数值分析与能源消耗.docx

试题八——中国能源消费与 GDP增长相关性分析
摘要: 能源消耗是当今世界最关注的问题之一。如何协调好能源消耗与国民经济发展的内在关系,并在GDP增长的同时,实现能源低消耗和高效利用 ,且减少其对环境的影响,是世界各国都在努力的事。本文立足与全国, 对国内能源消耗与 GDP增长进行数据分析,提出能源消耗与 GDP增长相关性特点及协调发展的建议。
关键词：能源消耗; 国民经济发展; 数据分析 二次拟合；
0 引言

　　能源消耗是当今世界最关注的问题,能源是国民经济发展的基础。经济发展的越快,消耗的能源就越多。能源发展推动经济增长,经济增长为能源发展提供物质条件或经济基础。能源是社会生产力的核心和动力源泉,没有能源的安全和有效地供给, 经济和社会的可持续发展就是无本之木,无源之水。目前,在生产生活中消耗最多的能源是煤炭、石油和天然气，它们给人类带来了巨大的财富,使人民的生活水平有量的提高和质的飞跃。
近几年来,我国经济发展迅速 ,对能源的需求也在迅速的增加，众所周知, 经济、社会要保持持续、快速、健康、稳定发展，必须有充足的能源保障，以能源资源合理开发与有效利用作为支撑。本文利用数据和计量模型,通过数值分析中的二次拟合，分析近几年全国能源消费GDP增长的关系, 并对如何合理利用能源促进经济的增长出建议。
一、中国能源消耗的现状
(一) 主要能源资源分布状况
我国消耗的能源主要包括煤炭、石油、天然气、水电、核电和风电,其中前三项的消耗比重大,后三项消耗比重少。
就资源地理分布情况来看,煤炭分布的总格局是西多东少、北富南贫,主要集中分布在目前经济还不发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等省自治区 。煤炭资源呈逆向经济发达的特点，成煤炭基地远离了煤炭消费市场 ,我国石油资源集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、鄂尔多斯、准噶尔、珠江口、柴达木和东海大陆架八大盆地,天然气资源集中分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、东海大陆架、柴达木、松辽、莺歌海、琼东南和渤海湾九大盆地 , 其可采资源量约占全国的 8364% ; 我国水能资源蕴藏量居世界第一位。70%分布在西南四省、市和西藏自治区,其中以长江水系为最多,其次为雅鲁藏布江水系。黄河水系和珠江水系也有较大的水能蕴藏量。目前,已开发利用的地区, 集中在长江、黄河和珠江的上游 ,并且呈现南多北少的特点;我国风能资源丰富的地区主要分布东南沿海及附近岛屿以及北部 (东北、华北、西北 )地区, 沿海及其岛屿地区的风能丰富带,包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省近 200里宽的地带。
(二) 主要能源的消耗状况
我国可再生能源资源丰富,但是我国人口众多,人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半,石油仅为十分之一。我国已成为世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国。
就资源地理分布情况来看,煤炭分布的总格局是随着国内经济的迅速发展 ,能源的消耗量也日益增长, 全国 2002年能源消耗的增长率只有 6% ,到了2003年增长率达到了 15.3% , 并在随后的两年都超10% 。近两年在采用先进技术、推进节能、加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下,能源消耗的增长率有了大幅度的下降, 2008年降到了4% 。

从图一中可以看出, 煤炭的消耗比重比起其他能源一直是遥遥领先的, 但是到了 1997年比重有了明显的下降趋势, 虽然 2003年以后消耗比重又有小幅度的上升, 但是没有回到 90年代初的最高点; 石油的消耗比重在 1997年有明显的上升, 随后几年内变化幅度不大, 到了 2006年比重有了明显的下降; 天然气的消耗比重变化幅度不大, 近十几年来都是呈现比较均匀的上升趋势; 水电、核电和风电的使用率还不是很高,三种能源总共消耗的比重也是小幅度上升, 2001年的比重是最高的。从各种能源的消耗比重变化趋势来看,随着近几年科技水平的提高, 循环经济的政策导向等有效措施的实施, 使得能源消费结构调整有了成效,但是成绩并不明显。
二、中国能源消费与 GDP的数据分析
(一) 能源消费的弹性系数
我们通常用能源消费弹性系数来表示能源消费增长速度与国民经济增长速度之间的比例关系指标, 它的计算公式为:
能源消费弹性系数 =能源消费量年平均增长速度 /国民经济年均增长速度
根据 1990年到 2006年全国能源消费平均增长率和生产总值年平均增长的数据, 经过计算
从表 1中可以看出, 1997年和 1998年能源消费是负的平均增长率, 因此这两年在数值上得不出能源消费的弹性系数。1990年到 2002年能源消费平均增长速度都小于国民经济年均增长速度, 这段时期中国经济有了全面的发展, 但是总体来说人民生活水平还不是很高, 资源投入国民经济生产的力度还不是很大, 因此弹性系数基本上都是在 0.15周围震荡, 并且在 1999年降到了最低点 0.16。2001年以后, 特别是我国加入世贸组织以来, 全国经济发展有了新的局面, 这段时期国民经济年均增长速度基本上超过 10% , 能源消费平均增长在 2003年和 2004年都超过了 15% , 能源消费弹性系数也高过 1.15, 发展成绩的显著, 换来能源消耗量大幅度上升, 加上技术水平提高缓慢, 经济结构出现一些不合理的现象, 有些生产的管理不够科学,造成能源利用率较低, 浪费现象严重。近几年国家逐渐意识到问题的存在, 开始提倡循环经济、生态经济的发展, 加之很多新能源的出现和利用, 从 2005年开始, 能源消费平均增长率下降, 能源消费弹性系数也回落到 1以内, 这是能源利用效率的提高, 国民经济结构的变化和耗能工业不断科学发展的结果。

表 2　1990 - 2008年全国能源消耗和 GDP总量

拟合分析：图中为散点图
用最小二乘法
对该组数据进行拟合。

1、 一次拟合
其结果如图1所示。Linear model Poly1:
f(x) = p1*x + p2
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 0.747 (0.6993, 0.7948)
p2 = 7.567e+004 (6.89e+004, 8.244e+004)

Goodness of fit:
SSE: 5.197e+014
R-square: 0.9725
Adjusted R-square: 0.9715
RMSE: 4.233e+006

图1为一次拟合

图2 二次拟合

图3 三次拟合
2、 二次拟合
其结果如图2所示。Linear model Poly2:
f(x) = p1*x^2 + p2*x + p3
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = -4.532e-007 (-9.975e-007, 9.11e-008)
p2 = 0.8724(0.7148, 1.03)
p3 = 7.12e+004 (6.272e+004, 7.968e+004)
Goodness of fit:
SSE: 4.708e+014
R-square: 0.975
Adjusted R-square: 0.9733
RMSE: 4.1e+0063、
三次拟合
其结果如图3所示。Linear model Poly3:
f(x) = p1*x^3 + p2*x^2 + p3*x + p4
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = -4.459e-012 (-1.142e-011, 2.503e-012)
p2 = 1.502e-006 (-1.598e-006, 4.603e-006)
p3 = 0.661 (0.296, 1.026)
p4 = 7.482e+004 (6.471e+004, 8.494e+004)

Goodness of fit:
SSE: 4.425e+014
R-square: 0.9765
Adjusted R-square: 0.9739
RMSE: 4.048e+006

图4 四次拟合

图5 五次拟合
4、 四次拟合
其结果如图4所示。Linear model Poly4:
f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = -1.728e-016 (-2.538e-016, -9.181e-017)
p2 = 9.915e-011 (5.029e-011, 1.48e-010)
p3 = -1.786e-005 (-2.725e-005, -8.472e-006)
p4 = 1.835 (1.216, 2.453)
p5 = 6.24e+004 (5.264e+004, 7.216e+004)

Goodness of fit:
SSE: 2.544e+014
R-square: 0.9865
Adjusted R-square: 0.9844
RMSE: 3.128e+006
5、 五次拟合
其结果如图5所示。Linear model Poly5:
f(x) = p1*x^5 + p2*x^4 + p3*x^3 + p4*x^2 + p5*x + p6
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = 2.641e-021 (2.18e-021, 3.103e-021)
p2 = -2.131e-015 (-2.475e-015, -1.787e-015)
p3 = 6.079e-010 (5.168e-010, 6.99e-010)
p4 = -7.262e-005 (-8.291e-005, -6.234e-005)
p5 = 4.014 (3.56, 4.468)
p6 = 4.498e+004 (4.003e+004, 4.992e+004)
Goodness of fit:
SSE: 3.884e+013
R-square: 0.9979
Adjusted R-square: 0.9975
RMSE: 1.246e+006

图6 六次拟合

6、 六次拟合
其结果如图6所示。Linear model Poly6:
f(x) = p1*x^6 + p2*x^5 + p3*x^4 + p4*x^3 + p5*x^2 +
p6*x + p7
Coefficients (with 95% confidence bounds):
p1 = -5.888e-027 (-1.301e-026, 1.239e-027)
p2 = 7.748e-021 (1.55e-021, 1.395e-020)
p3 = -3.786e-015 (-5.817e-015, -1.755e-015)
p4 = 8.556e-010 (5.431e-010, 1.168e-009)
p5 = -8.963e-005 (-0.0001125, -6.677e-005)
p6 = 4.468 (3.764, 5.172)
p7 = 4.216e+004 (3.629e+004, 4.803e+004)
Goodness of fit:
SSE: 3.464e+013
R-square: 0.9982
Adjusted R-square: 0.9977
RMSE: 1.201e+006

2.2.2利用高斯曲线对该组数据进行拟合。
1、 一次拟合
其结果如图7所示。General model Gauss1:
f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2)
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a1 = 2.92e+005 (2.686e+005, 3.153e+005)
b1 = 3.393e+005 (2.928e+005, 3.858e+005)
c1 = 2.932e+005 (2.543e+005, 3.32e+005)

Goodness of fit:
SSE: 4.344e+014
R-square: 0.977
Adjusted R-square: 0.9753
RMSE: 3.939e+006
图7 一次拟合

图8二次拟合
2、 二次拟合
其结果如图8所示。General model Gauss2:
f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2)
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a1 = 1.451e+004 (-8011, 3.704e+004)
b1 = 2.061e+005 (1.629e+005, 2.494e+005)
c1 = 4.638e+004 (-3.326e+004, 1.26e+005)
a2 = 2.976e+005 (2.565e+005, 3.386e+005)
b2 = 3.686e+005 (2.646e+005, 4.726e+005)
c2 = 3.195e+005 (2.344e+005, 4.047e+005)
Goodness of fit:
SSE: 4.031e+014
R-square: 0.9786
Adjusted R-square: 0.9744
RMSE: 4.016e+0063、
三次拟合
其结果如图9所示。General model Gauss3:
f(x) =
a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2) +
a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a1 = 1.274e+008 (-1.403e+072, 1.403e+072)
b1 = 3.254e+005 (-2.474e+067, 2.474e+067)
c1 = 9194 (-2.198e+066, 2.198e+066)
a2 = -1.639e+005 (-3.048e+006, 2.721e+006)
b2 = 1.488e+005 (-3.349e+004, 3.31e+005)
c2 = 8.661e+004 (-2.633e+005, 4.365e+005)
a3 = 3.642e+005 (-2.49e+006, 3.219e+006)
b3 = 1.844e+005 (-1.117e+005, 4.805e+005)
c3 = 1.5e+005 (-2.922e+005, 5.922e+005)

Goodness of fit:
SSE: 2.585e+014
R-square: 0.9863
Adjusted R-square: 0.9813
RMSE: 3.428e+006
图9 三次拟合

图10 四次拟合
4、
四次拟合
其结果如图10所示。General model Gauss4:
f(x) =
a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2) +
a3*exp(-((x-b3)/c3)^2) + a4*exp(-((x-b4)/c4)^2)
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a1 = 7.066e+005 (-1.127e+021, 1.127e+021)
b1 = 2.747e+005 (-5.816e+017, 5.816e+017)
c1 = 1.589e+004 (-4.387e+018, 4.387e+018)
a2 = 3.038e+011 (-3.368e+032, 3.368e+032)
b2 = 2.236e+005 (-2.279e+023, 2.279e+023)
c2 = 3153 (-5.06e+022, 5.06e+022)
a3 = 8.733e+004 (-7.092e+023, 7.092e+023)
b3 = 1.882e+005 (-2.335e+021, 2.335e+021)
c3 = 3362 (-1.002e+022, 1.002e+022)
a4 = 2.376e+005 (5.77e+004, 4.175e+005)
b4 = 2.798e+005 (-5568, 5.651e+005)
c4 = 2.635e+005 (6.854e+004, 4.585e+005)
Goodness of fit:
SSE: 4.081e+014
R-square: 0.9784
Adjusted R-square: 0.9658
RMSE: 4.635e+006。
三、结论与建议
(一) 结论
本文运用国内近 20年的能源消耗弹性系数以及 30多年 GDP和能源消耗数据的计量模型分析, 得出了以下一些结论:
1、能源消费结构不合理。
从图 1中可以看出, 全国单位 GDP所消耗的能源中, 煤炭和石油这些一次性不可再生能源所占比重非常大, 将近 90%; 而作为清洁能源的水能、风能、核能和天然气的使用比重远远小于煤炭, 只占到 10%左右。2006年以来煤炭和石油的消耗量有所降低, 天然气、水能、风能和核能的使用量有所升高, 由此可见,国内能源消费结构有所调整, 但是从缓慢的变化趋势看成绩并不显著。近年来, 能源危机是全球关注的热点之一。能源价格的短期内大幅度波动, 给各国经济带来了很大的影响。以石油价格为例, 尽管目前国际原油价格跌破每桶 40美元, 但是在 2008年上半年国际原油价格一路狂飙, 在当年的 7月 11日创下历史新高, 达到了147127美元。高油价的出现显示出未来还是存在着大幅度的上升空间, 其负面影响仍是中国可持续发展的隐患。因此, 加大力度改善能源消费结构是推动全国经济持续健康快速发展的主要任务之一。
2、经济产出对能源的依赖度还是很大。从能源消费的弹性系数计算结果中可以看出,1999 - 2004年, 能源消费弹性系数涨幅很大, 特别从2002年到 2003年增长了一倍多, 并且 2003年和 2004年都超过了 1.5。这几年里, 中国经济飞速发展, GDP增长都超过了 10% , 能源消费平均增长率也超过了15% ,可见经济的发展很大程度上依靠了能源的消耗,存在着粗放型的经济增长方式。提高科技水平、提高能源利用率、利用清洁能源是经济可持续发展的新要
求。我国寻求各种途径实现生产对能源的高效利用,减少能源的消费和浪费, 2005年能源消费弹性系数有了明显的下降, 到了 2006年降到了210187。目前世界能源消费的弹性系数总体是在 0.15以下的水平, 我国离世界水平还有一定的距离。
3、能源消耗与 GDP增长之间并非完全是正相关关系。在前面计量分析中, 变量平稳性检验和变量之间协整性检验, 是做格兰杰因果关系检验的前提。在检验过程中, 顺利的得出了两个理想的结论: 1全国能源消耗和 GDP两组数据在时间上是平稳的, 在一段时间内会有规律性的随一个均值做振幅相近的波动; 2两个变量之间是协整关系。从经济意义上看就是对于
中国来说, 能源消耗与 GDP增长之间有着长期的稳定关系。
从全国来看, 能源的消耗一定会引起 GDP的增长, 而 GDP的增长不一定要用能源
的消耗来实现。这个检验否定了我们一贯对两者之间。
(二) 建议从数据分析中得出, 实现 GDP的增长不一定要依靠能源的消耗, 如何有效降低一次性能源在生产生活中的消耗总量, 提高能源的利用率, 是确保国民经济持续、快速、协调、健康发展所面临的一个重大问题。建议从以下几个方面考虑:
1、优化能源消费结构, 开发可循环利用能源和清洁能源。全国单位 GDP中, 消耗的主要是煤炭和石油这些一次性不可再生能源, 这并不利于国民经济的可持续发展。而发展清洁可循环利用的能源, 既能确保能源战略稳定, 又符合环境友好型社会经济的发展要求是实现能源消耗和国民经济增长长期稳定的重要条件我国有着最有潜力也最丰富的清洁能源 ─水电能源水电能源可循环利用, 又是清洁能源, 对生态环境没有负面的影响, 特别是在西南地区, 如云南省就有丰富的水电宝藏, 它有六大水系, 如果得到很好的开发可以代替煤炭和石油而在生产中产生巨大的作用; 还有内蒙土地广阔加上地势高, 有着丰富的风能和太阳能; 沿海以及岛屿地区也有丰富的风能。由此可见我国清洁能源发展具有良好的前景。除此之外核能也有着广阔发展前景。我国拥有很多大型核电站, 如秦山核电站、大亚湾核电站、田湾核电站等等, 核能和水电一样也是非常重要的清洁能源之一, 它的广泛利用推动了我国核燃料工业的发展但是发展中还存在一些有待解决的问题, 例如缺乏长远发展规划的指导, 核电技术与设备国产化进展缓慢核能和平利用的产业规模与水平落后于发达国家, 基础研究和技术开发的资金匮乏。
2、提高能源使用率, 促进能源的循环利用和节约使用。能源的使用效率提高了, 就能以较少的能源消耗实现同样总量或者更多总量的国民经济增长, 还能减少国民经济发展的能源压力, 实现能源消耗和经济发展的长期稳定。而技术是提高能源使用效率的关键因素, 提高能源系统效率、节能降耗和开发利用新能源都必须依靠科技进步, 采用和推广无害或低害新工艺、新技术, 尤其应以具有较为成熟技术支撑的短缺能源的循环利用为突破口, 采取政策诱导和强制技术标准相结合的措施, 降低原材料和能源的消耗, 实现投入少、产出高、低污染。施装备落后等等。
3、优化产业结构, 发展零耗能或者低耗能产业。在推动国民经济发展的产业中重工业的比重占了很大比例, 但是重工业的发展却要靠消耗大量的能源来支撑, 发达国家和发达地区的经验说明: 以重工业为主来带动当地国民经济的发展, 最终的结果是造成能源的大量消耗, 是一种粗放型的经济增长方式。我国 21世纪初的发展就是粗放型的, 经济发展换来能源的过度消耗。在科技兴国的宗旨下, 应该把重点放在培养和引进 IT人才, 发展以技术密集型为主导的 IT产业; 发展以劳动力密集型为主导的制造业; 还应利用国内丰富的旅游资源结合对环境的保护发展生态旅游业。
4、加速产业升级, 实现能源与经济协调发展。 。
由于能源结构与经济产业结构密切相关, 一些工业化国家正是在不断调整能源结构与经济产业结构的基础上, 实现能源与经济协调发展的。坚持能源、环境与经济统一规划, 在决策经济发展规模和确定增长速度时, 一定要充分考虑环境与能源资源的承载能力, 正确处理经济增长与能源资源永续利用的关系, 实现生产力合理布局与能源资源优化配置的统一; 在制定产业政策和调整产业结构时, 一定要注意发展那些消耗少、污染轻、效益好的产业和产品; 把产业结构调整、产品结构调整与解决结构性能源资源浪费和污染结合起来, 实现经济效率与能源资源效率、环境效率的综合统一。
5、发展生态经济和循环经济。构建跨产业生态链, 推进行业间废物循环。还要推进企业清洁生产, 从源头减少废物的产生, 实现由末端治理向污染预防和生产全过程控制转变, 促进企业能源消费、工业固体废弃物、包装废弃物的减量化与资源化利用, 控制和减少污染物排放, 提高资源利用效率。同时强化技术创新, 提高生产的效率, 利用科技的力量减少生产过程中的废弃物排放, 提高废弃物的回收利用率。把一些高耗能, 效率低的产业, 通过政策引导和科技创新的方式, 转变成生态产业, 实现能源的可循环利用和充分利用, 学习和引进先进的生产管理理念,对生产过程中的资源进行合理的配置, 对生产的环节进行科学的管理, 减少各环节的能源浪费, 提高能源在生产过程中的利用率。
6、加大力度争取政府的政策支持。政府要大力扶持一些低耗能, 能源利用率高的、生态的产业, 坚决取缔一些高耗能, GDP贡献率低,环境非友好型产业。政府在技术和政策上都要进行有效的市场引导, 以保持低能源消耗和国民经济的持续稳定发展。

1)夹参考文献:
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高等教育出版社, 200813
[ 2 ] 赵国庆 1计量经济学 [M ] 1北京: 中国人
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