氣溫變化與能源消耗的關聯機制

劉勇　何枚玲

〔摘要〕 在全球氣候變化與我國“雙碳”目標確立的背景下，對氣溫變化與能源消耗的關聯機制進行分析，可為“雙碳”目標的實現提供決策參考。采用我國1953-2020年的年平均氣溫數據與能源消耗數據，進行格蘭杰因果檢驗并構建聯立方程模型，研究結果表明：能源消耗與平均氣溫存在雙向因果關系，其中能源消耗的增加對氣溫升高有正向影響，同時氣溫升高也加速了能源消耗的增加，兩者存在“正向循環影響”，且這種影響在南方地區更為明顯。在全球氣候變化和碳排放居高不下的背景下，我國作為全球最大的化石能源燃燒國義不容辭地承擔著減排的責任，各地應積極響應“雙碳”政策，通過技術進步、開發綠色清潔能源、產業結構調整等措施，探索低能耗、高效用的低碳發展道路。

〔關鍵詞〕 氣溫變化；能源消耗；格蘭杰因果檢驗；聯立方程

〔中圖分類號〕F062.2 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008-0694（2023）03-0080-12

〔作者〕 劉 勇 教授 四川大學經濟學院 成都 610000

何枚玲 碩士研究生 四川大學經濟學院 成都 610000

〔基金項目〕國家社會科學基金項目“西部地區優質生態產品供給能力的關鍵影響因素識別與提升對策研究”（19XJY007）。

一、引言

聯合國氣象委員會（IPCC）在《氣候變化2021：自然科學基礎》中指出，相較于1850-1900年，2010—2019年的十年間人類活動引起的全球平均溫度升高約為0.8—1.3℃，并預估在未來的幾十年里，氣候變化將繼續加劇^〔1〕。全球變暖將引起多種氣候災害頻率和強度的提高，對全球生態系統、關鍵基礎設施、居民健康、糧食安全、生活水平和人員流動等帶來重大威脅。

由化石能源消耗排放的溫室氣體是氣候變化的主要原因之一。World Resources Institute在2020年發布數據指出，由能源消耗排放的溫室氣體已占到全球排放量的73%，預計到2030年能源需求將增長近10%。其中，我國能源消耗排放的溫室氣體總量排名世界第一位，排放量占全球排放總量的26.1%^〔2〕。我國能源消耗一直處于上升趨勢，改革開放以后的增長速度更加明顯。國家統計局數據顯示，2020年我國能源消費總量達到498000萬噸標準煤，是1977年的13.54倍，年均增長率6.25%。同時，我國氣溫變化高于全球平均水平?！吨袊鴼夂蜃兓{皮書（2021）》顯示，1951-2020年間，我國升溫速率約為 0.26℃/10年，高于同期全球平均水平（0.15℃/10年）^〔3〕。

在全球氣候變暖與“雙碳”政策目標的背景下，研究氣溫變化與能源消耗的關聯機制，對我國節能減排政策實施以及發展低碳經濟、積極應對氣候變化等具有重要意義。

二、文獻綜述

全球變暖趨勢已得到普遍證實。2018年IPCC就提出，全球較工業革命前升溫1.5℃^〔4〕。大量研究證明，近百年來全球氣候呈現整體變暖的趨勢^〔5-8〕。沈貝蓓等（2021）采用氣候變化速率及空間插值等分析方法，發現1981—2019 年間全球地表年平均氣溫變化速率為0.320℃/10年，年平均氣溫一共增加了0.835℃^〔9〕。這種變化對環境社會經濟系統產生了嚴重影響^〔10〕。

2023在全球氣候變化的主要原因方面。Karl等（2003）認為，主要是人為引起的大氣成分變化，并且這些擾動主要來自與能源使用相關的溫室氣體排放^〔11〕。Solomon等（2007）指出，人類排放的溫室氣體是近百年來全球變暖的主要原因^〔12〕。Schmidt（2012）提到，當大氣中的CO₂濃度加倍，將會使全球平均溫度上升3.0±1.5℃^〔13〕。秦大河（2014）測量得出，1750年以來人類活動排放到大氣中的CO₂濃度已增加了41%^〔14〕。白萬平等（2013）對全球161年碳排放量與氣溫數據進行了統計因果檢驗，結果顯示，碳排放增加是氣溫升高的原因^〔15〕。另外，方精云等（2011）認為，除了人類活動，自然因素也在影響著氣候變化，包括太陽活動、火山爆發等^〔16〕。

在能源消耗和氣候變化之間關系方面。學界普遍認為，能源消耗導致氣溫升高，也有研究關注到氣溫變化對建筑和居民能源消耗的影響^〔17-19〕。氣溫的升高使得居民的制冷需求增加，主要體現在居民的用電量的上升。Fan等（2019）估算了1995-2016年氣候因素對中國電力需求的影響，發現氣候因素特別是溫度，對人均電力需求有明顯影響^〔20〕。Fan等（2020）還通過擴展的STIRPAT模型評估我國氣候變化對居民能源消費影響的區域異質性，發現不管是寒冷還是炎熱，對不同地區的居民能耗都有不同程度的正向影響，其中南方城市氣溫升高帶來的能耗影響程度顯著高于北方城市^〔21〕。Zhang等（2021）認為，氣溫變化帶來的制冷需求與供暖需求的增加顯著提高了居民的能源消費，但是隨著居民可支配收入的增加，居民可以調整制冷或者供暖的設備，通過升級高效能設備，相對減少居民的用電量，從而削弱氣溫變化帶來的影響^〔22〕。另外，孫紅杰（2020）認為氣候變化影響整個能源供應鏈，同時也影響能源運輸、轉換存儲及能源基礎設施等方面^〔23〕。

在研究方法方面。既有研究主要采用隨機項分解方法，沈續雷（2011）^〔24〕、劉?。?005）^〔25〕等把能源消費量分解為兩大部分：第一部分是社會經濟耗能，第二部分是受氣溫影響的溫度調節耗能。還有一種方法是通過計量經濟模型進行分析，如羅光華（2012）^〔26〕、Li Yating（2019）^〔27〕、王寶強（2019）^〔28〕等構建多元線性回歸模型，黃蕊（2016）^〔29〕、Fan 等（2020）^〔30〕建立STIRPAT模型分析氣候變化對能源消費的影響。其中，影響因素主要包括社會經濟耗電、人口規模、經濟總量、能源強度、取暖度日、降溫度日等。

基于收集到的氣候變化和能源消耗相關性領域的研究表明，能源消耗排放的溫室氣體導致全球變暖已得到大量研究的證實，氣溫的上升也會對居民能源消費帶來影響。氣候變化對能源消耗的影響在國外研究較多，而國內針對這一問題進行實證研究的文獻較少。能源消耗是否成為氣溫變化的原因，而氣溫變化又是否同時會反過來導致能源消耗的變化，兩者之間有著怎樣的相互關聯、相互影響機制，在我國“雙碳”目標的背景下研究這些問題具有重要意義。本文采用我國1953-2020年平均氣溫數據與能源消耗數據，通過格蘭杰因果檢驗并構建聯立方程模型，分析氣溫變化與能源消耗的關聯機制，為應對氣候變化與能源戰略的實施提供科學參考。

三、研究方法與數據

1.研究方法

采用格蘭杰因果檢驗分析氣溫變化與能源消耗的關聯機制，在此基礎上構建聯立方程模型量化分析氣溫變化與能源消耗的相互影響程度。

格蘭杰因果檢驗。對于平穩序列X和Y，如果在對Y做預測時，由包含X過去值所得到的預測值優于未含X過去值的預測，則X是Y的格蘭杰原因。但如果對非平穩數據進行因果檢驗，容易產生虛假因果關系，因此在此之前要對數據進行平穩性檢驗。對能源消耗總量TEC進行平穩性檢驗：

△TEC_t=（ρ-1）TEC_t-1+ε_t（1）

對ρ進行檢驗，如果ρ＜1，則序列是平穩的，如果ρ=1，則序列是不平穩的。滯后階數n由AIC和SC準則來決定。參考已有研究，本文采用ADF檢驗法、PP檢驗法^〔31〕對數據進行檢驗。

格蘭杰因果檢驗。在變量通過了單位根檢驗的前提下，對其進行格蘭杰因果檢驗，令：

這里用全國能源消耗總量指標TEC反映我國的能源消耗，用全國平均氣溫AT、全國平均最高氣溫AXT和全國平均最低氣溫AIT反映我國的氣溫水平^〔32-34〕。假設H₀：θ₁=θ₂=……=θ_j=0; H^＇₀：∈₁=∈₂=……=∈_j=0。如果拒絕原假設H₀，則TEC是AT的格蘭杰原因；如果拒絕原假設H^＇₀，則AT是TEC的格蘭杰原因。同理可得AIT與AXT和TEC的格蘭杰因果關系。

聯立方程模型。構建AT與TEC的聯立方程模型：

AT_t=c₁+a₁D（TEC_t）+h₁X_t+ε_t（4）

D（TEC_t）=c^＇₁+b₁AT_t+h^＇₁X_t+ε_t（5）

上式中，c為截距項，ε_t為隨機擾動項；AT為年平均氣溫，為保持變量的平穩性，選取能源消耗總量的一階差分D（TEC）作為回歸方程的變量；X為控制變量，包括人口數量N、第二產業增加值RG2、城鎮化率UR^〔35-37〕。a₁為“能源消耗—平均氣溫”系數，反映能源消耗增量的變化對平均氣溫的影響程度；b₁為“平均氣溫—能源消耗”系數，反映平均氣溫的變化對能源消耗增量的影響程度。同理可得AIT與TEC的聯立方程模型：

AIT_t=c₂+a₂D（TEC_t）+h₂X_t+ε_t（6）

D（TEC_t）=c^＇₂+b₂AIT_t+h^＇₂X_t+ε_t（7）

其中，a₂為“能源消耗—平均最低氣溫”系數，反映能源消耗增量的變化對平均最低氣溫的影響程度；b₂為“平均最低氣溫—能源消耗”系數，反映平均最低氣溫的變化對能源消耗增量的影響程度。AXT與TEC的聯立方程模型：

AXT_t=c₃+a₃D（TEC_t）+h₃X_t+ε_t（8）

D（TEC_t）=c^＇₃+b₃AXT_t+h^＇₃X_t+ε_t（9）

其中，a₃為“能源消耗—平均最高氣溫”系數，反映能源消耗增量的變化對平均最高氣溫的影響程度；b₃為“平均最高氣溫—能源消耗”系數，反映平均最高氣溫的變化對能源消耗增量的影響程度。

區域異質性檢驗。我國幅員遼闊，南北溫差存在較大差異，且不同地區的能源消耗結構有所不同。因此，本文選取1997-2019年除西藏外30個省份的面板數據，進一步分析氣溫變化與能源消耗的影響的區域異質性，并且將能源分為煤、石油、天然氣三大類，以此來考慮能源結構對氣溫變化的影響。首先檢驗氣溫與碳排放的相關性，如公式（10）。接著對碳排放與能源消耗進行回歸分析，為了突出能源結構的影響，將能源分為煤、石油與天然氣三種，如公式（11）。

AT_it=c₄+a₄lnCO_2it+h₄X_it+ε_it（10）

lnCO_2it=c₅+a₅coal_it+b₅oil_it+c₅gas_it+h₅X_it+ε_it（11）

其中，AT_it為i省在t年份的平均溫度，lnCO_2it為i省在t年份CO₂排放量的對數，coal_it為i省在t年份煤炭消耗量，oil_it為i省在t年份石油消耗量，gas_it為i省在t年份天然氣消耗量。X_it為控制變量，包括人口數量N、第二產業增加值RG2、城鎮化率UR^〔38-40〕。

2.數據來源

本文采用的全國氣溫數據來源于BERKELEY EARTH網站中的Regional Climate Change：China，通過氣溫零基準值加上每年的溫度異常值取得。其中，全國年平均氣溫數據以1951-1980年間的平均溫度6.79℃為零基準，全國年平均最高氣溫以1951-1980年間的平均最高溫度13.07℃為零基準，全國年平均最低溫度以1951-1980年間的平均最低溫度0.57℃為零基準。選取1953-2020年中國統計年鑒中能源消耗總量作為能源消耗數據。省域面板數據的能源消耗來自于各省的《能源統計年鑒》，各省氣溫數據來源于BERKELEY EARTH網站?？刂谱兞堪側丝跀盗?、第二產業增加值、城鎮化率，數據來源于國家統計局，相關統計量描述性分析詳見表1。

圖1反映了我國1953-2020年間能源消耗與氣溫變化趨勢，可以看到兩者呈現同步上升態勢。其中，我國能源消耗一直處于上升趨勢，改革開放以后增長速度更為明顯。根據國家統計局發布的數據顯示，我國2021年能源消費總量達到524000萬噸標準煤，是改革開放前1977年的14.25倍，年均增長率6.25%；2021年化石燃料（包括原煤消費、石油消費 、天然氣消費）消耗總量達437016萬噸標準煤，是1977年的28倍，年均增長率為7.87%。另外，我國氣溫總體也呈現明顯上升趨勢，1953-2020年間，我國年平均氣溫上升了1.25℃，升溫速率約為 0.26℃/10年，高于同期全球平均水平（0.15℃/10年）^〔41〕；1953-2018年，年平均最高溫度和年平均最低溫度也分別上升了0.51℃和1.13℃。

四、實證分析

首先對變量進行單位根檢驗。對能源消耗總量TEC、城鎮化率UR、第二產業實際增加值RG2一階差分，對總人口數N取對數并一階差分，均通過了ADF檢驗和PP檢驗，說明一階差分序列平穩。氣溫數據AT、AXT和AIT的原序列均在1%顯著性水平下拒絕了原假設，說明氣溫數據均具有平穩性。因此可以進行下一步格蘭杰因果檢驗與聯立方程分析。

1.格蘭杰因果檢驗

對1953-2020年能源消耗與年平均最高氣溫、年平均氣溫、年平均最低氣溫數據進行格蘭杰因果檢驗，結果顯示：能源消耗增量DTEC與年平均最高氣溫AXT、年平均氣溫AT和年平均最低氣溫AIT均存在雙向格蘭杰因果關系。

在滯后一階時，格蘭杰因果檢驗顯示：能源消耗增量DTEC是年平均氣溫AT的格蘭杰原因，年平均氣溫AT也是能源消耗增量DTEC的格蘭杰原因。也就是說能源消耗增量DTEC影響年平均氣溫AT的升高，而年平均氣溫AT的升高也反過來影響能源消耗增量DTEC的增長。同理可得，DTEC是AXT與AIT的格蘭杰原因，AXT與AIT也是DTEC的格蘭杰原因。DTEC在影響AXT與AIT升高的同時，AXT與AIT也同樣影響著DTEC的增長。從格蘭杰因果檢驗分析看來，能源消耗的增加會影響氣溫的變化，氣溫的變化同時也反過來對能源消耗的增長產生了影響，兩者之間存在著雙向循環影響的關系（詳見表2）。

2.聯立方程模型

為進一步分析上述的影響是正向的還是負向的，對能源消耗與平均氣溫構建聯立方程模型。研究發現能源消費增量與各項氣溫數據均存在低于1%顯著水平的正相關，表明能源消耗的增加會導致平均氣溫的上升，同時氣溫的上升也同樣會使得能源消耗進一步增加，兩者存在正向循環影響的關系。表3中第（I）列表示能源消耗增量與年平均氣溫的回歸結果，第（II）、（III）列分別是能源消耗與年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的回歸結果?；貧w結果顯示系數a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃均大于零，能源消耗的增量和平均氣溫在低于1%的顯著性水平下呈正相關。

回歸結果表明能源消耗與氣溫存在正向循環影響的相互作用。能源消耗增加會帶來氣溫的升高，從表3可以看出，能源消耗增量每增加一個單位，平均氣溫將上升約0.000026℃。氣溫的上升會進一步加快能源消耗的增長，氣溫對能源消耗增長拉動作用依次是年平均最低氣溫（AIT）＞年平均氣溫（AT）＞年平均最高氣溫（AXT）。其中年平均最低氣溫每升高1℃，能源消耗增量將增加6149萬噸標準煤；年平均氣溫與年平均最高氣溫每升高1℃，能源消耗增量將分別增加5748萬噸標準煤和5241萬噸標準煤。

能源消耗導致的溫室氣體的大量排放會加速氣溫的升高已得到大量的學者證實^〔42-44〕，IPCC也提出，人類碳排放是近百年來全球變暖的主要原因^〔45〕。關于為什么氣溫的升高會導致能源消耗的進一步增長，主要體現在氣溫的變化對居民能耗的影響上，氣溫升高會使得居民的制冷需求增加，這將顯著提高居民的能源消費^〔46-47〕。另外，氣候變化還會影響整個能源供應鏈，同時對能源運輸、轉換存儲及能源基礎設施等方面均會產生影響^〔48〕。

3.穩健性檢驗

為使回歸結果更可靠，使用能源消耗的滯后一階變量DTEC（-1）來替代能源消耗變量對回歸結果進行穩健性檢驗，得出檢驗結果（詳見表4）。從檢驗結果可知，替代變量DTEC（-1）后的系數正負號均沒有出現實質性的改變，檢驗結果與表3基本一致，DTEC（-1）和AT、AXT、AIT均存在顯著的雙向正相關。因此，穩健性檢驗再次證明了平均氣溫與能源消耗增量之間存在正向循環影響。

4.異質性分析

通過以上分析，本文已在全國尺度上驗證了氣溫變化與能源消耗的雙向因果關系，兩者存在正向循環反饋的影響。由于我國南北溫差存在較大差異，且不同地區的能源消耗結構有所不同，因此，本文選取1997—2019年除西藏外30個省份的面板數據，進一步分析氣溫變化與能源消耗的影響的區域異質性，并且將能源分為煤、石油、天然氣三大類，以此來考慮能源結構對氣溫變化的影響。首先驗證氣溫與碳排放的相關性（詳見表5），其中第（1）列為全樣本回歸結果，第（2）列為北方地區

回歸結果，第（3）列為南方地區回歸結果。由表5可知，碳排放的增加明顯帶來了氣溫的升高，這與以往大多數學者的研究結論一致。根據相關系數來看，南方地區比北方地區氣溫變化受碳排放的影響程度更大，也就是說，碳排放帶來的溫度上升在南方地區更為顯著。這對本身溫度就高于北方的南方地區來說，碳排放的增加將會帶來更加不利的影響，特別是在極端高溫頻發的夏季，氣溫的進一步上升將對人體健康帶來巨大負面影響。

然后對碳排放與能源消耗（煤、石油、天然氣）進行回歸分析（詳見表6），其中第（1）列為全樣本回歸結果，第（2）列為北方地區回歸結果，第（3）列為南方地區回歸結果。分析結果顯示，三種化石能源都造成了碳排放的增加。從不同地區來看，南方地區煤炭的消耗對碳排放的促進作用強于北方地區，北方地區的石油消耗對碳排放的促進作用高于南方地區。從能源結構來看，不管是南方地區還是北方地區，能源消耗對碳排放的拉動作用強度都表現為：煤>石油>天然氣，并且煤的消耗對碳排放的拉動作用比石油和天然氣要高很多。鑒于我國的化石能源消耗仍然以煤炭占比最高，根據國家統計局發布的數據，2021年煤炭消費占到整個化石能源消費的67.15%^〔49〕。因此，通過技術創新降低煤炭消費的碳排放強度，降低煤炭消費在整個能源消費的占比，是“雙碳”目標的重要實現路徑。

五、結論與展望

通過對我國1953-2020年平均氣溫數據與能源消耗數據進行格蘭杰因果檢驗和聯立方程分析，研究我國能源消耗與氣溫變化的關系，證明了兩者存在正向循環影響的關聯機制。

格蘭杰因果檢驗發現，能源消耗增量與平均氣溫存在雙向格蘭杰因果關系，能源消耗的增加會影響氣溫的變化，氣溫的變化同時也反過來對能源消耗的增長產生了影響，兩者之間存在著雙向循環影響的關系。通過聯立方程量化分析，結果顯示相關性系數與回歸系數均大于零，表明能源消耗與氣溫具有正向循環影響的相互作用。能源消耗增加會促進氣溫的升高，回歸結果顯示能源消耗增量每增加一個單位，平均氣溫將上升約0.000026℃。氣溫的上升會進一步加快能源消耗的增長，氣溫對能源消耗增長拉動作用依次是年平均最低氣溫（AIT）＞年平均氣溫（AT）＞年平均最高氣溫（AXT），其中，當年平均最低氣溫每升高1℃，能源消耗增量將增加6149萬噸標準煤；年平均氣溫與年平均最高氣溫每升高1℃，能源消耗增量將分別增加5748萬噸標準煤和5241萬噸標準煤。本文將我國除西藏外的30個省份進行南北劃分，進行區域異質性分析，結果發現，比起北方地區，南方地區氣溫變化受碳排放的影響程度更大，這對本身溫度就高于北方的南方地區來說，碳排放的增加將會帶來更加不利的影響。從能源結構來看，不管是南方地區還是北方地區，能源消耗對碳排放的拉動作用強度都表現為：煤＞石油＞天然氣，并且煤的消耗對碳排放的拉動作用比起石油和天然氣要高出很多。

化石能源的燃燒造成溫室氣體的排放是氣候變暖的主要原因已成為全球共識，而氣溫的上升也會進一步導致能源消耗需求的增加，這在以往的文獻中并沒有得到足夠重視。對于氣溫的上升為什么會導致能源消耗的進一步增加，其原因可能主要體現在溫度的升高會增加夏季居民的制冷需求，從而導致居民的用電量上升，因而進一步促進能源消耗的增加。從本文實證分析中聯立方程模型結果來看，能源消耗對年平均最高氣溫的拉動作用是最強的，因此這對于夏季本身溫度較高的南方地區所帶來的負面效應更為顯著，氣候變暖將導致極端高溫事件頻發，使人們對空調制冷需求不斷上升。對此。一方面，需要加強基礎設施建設，以保證居民夏季制冷所需的電力供應，緩解高溫天氣對居民健康的不利影響。另一方面，提高消費者的節能意識。在日常生活中，居民可以通過選擇使用能效更高的節能空調、合理調節空調的冷卻溫度以及減少空調的使用頻率等降低能源消耗。

2022年IPCC在第六次評估報告第二工作組報告《氣候變化：影響、適應和脆弱性》中指出，氣候變暖將會導致多種氣候災害強度和頻率的提高，將對陸地和海洋生態系統、居民生活水平、人類健康、糧食安全和人員流動等帶來重大威脅和風險^〔50〕。在全球氣候變化和碳排放居高不下的背景下，我國作為全球最大的化石能源燃燒國義不容辭地承擔著減排的責任。各地應積極落實“雙碳”政策，通過技術進步、開發綠色清潔能源^〔51〕、調整產業結構與能源結構^〔52〕等措施，探索低能耗、高效用的低碳發展之路。

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（責任編輯 張 筠）