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    中國經濟中的規模理論:城市、經濟、新冠疫情與碳排放之間的聯系
    來源:碳排放管理師網 碳排放管理師網 發布時間:2021-12-10

    規模理論(Scaling Law)

    理論物理學家杰弗里-韋斯特(Geoffrey West )因其在生物學與城市科學領域中 開創性的研究而聞名于世。韋斯特團隊先后在《科學》、《自然》雜志發表論文指出,無論是生物有機體還是像城市這樣的社會經濟組織,在規??s放 (Allometric Scaling Laws)方面都表現出一定的普遍性。在城市科學方面,韋斯特團隊的研究將這種普遍性量化為具體的統計規律:城市的能源消耗和基礎設施 數量如加油站等會隨著人口規模的增加呈亞線性增長,冪律關系指數約為 0.85。

    而社會經濟變量,如 GDP、工資、創新、財富以及犯罪和疾病等,則會隨著人口規模的增加而呈超線性增長,其指數約為1.15(冪律關系等式為 Y(t) = Y0N(t)β,其中 t 為時間,Y 代表在基礎設施或社會經濟變量,N 代表人口,β 代表冪律關系指數)。

    換句話說,城市越大,人均能源消耗以及所需基礎設施越少,但人均 GDP,申請的專利,流感的病例等卻越多。如果把一個城市的規模擴大一倍,人均 GDP 和專利創新數將增加大約 15%。真正令人驚訝的是,這些 簡單的冪律關系已經被全球幾百個城市多年的數據所證實,特別是在工業革命之后,無論城市的政治、文化和人口結構差異如何,這一關系始終存在。2017 年, 韋斯特將多年相關研究進行整理總結,出版《規模:復雜世界的簡單法則》一書, 在自然科學與經濟學領域獲得強烈反響。相對于傳統經濟學,城市規模理論站在更宏觀的角度為經濟發展的底層邏輯和趨勢構建了物理學框架。(下圖展示了美國 360 個城市地區人口與經濟指標以及犯罪率的冪律關系)

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    根據韋斯特團隊對城市規模理論的研究結果,我們不難發現本質上對于一個國家 的經濟增長和社會發展而言,人口基數和城市化起到極其關鍵的作用,因為歸 根結底人類的一切社會經濟產出都源于人與人之間的相互接觸,而城市既是人們相互接觸碰撞的產物,也是促進人們繼續溝通交流的溫床。這也就解釋了為何 從 GDP 到工資,從專利數量到供應鏈企業的數量,從企業利潤到股票市場價值, 甚至于城市居民步行的平均速度,無一不遵循規模理論的統計學規律。

    值得注意 的是,中國過去幾十年的經濟發展被世界上很多學者和經濟學家稱為 "人類歷史 上偉大的經濟奇跡",這也引發了大量相關經濟研究與分析,但如果考慮到在過 去的 40 年里,中國的城市人口比例從不足 20%增加到現在的 60%以上,城市規 模理論也許能為這一宏偉現象提供不同維度的解釋。(作為比較,在類似的人口基礎上,印度現在的城市化率低于 35%)更重要的是,根據這一邏輯,中國經濟未來的高速崛起似乎是不可避免的:由于中國城市化率仍有較大的上升空間(目前發達國家的平均城市化率約為 80%,而中國為 64%左右),隨著持續的城市化進程,中國將出現越來越多的超級城市。

    截至到 2020 年,世界上最大的 100 個城市中,大約四分之一已經來自中國,考慮到中國龐大的人口基數,這樣的比例大概率會繼續增加。而中國政府的政策規劃(例如城市圈規劃,鼓勵生育等)只會加速這一進程。在統計力學中,普遍性(Universality)意味著系統的一些屬性,是獨立于系統的動態細節之外的。我們上面討論的 1.15 冪律關系適用于所有現代城市的所有社會 經濟變量,無論是紐約還是香港,巴黎,還是上海。簡而言之,中國的優勢是未 來會有更多這樣的大城市崛起,而在當今社會一個國家的經濟增長無疑主要來源于其城市的貢獻。普遍性的存在還意味著,盡管有短期的波動和沖擊,中國經濟 發展的長期趨勢是難以被打破的。

    壓力測試(A Stress Test)

    城市規模理論(Urban Scaling Theory)可能會帶來一種錯覺,即城市化和人口一定會帶來經濟繁榮和社會發展。其實不然,隨著系統越來越龐大,內部聯系越來 越多,它積累的尾部風險就越大,系統就愈加脆弱。事實上,正如積極和良好的一面,我們的社會經濟互動的黑暗面,如犯罪、污染和疾病也遵循超線性的 1.15 冪律。從這個方面來看,風險管理可以被認為是政府政策的核心作用之一,而新冠全球疫情則可看作是對各國管理系統的自然壓力測試。

    根據普遍性,新冠疫情的感染案例與城市的人口規模成超線性比例。而來自《自 然》(2021 年 6 月)雜志最新的研究證實了疫情爆發初期感染數量與城市人口的冪律系數依然在 1.15 左右。這意味著,一個有百萬人口的城市的感染人數翻 倍需要耗費的時間是一個只有 1 萬人口城市的一半左右。(下圖展示了新冠確診數日增率和城市人口的冪律關系,以及冪律指數隨著疫情發展的變化軌跡,注意這里的δ = β − 1,而β即上文提到的冪律指數)

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    Source:stier.A.J.,Berman,M.G.&Bettencourt,L.M.A.Earlypandemic COVID-19 case growth rate increase with city size .npj Urban Sustain1,31(2021).

    新冠傳播與城市人口的冪律關系也預示著,控制病毒的困難程度會隨著人口規模的增加而呈超指數級增長。這也解釋了:1.為什么簡單比較各國(不同規模)在疫情期間的表現是完全無視非線性關系的無意義行為。2.中國根據自身規模所采取的疫情防控手段是最優的解決方案之一。

    盡管中國擁有世界上最大的人口規模和一些最大的城市,盡管武漢(最大的城市之一)在病毒爆發初期缺少詳細的病理信息,但中國已經成為第一批從疫情中恢復并維持社會正常運轉的少數幾個國家之一。站在規模理論的角度上看,這一成就是超乎尋常的,特別是考慮到目前世界其他地區的疫情情況。在過去的幾十年里,中國政府在各種危機中顯示了很強的應對能力,從亞洲金融危機到四川地震,從政治腐敗到目前的新冠疫情都表現出了這種能力。

    綠色未來

    應對氣候變化問題近年來升級成為全世界經濟社會發展中最大的挑戰之一,而追 根溯源可應用城市規模理論來研究分析,因為能源消耗與城市人口呈亞線性關系,而污染與城市人口呈超線性關系。因此,二氧化碳排放在這里具有雙面性, 而有關研究也提供了不同的冪律系數測量,范圍從 0.5 到 1.4 不等。一般來說, 發展中國家的城市的冪律指數大于 1,而發達經濟體的城市的指數小于 1,這意 味著完成城市化的城市在二氧化碳排放方面表現出規模經濟效應(economies of scale),而還在城市化進程中的城市(如中國)則表現出規模遞增效應(increasing returns to scale)。值得注意的是目前世界上大多數人口依然屬于發展中地區。下圖顯示了世界每年的二氧化碳排放量。

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    上圖這樣指數式增長的趨勢不經過重大努力是很難被打破的(這也是同樣指數式 增長的新冠疫情帶給我們的教訓)。因此,世界各地的政府和機構不應僅僅關注 自身的經濟增長,更需要不斷監測和減輕碳排放,共同建設一個可持續發展的未 來。正如中國在過去幾十年里一直是全球經濟增長的主要貢獻者,中國也成為了全球二氧化碳的主要排放源。下圖展示了中國二氧化碳排放在全球的份額。

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    在沒有外部措施干預的情況下,根據規模理論,中國碳排放的份額(上圖)隨著 城市化進程在未來會增長得更多。幸運的是,國家政府已經意識到了這種風險, 這可以從近年來的政策和措施中得到反映。去年,中國國家主席習近平在聯合國 大會上承諾,中國將在 2060 年前實現碳中和,這使中國與全球目標保持一致, 即在此期間將全球變暖限制在 1.5℃以內。隨著“碳達峰,碳中和”目標的確立, 綠色發展最近在全國范圍內也被列為重點方向,目前中國已經成為僅次于美國的 世界第二大綠色債券市場。站在規模理論的角度,以碳減排為核心的綠色發展可以看作是在超線性的經濟增長和系統脆弱性中尋求平衡點的發展方式,既維持城市人口規模效應所帶來的社會經濟發展,又防范隨之而來的系統性風險。

    未來充滿變化,不可預測,中國的經濟增長軌跡難免有意外和波動,但在以綠色發展為核心的政策支持下,基于城市人口規模的整體發展趨勢是難以被打破的。

    文獻參考(Reference)

    Bettencourt, L. M. A., Lobo, J., Helbing, D., Kühnert, C. & West, G. B. Growth, innovation, scaling, and the pace of life in cities. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 7301–7306 (2007).

    Bettencourt, L. M. A. & West, G. A unified theory of urban living. Nature 467, 912–913 (2010).

    Fragkias, M., Lobo, J., Strumsky, D. & Seto, K. C. Does size matter? Scaling of CO2 emissions and U.S. urban areas. PLoS ONE 8, e64727 (2013).

    Oliveira, E. A., Andrade, J. S. & Makse, H. A. Large cities are less green. Sci. Rep. 4, 4235 (2014).

    Rybski, D. et al. Cities as nuclei of sustainability? Environ. Plan. B 44, 425–440 (2017).

    Ribeiro, H.V., Rybski, D. & Kropp, J.P. Effects of changing population or density on urban carbon dioxide emissions. Nat Commun 10, 3204 (2019).

    Stier, A.J., Berman, M.G. & Bettencourt, L.M.A. Early pandemic COVID-19 case growth rates increase with city size. npj Urban Sustain 1, 31 (2021). https://doi.org/10.1038/s42949-021-00030-0

    (作者系海南省綠色金融研究院 席卓)

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