大敏感重点领域的影响;第五，在以上分析基础上，本文以上海为例，提出了大城市应对气候变化、减少气候耗能量的对策。
　　从关注的现实问题上来讲，目前现有关于气候变化对上海能源消费影响的研究相对还不是很多，而且现有研究主要集中于讨论上海城市气温变化和城市热岛效应的基本特征和形成原因，关于其对上海能源消费的影响研究还缺乏比较完善、具有说服力的模型，没有很好地回答气候变化给上海带来的能源消费量和经济损失大小及其变化。因此，定量测算气候变化对上海能源消费重点领域的影响大小是本文的核心内容，也是本文的主要贡献。从研究方法上来讲，现有研究为本文开展关于气候变化对上海能源消费重点领域影响的研究提供了随机项分解方法、多元线性逐步回归模型和日电力消费量影响因素模型等统计分析方法上的借鉴，但随机项分解方法存在一定不合理之处，本文计划对这种方法进行改进。
　　本文主要采用了文献研究、理论研究、比较研究、空间分析、模型研究等分析方法。在模型研究部分，主要使用了以下统计分析方法:(1)分别使用单一指标和综合指标方法，运用相关分析、散点图分析和回归分析方法，对比分析城市化发展与热岛效应之间的关系;(2)采用随机项分解方法进行定性分析，并采用多元线性回归分析方法进行定量测算，建立城市气温变化对生活能源消费量影响关系模型;(3)主要考虑影响日电力消费量的社会经济发展、取暖需求、降温需求和节假日等方面因素，采用多元线性回归分析方法，分别单独建立13个年份的日电力消费量影响因素模型，并采用至下而上、逐步汇总的方法，汇总分离出每年降温耗电和取暖耗电量;(4)在以上13个日电力消费量影响因素模型基础上，运用多元线性回归分析方法，建立了近年来上海取暖和降温季节温度调节用电量、年度温度调节用电量影响因素模型。
　　本文主要得出以下结论:(1)近年来，上海城区年平均气温、郊区年平均气温呈不断升高的趋势，同时城区和郊区年平均气温差即城市热岛效应强度也在不断增强。(2)目前，上海城市热岛效应空间分布格局与常住人口分布大致一致，人口集中分布的地区其热岛效应强度相对较强。(3)上海郊区年平均气温变化趋势相对于城区年平均气温与全球陆地平均气温的变化趋势更加接近，这是因为上海城区同时受到全球气候变化和城市热岛效应的影响，而上海郊区受到城市热岛效应的影响相对较弱。(4)上海城市热岛效应强度与城市化发展各指标和综合指标均有比较紧密的同步变动的关系，因此，上海城市化快速发展是导致城市热岛效应的重要原因。(5)生活能源消费量中气候耗能部分与气温之间存在着大致同步变动的密切关系。根据本文所构建的模型估算，目前上海夏季平均气温每升高1℃，年生活能源消费量增加约12万吨标准煤。(6)从绝对量看，目前上海社会经济耗电量大于降温耗电量，降温耗电量又大于取暖耗电量。从增加倍数看，目前上海降温耗电量增加倍数最大，其次是取暖耗电量，社会经济耗电量增加倍数相对较小。因此，上海包括降温耗电量和取暖耗电量在内的温度调节用电量虽然绝对量现在还不是非常大，但是其增加速度非常之快，按照此趋势进行外推，若干年后上海温度调节用电量将对城市总电力消费量产生更加明显的影响。(7)近年来，上海不同年份气温耗电量占总电力消费量的比重总体上呈持续波动上升的趋势，目前每年上海约12％的电力消费量用于夏季降温和冬季取暖，这对于上海社会经济发展来说是一个可观的浪费。因此，控制上海目前温度调节用电量占总电力消费量比重快速提高的趋势已经变得相对比较紧迫，这一趋势若不能得到有效控制，必将对上海社会经济发展造成越来越严重的影响，给社会经济发展带来越来越大的损失。(8)从相对量看，目前上海每年用于降温和取暖耗电量相应的经济损失相对于整个城市经济总量来说还是比较小的一块。也就是说，从上海城市经济发展角度看，上海气温耗电经济损失还处于可控的范围内，只要采取及时有效的措施，城市气候变暖对城市经济发展还不至于造成非常大的影响。(9)上海温度调节耗电量主要受到空调使用率增加和夏季平均气温上升这两种因素的影响。从理论上来讲，上海春季、秋季和冬季等其他季节气温变化对年度温度调节用电量也有一定影响，但这种影响相对于夏季平均气温对上海年度温度调节用电量的影响来说比较小，因而没有进入模型。
　　本文创新之处在于:(1)从全球气候变化和局地城市化两个角度，结合现有文献研究，并运用实证分析方法，全面剖析了大城市热岛效应形成的两个方面因素的复合影响，即大城市气候变化是全球气候变化和大城市经济发展两种力量叠加影响的结果。相对于现有研究，本文不仅进行了科学的定性分析，并且建立了相关模型，更加准确地刻画了城市化对城市热岛效应的影响。(2)从电力和生活能源消费两个角度，分别建立了城市气候变化对电力消费量和生活能源消费量影响模型，全面考察了城市气候变化对能源消费影响的重点敏感领域的损失程度。相对于现有研究，针对性更强，对城市气候变化对能源消费重点领域的影响进行了定量测算，取得了相对更有说服力的结论。(3)本文对随机项分解方法进行了改进，剔除了上海气温变化中的趋势项，然后利用上海年度气温变化随机项和生活能源消费量随机项建立模型。相对于现有研究，模型设定更为合理，模型效果相对较好。但由于这种方法原理相对比较粗糙，本文仅作为定性分析的基础。(4)由于在年际尺度上气候因素对能源消费的影响小于经济发展、人口增长、生活水平提高、产业结构调整、技术进步等其他因素的综合影响，因而建立年际影响模型往往很难明显体现城市气候变化对能源消费的影响，因此本文分别建立和对比分析了13个年份的13个日电力消费影响因素模型，运用详细的一手数据，细致全面地考察了气温变化对电力消费的影响。相对于现有研究，模型分析更加细致、全面、透彻，结论更有说服力。本博士论文有幸得到复旦大学第十批研究生创新基金资助。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 概念界定

1．2．1 城市化

1．2．2 热岛效应

1．2．3 气候变化

1．2．4 能源消费

1．3 基本思路、主要内容及研究方法

1．3．1 基本思路

1．3．2 主要内容

1．3．3 研究方法

1．4 研究意义

1．4．1 理论意义

1．4．2 现实意义

1．5 创新和不足

第2章 现有文献回顾和评述

2．1 城市经济发展对热岛效应的影响

2．1．1 国外相关研究

2．1．2 国内相关研究

2．1．3 对本文的启示

2．2 城市气候变化对能源消费的影响

2．2．1 国外相关研究

2．2．2 国内相关研究

2．2．3 对本文的启示

第3章 理论基础与影响机制

3．1 经济学理论基础及启示

3．1．1 负外部性理论

3．1．2 能源危机理论

3．1．3 社会福利理论

3．1．4 公共产品理论

3．1．5 可持续发展理论

3．2 “社会经济—气候环境”系统影响机制

3．2．1 全球气候变化对城市气候的影响

3．2．2 城市经济发展对热岛效应的影响

3．2．3 城市气候对生活能源消费的影响

3．2．4 城市气候变化对电力消费的影响

第4章 上海城市气候变化的特征和原因

4．1 上海城市气候变化的特征考察

4．1．1 时间变化特征

4．1．2 空间分布特征

4．2 上海城市气候变化的原因分析

4．2．1 全球气候变化对城市气候变化的影响

4．2．2 城市化发展诸要素对热岛效应的影响

4．2．3 城市化发展对热岛效应的综合影响

4．3 主要结论

第5章 上海气候变化对生活能源消费影响分析

5．1 生活能源消费量增长及其比重

5．1．1 生活能源消费量增长特征

5．1．2 生活能源消费占总能源消费的比重

5．2 上海气温变化对生活能源消费量的影响估算

5．2．1 基于随机项分解方法定性分析

5．2．2 基于多元线性回归方法定量估算

5．3 主要结论

第6章 上海气候变化对电力消费影响初步分析

6．1 电力消费量增长及其比重

6．1．1 电力消费量增长特征

6．1．2 电力消费占能源总消费比重

6．2 气温变化对不同领域电力消费影响

6．2．1 行业差异

6．2．2 城乡差异

6．3 上海气温变化对日电力消费的影响估算

6．3．1 日气温与日电力消费关系考察

6．3．2 气温变化对日电力消费量影响关系模型

6．3．3 气温变化对日电力消费量影响定量估算

6．4 主要结论

第7章 上海气候变化对电力消费影响综合分析

7．1 上海气温变化对月度电力消费的影响分析

7．1．1 月降温度日和取暖度日变化

7．1．2 月温度调节用电量变化

7．2 上海气温变化对季节电力消费的影响分析

7．2．1 降温季节和取暖季节划分

7．2．2 降温季节降温耗电影响因素模型

7．2．3 取暖季节取暖耗电影响因素模型

7．3 上海气温变化对年度电力消费的影响分析

7．3．1 年社会经济耗电、降温耗电、取暖耗电变化

7．3．2 年气温耗电占总电量比重变化

7．3．3 年气温耗电经济损失及占GDP比重交化

7．3．4 年温度调节耗电的影响因素模型

7．4 主要结论

第8章 上海应对气候变化的能源适应策略

8．1 能源利用现状和问题

8．2 应对气候变化的能源适应策略

8．2．1 基本原则与指导思想

8．2．2 能源适应策略的主要内容

参考文献

附录一 上海日平均气温与日用电量的关系(1996-2008)

附录二 上海日社会经济耗电、降温耗电、取暖耗电(1996-2008)

附录三 上海温度调节耗电占总电量的比重(1996-2008)

读博期间科研成绩

后记