全球多区域CGE模型的构建及碳泄漏问题模拟分析，本文主要内容关键词为：模型论文,区域论文,全球论文,CGE论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
可计算一般均衡（CGE）模型是目前重要的气候政策评估工具之一，它提供了一个兼具一致性和开放性的模型框架，既可以整合多个维度的目标，又可以与其他方面的模型进行连接，这使得CGE模型在进行政策的综合评估方面具有明显的优势。中国在CGE模型方面起步和发展较晚，自20世纪90年代中后期，才有一些研究机构（如中国社会科学院数量经济与技术经济研究所和国务院发展研究中心）在中国CGE模型的建模和应用方面展开持续性的研究。此后CGE模型对于气候政策研究及国际谈判实务方面的重要性很快就被很多专家所认同（沈可挺，2002）。经过多年的努力，中国在单国CGE模型开发及应用方面已经有了长足进步。在全球多区域CGE模型研究方面也有一定程度的推进，主要集中在基于GTAP模型对贸易自由化（特别是农产品）相关问题的应用方面。利用国外研究机构已有的模型进行应用研究的模式，可以较快地得到研究结果，但在研究应用的规模和后续的发展上受到各种各样的限制。因此，本文选择了完全自主开发的方式开发了一个全球多区域CGE模型（Global Applied General Equilibrium Model，GAGE），并应用该模型针对当前气候谈判中热点之一的碳泄漏问题进行研究。
所谓碳泄漏是指在只有部分成员参与的国际联盟下，承担减排义务的国家采取的减排行动导致不采取减排义务的国家增加排放的现象（谢来辉和陈迎，2007）。《京都议定书》只针对附件I国家的减排目标必然会导致碳泄漏现象的发生。有减排义务的国家可以通过扩大进口减少国内生产来减少本国的报告碳排放量，如果进口来自没有减排义务的国家就会产生碳泄漏，而严重的碳泄漏将大大削弱议定书中附件I国家减排行动的效果。欧盟等发达国家已经提出了希望采用征收碳关税等方式提高减排行动的有效性。国际贸易带来的碳泄漏问题恰好支持了这一提议，使得欧盟等发达国家能够以减少碳泄漏为由设置绿色贸易壁垒来进行贸易保护，从而阻碍从一些国家，如从中国的进口。
由于碳泄漏问题具有天然的全球多区域属性，因此其研究需要着眼于全球多区域之间的经济联系，并综合考虑经济、能源、环境（3E）系统，来研究各个国家之间气候政策变化的互动关系和影响。目前国内关于碳泄漏问题的研究还较少，而且多是从定性的角度进行评析，也有少量基于统计指标的实证分析研究（赵玉焕等，2011）。国际上对于碳泄漏问题的研究基本上都利用大规模的模型进行研究，谢来辉和陈迎（2007）对不同模型的研究结果进行调研比较，显示出在碳泄漏的程度和流向存在明显分歧，各模型测算得到的碳泄漏率的范围为2%～130%，这样的研究状况显示出大模型支持气候变化国际谈判的重要性。对于碳泄漏这样的敏感问题我国迫切需要有大模型的定量研究结果的支撑，以便能够更深入地理解其他国家的研究结果，并更好地制定谈判战略。本文自主开发的GAGE模型在定量研究模型工具的能力建设方面有了一定程度的推进，并应用该模型定量分析了全球多区域实施碳税政策的碳泄漏情况以及实施碳关税对碳泄漏的影响。
一、全球多区域CGE模型（GAGE）的构建
GAGE模型基于GAMS软件平台开发，划分了6个区域（中国、印度、其他非附件I国家、美国、欧盟和其他附件I国家）和8个部门（煤炭、油气、电力、化工、钢铁、机械、交通和其他部门），包含了两类生产要素（资本和劳动力）。GAGE模型的开发过程经历了标准全球CGE模型、模型的3E扩展和模型的应用扩展三个阶段。前两个阶段主要参考了GTAP模型的结构设计（Hertel，1997）和扩展方法（Jean-Marc等，2002），而应用扩展阶段主要根据研究问题的特点进行设计，本文的碳泄漏问题研究设计了两种气候政策，即碳税政策和碳关税政策。
和大多数CGE模型一样，GAGE模型需要对所有相关市场进行描述，包括国内的和国际的。GAGE模型理论框架是比较静态的，假定市场是完全竞争的，商品价格和要素租金是灵活变化的（但是采用固定汇率以降低开发难度），生产者最小化生产成本或最大化利润，消费者最大化效用，所有产品和投入要素全部出清。不同地区同一部门的产品是非完全竞争的，可以看作是存在一定替代性的不同商品（Armington Assumption）。GAGE模型还对间接税进行了全面而详细的描述，包括各种商品的消费税、要素使用税，进出口关税以及生产税。由于篇幅限制，下面仅对模型开发过程中和本文的应用问题紧密相关的几项关键建模技术进行说明，并给出模型扩展部分的关键方程。
1.标准全球CGE模型
（1）综合地区账户。每个国家或地区设有一个综合的地区账户，所有的税收和要素收入都进入该账户，并通过柯布—道格拉斯（Cobb—Douglas）效用函数，以固定比例将总的地区收入分配为居民消费、政府消费和储蓄三部分。这样的设计可以在不影响研究目标的情况下，有效地简化收入分配部分的结构，从而降低模型开发难度。
（2）虚拟的国际运输服务部门。“国际运输”部门用于描述国际运输服务的价值，包括出口运输和保险服务的成本。在现实经济中该服务是由各个国家和地区的相关运输部门来提供的，但是对于建立模型来说，几乎不可能收集到各种商品的各个贸易路线的运输服务供需的详细数据。因此，在模型中设置一个虚拟的国际运输服务部门，假定各地区将自己的国际运输服务出口给该国际运输部门，然后国际运输部门将它们综合成一种合成服务，以此来提供国际贸易所需的国际运输服务，而该合成服务的价值就等于离岸价格（FOB）和到岸价格（CIF）之间的差额。
（3）虚拟的国际银行部门。与国际运输服务类似，国际投资储蓄之间也存在数据不足的问题，也需要借助虚拟的“国际银行”部门作为全球储蓄和投资之间的媒介来实现建模。GAGE模型中，“国际银行”部门用于描述资本在地区之间流动的情况，即存在投资品所在地和所有权不一致的情况。投资部门生产的投资商品扣除折旧之后的净投资部分由国际银行购买，然后国际银行对各个地区提供的投资品进行投资组合，然后再将该投资组合商品销售给各个地区以满足其储蓄的投资需求。
2.GAGE模型的3E扩展
对GAGE模型进行3E扩展来体现经济、能源、环境三者之间的联系和互动关系，特别是要从模型结构本身来体现能源投入的特殊性，即各种能源投入之间的替代关系。这一替代关系的结构设计有很多不同的方式，本论文采用Jean-Marc的GTAPE模型中采用的嵌套结构，即中间投入的组合只包含非能源投入，而将能源投入与资本进行不变替代弹性（Constant Elasticity of Substitution，CES）嵌套。资本—能源CES合成的嵌套结构中依照各种能源投入的替代程度自下而上依次组合，即替代程度高的先组合，替代程度低的后组合，然后再将最后得到的综合能源合成品与资本进行组合。下文公式中变量（参数）及其说明见表1。
（1）生产要素合成CES嵌套的扩展。在标准全球CGE模型中，增加值为资本要素投入和劳动力要素投入的CES合成，而3E扩展后则为资本—能源投入和劳动力投入的合成。扩展之后，原增加值变量的含义也发生了变化，其价值量不仅包含了要素投入的成本，还包含了能源投入的成本。
增加值合成的CES函数：
相应的，资本—能源合成要素和劳动力要素的需求函数分别为：
生产要素嵌套中的第二层为资本一能源合成的CES函数：
相应的，资本要素和合成能源要素的需求函数分别为：
在GAGE模型中包括三个能源部门，即煤炭部门、油气部门和电力部门。因此，在合成能源的CES函数应该包括两层嵌套，第一层是电力和化石能源的CES合成，第二层是煤炭和油气的CES合成。
化石能源与电力的CES函数：
（2）引入能源实物量数据。在标准全球CGE模型中，由于用于校准模型的基年数据为价值量数据，为了分别校准模型的价格和数量变量初值，价格都采用归一化的价格指数的概念，所以相应的数量也都是归一化价格之后的名义数值。在进行能源政策相关的能耗和排放的核算时，必须在基年数据中引入能源的实物量数据，从而将能源的名义数量值转换为实物量值。
进口能源排放转换系数：
国产能源排放转换系数：
3.GAGE模型的应用扩展
在模型中加入碳税和碳关税模块时，需要基于排放转换系数按照从量税率的计算方法计算单位排放所需支付的税额，但为了方程及情景分析的方便，还需要将从量碳关税率转换为等价的从价碳关税率。此外，碳税和碳关税作为各个区域新增税种，还需要修改相应的价格方程和地区税收方程，即将等价从价碳税率加入到消费者价格方程中，将碳税税收总额加入到地区税收方程中。
（1）碳税模块。首先基于排放转换系数按照从量税率的计算方法得到单位能耗所需支付的碳税额，然后将单位排放的从量碳税额除以产品的价格，即可得到产品价格为1时所需支付的碳税额，这使得碳税率与价格相关，从而得到了等价的从价碳税率。单位进口能耗需要支付的碳税额方程：
（2）碳关税模块。计算从量碳关税额和转换得到从价碳关税税率的方法与碳税类似。
单位进口能耗需要支付的碳关税额方程：
转换为等价的从价碳关税税率：
4.GAGE模型的数据结构（全球多区域SAM表）
组织CGE模型基础数据的一个主要方法就是编制基年的社会核算矩阵（SAM），它不仅提供了良好的数据结构，而且有助于建立清晰的模型理论结构，有利于理解模型各个主体或要素之间的关系。本论文基于美国Purdue University的GTAP6数据库[6]编制了全球多区域SAM，在已有研究[7]的基础上改进了资本区域间流动的描述，其账户结构如下页表2所示，该结构为一个区域的SAM，地区维度反映在该二维SAM的数量上，即对于6区域GAGE模型应该有6个类似的SAM来构成全球多区域SAM的数据结构。
二、多区域实施碳税政策的碳泄漏问题分析
碳泄漏问题分析包括流向和强度两个方面，对于强度的测算采用碳泄漏率作为评估指标。碳泄漏率是未参与减排国家的排放增加量与参与减排国家减排量的比值，描述减排国家的减排政策所带来的海外增排的边际效应。进行碳泄漏分析的关键在于明确不参与减排的国家排放变化的驱动要素。例如，能源密集型产业的国际转移是一般正常的产业转移，还是由部分国家承担减排义务引起的产业转移。
1.情景设计
碳税政策情景的设计通常有两种方式，一是设定区域的减排率，然后通过模型求解得到该区域的均衡碳税税率（即碳价）；二是设定区域的碳税税率，然后通过模型求解得到均衡状态下该区域的减排率。本文在单独实施碳税的情景中采用第一种方式，与目前气候变化国际谈判中进行承诺减排的方式一致，如《京都议定书》中附件I国家采用的承诺实现的减排率。在后文的碳税与碳关税的组合政策情景中，由于政策设计需要确定碳价，所以其中的碳税政策情景采用第二种设计方式。
在碳税政策情景中，需要设定减排率和参与减排的区域两个因素。在考察了GAGE模型各个区域可以承受的减排政策冲击程度后，确定在碳税情景中设定12种减排率，即0%、1%、2%、5%、10%、15%、…、45%（SIM00～SIM45）。GAGE模型中划分了三个附件I区域，即美国、欧盟和其他非附件I国家，为了考察美国是否参与减排对于碳泄漏的影响，本文将参与减排的区域设定了两种方案，即所有附件I国家都参与减排和美国不参与减排两种情景。碳税情景的设定及符号标示如31页表3所示。需要注意的是，对全球多区域CGE模型进行多区域碳税政策情景的参数设置时，参与减排的区域设定统一的减排率，而其他不参与减排的区域不对其排放量进行约束，需要将其碳税税率固定为
。
2.模拟结果及分析
根据前文的定义，计算SIMAI和SIMAINU情景下的碳泄漏率如32页表6所示，碳泄漏率与减排率正相关，随着减排率的增加而增加。在SIMAI情景下，附件I国家都统一设定减排率为10%时，碳泄漏率为1.6%，而当减排率提高到20%和40%时，碳泄漏率则随之增加至1.9%和2.6%。而在SIMAINU情景下，由于美国没有参与减排而使得碳泄漏率有大幅提高，在减排率为10%、20%和40%时，碳泄漏率分别为2.6%、3.1%和4.3%。
将以上两个情景的结果进行比较可知，美国参与减排之后会使得全球的碳泄漏总量下降13%左右（低减排率情景中下降12%，高减排率情景中下降14%）。而对于碳泄漏率的影响则更加明显，美国参与减排可以使得碳泄漏率几乎减半，而且减排率越高，美国的影响程度越高。如减排率为45%时，美国参与减排可以使得泄漏率从4.6%下降到2.8%（下降48%）。可见，美国作为全球最大的经济体，其是否参与减排对于碳泄漏的影响非常大，而且随着减排率的上升其影响愈加明显。
综合以上结果，碳泄漏和碳泄漏率存在以下规律（见图1）：第一，在同一组减排情景下，碳泄漏和碳泄漏率都与减排率基本为线性正相关关系，会随着减排率的提高而迅速提高；第二，碳泄漏和碳泄漏率都与参与减排的区域范围负相关，参与减排区域扩大时碳泄漏和碳泄漏率会随之降低；第三，在同一组减排情景下，流向各个未参与减排区域的碳泄漏份额相对稳定。这些规律符合通常对于碳泄漏的判断，并在GAGE模型模拟其他多组的减排情景中也都得到了验证，这样的研究结论也在一定程度上证明了GAGE模型的合理性。
三、多区域实施碳关税政策对碳泄漏的影响分析
在国际气候变化谈判中，碳关税常被称为“边境碳调整”或“边境税调整”，其形式可以是传统的关税、国内税费、配额或者许可证等。就其本质而言，碳关税是为均衡各国减排成本，对特定国家进口产品采取的单边贸易限制措施（杨晓玲和陈雨松，2010）。在本节中，采用类似于传统的进口关税的碳关税形式进行情景设计，来研究不同实施及被实施区域范围和不同征收强度下对碳泄漏的影响。
1.情景设计
碳关税情景设计需要考虑的5个因素以及相应的设定如表7所示。第2项因素被实施碳关税的区域设定了两组情景，即单独对中国征收，或者对所有的附件I国家同时征收，以考查被实施区域范围的变化对碳泄漏的影响。第4项因素征收商品范围设定了两组情景，即碳关税对钢铁商品单独征收，或者对化工、钢铁和机械三类商品同时征收，其中对钢铁商品单独征收的情景只与对中国实施碳关税的情景进行组合，作为对照情景考察征收碳关税的商品范围对于碳泄漏的影响。在满足研究需要的情况下，为了尽量简化情景设计，第5项因素只采用了单一情景设定，即商品排放的计算指标设定为单位商品的综合排放，其具体定义为单位商品直接消耗的化石能源产生的排放与单位产品消耗的电力对应的一次间接排放之和。
为了体现区域内减排成本（即碳价）与碳关税税率之间的相关关系，将前文中的SIMAI情景做简单修改后作为参考情景（命名为SIMAI2）。在SIMAI情景中所有的附件I国家都参与减排，通过对GAGE模型设定一组减排率来体现减排政策，模型运行之后得到均衡的碳税税率（边际碳价）；而在SIMAI2中，将减排政策修改为在GAGE模型中设定不同的碳税税率来实现减排，模型运行之后得到减排率，碳税范围设定为0～80
，共设定9种碳税税率，碳关税税率与碳税率保持一致。
在SIMAI2基础上设计碳关税的情景，相关集合设定如表8所示。由于碳关税情景5项相关因素中有2个因素（第1项、第5项）进行了单一情景设定，所以根据第2项因素设定不同的被实施区域范围，以及第4项因素设定不同的征收商品范围，组合得到3组碳关税情景，即SIMALL-CHN1情景、SIMALL-CHN情景和SIMALL-ALL情景。在每一组情景下，设定不同的碳税税率和碳关税税率来考察碳关税政策对于碳泄漏的影响情况。
2.模拟结果及分析
附件I国家实施统一碳税但未实施碳关税（SIMAI2）的参考情景中，碳泄漏流向及分布（如下页表9所示）与前文中实施统一减排率（SIMAI）的情景结果一致。附件I国家同时参与减排时，碳泄漏总量随着减排强度的增加而增加（碳价为80时全球碳泄漏总量为190.9Mt
），但流向中国和印度的碳泄漏份额大约占碳泄漏总量的20.8%（中国和印度的份额分别为15.3%左右和5.5%左右）。
附件I国家只对从中国进口的钢铁产品实施碳关税的情景（SIMALL-CHN1）下，碳泄漏的情况如下页表10所示。与参考情景SIMAI2相比，流向中国的碳泄漏量略有下降，而同时流向印度和其他非附件I国家的碳泄漏量略有上升，碳泄漏总量下降了2%左右。相应地，流向中国的碳泄漏份额下降了约2个百分点，同时流向印度和其他非附件I国家的碳泄漏份额均有小幅上升。表8中还给出碳关税情景下对于中国钢铁出口的影响，当附件I国家同时对中国的钢铁商品实施碳关税时，中国对附件I国家的钢铁出口会受到严重打击；在碳关税税率为10时，中国对附件I国家的钢铁出口量会下降11%，而碳关税税率为80时，出口量下降幅度高达61%。可见，碳关税对于流向被实施区域的碳泄漏的确具有抑制作用，但整体效果并不显著，而对于被实施区域相关商品的出口却会产生严重打击。
附件I国家对从中国进口的化工、钢铁和机械商品实施碳关税的情景（SIMALL-CHN）下，碳泄漏的情况如表11所示。与参考情景SIMAI2相比，流向中国的碳泄漏量被碳关税压缩了90%以上，而同时流向印度和其他非附件I国家的碳泄漏量略有上升，碳泄漏总量降了13%左右（碳关税税率为80时，碳泄漏总量下降12.5%；碳关税税率为80时，碳泄漏总量下降13.9%）。中国被征收的碳关税的化工、钢铁和机械三类商品的出口都受到显著冲击，在碳关税税率为80时，对附件I国家化工、钢铁和机械三类商品出口的下降幅度分别高达43%、60%和10%。
在所有附件I国家对来自非附件I国家的化工、钢铁和机械商品实施碳关税的情景（SIMALL-ALL）下，碳泄漏的情况如表12所示。与参考情景SIMAI2相比，流向中国、印度和其他附件I国家的碳泄漏量均有显著下降（分别下降90%、70%和50%左右），碳泄漏的总量下降50%左右。非附件I国家被征收的碳关税的化工、钢铁和机械三类商品的出口都受到显著冲击，在碳关税税率为80时，中国和印度对附件I国家的化工、钢铁和机械商品出口下降分别高达38%、57%、8%和57%、43%、22%。
3.评价指标综合评估
（1）碳泄漏率。根据碳泄漏率的定义，可以计算得到各碳关税情景下的碳泄漏率（如图2和表13所示）。在同一组碳关税情景下，碳泄漏率与碳价水平正相关，随着碳价的提高而增大，这一规律与前文的碳税情景一致。当参与减排的附件I国家仅实施碳税而不实施碳关税时（SIMAI2参考情景），碳泄漏率为1.6%～2.7%。当附件I国家对从中国进口的钢铁产品加征碳关税时（SIMALL-CHN1情景），碳泄漏率略有下降（减少0.1%）。而当征收碳关税的商品范围扩至化工、钢铁和机械三类商品时（SIMALL-CHN情景），碳泄漏率进一步下降0.1%~0.3%。而当征收碳关税的区域范围进一步扩大至所有非附件I国家时（SIMALL-ALL情景），碳泄漏率范围下降到0.9%～1.2%，为SIMAI2参考情景的一半左右。因此，参与减排的区域只对部分未参与减排的区域的相关贸易实施碳关税时，碳关税对于碳泄漏的抑制作用并不明显，这种情景下只是减少了碳关税征收区域的碳泄漏，而由于流向其他未参与减排区域的碳泄漏会同步增加，使得碳关税的作用被削弱；只有当被征收碳关税的商品及区域范围足够大，碳关税的实施才能显著减少碳泄漏。
四、结论及政策含义
第一，美国参与减排可以明显降低碳泄漏。当美国不参与减排时，碳泄漏总量的1/3左右会流向美国，而流向中国和印度的碳泄漏份额都远小于美国所占的比重，而其他非附件I国家占据的碳泄漏份额则更小。
第二，碳关税对于抑制碳泄漏的效果并不理想。实施碳关税的确可以明显降低流向被实施区域的碳泄漏量，但是如果碳关税的实施范围只包括部分区域，那么流向其他区域的碳泄漏会同步增加，因此碳泄漏的总量并没有显著下降；而只有当碳关税的实施范围足够大时，甚至实施范围包括所有未参与减排区域时，碳关税才能对碳泄漏起到显著的抑制效果。
第三，碳泄漏率并不是评估减排行动有效性的理想指标。由于在实施碳关税之后，碳泄漏量在发生变化的同时，减排量也在同步发生变化，而碳泄漏率只是一个相对指标，并不能充分体现减排行动成效的变化情况。
第四，“有效减排量”对减排行动效果的评估是更加合理的指标。由于减排行动的最理想的目标是以最小成本实现最大的减排量，以参与减排区域的总减排量扣除碳泄漏之后得到的“有效减排量”能够更直接和有效的描述减排行动的成效。
第五，实施碳关税并不能有效改善减排行动的成效，即使对所有未参与减排区域的有关商品全面实施碳关税，对于参与减排区域“有效减排量”的改善也非常微弱，而对于未参与减排区域有关商品的出口却会产生严重甚至致命的打击，因此，希望通过实施碳关税来抑制碳泄漏提议，其目的并不是要改善减排行动的有效性，而只是进行贸易保护的借口或进行国际气候谈判的筹码。