江西省研究生数学建模竞赛一等奖优秀论文b-关于碳减排问题解决方案的建模探讨.doc

2014年江西省研究生数学建模竞赛参赛选择的题号是：B 关于碳减排问题解决方案的建模探讨参赛队号是：2014008B摘要 碳减排是近年来备受关注的国际问题，由于全球各国对经济发展的侧重性，盲目地投入到对经济发展增长的问题上，忽视了环境的保护，造成了各种环境问题，尤其是温室效应，近年来已经越来越严重，温室效益主要是由于全球碳排放的增加造成的，“全球气候变暖”（Global Warming）以及“碳减排”（Carbon emission reduction）已经成了当今世界关注的热点问题。分别对1959年到2009年全球每年平均碳排放总量进行线性拟合、二次曲线拟合、三次曲线拟合、四次曲线拟合和五次曲线拟合，建立了不减少碳排放时，全球每年平均碳排放量的数学模型，利用建立的数学模型，预测2010年到2050年全球每年平均碳排放量，发现利用三次曲线拟合预测的2010年到2013年全球碳排放量与实际2010年到2013年的碳排放量最接近，最终选用三次曲线拟合求到的方程作为不减排时，全球每年平均碳排放的数学模型，以此模型来预测不减排时，2014年到2050年全球碳排放量，预测到2050年全球二氧化碳排放量达到474ppm,相对2010年地球表面温度将会上升3.2摄氏度，所以必须对碳进行减排。经过研究发现，要使全球温度不超过2摄氏度，全球每年二氧化碳排放量不能超过442ppm，通过控制交通运输业、电力行业、农业和其他产业的碳排放量，全球每年减排16%的碳，2050年相对2010年，全球排放的二氧化碳上升不超过8ppm,如果再增加全球绿化的面积，可以实现联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标。通过对1980年到2007年美国、日本、俄罗斯、印度、巴西、中国碳排放量进行曲线拟合，建立数学模型，预测如果不减排，碳排放量将会非常多，通过分析这些国家能源消耗结构和碳排放结构和特点，对这些碳排放主要国家提出了一些建议，希望通过碳减排，最终使全球每年碳排放减少16%，从而实现地球表面温度升高不超过2摄氏度。最后写了一个简短的报告提交给了IPCC。关键词: 全球变暖; 温室效应; 碳排量减少; 碳排量预测36目录一 问题重述.2二 问题分析.3三 模型的建立与求解.5 1)问题一.5 1.基本假设 52.定义符号说明53.模型建立与求解64.模型的评价11 2)问题二.12 1.基本假设122.定义符号说明123.模型建立与求解124.模型的评价193)问题三.19 1.基本假设192.定义符号说明203.模型建立与求解204.模型的评价304)问题四.31 四 模型的改进与推广 .33参考文献 .34一 问题重述 “全球气候变暖” （Global Warming）以及“碳减排1-5”（Carbon emission reduction）问题，已成为世界关注的一个热点问题。但是由于各国环境条件的巨大差异以及利益间的巨大冲突， 世界各国却无法达成一个有法律约束力的“碳排放”协议。很多的国家为了追求利益，对于碳排放的控制力度不够。在落后的生产力下，工业的发展多数依赖的就是工业的发展，并且由于对高新技术的缺乏，往往工业的发展主要是靠旧能源-也就是我们常说的石油类资源。这些能源在经济不是很发达的国家内应用相当普遍，主要因为其获取容易，成本低，不用复杂的加工即可直接使用，能源的使用的工业发展的源泉。而工业的发展情况恰恰是衡量一个国家的经济发展状况的重要指标之一，但是随着碳资源的使用量越来越多，排放到大气中的碳相应的与日俱增。往往注重工业发展的国家会忽略或者轻视环境的发展，这样世界的环境越来越差，全球植被的减少，直接导致全球碳循环的下降，大量的碳被排放进大气中。作为缓解大气压力，吸收碳的植物却在下降，这更加加剧了全球大气含量的增加。为了应对气候变化, 世界气象组织(WMO)和联合国环境规划署(UNEP)于 1988年成立了政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on ClimateChange, IPCC)，IPCC主要就是通过不断的检测各个国家的碳排放量，然后做出统计，并由此来分析每年碳排放对环境的影响，做出预判。通过碳排放的问题来反映经济发展的利弊，根据这些，可以提前预知以后碳排放的发展趋势，制定出一定的法案来控制经济发展与环境恶化之间的平衡，以期改变全球环境恶化的现状。瑞士科学家的研究显示，自从1950年以来，全球空气表面气温平均增加量超过了0.5摄氏度，这个数据接近于在这段时间中所观察到的实际升高气温0.55摄氏度。他们利用一种新的归因方法来分析导致变暖的人类和自然因素，他们发现，过去60年中温室气体导致气候升高0.61.1摄氏度，而其中一半的温度又被气溶胶的冷却效应所抵消，太阳辐射只引起大约0.07摄氏度的气温变化；二氧化碳是最近全球变暖的罪魁祸首2。尽管种种的研究和现象都显示出碳排放的危害性，但是经济的发展状况对于一个国家的重要性是无与伦比的，正因为这个原因，很多国家仍然视这些负面的影响无睹。为了解决这个问题，就要对经济等各个对碳排放量有所影响的因素包括工业排放、交通工具、植被的破坏、人类生活的排放等情况作出分析，并且建立模型来反映增长趋势，预测将来的碳排放量。并由此对这些影响因素进行分析，制定出更好的解决方案。IEA的2011世界能源展望中450号法案提到要将全球平均增温控制在2以内，这意味着在2017年之前，需要控制每年二氧化碳排放量不超过32.6亿吨，也就是说，只能比2011年再多出1亿吨。450号法案提到GDP和碳排放量确实有很强的关联性，但是2011年的情况却是碳排放增长量远远高于全球GDP增量3。由于以上问题的提出，对全球碳排放的研究越发紧迫起来，模型的建立可以很直观的了解未来碳排放趋势，并且反映出各个因素所占的权重，对制定出碳减排的方案有很大的用处。二 问题分析问题1：在收集相关信息的基础上，对当前全世界碳排放形势作出分析，并据此建立模型预测至2030年及2050年前的碳排放情况。需要进行的是对历年各国的碳排放量进行分析，查阅相关资料了解各个国家及联合国各个法案的建立条件，对以上收集到的信息进行处理，分析。就全世界目前的碳排放量问题来说，肯定是在一直增长的，历年对植被的破坏，工业的发展已然成型，至少在未来很长一段时间内，全球碳排放量让然会增长，我们做出碳排放增长的数学模型就是为了确定这一增长量的变化趋势，对未来全球的环境做出更加可靠地评估。直观的模型将会很好的表达出碳排放量的变化，这将会更好的提示人们碳排放量增长的情况之糟糕程度。工业的不断发展，为了追求经济的发展，为了让国家更加的繁荣，于是环境被人们逼到了角落，一次次，一批批的碳排放到大气中，这些看似没有危害的气体，谁又知道当数量增加到一定的程度之后究竟会让大自然对人们做出怎样的惩罚呢，我们承受不起。纵观历年的经历，不断地呼吁人们对节能减排的重视，不断的通过各种法案来限制各国碳排的增长，可是依然不见成效，不仅没有达到预期的效果，反而增长的速度一次次创下新高。通过这些数据，ICPP统计出的各国历年碳排增长以及世界所有国家碳排总量，我们恰好通过这些数据来建立模型，拟合曲线，进而进行分析，以此来达到最接近实际增长速度的模型，然后凭借这个模型来对未来做出合理增长分析，验证该模型的准确性，最终确定模型。 问题2：如果要达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标，给出你们认为合理、现实的解决方案，并据此预测全世界2030年及2050年的碳排放情况。联合国的气候变化目标是否可以达到？450号法案提到GDP和碳排确实有很强的关联性，但是2011年的情况却是碳排放增长量远远高于全球GDP增量。IEA首席经济学家比罗尔表示：“最新的数据提醒人们，控制全球平均增温2的目标很有可能落空”1。这个信息给我们的启示是，按照目前的碳排放的增长趋势，未来是不可能完成这个目标的，这也就表示按照正常情况下，全球温度上升将会太快，因为这个原因，则必须找到相应的解决方案。对全球碳排放的控制，就必须考虑到各种影响碳排放的因素，通过分析这些因素在整个碳排放量增长中所占的比重，各个因素所能达到的最好限制，来制定出相应的解决方案。对于全球碳排量6-10的增长因素，那就必须考虑到经济因素，随着经济高速发展，人类由于消耗化石燃料而导致大量碳排放，引起全球变暖、冰川融化、海平面上升、植被破坏、生物锐减，致使生态系统遭到破坏，人类生存面临威胁，从行业分布来看，,由于全球化石能源的消费主要集中在工业、电力和交通运输部门。这些部门直接影响到整个国家的经济发展，尤其是其中化石燃料的应用，是最直接影响到碳排量的因素。据全球碳计划统计及研究结果显示2010年，来自化石燃料燃烧的全球二氧化碳排放量增加5.9%，达破纪录的最高水平，2009年金融危机期间碳排放量下降的趋势被逆转。瑞士研究人员在最新出版的自然地球科学上报告，在所观察到的气候变暖中，人类活动导致了其中74%的变暖。要想比较好的解决碳排量的增长问题，最主要的就是找出最佳的解决方案，让经济不致受到很大影响的前提下对某些因素进行控制，以期达到控制碳排对策增长问题，进而可以有效的控制全球变暖，可以以温度增长不超过2为目标来作为限制目标，然后通过对各个因素的限制解决方案建立新的预测模型，推到出有效的解决方案，完成整个的问题研究。问题3：按照你们的解决方案，具体到美国、日本、俄罗斯、印度、巴西、中国等国家，各自应承担什么义务？理由是什么？由于经济发展状况的不一，也导致不能统一的要求所有国家来做到限制的条件，这样是及其不公平也难以实现的，就好像我有3个苹果，而他有1个苹果，但是为了支援别人2个苹果我们需要没人拿出一个苹果的话，那结果可想而知，我依然还有2个他却没有了，这就是一个均衡和量力而行的问题。像美国、日本、俄罗斯这样的发达国家，对于相同的碳减排政策，他们所应承担的相应应该多一些，并且需要做到表率作用，但是面对像人数不同的这个问题，我们又需要从新的角度考虑，中国虽然经济发展不是特别好，但是人口基数相当之大，这就要从人均生活碳排量来作为出发点，在这方面，中国是绝对要做出比之其他国家更大的力度的三 模型的建立与求解1）问题11 基本假设（1）假设全球碳排量全部由CO2引起，CO等因素忽略不计；（2）假设附录一中1959-2009年所统计全球每年平均碳排放量数据准确，可信；（3）假设全球每年平均碳排放量的数学模型为多项式；（4）假设由表中数据建立的多项式数学模型预测的全球每年平均碳排放放量数据误差很小；（5）假设全球碳排放是以某种趋势变化的，无自然的突发因素来影响碳排放。2 定义符号与说明y：全球每年平均碳排放总量；Y: 利用数学模型预测的全球每年平均碳排放总量；x: 1959年2050年；X：2010年2050年；f（X）：对2010年2050年预测的全球每年碳排放总量的数学模型；original：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行线性插值，所得到的原始数据曲线；linear：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行线性拟合，求取全球每年碳排放总量的数学模型；quadratic：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行二次拟合，求取全球每年碳排放总量的数学模型；cubic：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行三次拟合，求取全球每年碳排放总量的数学模型；4th degree：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行四次拟合，求取全球每年碳排放总量的数学模型；5th degree：对1959年2009年全球每年碳排放总量进行五次拟合，求取全球每年碳排放总量的数学模型；ppm：体积比浓度（Parts per million），一百万体积的空气中所含碳的体积数，ppm与mg/m3之间的换算式：mg/m3=M/22.4/（273+T)273P/101325ppm，M气体分子量，T气体温度，P为压力。我国规定，特别是环保部门，要求气体浓度以质量浓度的单位（如：mg/m3）表示，我们国家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。3 模型建立与求解 碳排量模型的建立，应该需要通过过去相当的一段时间内的数据进行分析，并由这些可靠地数据进行初始数据的处理，对于历年的碳排放总量进行的处理将是最为可信的前期处理，这些数据时已经得到的准确数据，无需考虑准确性问题，在这些数据的基础之上可以请过MatLab进行处理分析，在通过不同的方程及曲线拟合得出各个曲线模型，由于我们只对1959年2009年的数据先进行了处理与建模，在得到的各个数学模型中，可以通过这些模型预测2010年2013年这四年的碳排放总量，再以此来与2010年2013年真实的碳排放总量进行对比，通过这些模型预测所得的数据和真实数据的误差进行取舍，可以筛选出最理想的数学模型，再通过此模型对2013年2050年的全球碳排放总量进行预测即可预测至2030年及2050年前的碳排放情况。 首先通过附录一中1959年2009年的碳排放总量进行线性插值得出原始数据的曲线：图1 全球每年平均碳排放总量其中图中蓝色小圈代表的是1959年-2009年全球每年的碳排放总量，蓝色曲线是通过线性插值法得出的数学模型。根据这曲线的走势大概可以看出重1959年以来大致呈现增长趋势，期间在1965年、1974年、1992年以及1998年出现过比较明显的变动，其余年份基本呈现持续增长。并且纵观全图可以发现，曲线的斜率（即全球总碳排放总量增长率）不断增加，这种现象直接体现了现阶段全球碳排总量的形势严峻性，也间接提示了对于摊派总量的控制已经刻不容缓，由图中分析，从1959年1990年这段时间内，全球碳排放总量由1959年的315.98ppm增长至1990年的354.16ppm，总增长量为38.18ppm；但是再次对1990年2009年的数据进行分析，1990年354.16ppm增长到2009年的397.35ppm，总增长量为43.19ppm；由此可见在1959年1990年这31年期间碳排增长仅仅为38.18ppm，平均年增长1.23ppm，从1990年2009年仅仅19年的时间内碳排增长却达到43.19ppm之多，平均年增长更是达到了2.27ppm，相比于59年至90年几乎快翻到了一倍，这更加直接反应现阶段碳排增长速度之可怕程度，如果再不加以控制其增长情况可见一斑。综合到近几年来进行分析，2007年2008年，碳排量增长量为1.86ppm，2008年2009年碳排量增长量为1.78ppm，也就是在2008年这一年以后碳排量增长量有所下降，最近的其他几年内碳排放依然呈现增长趋势，而2008年之所以会呈现增长率下降的情况最主要的原因就是2008年金融危机，美国的次贷危机波及全球，直接导致全球经济增长水平有所降低，如果经济规模或者经济产出效应是影响碳排放水平的主要因素，也就是说引起碳排放量增大的主因是由于经济的增长，那么碳排放将随GDP增加而线性增长6。 然后对这些原始数据建立数学模型，通过对这些数据进行线性拟合可以得如下的数学模型： 图2 全球每年平均碳排放总量的线性拟合 图中较短曲线就是原始曲线，较长曲线就是原始数据通过线性拟合得到的数学模型，也就是相应的预测碳排增长曲线，小菱形则是代表经过数学模型所预测到的2010年2050年的每一年碳排放总量的数据。其中由此数学模型得到的数学函数模型为. 对这些原始数据进行二次拟合所得到的数学模型如下： 图3 全球每年平均碳排放总量的二次曲线拟合 图中较短曲线就是原始曲线，较长曲线就是原始数据通过二次拟合得到的数学模型，也就是相应的预测碳排增长曲线，小菱形则是代表经过数学模型所预测到的2010年2050年的每一年碳排放总量的数据。其中由此数学模型得到的数学函数模型为.对这些原始数据进行三次拟合所得到的数学模型如下：图4 全球每年平均碳排放总量的三次曲线拟合 图中较短曲线就是原始曲线，较长曲线就是原始数据通过三次拟合得到的数学模型，也就是相应的预测碳排增长曲线，小菱形则是代表经过数学模型所预测到的2010年2050年的每一年碳排放总量的数据。其中由此数学模型得到的数学函数模型为.对这些原始数据进行四次拟合所得到的数学模型如下：图5 全球每年平均碳排放总量的四次曲线拟合 图中较短曲线就是原始曲线，较长曲线就是原始数据通过四次拟合得到的数学模型，也就是相应的预测碳排增长曲线，小菱形则是代表经过数学模型所预测到的2010年2050年的每一年碳排放总量的数据。其中由此数学模型得到的数学函数模型为.对这些原始数据进行五次拟合所得到的数学模型如下：图6 全球每年平均碳排放总量的五次曲线拟合 图中较短曲线就是原始曲线，较长曲线就是原始数据通过四次拟合得到的数学模型，也就是相应的预测碳排增长曲线，小菱形则是代表经过数学模型所预测到的2010年2050年的每一年碳排放总量的数据。其中由此数学模型得到的数学函数模型为. 通过对各个数学模型的分析有1959年2009年的数据建立的各个模型中预测20102013年的全球碳排放量的预测然后与2010年到2013年这四年的真实统计数据进行比较进而可以确定哪种数学模型更接近真实数据来评判哪种数学模型更加接近真实的碳排曲线模型，对比情况见下表1：表1 根据各个数学模型预测到的2010年2012年各年碳排总量年份线性拟合得到的预测值（ppm）二次曲线拟合得到的预测值（ppm）三次曲线拟合得到的预测值（ppm）四次曲线拟合得到的预测值（ppm）五次曲线拟合得到的预测值（ppm）2010384389.51389.01390.43390.662011385.44391.59390.98392.94393.32012386.89393.7392.96395.56396.082013388.33395.83394.95398.29399.01利用附录一中1959年到2009年全球每年平均碳排放总量的数据，对这些数据分别利用线性拟合、二次曲线拟合、三次曲线拟合、四次曲线拟合和五次曲线拟合。求出拟合曲线的方程，从而建立了数学模型，并且通过查找资料，发现2010年二氧化碳的浓度为390ppm，2011年二氧化碳的浓度为391ppm，2012年二氧化碳的浓度为392.52ppm，2013年二氧化碳的浓度为393.1ppm。通过这些值与预测的值对比发现，利用三次曲线拟合得到的预测值与这些值最接近。所以，认为三次曲线拟合得到的数学模型最好，利用此模型对2014年到2050年的全球每年平均碳排放量进行预测。预测值见表1所示。利用三次曲线对2014年2029年每年全球碳排放总量的数据预测如下表2所示： 表2 2014年2029年每年碳排放总量三次曲线预测值年 份20142015201620172018201920202021碳排量/ppm396.96398.97401403.04405.09407.15409.22411.3年份20222023202420252026202720282029碳排量/ppm413.39415.49417.59419.71421.83423.96426.09428.23 上表2可以分析2014年碳排量为396.96ppm，而到2029年碳排量达到了428.23ppm，平均每年增长的碳排量为1.95ppm，以这个增长速度的话最终将达到难以控制的程度，其情况十分不够乐观。 再次利用三次曲线对2030年2050年每年全球碳排放总量的数据预测如下表3所示， 2030年2050年的全球碳排放总量的预测数据可以反映出这些年碳排放总量的持续增长，直至2050年碳排放总量的增长趋势越来越不容乐观，增长速率不断升高，这直接导致全球大气循环系统中碳含量的一场增高，对全球气温将带来不可估量的影响，这样会导致冰川融化等一系列的自然灾害，面临如此严峻的形势，我们需要迫切的寻找到一个有效的解方案来改善直至解决这一人类面临的难题。 表3 2030年2050年每年全球碳排量年份20302031203220332034203520362037碳排放总量/ppm430.38432.53434.69436.86439.02441.2443.37445.55年份20382039204020412042204320442045碳排放总量/ppm447.73449.92452.1454.29456.48458.67460.86463.04年份20462047204820492050碳排放总量/ppm465.23467.42469.61471.79473.98 4 模型评价 通过对1959年到2009年共51年全球每年碳排放总量进行曲线拟合，分别利用建立的数学模型来预测2010年到2050年全球每年平均碳排放量，通过查阅资料，2010年二氧化碳的浓度为390ppm，2011年二氧化碳的浓度为391ppm，2012年二氧化碳的浓度为392.52ppm，2013年二氧化碳的浓度为393.1ppm。发现利用三次曲线拟合得到的数学模型预测到2010年到2013年的数据更加准确，最后选用三次曲线拟合得到的方程作为全球每年碳排放量的数学模型，对2014年到2050年全球碳不减排时，全球每年碳排放量进行预测，发现2050年碳排放量达474ppm，地球表面温度相对于2010年将会上身3.2摄氏度。所以必须进行碳减排。 实际全球每年碳排放量并不是三次曲线，而是与三次曲线最为接近，所以，利用此模型预测以后全球每年碳排放量会存在一定的误差，但是此模型相对于其它模型准确性较高。2） 问题21 基本假设（1）假设空气中二氧化碳浓度从2010年的390ppm上升到2050年的450ppm时，地球表面温度上升2.3摄氏度正确；（2）假设温度升高主要是由温室气体造成的；（3）假设未经减排时，全球每年平均碳排放量的数学模型为三次多项式；（4）假设各个国家都能很好的执行减排工作；（5）假设全球碳排放来源中，煤炭占43%、石油占33%、天然气占18%、水泥占5.3%、其他占0.7%数据可靠；（6）假设全球碳排放中，交通运输占23%、电力行业占40%、农业餐饮等其他行业占37%数据可靠。（7）假设全球碳排放是以某种趋势变化的，无自然的突发因素来影响碳排放。2 定义符号说明ppm：体积比浓度（Parts per million），一百万体积的空气中所含碳的体积数，ppm与mg/m3之间的换算式：mg/m3=M/22.4/（273+T)273P/101325ppm，M气体分子量，T气体温度，P为压力。我国规定，特别是环保部门，要求气体浓度以质量浓度的单位（如：mg/m3）表示，我们国家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。其它符号说明和问题一相同。3 模型建立与求解碳排放和我们每天的衣食住行息息相关。至于碳排放量有多少，有关专家给出碳排放的计算公式：家居用电的二氧化碳排放量(公斤)=耗电度数0.785；开车的二氧化碳排放量(公斤)=油耗公升数0.785；坐飞机的二氧化碳排放量(公斤)：短途旅行：200公里以内=公里数0.275；中途旅行：200至1000公里=55+0.105(公里数-200)；长途旅行：1000公里以上=公里数0.139；火车旅行的二氧化碳排放量=公里数0.04；家用天然气二氧化碳排放量（千克）=天然气使用度数0.19；家用自来水二氧化碳排放量（千克）=自来水使用度数0.91；1、减排5%的假设据日本对各种运输方式的二氧化碳排放比例调查结果表明，小轿车52%、货运汽车31%、航运6%、铁路3%、航空3%、其他5%HTTP:/WWW.GESEP.COM。在运输方式中，公路和航空运输耗油量大，而铁路是耗油量最少的运输方式，测算表明，在等量运输下，铁路、公路和航空的能耗比为1.9：3：18.6。2008 年我国铁路单位运输工作量综合能耗5.6 吨标准煤/百万换算吨公里，同比减少3.1%。从2003 至2008 数据表明，我国铁路运输工作量单耗呈现了逐年减少的趋势。研究表明，在2008 年之前的十年中，欧盟大部分工业领域都做到了成功减排，但交通工具碳排放量却在此期间增加了21%。这一方面是由于汽车、航空减排难度大HTTP:/WWW.GESEP.COM；另一方面是由于公路与航空运输的快速发展。同时，这也更加凸显了铁路运输的低碳优势，铁路必将被更多的国家所重视，铁路的发展前景也必然更加广阔。针对上述问题，我们将减排的重点放在汽车方面。对汽车数量的控制，主要包括包括数量控制和技术控制两种。1.1数量控制数量控制方法可以直接、准确、方便地将汽车污染物排放总量控制在允许范围内。可以限制牌号，单双号分开上路，也可以控制汽油的使用权以及抬高油价。1.2技术控制 对汽车的生产技术作出规定，制造新型汽车、新生产汽车必须满足相应的排放标准才可以出厂。第二，针对在用汽车实行排放标准管制。第三，提升油品质量，减少汽油中硫、铅的含量，研发高品质汽油。技术控制方法不仅可以从源头上减少汽车污染物排放，还能促进我国技术创新图7 全球每年碳减少排放5%由于汽车行业是交通运输的重点，上面已经提出了关于汽车减排的措施，结合假设里面的内容。如果实施的合理，将每年的碳排放降低5%是可行的，再根据问题一中的三次拟合曲线得到如图7所示的图线由图7可以看出，在2013年以后，全球每年碳平均排放减少5%。到2050年球每年平均碳排放总量达到450.5ppm.比问题1中的预测值474ppm减少了24ppm。结合假设1，可以得出2050年的温度比2014年高了2.3摄氏度。进而得出该假设的可行性，但是5%的减少量，并非我们的最终目标，因此下面进行进一步减排探讨。2、减排10%的假设结合5%减排的政策，可以进一步加大力度，对航空产业进行改革，因为航空也是占了很大的比重。节省的部分主要来自进场和降落。因为现今的系统不够精确，飞机锁定跑道、一步步缓慢下降的过程中，空中交管员必须给飞机留有余地。次世代可允许飞机采取被称国持续降落进场（CDA）的动作，从而事实上关闭引擎，节约燃料，减少污染物排放。图8 全球每年碳减少排放10%联合包裹（UPS）在肯塔基州路易斯维尔机场进行的基于卫星导航系统的试验表明，运输机能够采用CDA降落，并随时保持最大进场飞机数。联合包裹估算，这套系统为每个航班节约了250到465英磅燃料，约合110到210千克。结合假设里面的内容。可以将每年的碳排放降低10%，再根据问题1中的三次拟合曲线得到如图8所示的图线。由图8可以看出，从2013年开始到2050年，全球每年碳平均排放减少10%。到2050年球每年平均碳排放总量达到426.6ppm.比问题1中的预测值474ppm减少了47.4ppm。结合假设1，可以得出2050年的温度比2014年高了1.6摄氏度。与图7进行对比，发现温度有降低的趋势。所以有必要进行进一步的减排。3、减排16%的假设在上述部分中，仅仅对交通行业进行了减排，达到了10%的效果，因此在这个环节，我们继续对其他行业进行减排。电力行业目前是碳排放的主要来源，因此我们对电力行业进行减排。电力行业节能减排的成效可以体现在电力结构、供电煤耗、二氧化硫/氮氧化物等污染物的排放情况、单位发电量用水量和废水排放量及固体废物综合利用率等。3.1发展可再生能源,调整电力结构 几年来全国电力建设投资规模继续保持较快增长,电源投资结构不断优化,非化石能源所占比重有所上升。火电投资比例大幅下降,核电、风电投资比例较大幅度增加,3.2推进上大压小,调整火电结构 由于我国以煤为主的电力结构短期内还不可能发生根本改变,因此,要调整整个火电的结构,减少能耗高、污染重的小火电机组,是我们电力工业可持续发展的一个重点任务。3.3控制电力工业二氧化硫的排放 “ 十一五”期间共安排约137亿千瓦现有燃煤机组实施烟气脱硫。由于燃煤电厂烟气脱硫设施的大规模建成投运,电力企业控制二氧化硫排放的能力大为增强。2007年,在火电发电量增长146%的情况下,电力二氧化硫排放量降低了91%。截至2008年底,全国二氧化硫排放量在2005年的基础上下降了895%,其中,电力二氧化硫排放量减排成绩尤为显著。电力行业和交通运输业的碳排放都得到控制以后，可以实现降低16%的设想，如图9所示。如图9所示，由图9可以看出，从2013年开始到2050年，全球每年碳平均排放减少16%。到2050年球每年平均碳排放总量达到398ppm.比问题1中的预测值474ppm减少了76ppm。结合假设1，可以得出2050年的温度和2013年相比，几乎没有上升趋势，达到了我们的基本预期效果。但是还会不会进一步降低呢，我们做假设4。图9 全球每年碳减少排放16% 4、减排20%的假设农业是全球范围内举足轻重的产业，同时农业也是重要的碳排放源农业碳排放主要包括5个方面：反刍动物排放的CH4、土壤排放的N2O、水稻种植排放CH4、粪肥排放CH4和N2O，以及生物物质燃烧排放CH4和 N2O。因此，有必要对农业进行减排措施。具体方法如下：加强宣传、转变思想、形成低碳农业意识、调整农业产业结构，大力发展低碳农业、加大低碳农业投入，提高农业科技含量、提高农资利用效率、政府扶持，典型模式引导。结合前面三个假设，在实施合理的情况下，将排放降低20%在理论上是可行的。如图10所示。图10 全球每年碳减少排放20%由图10可以看出，从2013年开始到2050年，全球每年碳平均排放减少20%。到2050年球每年平均碳排放总量达到379.2ppm.比问题1中的预测值474ppm减少了94.8ppm。结合假设1，可以得出2050年的温度和2013年相比，有下降趋势。但是还会不会进一步降低呢，我们做假设5。5 减排25%的假设上面已经对交通运输、电力工业以及农业方面进行了分析。在这个环节，我们继续对其他行业进行分析，包括餐饮、旅游、建筑等行业。如果将酒店厨房的蒸柜的旧式燃烧系统改造成节能系统，那么这将至少节省40%的燃气资源及减少40%以上的污染物排放。在我们的饮食习惯中，也要注意节约，提倡“光盘行动”。旅游行业也要提倡减排，对星级景点的用水用电应该进行限制。游客在客房等地方的消费也应该限制，而不是无限制地使用。另一方面，选择旅游的方式应环保，集体出行，尽量不要开私家车，用步行代替机动车。建筑行业主要是水泥的使用，水泥在碳排放中占有5%的份额。所以在建筑行业中，应尽量使用环保水泥，进行材料转型。综上所述如果实施的合理，将每年的碳排放降低25%是可行的，再根据问题一中的三次拟合曲线得到如图11所示的图线图11 全球每年碳减少排放25%由图11可以看出，从2013年开始到2050年，全球每年碳平均排放减少25%。到2050年球每年平均碳排放总量达到355.5ppm.比问题1中的预测值474ppm减少了118.5ppm。结合假设1，可以得出2050年的温度和2013年相比，又有下降趋势。但是全球碳排放会不会像我们预测的那样呢？不难发现，我们的预测都是在所有政策实施合理的前提下进行的，但是现实总是充满问题：对于汽车而言，汽车制造行业是现阶段我国社会经济发展的支柱产业，控制汽车数量，不仅影响了汽车行业的发展，也限制了相关产业的发展。第二，扭曲资源配置效率，因为数量控制使一些更有效率的、效用更高的人无法使用汽车和汽油，而已拥有汽车及用油权的一些人的效率和得到的效用可能较前者要低，这带来资源低效配置的福利损失。第三，虽然可以通过汽车牌照和用油权的交易来克服，但仍有新的问题，即缺乏公平。技术的发展并不是一蹴而就的，这是一个漫长的过程，并且新技术的获得也存在着限制。其次，随着新技术的不断推出，其研发成本也在递增，当边际成本过高时，提升技术的方法便不再适用。对于电力行业而言，在制定节能减排方案时,应正确处理依法达标与成本控制之间的关系,正确处理节能与减排的关系,正确处理节能减排与资源节约之间的关系,加强污染治理设施管理、优化污染治理设施的设计和运行,实现节能减排与经济效益双赢。同时脱硫副产品综合利用率尚需提高。总之，节能减排对电力行业是一项长期而艰巨的任务,通过制定相关政策措施调动和推进行业内部节能减排工作的实施。在节能的同时减少电厂废水、废气、废渣的排放,从而节约资源,保护环境,促进国民经济的可持续发展。对于餐饮行业而言，节能减排的社会性共同意志尚未形成，限制高耗与鼓励节能的政策和组织机构欠缺设计，中小企业节能技术和产品缺乏与国家节能减排战略的有效结合，社会竞争秩序不利于创新型企业的发展，行业资质管理标准欠缺。以上种种迹象表明，很多时候，碳排放的限制不是我们能主观臆断的。结合以上分析，我们确定每年降低16%的方案较为合理。对16%的方案进行如下分析: 表4 2014年2029年每年减排16%后碳排放总量三次曲线预测值年 份20142015201620172018201920202021碳排量/ppm333.45335.13336.84338.55340.28342.01343.74345.49年份20222023202420252026202720282029碳排量/ppm347.25349.01350.78352.56354.34356.13357.92359.71上表是根据1959年到2010年的全球每年平均碳总排放量，全球每年减排16%后，预测2014年到2029年的全球每年平均碳总排放量。从上表4可以分析2014年碳排量为333.45ppm，而到2029年碳排量达到了359.71ppm，平均每年增长的碳排量为1.6ppm，以这个增长速度，其情况十分不够乐观。 再次利用三次曲线对2030年2050年每年全球碳排放总量的数据预测如下表5所示， 2030年2050年的全球碳排放总量的预测数据可以反映出这些年碳排放总量的持续增长，直至2050年碳排放总量的增长至398.14ppm。表5 2030年2050年每年减排16%后碳排放总量三次曲线预测值年份20302031203220332034203520362037碳排放总量/ppm361.52363.33365.14366.96368.78370.61372.43374.26年份20382039204020412042204320442045碳排放总量/ppm376.09377.93379.76381.6383.44385.28387.12388.95年份20462047204820492050碳排放总量/ppm390.79392.63394.47396.3398.14 回到问题二中，如果要达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标，到2050年碳排放不能超过442ppm.而我们的预测是398.14，相对于2010年只上升了8ppm，加上全球绿化面积增加，可以实现碳排放量不上升，使地球表面温度上升不超过2摄氏度，符合联合国的要求。4 模型评价 通过对全球碳排放量构成和能源消耗结构模型分析，全球每年碳排放量主要由交通运输业、电力行业、农业和其它行业组成，通过对这些行业采取一些减排措施，如果全球碳排放量每年减少16%，加上增加绿化面积，可以实现达到联合国“使全球变暖不超过2摄氏度”的气候变化目标。 建立模型的时候进行了一系列的假设，再加上全球每年碳排放量的不确定性，对全球碳排放量统计存在误差，对各行业碳排放量比率存在误差，所以，建立的全球每年碳排放减少16%就可以使全球变暖不超过2摄氏度存在一些误差，但是利用此种模型已经能很好地指导全球碳减排。3) 问题31 基本假设（1）假设各个国家碳排放量数据准确；（2）假设各个国家每年的碳排放总量的结构稳定，不发生特别大的变动，依旧保持原有结构；（3）假设世界碳排放来源稳定，没有突发事件照成波动；（4）假设全球各国的碳排放数据来源可靠；（5）假设问题1、2中由数据所得到的数学模型正确，由模型预测的碳排放量以及解决方案合理正确。2 定义符号说明Million metric tons：百万公吨；其它符号的含义与前面相同。3 模型建立与求解面对这些年来全球碳排11-14的严峻形势，以及大气中碳含量的异常增加，这一问题越来越受到广泛的关注，并且在过去的几十年里，全球大气中碳含量的增高所导致的问题日益显现，全球气候变暖、冰川加剧融化、土地沙漠化等等问题都逐渐显现出来。并且伴随这些环境破坏性的现象，带来的还有其他更多的自然灾害，种种的现象都在警示大家炭排问题不容忽视，如果放任其增长的话后果将不堪设想，所以我们必须找出具体的解决方案，并且按照各个国家的碳排放量来具体到责任承担上面，保证在绝对公平的前提下做出对世界碳排放量直接有利的选项。工业革命到1950年，发达国家排放的二氧化碳排放量，占全球累计排放量的95%；1950年2000年，发达国家碳排放量也占到全球的77%。而1904年2004年的100年间，中国二氧化碳排放量只占全球的8%。就是在当下，中国人均排放量也不高，2004年我国人均排放二氧化碳3.6吨，只有世界人均值的87%左右，为发达国家人均量的1/3，仅及 美国 的1/5。现在已经完成工业化和城市化任务的发达国家，却要求尚未完成这些任务的中国等发展中国家承担同样的减排量，这岂非是对西方一直鼓吹的人权、自由的极大讽刺。像上述所述问题就是各国迟迟不能达到一个炭排责任标准问题所在，由于各个国家的人口基数不一，经济发展状况不同，而且在近年来国内的经济体系不一样，直接导致了在炭排承担问题上照成了结论的分歧，本问题就是重点在于各个国家应该承担的责任问题，保证在公平与均衡的基础上来分配碳减排责任的分担量，这需要充分的考虑到各个国家的主要炭排结构，经济体制以及能源结构和人口基数问题，进行综合的分析和量化来建立可靠地数学模型。在对全球各国炭排数据分析之后发现美国、日本、俄罗斯、印度、巴西、中国等国家所占的全球炭排比例相当之大，是“当之无愧”的炭排大国，所以本次所讨论的解决方案，具体就这几个国家进行重点分配对象，以这几个国家为例来具体说明每个国家需要实施的具体的解决发，由附录可以对这几个国家进行炭排的对比如下图11。 图11 从1980年到2007年全球部分国家能源消耗造成的碳排放量由上图可以看出美国、中国、俄罗斯、日本、印度和巴西从1980年到2009呈现的总体趋势均是在增长，对于美国，在1980年2000年这些年内炭排放量远远超过其他国家，并且一直呈现缓慢增长的趋势，但是由于美国初始炭排量大并且并没有明显的下降趋势，这也是使他在这30年的时间里一直是处于全球炭排总量的前列；中国在1980年2000年这期间炭排增长趋势只是略高于美国，并且知道2000年中国的炭排总量依然远远低于美国，也就是在2000年2009年这9年期间炭排增长却达到了相当之恐怖的程度，远超各国，并且在2009年成功的超越美国成为全球第一炭排大国，这对中国是一个严峻的警告，如果再不加以限制将会达到什么样的程度将不堪设想，但是由于中国人口基数大，并且正值经济飞速发展时期，实际上中国的人均炭排量是很小的，远远低于美国，并且经济发展也必然导致炭排增长；俄罗斯一直以来是全球炭排第三大国，在1992年1997年期间还呈现处较明显的下降，并且之后虽然呈现缓慢的增长，但是一直没有超越1992年这一峰值，可见俄罗斯队炭排控制的很有成效，这也与其能源结构有很大关系，地处北方其主要能源来自天然气的提供，天然气相较于其他化石燃料所释放的碳比较少；日本从1980年2009年期间一直处于一个相当平稳的形势，并没有明显的升高或降低，虽然炭排总量一直并不怎么高，但是这