【GCAM 第一期】GCAM模型详细介绍

GCAM 是一个多部门综合评估模型，由美国太平洋西北国家实验室（PNNL）与马里兰大学联合开发，用于模拟全球气候变化、能源系统、经济发展、土地利用和水资源等。

GCAM模型详细介绍 (Global Change Analysis Model)

GCAM (Global Change Analysis Model) ，即全球变化分析模型，是一个用于探索全球变化后果及应对策略的综合评估模型。它由美国西北太平洋国家实验室（PNNL）的联合全球变化研究所（JGCRI）开发并维护。

GCAM 是一个动态递归模型，它将世界经济、能源、农业、土地利用、水资源和气候系统紧密联系在一起，用于模拟和分析长期（通常到2100年）的全球变化情景。

GCAM 的核心在于其市场均衡机制。它通过模拟不同市场（如能源、农产品、温室气体排放许可等）的供需平衡来运作。

局部均衡模型：GCAM 不像一般均衡模型（CGE）那样模拟整个经济的所有部门，而是专注于特定的关键部门（能源、土地、水）。
市场出清：在每一个时间步长（通常为5年），模型会寻找一组价格，使得所有市场的供给等于需求。
技术竞争：在能源和土地利用部门，不同的技术（如煤电 vs. 风电，种植玉米 vs. 种植森林）基于其成本进行竞争。成本越低，市场份额越大（通常使用 Logit 离散选择模型来模拟这种份额分配，避免"赢家通吃"的极端情况）。

A. 能源系统 (Energy System)

这是GCAM最核心的部分，涵盖了从资源开采到最终消费的全过程：

B. 土地利用与农业系统 (Land and Ag System)

该模块模拟全球土地的竞争性使用：

C. 水资源系统 (Water System)

GCAM 较新的版本强化了水资源模块：

D. 气候系统 (Climate System)

GCAM 具有以下显著特点：

全球覆盖与区域细分：
- GCAM 将全球划分为 32个地缘政治区域（如美国、中国、欧盟、印度等）。
- 这使得模型既能分析全球趋势，又能捕捉特定国家的政策影响。
长期时间尺度：
- 模拟时间通常从1990年或2010年开始，一直延续到 2100年。
- 时间步长通常为 5年。
高度集成 (Nexus)：
- 它不仅是能源模型，而是 能源-水-土地 (Energy-Water-Land Nexus) 的耦合模型。它能捕捉到一个部门的政策如何通过连锁反应影响其他部门（例如，推广生物质能可能会增加农业用水压力并导致森林砍伐）。
开源与透明：
- GCAM 是开源的（代码托管在 GitHub），拥有庞大的用户社区。
- 它是基于 C++ 编写的，但通常通过 XML 文件配置输入，并配有数据处理工具（如基于 R 语言的 gcamdata 包）。
情景分析能力：
- GCAM 不是用来"预测"未来的，而是用来进行"情景分析"（What-if analysis）。
- 例如：如果全球实行碳税，能源结构会如何变化？如果某些低碳技术（如CCS，碳捕获与封存）未能商业化，气候目标还能实现吗？

复制代码

*   社会经济假设（人口、GDP增长）。
*   技术参数（电厂造价、效率、寿命）。
*   资源储量（煤炭储量、土地面积、水资源量）。
*   政策约束（排放上限、可再生能源配额）。

复制代码

*   能源消耗量与结构。
*   土地利用变化格局。
*   温室气体排放路径。
*   农产品与能源价格。
*   水资源提取与消耗量。

GCAM-China v6 是由马里兰大学全球可持续发展中心（Center for Global Sustainability, UMD-CGS）维护的一个特定版本的 GCAM 模型。

1. 核心定位与功能

GCAM-China v6 的核心改进在于空间分辨率的细化。

省级拆分 ：该模型将原本作为一个整体区域的"中国"，在能源-经济系统中拆分为 31个省级次区域（Province-level sub-regions）。
电网拆分 ：除了行政区划，它还将电力系统拆分为 6个电网区域（Electricity grid regions）。
全球嵌入：尽管对中国进行了精细化拆分，这些区域仍然嵌入在原本的全球 GCAM 模型框架中，这意味着可以同时分析中国各省与全球其他地区的互动。

2. 版本基础 (Base Version)

该模型并非完全独立开发，而是基于官方主流版本构建：

3. 独有特性 (Unique Features)

相比于标准的 GCAM 模型，GCAM-China v6 增加了三个针对中国国情的独有功能模块：

分负荷段电力模型 (Electricity by power segment)：这通常意味着模型不再只是模拟年均发电量，而是可能考虑了不同负荷段（如基荷、腰荷、峰荷）的电力供需，能更准确地评估可再生能源并网和电力系统灵活性。
详细的工业部门 (Detailed industry)：这是中国特有的版本，意味着对中国庞大的工业体系进行了更细致的行业分类建模，而非笼统的"工业"整体。
居民建筑城乡区分 (Rural / urban in residential building)：在建筑能耗模块中，明确区分了城市和农村的居住建筑。鉴于中国城乡在能源消费结构（如生物质能使用、电气化程度）上的巨大差异，这一区分对于准确预测碳排放至关重要。

安装步骤（快速启动）：

前往 GitHub Releases 页面下载最新版本压缩包（支持 Windows 和 Mac）
地址：github.com/umd-cgs/gcam-china/releases
解压后，Windows 用户点击 run-gcam.bat，Mac 用户点击 run-gcam.command
模型将读取配置文件 configuration_china.xml 并运行所有时间步
输出结果保存在：output/database_basexdb 文件夹