干货分享丨IMED综合评估模型体系介绍

写在前面

>>全球环境问题与能源-环境-经济综合评估系统<<

人类活动产生的温室气体排放造成全球气候持续变暖，这一问题已经并将继续给全世界带来巨大挑战，尤其给人群健康造成直接和间接的威胁，成为当下最受关注的全球环境问题之一。与此同时，空气污染、水质恶化等环境污染问题仍然影响着不少发展中国家和地区，并已经影响到相应地区的公众健康和经济的可持续发展。合作应对气候变化、积极采取措施解决环境污染已经成为全球共识，但是相关政策和行动的现实进程却差强人意。2012年，联合国在千年发展目标之后又提出了“可持续发展目标”，意在指导全球包容性、持续性绿色增长；2015年，联合国气候变化框架公约(UNFCCC)签署《巴黎协定》，呼吁各国减少温室气体排放、实现本世纪末全球温升与工业革命前相比不超过2度的目标，并力争将温升控制在1.5度以内；近年来，政府或非政府组织针对环境污染发起的政策或自主行动也在全球范围内广泛铺开。然而，我们面临的现实仍然是：2015年，全球范围内还有超过900万人由于环境污染而过早死亡；各国现有的减排努力不足以完全实现已有的国家自主贡献(NDC)承诺，并且即使NDC完全实现，也难以将温升控制在2℃范围内。就中国而言，新中国成立70周年之际，中国生态文明建设工作已经取得了明显成效，污染治理力度不断加大、制度体系逐渐完善；不过，中国当前的环境问题依然表现出“关键期，攻坚期，窗口期”三期叠加特征，各类环境问题的彻底解决和“健康中国”的实现，尚需持续的努力。需要指出的是，环境问题根源于经济发展，同时又会通过复杂的反馈机制深刻地改变和影响社会经济发展。气候变化和环境污染的产生与解决并非简单地只与排放相关，更与能源、产业结构、消费模式和宏观微观决策相关，并伴随重要的人群健康和社会经济影响（图1）。无数研究已经指出环境和人群健康的改善能够带来极大的经济和非经济效益，然而在特定时空条件限制下，环境保护和经济发展之间又确实存在着取舍和矛盾。这意味着各类政策措施的效果、未来发展路径和相关的费用-效益分析都具有高度的不确定性，也是全球气候治理和环境保护进程未能更加顺利推进的重要原因。图1 相互关联的能源• 环境• 经济系统
由此观之，协同实现环境与发展的多重目标错综复杂，需要相关研究能够综合自然科学与社会科学的广泛学科见解，准确评估环境问题的影响以及解决环境问题的成本效益，为科学决策提供有力支撑。在这样的背景下，基于能源-产业-发展模式-污染控制-健康保障和社会发展等各领域关系和学科知识基础的综合模型研发与应用，无疑具有重要决策支持意义，关系到未来世界的发展路径、各国的气候与环境政策以及各代人的健康与福利。

今日推文概览

PART 1 IMED模型体系介绍

PART 2 IMED模型各主要模块简介

             IMED|CGE 宏观经济模型

             IMED|HIO 系统核算模型 

             IMED|TEC 能源系统优化模型

             IMED|HEL 人群健康模型

PART 3 IMED模型：多学科多模型集成研究

PART 4 IMED模型应用一览

结语

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IMED模型体系介绍

IMED模型：

中国“环境人”自主创新开发的综合评估模型体系

西方发达国家在能源环境经济综合评价模型方面有近40年的深厚积累，为气候政策评估提供了科学支撑。2018年诺贝尔经济学奖授予了耶鲁大学威廉·诺德豪斯教授，以表彰他将气候变化融合到长期宏观经济分析中，并第一个设计出动态量化的全球经济-气候系统综合评价模型（DICE模型）。现代的气候政策分析需要更为复杂和精细的评估模型，这类知名的综合评价模型包括美国西北太平洋国家实验室的GCAM模型、美国麻省理工大学的EPPA模型、奥地利国际系统分析研究所的MESSAGE模型和GAINS模型、日本国立环境研究所的AIM模型、德国波茨坦气候影响研究所的REMIND模型及荷兰环境规划院的IMAGE模型等。这些模型不仅为其本国气候政策和可持续发展提供了有效支撑，也为国际气候谈判和IPCC历次气候变化评估报告的长期情景分析提供了科学基础。

中国的环境保护意识和环境科学研究起步相对较晚，不过，伴随着综合国力的全面提高，中国的环境治理体系也日趋完善，环境学科研究水平也已进入世界前列。当前，作为国际气候治理的引领者，同时面临着生态文明建设的重大挑战和机遇，中国更加需要自主开发并持续维护的、具有国际影响力的能源环境气候政策综合评价模型，也需要更多年轻的科研人员致力、投身于该领域的研究。通过持续创新、突破各种技术瓶颈，开发更多源于中国实践经验的实用模型，中国学者将能够以独特的视角和经验，系统、定量地分析环境和气候问题，为全球可持续发展提供中国方案和中国智慧。北京大学环境科学与工程学院的能源-环境-经济可持续发展综合评价模型（IMED模型，即Integrated Model of Energy, Environment and Economy for Sustainable Development模型），就是一套针对能源-环境-经济复杂系统分析的综合评估模型系统，适用于研究中国、区域和全球绿色低碳转型中的一系列关键问题。IMED模型从整体架构、基础数据库、底层源代码均由北京大学环境科学与工程学院的能源环境经济与政策研究室（LEEEP）、流域科学实验室(PKUWSL)、环境经济学与政策研究小组（EEPS）、痕量有机污染物控制-全球环境问题对策研究组以及环境模拟与污染控制国家重点联合实验室等多个团队历时十余年联合自主开发和维护，旨在为实现绿色低碳可持续发展的学术研究和政策制定贡献力量。

IMED模型体系（图2）聚焦于模拟社会经济运行和能源供需系统，具体包括宏观经济模型(IMED|CGE)、能源技术优化模型(IMED|TEC)、系统核算模型(IMED|HIO)和人群健康模型(IMED|HEL)几大模块，并有不断完善的经济、能源、环境、资源数据库作为坚实的数据支撑。通过模型之间的耦合分析，该模型体系旨在以系统和定量的方法，在市区、省级、国家、全球等不同尺度上，模拟能源、环境、经济发展路径，探索经济增长宏观演进规律，刻画不同经济增长方式对资源消耗、能源需求、环境与健康影响及其它环境外部性，并分析转型的成本和效益。

图2  IMED 模型体系和展望

IMED模型：各主要模块简介

宏观经济模型(IMED|CGE)

IMED|CGE 模型(IMED | Computable General Equilibrium)属于宏观经济模型，是自主开发的全球和国家多部门、多区域动态可计算一般均衡(CGE) 模型。IMED |CGE 模型以社会经济数据为基础，结合能源平衡表和产业统计年鉴数据，由GAMS/MPSGE 建模并用PATH 算法器求解，以1年为步长动态模拟各地区经济走势、产业结构变化、能源消费及其碳排放趋势。模型的基年、部门分类和地区均可根据研究对象和目的灵活划分，如地区层面可将全球划分为若干个地区，国内区域可灵活配置为30个省（港澳台、西藏除外）、7个地区或者东中西3个地区，而国际区域可选择划分为1个区、3个区或14个区。部门可划分为22、41、37或91部门，基准年份可选2002、2007、2012等。不同类型的配置均基于同一套底层代码，一定程度上确保了模拟结果的可对比性和一致性。

IMED|CGE 模型主要包括生产模块、国内外贸易的市场模块以及政府和居民的收支模块（图3）。模型仅模拟能源消费相关的碳排放，不考虑其它排放源。模型中还设定了相应的人口增长路径与技术进步率（全要素生产率和能效改进参数），其中能效参数（单位经济产出所需要的能源投入）设定较为复杂，区分了国家类型和燃料品种类型。在模型中，各国未来能源消费、资源使用、二氧化碳和污染物排放主要由经济增长速度、能源效率提高速度以及能源的相对价格变化的复杂机制驱动。

IMED|CGE 模型可被应用于评估不同全球不同国家、中国及中国各省市的低碳转型政策。目前，本模型及其衍生版本已被系统地应用于综合评价我国国家层面和省级层面的空气污染减排、人群健康、能源和气候变化的应对政策。

图3  IMED | CGE模型框架

系统核算模型(IMED|HIO)

IMED|HIO模型 (IMED | Hybrid Input-Output Analysis Model) 属于系统核算模型，以投入产出分析技术为基础，结合数百种终端技术参数，从自上而下的宏观经济层面（投入产出分析）和自底而上的技术层面，核算地区在不同的经济发展方式和路径下，各部门的能源消费和资源利用需求、排放强度以及产生的环境排放，从而量化不同政策情景下的减排效果，寻找最优转型路径。IMED|HIO模型将社会经济部门划分为生产部门（农业和工业）、服务业部门、居民部门（农村和城镇）、交通部门（客运交通和货运交通），以产业产出、公共建筑面积、家庭户数、客/货运里程为驱动力分别计算各部门的能源服务需求，并结合能源部门能源占比、技术效率、技术普及率等技术参数核算终端能源需求和污染物排放（图4）。IMED|HIO模型的优点是数据需求量相对较小，可移植性强，考虑的政策措施相对详细，适用于城市级别小尺度研究；不过，由于模型不考虑成本而侧重于核算，因此没有引入成本优化过程。
图4  IMED|HIO 模型框架

能源系统优化模型(IMED|TEC)

对能源系统的模拟是研究能源气候政策不可或缺的重要一环。IMED|TEC（IMED | Technology）模型通过模拟各部门从原料到最终产品过程中的物质流、能量流和技术流，计算能源消耗和各类主要污染物排放量，用于量化多区域维度、多时间维度、多行业的节能减排潜力，还可用来评估节能减排政策成本与效益，进而为政策优化提供扎实的决策依据（图5）。IMED|TEC模型从工艺系统角度构建分析框架，相比于其他模型，这种“自底向上”建模思想的显著优点是能够对用于提供服务需求的各类技术进行详细刻画，使得技术成本分析与实际生产情况较为接近，节能减排的政策目标也较易分解。具体来说，IMED|TEC模型的模拟流程是对实际生产流程的逆推：（1）由外部模型或者情景分析得到部门服务需求量；（2）通过模拟产业及能源环境政策，优化选择生产技术，识别关键技术路径，以满足行业未来服务需求量；（3）计算推动生产技术所需投资成本、运营成本、能源消费量和各类污染物的排放量。IMED|TEC模型的核心思想是通过优化技术选择实现给定节能减排目标下的能源系统优化。因此，模型的目标函数为每年的系统总成本最小化。所谓总成本主要包括选定技术的年化投资成本、运营维护成本（含能源、资源使用成本），以及因可能征收的排放税、碳税或能源/资源税带来的税收成本。模型的数学函数为多约束单目标线性优化方程组，约束条件包括排放量约束、服务需求量约束、技术普及率约束、技术运行情况约束和资源可能性约束等。模型的输出结果为预测年各生产技术数量、行业能耗和排放状况，还可进一步与其他模型耦合，满足更多系统问题的研究需求。

图5 IMED | TEC模型框架

人群健康模型(IMED|HEL)

IMED|HEL模型(IMED | Health)为人群健康模型，该模型以环境流行病学研究的暴露-效应函数和环境经济学的货币化评估手段为基本原理方法，计算给定社会经济发展和控制措施情景下的空气污染的健康影响和经济损失。通过对比不同情景的健康评估结果，该模型可用于分析气候变化减缓和大气污染防控政策在改善全球和局地空气质量和人群健康方面的协同效益等问题。IMED|HEL模型包括健康影响分析和经济损失货币化分析两个模块，分别计算不同情景下PM2.5和臭氧污染程度所对应的疾病负担和健康影响的经济损失（图6）。该模型的亮点在于其适用于不同尺度的政策研究，既可兼容大数据量的全球格点数据分析，也能够进行国家、区域层面的分析。此外，在健康影响部分，IMED|HEL模型可以同时考虑室外、室内空气污染的健康影响，进行较为全面的健康评估。IMED|HEL模型还能够与IMED|CGE模型进一步结合，量化对宏观经济的影响、进行成本效益分析。
图6  IMED | HEL模型框架

IMED模型：多学科多模型集成研究

IMED模型已经实现了和空气质量模型、水文水质模型的对接耦合，这种深度耦合将使IMED体系具备从社会-经济-产业-能源-环境-气候全链条角度分析评估多学科复杂系统问题的能力。近年来，IMED模型及其耦合成果已被系统地应用于我国国家层面和省级层面的经济、能源、环境和气候政策的综合评价研究工作。例如，IMED模型中的可计算一般均衡模型（IMED|CGE）、人群健康模型（IMED|HEL）可以与空气质量模型实现无缝耦合，实现经济活动-环境质量-人群健康-经济影响（反馈经济系统）的闭环结构，形成完整的气候政策和空气污染控制政策健康、经济影响评估体系。IMED|CGE模型能够提供经济活动强度和能源消费量信息，进而得出的温室气体和一次污染物排放量；将区域总排放量按照一定方法进行降尺度，即可得到一次污染物网格化排放清单。使用这一排放清单，空气质量模型就能够对PM2.5或O3等大气污染物进行模拟估计。最后，人群健康模型(IMED|HEL)运用暴露-效应方程定量评估空气污染程度对应的疾病负担并货币化经济影响，将生产相关的经济影响重新反馈到CGE模型中，并可进行相应的成本-效益分析。未来，IMED模型还将继续拓展，使其具有与作物模型、土地利用模型、气候模型等其他地球环境系统模型进行集成耦合的能力，形成用于评估气候目标约束下生物质能发展对经济、粮食安全、土地利用变化等影响的综合评估模型体系。

IMED模型应用一览

近年来，围绕全球气候变化经济学与政策分析、能源与环境经济学等领域， IMED模型体系已被系统地应用于不同时空尺度的绿色转型政策的综合评价，以及转型关键技术、最佳转型路径的识别。具体研究主题包括：中国中长期低碳发展路径和碳限额的经济影响、碳减排对产业竞争力的影响、碳交易和环境税的政策影响、气候变化与空气污染及其减缓政策的健康影响、气候-能源-经济-农业-水关联分析等（图7）。相关研究成果在国内外能源经济和政策领域核心期刊上发表60余篇学术论文，总被引用逾1400 次，ESI前1%高被引论文累计8 篇。读者可点击文末“相关阅读”，阅读基于IMED模型所开展的各主题研究。


图7  IMED模型研究主题

结语

作为北京大学环境科学与工程学院各团队历时十余年的研究成果，IMED模型已经是一套相对较为成熟的综合评估系统，适用于中国、区域和全球的绿色低碳转型研究。模型的深度耦合使IMED体系具备了从社会-经济-产业-能源-环境-气候全链条角度分析评估多学科复杂系统问题的能力，并已被用于经济发展绿色低碳转型路径的综合分析。

目前，北京大学环境科学与工程学院相关研究团队正继续致力于将IMED模型与其他地球环境系统模型进行更深度的集成耦合，并在持续拓展研究领域和合作机构，使IMED模型体系能够更加全面、更加系统地分析经济系统绿色低碳转型的成本和效益，从而用于分析更复杂的低碳转型路径问题，为气候问题和环境问题的协同治理、为 “美丽中国”建设和全球可持续发展进程贡献力量。

转载自能源环境经济与政策研究（ID：LEEEP_Forum）

经作者授权转载

文章仅代表原公众号观点，与本公众号无关，版权归原作者所有

原文标题：IMED综合评估模型体系介绍

排版：罗琴

责任编辑：张英浩

审编：鲁嘉颐

终审：顾伟男 田巍 梁龙武

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