2017 年第 1 期 动物圈约束下的节能减排系统协调发展分析 傅 敏 田立新 方国昌 * 摘 要 节 能 减 排 是 控 制 温 室 气 体 排 放 、 减 缓 气 候 变 化 的 有 效 途 径 之 一 。 如 何 在 城 市 系 统 之 间 实 现 节 能 减 排 系 统 协 调 发 展 是 研 究 节 能 减 排 的 一 大 要 义 。 本 文 基 于 非 线 性 动 力 学 知 识 ， 在 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 框 架 下 ， 讨 论 了 不 同 城 市 之 间 动 物 圈 约 束 下 的 系 统 协 调 发 展 问 题 。 将 城 市 碳 循 环 系 统 中 的 动 物 圈 引 入 三 维 节 能 减 排 系 统 ， 构 建 新 的 四 维 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 。 基 于 自 适 应 同 步 控 制 方 法 ， 构 造 Lyapunov 函 数 ， 探 讨 了 两 个 城 市 系 统 之 间 节 能 减 排 协 调 发 展 的 条 件 。 借 助 统 计 数 据 ， 对 南 京 、 扬 州 - 镇 江 节 能 减 排 演 化 系 统 实 现 协 调 发 展 的 问 题 进 行 了 情 景 分 析 ， 研 究 得 出碳排放峰值是两个城市系统协调发展的关键因素 。 关键词 动物圈 ； 碳循环 ； 节能减排 ； 协调发展 一、 问题提出 温 室 气 体 排 放 已 经 成 为 全 球 的 焦 点 问 题 （ Nishitani et al., 2015 ） ， 而 节 能 减 排 可 以 有 效 地 控 制 温 室 气 体 排 放 。 科 学 地 建 立 节 能 减 排 系 统 ， 以 及 对 系 统 中 变 量 之 间 的 演 化 关 系 进 行 深 入 探 讨 ， 有 助 于 厘 清 发 展 思 路 ， 探 索 降 低 碳 排 放 的 优 化 路 径 （ Zhang et al., 2014 ; Jiang, 2016 ） ， 促 进 经 济 发 展 与 资 源 环 境 保 护 协 同 发 展 ， 提 高 能 源 利 用 效 率 、 优 化 能 源 结 构 （ Abam et al., 2014 ; Li et al., 2015 ） 。 更 进 一 步 地 ， 有 助 于 向 低 碳 经 济 转 型 ， 加 快 经 济 增 长 方 式 转 变 以 及 经 济 结 构 DOI10.19511/ki.jee.2017.01.002 * 傅 敏 ， 江 苏 大 学 能 源 发 展 与 环 境 保 护 战 略 研 究 中 心 ， 邮 政 编 码 212013， 电 子 信 箱 ； 田 立 新 （ 通 讯 作 者 ） ， 江 苏 大 学 能 源 发 展 与 环 境 保 护 战 略 研 究 中 心 ， 南 京 师 范 大 学 数 学 科 学 学 院 ， 邮 政 编 码 210023 ， 电 子 信 箱 ； 方 国 昌 ， 江 苏 大 学 能 源 发 展 与 环 境 保 护 战 略 研 究 中 心 ， 南 京 财 经 大 学 经 济 学 院 ， 邮 政 编 码 210023， 电子信箱 。 本 文 系 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 “ 企 业 和 居 民 的 绿 色 低 碳 行 为 研 究 ” （71690242 ） 、 “ 区 域 碳 循 环 演 化 分 析 下 的 排 放 效 应 及 战 略 研 究 ” （71303095 ） 、 “ 基 于 碳 税 的 节 能 减 排 演 化 分 析 及 调 控 战 略 研 究 ” （71303205 ） ， 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 研 究 计 划 培 育 “ 基 于 大 数 据 的 微 观 宏 观 行 为 综 合 分 析 ” （91546118 ） ， 国 家 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 “ 新 能 源 价 格 视 角 下 的 温 室 气 体 减 排 演 化 机 制 与 调 控 研 究 ” （2015T80519 ） 、 “ 基 于 新 能 源 价 格 的 节 能 减 排 演 化 分 析 及 调 控 战 略 研 究 ” （2014M551524 ） 和 江 苏 省 博 士 后 基 金 资 助 项 目 “ 温 室 气 体 减 排 演 化 机 制 及 调 控 研 究 基 于 新 能 源 价 格 视 角” （1401049C ） 的阶段性成果 。 感谢匿名审稿人的建设性意见， 文责自负。 7调 整 （ Shimada et al., 2007 ; 齐 绍 洲 、 付 坤 ， 2013 ） 。 节 能 减 排 系 统 中 的 变 量 之 间 ， 以 及 约 束 措 施 之 间 都 有 着 非 常 复 杂 的 演 化 关 系 ， 其 中 ， 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 逐 渐 成 为 目 前 研 究 的 热 点 问题 。 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 发 展 带 有 比 较 明 显 的 地 域 属 性 ， 不 同 区 域 的 节 能 减 排 发 展 并 不 均 衡 （ Li et al., 2010 ; Gong et al., 2014 ） ， 也 是 一 个 复 杂 的 非 线 性 耦 合 系 统 。 动 物 圈 对 节 能 减 排 系 统 的 影 响 非 常 显 著 ， 随 着 动 物 圈 的 活 跃 程 度 的 增 加 ， 系 统 中 的 碳 排 放 随 之 增 加 ， 进 而 会 抑 制 节 能 减 排 的 开 展 速 度 ， 影 响 经 济 增 长 等 变 量 （ Cox et al., 2000 ; Chimner et al., 2016 ; Mari et al., 2016 ） 。 同 时 ， 动 物 圈 中 碳 的 发 展 速 度 受 制 于 碳 排 放 及 经 济 的 发 展 程 度 。 在 节 能 减 排 系 统 中 引 入 动 物 圈 约 束 变 量 ， 探 讨 诸 多 变 量 间 的 相 互 影 响 逐 渐 成 为 当 前 的 热 点 问 题 （ Huang et al., 2015 ; Tantisattayakul et al., 2016 ） 。 碳 循 环 对 城 市 化 、 农 业 经 济 等 有 重 要 的 影 响 （ 赵 荣 钦 ， 2011 ; 庞 容 等 ， 2015 ） ， 不 同 的 系 统 之 间 有 着 非 常 复 杂 的 演 化 关 系 （ Fang et al., 2012 ； 方 国 昌 等 ， 2013 ） 。 在 不 同 区 域 节 能 减 排 发 展 的 速 度 、 比 例 、 顺 序 等 方 面 ， 需 要 有 一 个 合 理 的 安 排 ， 既 要 有 侧 重 点 ， 又 要 兼 顾 各 方 ， 做 到 统 筹 兼 顾 （ Shao 仲启 铖等 ， 2015 ） 。 研究 内容 比较 广泛 ， 取得 了丰 富的 研究 成果 。 关于 系统 的协 调 发 展 问 题 大 多 是 从 控 制 - 优 化 的 角 度 进 行 研 究 。 本 文 在 原 三 维 节 能 减 排 系 统 的 基 础 上 （ Fang et al., 2012 ） ， 引 入 城 市 碳 循 环 系 统 中 的 动 物 圈 ， 构 建 了 新 的 四 维 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 ， 探 讨 了 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 协 调 发 展 问 题 ， 在 区 域 间 碳 循 环 协 调 发 展 方 面 做 了 有 益 的 尝 试 。 本 文 运 用 定 量 分 析 理 论 ， 构 建 科 学 的 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 模 型 ， 用 系 统 动 力 学 模 型 结 合 仿 真 分 析 进 行 政 策 试 验 ， 并 借 助 统 计 软 件 对 数 据 进 行 模 拟 分 析 ， 探 讨 不 同 城 市 碳 循 环 系 统 的 协 调 发 展 机 制 ， 创 新 了 研 究 方 法 。 研 究 结 果 对 目 前 关 注 的 热 点 问 题 给 出 了 自 己 的 见 解 ， 相 比 之 前的研究 ， 本文的理论依据充分 ， 实证分析更加形象 ， 更符合碳循环系统的现实情形 。 二、 理论模型 （ 一 ） 模型的建立 城 市 碳 循 环 系 统 研 究 可 以 较 详 细 地 给 出 区 域 之 间 碳 的 交 换 过 程 ， 从 而 进 一 步 了 解 系 统 中 各 因 素 间 的 相 互 关 系 及 人 类 （ 动 物 ） 活 动 的 影 响 程 度 。 区 域 碳 循 环 系 统 的 协 调 发 展 ， 可 以 使 人 类 活 动 碳 排 放 强 度 维 持 在 恰 当 的 范 围 内 ， 保 持 陆 地 生 态 系 统 的 持 续 稳 定 发 展 。 动 物 圈 约 束 下 的 节 能 减 排 系 统 的 研 究 对 突 破 当 前 的 资 源 环 境 瓶 颈 ， 探 寻 可 持 续 发 展 的 优 化 路 径 有 着 重 要 的 作 用 。 根 据 节 能 减 排 、 碳 排 放 、 经 济 增 长 、 动 物 圈 中 的 碳 含 量 等 相 互 影 响 的 复 杂 关 系 ， 可 得 四 维 傅 敏 田立新 方国昌 动物圈约束下的节能减排系统协调发展分析 82017 年第 1 期 动物圈约束下的节能减排系统如下 x ̇ a 1 x y M -1 -a 2 y a 3 z -a 4 u y ̇ -b 1 x b 2 y 1 - y C b 3 z 1 - z E b 4 u z ̇ c 1 x x N -1 -c 2 y -c 3 z -c 4 u u ̇ d 1 u y -P d 2 z （ 1 ） 系 统 （ 1 ） 中 ，x t 为 随 时 间 变 化 的 节 能 减 排 量 ① ，y t 为 随 时 间 变 化 的 碳 排 放 量 （ 能 源 消 耗 产 生 的 碳 排 放 量 ） ，z t 为 随 时 间 变 化 的 经 济 增 长 量 （ GDP ） ， u t 为 随 时 间 变 化 的 动 物 圈 中 的 碳 含 量 。 其 中 a i 、b i 、c i 、d j 、M 、C 、E 、N 、P 为 正 常 数 ，t I ，I 为 一 个 经 济 时 期 （i 1，2，3 ，4 ；j 1，2 ；M 、 C 、E 、N 、P 的 单 位 都 可 转 化 为 标 准 煤 ） ，M 为 y t 对 x t 影 响 的 转 折 点 ， C 为 一 个 经 济 时 期 内 y t 的 峰 值 ，E 为 一 个 经 济 时 期 内 z t 的 峰 值 ，N 为 x t 对 z t 影响的转折点 ，P 是 y t 对u t 影响的拐点 ， 其他变量的解释详见 （ Fang et al., 2012 ） 。 系 统 （ 1 ） 具 有 普 遍 的 适 用 性 ， 对 系 统 （ 1 ） 的 深 入 研 究 有 助 于 剖 析 碳 循 环 与 节 能 减 排 的 内 在 联 系 ， 探 寻 中 国 特 色 的 节 能 减 排 优 化 之 路 ， 有 助 于 中 国 兑 现 巴 黎 协 定 的 承 诺 。 在 本 研 究 中 用 系 统 （ 1 ） 表 示 南 京 和 扬 州 - 镇 江 两 个 城 市 的 节 能 减 排 演 化 系 统 （ 南 京 用 A 表 示 ， 扬 州 - 镇 江 用 B 表 示 ） 。 一 般 来 说 ， A 、 B 城 市 的 情 况 略 有 不 同 ， 也 就 是 两 个 系 统 的 相 关 参 数 会 有 差 别 。 就 宁 镇 扬 （ 南 京 、 镇 江 、 扬 州 ） 来 说 ， 扬 州 市 南 临 长 江 ， 与 镇 江 市 隔 江 相 望 ， 西 南 部 与 南 京 市 相 连 ， 与 镇 江 同 是 南 京 都 市 圈 核 心 层 城 市 。 从 地 理 位 置 上 讲 ， 南 京 与 镇 江 、 扬 州 有 两 个 连 接 点 ， 在 江 南 是 栖 霞 与 镇 江 句 容 ， 在 江 北 是 六 合 与 扬 州 仪 征 。 三 个 城 市 在 城 市 规 模 、 经 济 结 构 等 方 面 有 着 相 似 之 处 ， 因 此 选 择 宁 镇 扬 作 为 样 本 研 究 城 市 节 能 减 排 系 统 之 间 的 互 动 关 系 。 有 助 于 发 挥 各 自 优 势 ， 明 确 各 自 定 位 ， 在 互 融 互 通 互 补 的 发 展 中 实 现 互 利 共 赢 （ Shieh ， 2011 ； 梅 海 燕 ， 2016 ） 。 将 三 个 城 市 放 在 一 起 探 讨 ， 另 外 一 个 原 因 是 宁 镇 扬 同 城 化 的 提 出 。 宁 镇 扬 同 城 化 是 江 苏 省 首 个 区 域 同 城 化 发 展 规 划 ， 目 的 是 全 面 实 施 主 体 功 能 区 规 划 ， 推 进 空 间 资 源 整 合 联 动 ， 构 建 科 学 合 理 的 生 产 、 生 活 和 生 态 空 间 布 局 ， 形 成 “ 一 带 三 圈 四 轴 ” 的 同 城 化 发 展 格 局 。 宁 镇 扬 同 城 化 发 展 规 划 明 确 了 南 京 - 镇 江 - 扬 州 三 地 同 城 化 发 展 的 要 求 及 发 展 目 标 ， 提 出 了 城 乡 统 筹 、 产 业 布 局 、 生 态 环 境 、 公 共 服 务 、 基 础 设 施 、 改 革 开 放 以 及 创 新 体 系 等 七 个 方 面 的 重 点 任 务 。 从 规 划 可 以 看 出 生 态 环 境 建 设 也 是 宁 镇 扬 同 城 化 的 重 要 任 务 ， 因 此 将 三 个 城 市 放 在 一 起 讨 论 是 很 有 必 要 的 。 镇 江 市 总 体 规 模 不 大 ， 如 果 单 独 拿 出 镇 江 市 与 南 京 市 、 扬 州 市 对 比 研 究 ， 研 究 对 象 不 对 等 ， 会 影 响 分 析 的 效 果 。 只 研 究 南 京 、 扬 州 的 协 调 发 展 ， 又 与 宁 镇 扬 同 城 化 的 理 念 相 悖 ， 因 此 本 文 将 扬 州 与 镇 江 合 为 一 体 ， 作 为 一 个 整 体 与 南 京 市 进 行 研 究 。 目 前 中 国 都 市 圈 发 展 ①节能减排量及其他变量的数据来源见下文 “ 数据获取与参数识别” 。 9趋 势 愈 加 明 显 ， 在 此 研 究 的 基 础 上 ， 可 以 将 研 究 结 论 进 一 步 推 广 到 长 三 角 都 市 圈 ， 也 可 以 将 研 究范围扩大到其它大型都市圈 。 为 了 下 面 分 析 方 便 并 不 失 真 实 性 ， 假 定 A 、 B 两 城 市 的 x t 、y t 、z t 、u t 的 发 展 系 数 （ 除 下 文 提 到 的 节 能 减 排 发 展 系 数 等 四 个 系 数 ） 及 变 量 间 的 相 互 影 响 的 拐 点 相 同 ， 其 他 参 数 不 同 ， 得到 A 、 B 城市的系统 （ 2 ） 、 系统 （ 3 ） 。 A 城市 （ 南京市 ） 动物圈约束下的节能减排系统为 x ̇ 1 ax 1 y 1 M -1 -a 2 y 1 a 3 z 1 -a 4 u 1 y ̇ 1 -b 1 x 1 by 1 1 - y 1 C b 3 z 1 1 - z 1 E b 4 u 1 z ̇ 1 c 1 x 1 x 1 N -1 -c 2 y 1 -cz 1 -c 4 u 1 u ̇ 1 du 1 y 1 -P d 2 z 1 （ 2 ） B 城市 （ 扬州市 、 镇江市 ） 动物圈约束下的节能减排系统为 x ̇ 2 a ′ x 2 y 2 M -1 -a 2 y 2 a 3 z 2 -a 4 u 2 y ̇ 2 -b 1 x 2 b ′ y 2 1 - y 2 C b 3 z 2 1 - z 2 E b 4 u 2 z ̇ 2 c 1 x 2 x 2 N -1 -c 2 y 2 -c ′ z 2 -c 4 u 2 u ̇ 2 d ′ u 2 y 2 -P d 2 z 2 （ 3 ） 在 系 统 （ 2 ） 和 （ 3 ） 中 ，a、a ′ 分 别 为 x 1 t 、x 2 t 的 发 展 系 数 ， 由 于 A 、 B 两 个 城 市 节 能 减 排 投 入 、 节 能 减 排 技 术 发 展 及 相 关 政 策 的 差 距 ， 因 此 两 城 市 的 节 能 减 排 发 展 系 数 不 同 。 b、b ′ 为 y 1 t 、y 2 t 发 展 速 度 的 弹 性 系 数 ， 因 两 城 市 的 工 业 结 构 、 能 源 消 耗 比 例 等 存 在 一 定 的 区 别 ， 因 此 b 、b ′ 也 不 尽 相 同 。c 、c ′ 为 节 能 减 排 等 的 投 入 对 经 济 增 长 的 抑 制 系 数 ， 两 地 经 济 发 展 速 度 ， 经 济 规 模 及 对 节 能 减 排 等 的 投 入 不 同 ， 因 此 抑 制 系 数 不 同 。d、d ′ 为u 1 t 、u 2 t 的 发 展 系 数 ， A 、 B 两 个 城 市 动 物 圈 规 模 等 有 差 异 ， 发 展 系 数 也 不 相 同 。 其 他 系 数 的 实 际 意 义 体 现 在 变 量 间 相 互 影 响 之 中 ， 因 两 城 市 同 属 于 长 三 角 都 市 圈 ， 变 量 之 间 的 相 互 关 系 存 在 一 定 的 共 性 ， 可 以 认 为 这 些系数基本相同 。 （ 二 ） 系统同步的条件 不 同 系 统 之 间 的 同 步 ， 更 容 易 实 现 系 统 间 的 协 调 发 展 。 对 系 统 （ 2 ） 和 系 统 （ 3 ） 来 说 ， 两 个 系 统 同 步 利 于 宁 - 镇 - 扬 的 统 一 管 理 ， 更 容 易 实 现 此 区 域 的 节 能 减 排 发 展 目 标 。 对 于 具 有 不 同 未 知 参 数 的 两 个 系 统 的 同 步 问 题 ， 普 遍 使 用 的 方 法 是 自 适 应 同 步 控 制 方 法 （ Xie et al., 2015 ; Tang et al., 2016 ） 。 这 里 不 妨 设 A 城 市 节 能 减 排 系 统 为 驱 动 系 统 ， B 城 市 节 能 减 排 系 统 为 响 应 系 统 。 对 （ 3 ） 式 施 以 适 当 的 控 制 值 ， 假 设 控 制 项 为u 1 t 、u 2 t 、u 3 t 、u 4 t 。u 1 t 是 对 B 城 市 节 能 减 排 速 度 的 一 个 控 制 ， 这 与 A 、 B 两 城 市 的 节 能 减 排 量 、 碳 排 放 量 、 经 济 增 长 量 及 动 物 圈 中 碳 含 量 等 存 在 一 定 的 关 系 ， u 1 t 是 复 杂 的 多 元 函 数 。 同 样 ， u 2 t 、u 3 t 、u 4 t 是 对 B 城 市 碳 排 放 发 展 傅 敏 田立新 方国昌 动物圈约束下的节能减排系统协调发展分析 102017 年第 1 期 速 度 、 经 济 发 展 速 度 、 动 物 圈 中 碳 含 量 发 展 速 度 的 控 制 ， 都 受 到 其 它 变 量 的 约 束 ， 是 诸 多 变 量 的 综合影响 ， 是复杂的非线性函数 。 驱动系 统为系统 （ 2 ） ， 响应系统为系统 （ 4 ） x ̇ 2 a ′ x 2 y 2 M -1 -a 2 y 2 a 3 z 2 -a 4 u 2 u 1 t y ̇ 2 -b 1 x 2 b ′ y 2 1 - y 2 C b 3 z 2 1 - z 2 E b 4 u 2 u 2 t z ̇ 2 c 1 x 2 x 2 N -1 -c 2 y 2 -c ′ z 2 -c 4 u 2 u 3 t u ̇ 2 d ′ u 2 y 2 -P d 2 z 2 u 4 t （ 4 ） 其中 ， a ′ a γ 1 a b ′ b γ 2 b c ′ c γ 3 c d ′ d γ 4 d ， γ i i 12 34 表示对应未知参数之间的关系 。 系统 （ 2 ） 和系统 （ 4 ） 的误差系统为 （ 5 ） e ̇ 1 -ae 1 -a 2 e 2 a 3 e 3 -a 4 e 4 a M x 2 y 2 -x 1 y 1 γ 1 a x 2 y 2 M -x 2 u 1 t e ̇ 2 -b 1 e 1 be 2 1 - y 1 y 2 C b 3 e 3 1 - z 1 z 2 E b 4 e 4 γ 2 b y 2 - y 2 2 C u 2 t e ̇ 3 c 1 e 1 x 1 x 2 N -1 -c 2 e 2 -ce 3 -c 4 e 4 - γ 3 cz 2 u 3 t e ̇ 4 d 2 e 3 -dPe 4 d u 2 y 2 -u 1 y 1 γ 4 du 2 y 2 -P u 4 t （ 5 ） 因此 ， 两系统的同步问题转化为误差系统 （ 5 ） 在原点的渐近稳定问题 ， 证明过程见附录 。 基 于 系 统 对 应 的 实 际 情 形 ， C 是 区 域 （ 城 市 ） 碳 排 放 的 峰 值 ， 本 质 上 反 映 出 将 来 能 源 的 最 大 消 耗 量 ， 目 前 一 段 经 济 时 期 内 是 无 法 达 到 的 ， 则 在 一 定 的 经 济 时 期 内 应 有 y 1 y 2 2C 。 所 以 在 适当的控制器下 ， 满足C y 1 y 2 2C 时 ， A 、 B 两城市节能减排系统是可以达到同步的 。 三、 数据获取与参数识别 节 能 减 排 的 数 据 按 因 采 取 措 施 提 高 能 源 利 用 率 ， 发 展 新 能 源 、 CCS （ 碳 捕 获 与 封 存 ） 以 及 森 林 碳 汇 等 减 少 的 碳 排 放 计 算 所 得 （ Fang et al., 2012 ） 。 碳 排 放 及 经 济 增 长 的 数 据 来 自 江 苏 省 统 计 年 鉴 江 苏 省 环 境 统 计 年 报 中 国 城 市 统 计 年 鉴 南 京 市 统 计 年 鉴 南 京 市 经 济 普 查 年 鉴 扬 州 市 统 计 年 鉴 镇 江 市 统 计 年 鉴 （ 时 间 跨 度 为 1999 年 - 2013 年 ） 。 考 虑 到 数 据 的 可 得 性 ， 本 文 中 动 物 圈 主 要 包 括 人 、 猪 、 牛 、 羊 等 大 型 动 物 。 动 物 圈 中 ， 人 的 平 均 年 呼 吸 量 参 数 选 为 0 . 079 tC/a ， 动 物 呼 吸 的 碳 排 放 主 要 考 虑 牛 、 猪 、 羊 等 大 型 动 物 ， 牛 为 0 . 796 tC/ 头 a ， 猪 的 碳 排 放 系 数为 0 . 082 tC/ 头 a ， 羊为 0 . 041 tC/ 头 a ， 其它个体小的动物忽略不计 （ 赵荣钦 ， 2012 ） 。 借 助 基 于 遗 传 算 法 的 BP 神 经 网 络 可 辨 识 出 A 、 B 系 统 的 参 数 。 首 先 将 系 统 （ 2 ） 或 （ 3 ） 离 散 化 ， 取 系 统 的 实 际 数 据 中 前n -1 组 数 据 作 为 输 入 数 据 ， 后n -1 组 数 据 作 为 输 出 数 据 ， 对 输 入 输 11出 变 量 归 一 化 处 理 ， 使 x i - x i -x min / x max -x min ， 选 定 合 适 的 前 馈 神 经 网 络 ， 置 所 有 可 调 参 数 为随机数 。 将其输出结果代入差分方程 ， 所得结果与目标输出比较得到误差e 。 南京市对应的系统 （ A 系统 ） 的相关参数见表 1 （ 误差e 1.44 10 -3 ） （ 赵荣钦 ， 2012 ） 。 表 1 实际系统参数 （ 南京 ） a 1 0 . 0876 c 3 0 . 0812 a 2 0 . 0013 c 4 0 . 0314 a 3 0 . 0162 d 1 0 . 0196 a 4 0 . 0098 d 2 0 . 0012 b 1 0 . 4257 M 0 . 8973 b 2 0 . 0262 C 1 . 3415 b 3 0 . 7982 E 2 . 5143 b 4 0 . 0221 N 0 . 3429 c 1 0 . 0352 P 0 . 9475 c 2 0 . 0065 扬 州 市 统 计 年 鉴 数 据 中 动 物 圈 只 能 查 阅 到 人 口 数 ， 家 畜 只 能 查 阅 到 猪 的 相 关 数 据 。 这 点 与 南 京 市 、 镇 江 市 动 物 圈 的 数 据 有 些 区 别 。 为 保 证 数 据 获 取 的 口 径 一 致 ， 表 2 的u t 中 的 家 畜 数据为猪的相关数据 。扬州 - 镇江市城市节能减排系统数据如 表 2 。 表 2 扬州 - 镇江市节能减排系统中 x t 、y t 、z t 、 u t 的数据 年份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 x 1 . 03809 1 . 08117 1 . 154596 1 . 204616 1 . 360181 1 . 455948 1 . 824971 1 . 818608 1 . 911112 1 . 901921 1 . 135525 2 . 103344 2 . 313392 2 . 214887 y 1 . 029359 1 . 123719 1 . 474323 1 . 645516 1 . 766277 2 . 014861 1 . 930581 2 . 193468 2 . 232237 2 . 437497 2 . 533467 2 . 658661 2 . 678799 2 . 806003 z 1 . 092741 1 . 180344 1 . 290903 1 . 488247 1 . 796846 2 . 274964 2 . 648417 3 . 192365 3 . 829383 4 . 306268 5 . 146733 6 . 031084 6 . 790036 7 . 541422 u 1 . 033528 1 . 047182 1 . 321296 1 . 333602 1 . 284553 1 . 268125 1 . 212787 1 . 048281 1 . 065394 1 . 091145 1 . 110721 1 . 124937 0 . 99292 0 . 994508 注 表 2 中的数据为标准化后的数据， 以 1999 年为基准线。 在 参 数 辨 识 过 程 中 只 需 辨 识a ′ 、b ′ 、c ′ 、d ′ 的 数 值 ， 其 他 参 数 保 持 不 变 （ 同 表 1 ） 。 经 过 多 次 调 试 和 运 行 ， 得 到 扬 州 - 镇 江 对 应 的 实 际 系 统 中 的 参 数 如 表 3 所 示 （ 误 差 为e 6.19 10 -3 ） 。 实 际 系 统 中 参 数 的 获 取 ， 为 进 一 步 分 析 南 京 和 扬 州 - 镇 江 对 应 的 两 个 系 统 的 协 调 发 展 提 供 了 条 件 。 参数是基于实际数据获取的 ， 因此得 到的分析结果也更有说服性 。 表 3 实际系统参数 （ 扬州 - 镇江 ） a ′ 0 . 0785 c ′ 0 . 0827 a 2 0 . 0013 c 4 0 . 0314 a 3 0 . 0162 d ′ 0 . 0185 a 4 0 . 0098 d 2 0 . 0012 b 1 0 . 4257 M 0 . 8973 b ′ 0 . 0257 C 1 . 3415 b 3 0 . 7982 E 2 . 5143 b 4 0 . 0221 N 0 . 3429 c 1 0 . 0352 P 0 . 9475 c 2 0 . 0065 傅 敏 田立新 方国昌 动物圈约束下的节能减排系统协调发展分析 122017 年第 1 期 四、 实证结果与分析 以 往 关 于 碳 循 环 的 研 究 ， 大 多 是 从 地 理 角 度 出 发 探 究 碳 循 环 的 演 化 机 理 及 发 展 规 律 。 本 文 主 要 探 讨 动 物 圈 约 束 下 的 不 同 节 能 减 排 系 统 间 的 协 调 发 展 。 动 物 圈 的 引 入 对 整 个 系 统 的 变 量 都 有 影 响 ， 会 给 系 统 带 来 更 加 复 杂 的 演 化 行 为 。 在 节 能 减 排 演 化 过 程 中 ， 我 们 发 现 包 括 人 类 在 内 的 动 物 圈 的 活 动 是 致 使 温 室 气 体 变 化 的 主 要 原 因 ， 深 入 探 究 动 物 圈 对 节 能 减 排 、 碳 排 放 、 经 济 增 长 的 演 化 影 响 ， 可 以 进 一 步 剖 析 当 前 节 能 减 排 系 统 的 内 在 属 性 ， 有 助 于 深 入 剖 析 节 能 减 排系统中的关键因素 ， 了解当前节能减排系统中存在的实际问题 ， 并给出恰当的解决方案 。 两 城 市 对 应 的 节 能 减 排 系 统 的 协 调 发 展 ， 关 键 是 看 节 能 减 排 的 协 调 发 展 。 文 中 第 二 部 分 和 第 三 部 分 的 分 析 给 出 了 A 、 B 两 城 市 对 应 的 节 能 减 排 系 统 协 调 发 展 的 条 件 ， 节 能 减 排 系 统 中 碳 排 放 的 峰 值C 是 两 城 市 是 否 能 协 调 发 展 的 关 键 因 素 。 当 峰 值 （ 达 到 峰 值 的 时 间 ） 变 化 时 ， 系 统 会 展 现 出 复 杂 的 动 力 学 行 为 。 图 1 展 示 了 系 统 （ 3 ） （ 扬 州 - 镇 江 市 节 能 减 排 系 统 ） 中 碳 排 放 峰 值变化时的节能减排发展 图。 13 12 11 10 9 8 7 6 节能减排发展图 （ 百万吨碳 ） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 时间 （ 年 ） 1 . 1 1 0 . 9 45 46 47 48 49 50 Case 7 Case 6 Case 5 Case 4 Case 3 Case 2 Case 1 基准线 图 1 节能 减排发展图 （C ） 在 图 1 中 ， Case 1 - 6 为 B 城 市 （ 扬 州 - 镇 江 市 ） 对 应 的 节 能 减 排 系 统 中 参 数 C 从 11.415至12.415 逐 渐 增 大 时 的 节 能 减 排 演 化 图 ， Case 7 对 应C 13.415 时 的 节 能 减 排 演 化 图 。 基 准 线 对 应 的 是 A 城 市 （ 南 京 市 ） 节 能 减 排 系 统 中 当C 13.415 时 的 节 能 减 排 演 化 图 （ 此 时 的C 值 不 一 定 是 系 统 对 应 的 碳 排 放 峰 值 ， 但 对C 演 变 过 程 中 所 带 来 的 现 象 的 分 析 ， 也 可 以 找 到 两 个 系 统 的 演 化 规 律 ， 探 究 两 个 系 统 协 调 发 展 的 条 件 ） 。 观 察 图 1 可 以 发 现 当 B 城 市 对 应 的 节 能 减 排 13系 统 中 参 数C 逐 渐 变 大 时 ， B 系 统 与 A 系 统 协 调 发 展 的 越 快 ， 即 图 1 中 左 边 圆 形 区 域 内 Case 1 - 7 与 基 准 线 吻 合 越 来 越 密 切 。 但 是 随 着 时 间 的 推 移 ， 原 本 吻 合 很 好 的 曲 线 会 慢 慢 偏 离 ， 图 1 中 可 以 看 到 ， 几 条 曲 线 在 经 过 初 期 的 震 荡 后 吻 合 ， 然 后 慢 慢 分 开 。 然 而 ， Case 5 和 Case 6 仍 然 与 基 准 线 非 常 贴 近 ， 也 就 是 在 Case 5 至 Case 6 对 应 的C 值 中 肯 定 有 一 个 值C ′ ， C ′ 对 应 的 曲 线 与 基 准 线 完全吻合 ， 实现真正的协调发展 。 系 统 的 研 究 对 象 南 京 、 镇 江 、 扬 州 彼 此 接 壤 ， 分 居 长 江 两 侧 ， 经 济 往 来 频 繁 ， 城 市 碳 循 环 中 大 气 、 水 、 动 植 物 的 碳 循 环 比 较 密 切 。 南 京 市 、 扬 州 - 镇 江 市 城 市 系 统 中 节 能 减 排 的 协 调 发 展 ， 会 进 一 步 带 动 系 统 中 碳 排 放 、 经 济 增 长 、 动 物 圈 中 的 碳 含 量 等 变 量 的 协 调 发 展 ， 乃 至 促 进 整 个 城市碳循环系统的协调发展 ， 为探究更大范围碳循环的协调发展提供了研究范例 。 五、 研究结论 基 于 非 线 性 动 力 学 ， 在 三 维 节 能 减 排 系 统 的 基 础 上 ， 本 文 引 入 城 市 碳 循 环 系 统 中 的 动 物 圈 约 束 变 量 ， 构 建 动 物 圈 约 束 下 的 四 维 节 能 减 排 系 统 ， 研 究 了 南 京 市 、 扬 州 - 镇 江 市 节 能 减 排 系 统 的 协 调 发 展 问 题 。 借 助 基 于 遗 传 算 法 的 BP 神 经 网 络 ， 辨 识 出 实 际 系 统 中 的 参 数 。 基 于 自 适 应 同 步 控 制 方 法 ， 探 讨 了 两 个 城 市 系 统 之 间 节 能 减 排 协 调 发 展 的 条 件 ， 研 究 得 出 碳 排 放 峰 值 是 两 个 城 市 系统协调发展的关 键因素 ， 并给出了同步发展 条件下碳排放峰值的 取值范围 。 以节能减排演化 趋 势 为 衡 量 指 标 ， 进 一 步