不確定性分析-中國氣候變化信息網(wǎng)

國家溫室氣體清單估算中的不確定性分析中國科學(xué)院猜測科學(xué)爭論中心中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)爭論院劉秀麗2023-06-251提綱不確定性理論的產(chǎn)生和進展清單中的不確定性來源不確定性的主要處理方法：分級法、外推法、代理變量法、專家閱歷法等描述不確定性的兩種方法誤差傳播公式舉例蒙特卡羅方法舉例擔(dān)當(dāng)科研工程簡介2不確定性理論的提出關(guān)于“不確定性”一詞,早在1836年詹姆斯·穆勒臨終前發(fā)表的《政治經(jīng)濟學(xué)是否有用》一文中就已明確提出。不確定理論是概率論、可信性理論、信任性理論的統(tǒng)稱。作為不確定性的第一種——隨機性,荷蘭著名天文、物理兼數(shù)學(xué)家惠更斯早在他1657年出版的著作《論時機玩耍的計算》中就已提出并進展了爭論。但隨機性問題真正為人類所重視,還要歸功于前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家柯爾莫哥洛夫,他于1933年在其專著《概率論的根本概念》中首次提出并建立了在測度論根底上的概率論與公理化方法。3不確定性理論的進展1965年,才由美國學(xué)者扎德(L.A.Zaden)創(chuàng)立了模糊集合論,給出了模糊信息的概念,進展了不確定性的爭論領(lǐng)域。1982年,由我國鄧聚龍教授創(chuàng)立了灰色系統(tǒng)理論,在此根底上建立了灰色集合,產(chǎn)生了灰色數(shù)學(xué)。1990年,由我國工程院院士王光遠教授提出了未確知信息,產(chǎn)生了未確知數(shù)學(xué)。1991年,王清印建立了泛灰集,使之包含了以上全部類型的不確定性信息。(不能根源地反映事物本質(zhì)特性的信息,稱為不確定性信息。)溫室氣體清單估算中的

不確定性來源來自定義的不確定性(例如意義不完整、不清晰或者錯誤定義了一種排放或吸取)；

來自產(chǎn)生排放或吸取過程的自然變率的不確定性；

來自對過程或量的評估結(jié)果的不確定性，依據(jù)所使用的方法，包括：來自測量的不確定性；來自取樣的不確定性；來自未被完整描述的參考數(shù)據(jù)的不確定性；來自專家推斷的不確定性。5不確定性的一些處理方法由不良定義引起的不確定性與源類別的完整性及其歸屬有關(guān)，應(yīng)當(dāng)在進展不確定性分析之前盡早地消退。由自然變率引起的不確定性是排放過程所固有的,可以通過對代表性數(shù)據(jù)進展統(tǒng)計分析來處理。不確定性的主要影響因素國際標準組織(ISO,1993)強調(diào),對于自然物質(zhì),由取樣及獲得代表性樣本的需求引起的不確定性可能超過由測量技術(shù)引起的不確定性。取樣問題涉及到對清單不確定性的評估,獲得代表性取樣的成功或失敗則直接影響清單的不確定性。確定清單不確定性的問題混合了誤差分析中的統(tǒng)計問題以及把統(tǒng)計學(xué)和清單概念與真實世界發(fā)生

大事相匹配的問題。7優(yōu)良作法的幾個根本原則抱負的情形是:輸入量有幾百個測量數(shù)據(jù),可以通過經(jīng)典統(tǒng)計方法估算置信區(qū)間。然而,在大多數(shù)狀況下,只能獲得少量數(shù)據(jù)或完全沒有數(shù)據(jù)。四種類型的信息能以不同程度處理特定的狀況,它們是:

可以獲得的輸入量的測量數(shù)據(jù)；

有關(guān)輸入量極值的信息；

有關(guān)掌握輸入量及其方差的根本過程的信息；專家推斷。8專家推斷法當(dāng)不太可能獲得牢靠數(shù)據(jù)或者現(xiàn)有的清單數(shù)據(jù)缺乏足夠的統(tǒng)計信息時，必需引出專家關(guān)于輸入數(shù)據(jù)本質(zhì)和特性的推斷。通常，只有少量的觀測數(shù)據(jù)被用來確定清單的輸入數(shù)據(jù)，因此在很大程度上必需依靠于專家推斷。專家可能不情愿供給關(guān)于數(shù)據(jù)質(zhì)量和不確定性的定量信息，相反更情愿供給不確定性或其它定性輸入的相對水平。假設(shè)必要的話，應(yīng)當(dāng)讓專家知道，在缺乏專家推斷時，可以應(yīng)用IPCC缺省的不確定性范圍。假設(shè)專家推斷考慮了全部可以獲得的數(shù)據(jù)，包括對被檢測輸入量具有特地學(xué)問或閱歷的人的合理意見，并且假設(shè)專家推斷已形成文件，這些文件可以清晰地解釋專家推斷以滿足外界的具體審查，那么利用專家推斷進展不確定性的定量估算是可以承受的(Cullen和Frey1999)。通過專家推斷或其它方式進展不確定性估算的關(guān)鍵要求是考慮全部可能的不確定性來源。注：清單不確定性定量分析的結(jié)果最多只是供給了對清單不確定性的一種估算，而且這些置信區(qū)間本身也存在很大的不確定性。9外推法和代理變量法在很多狀況下,無法獲得某一地區(qū)或某一特定過程的活動數(shù)據(jù)和排放因子。因而，需要利用在不同地區(qū)或依據(jù)不同類型過程確定的排放因子來估算排放,這就是外推過程。外推法基于對IPCC指南的算法以及對全國清單年份輸入量的了解。另外，有可能利用代理變量來計算排放值。當(dāng)利用外推或代理變量時，必需對所選數(shù)值的代表性進展評估，假設(shè)使用類似的條件或過程，那么數(shù)據(jù)的代表性越強，結(jié)果也越準確。〔制度變量是描述制度環(huán)境、制度安排和制度變遷的變量，具有抽象難以量化等特點，但現(xiàn)實中并不存在這樣一個獨立的變量，因此必需找到能夠近似描述整體制度以及制度變遷的一系列經(jīng)濟變量和政治變量的集合，這些變量就是所謂制度的代理變量?！?0分級法假設(shè)可用數(shù)據(jù)來自隨機取樣，應(yīng)用統(tǒng)計方法可以估算與外推相關(guān)的不確定性。不過，在國家清單的情形下,很少有數(shù)據(jù)來自隨機取樣。因此,考慮到溫室氣體排放和吸取的不均勻特性,關(guān)于外推的關(guān)鍵問題是與非代表性或代表性取樣相關(guān)的不確定性。例如，把從澆灌水稻得到的排放速率外推到包括雨養(yǎng)水稻的鄉(xiāng)村地區(qū)將會帶來很大的不確定性，相反,可以把農(nóng)村的活動數(shù)據(jù)劃分成澆灌水稻和雨養(yǎng)水稻，從而得到特別牢靠的分析。在生物圈中，均一性很少存在，因此分級是一種治理和削減清單估算不確定性的強有力方法。在活動數(shù)據(jù)和排放因子之間存在協(xié)方差的狀況下，分級取樣是一種有用的方法?？梢酝ㄟ^把活動數(shù)據(jù)和排放因子分成認真選擇的集合來降低協(xié)方差，在IPCC清單方法學(xué)中，這種方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。11分級取樣的步驟第一步需要識別對所考慮排放具有重大影響的變量(環(huán)境變量、技術(shù)變量等),有關(guān)這些變量影響的學(xué)問可能來自試驗室爭論、理論模擬、田間觀測或其它途徑。識別出關(guān)鍵變量后，必需估算清單范圍內(nèi)這些變量的累積分布。最終，必需檢查核對，依據(jù)這些分布，可用的觀測結(jié)果是否構(gòu)成具有代表性的樣本，假設(shè)沒有，可以對分布進展分級，設(shè)計并執(zhí)行一個取樣程序，以獲得代表性數(shù)據(jù)，這些代表性數(shù)據(jù)可用來修正排放算法?；诖硇詳?shù)據(jù)集的排放算法是高質(zhì)量清單的一個必要的先決條件。12分級+外推+專家推斷假設(shè)具備充分的資源，就可以進展監(jiān)測活動，設(shè)計測量結(jié)果的分級樣本，選擇最適合的變量對樣本(產(chǎn)品、過程、工廠、領(lǐng)土、人口)進展分級，完整的數(shù)據(jù)集可用來估算概率密度函數(shù)和簡要統(tǒng)計量，然后利用統(tǒng)計工具來計算平均值的偏差和方差，置信區(qū)間及誤差分布。當(dāng)區(qū)域水平上的數(shù)據(jù)喪失時，假設(shè)細心選擇具有類似來源特征的數(shù)據(jù)，就有可能依據(jù)現(xiàn)有文獻來外推出相關(guān)信息，在此情形下，需要專家推斷。1314有關(guān)代表性數(shù)據(jù)問題的例子——旱地作物施肥中的N2O排放用來構(gòu)建當(dāng)前IPCC清單算法以及全球排放因子缺省值的大局部數(shù)據(jù)來自北半球溫帶耕作制，Bouwman(1996)提出了一種極好的對源自施肥的N2O排放數(shù)據(jù)(當(dāng)時可以獲得的)進展系統(tǒng)分析的方法，推導(dǎo)出一種只基于氮肥施用量和一個排放因子的算法。然而正如Bouwman(1996)所成認的那樣，土壤科學(xué)指出，存在其它對排放變化起作用的關(guān)鍵因子，包括土壤溫度、土壤肥力、降雨頻率、降雨量、土壤澇漬以及肥料成分。其結(jié)果是，主要依據(jù)北半球溫帶耕作制推導(dǎo)出的排放因子可能在熱帶炎熱氣候下并不適合，那里相關(guān)的環(huán)境變量如土壤溫度和降雨頻率完全不同于溫帶地區(qū)，當(dāng)在熱帶地區(qū)應(yīng)用IPCC算法和排放因子(基于可以得到的最正確數(shù)據(jù))時，得到的排放估算可能產(chǎn)生無意的偏差，潛在的偏差來源于缺乏適當(dāng)?shù)臒釒欧艛?shù)據(jù)。因此，存在有關(guān)源自施肥的N2O排放根本數(shù)據(jù)代表性的問題，在缺乏關(guān)鍵排放或吸取的代表性數(shù)據(jù)的狀況下(例如上述源自施肥的N2O排放的例子)，必需建立適當(dāng)?shù)臏y量，之后對算法和排放因子進展評審，在諸如此類的狀況下，全球排放因子缺省值應(yīng)當(dāng)被(更適當(dāng)?shù)?區(qū)域缺省值所取代。這一評審數(shù)據(jù)代表性和填補關(guān)鍵數(shù)據(jù)空白的過程將會極大地增加清單估算的信度，這是一個降低清單不確定性的關(guān)鍵問題，代表了優(yōu)良作法，這個例子僅是改進關(guān)鍵數(shù)據(jù)代表性的很多例子中的一個。15描述不確定性分析的兩種方法方法1：使用誤差傳播公式并通過規(guī)章A和B來估算源類別的不確定性，源類別的不確定性的簡潔合并就可以估算一年的總體不確定性以及趨勢的不確定性。方法2：使用蒙特卡洛分析來估算源類別的不確定性，然后使用蒙特卡羅技術(shù)來估算一年的總體不確定性以及趨勢的不確定性。16A型和B型兩種敏感性A型敏感性：基年和當(dāng)年之間總排放差異的變化，以百分比表示，是由于基年和當(dāng)年的某一特定源類別和氣體的排放增加1%而引起的。B型敏感性：基年和當(dāng)年之間總排放差異的變化，以百分比表示，是由于當(dāng)年的某一特定源類別和氣體的排放增加1%而引起的。A型敏感性是由于同等地影響基年和當(dāng)年排放的不確定性而引起的，B型敏感性則是由于只影響當(dāng)年的不確定性而引起的。不同年份之間的完全相關(guān)的不確定性將與A型敏感性相聯(lián)系，不同年份之間不相關(guān)的不確定性將與B型敏感性相聯(lián)系。排放因子的不確定性傾向于具有A型敏感性。活動水平數(shù)據(jù)的不確定性傾向于具有B型敏感性。17使用誤差傳播方程的條件排放的不確定性可以通過誤差傳播方程從活動和排放因子的不確定性中傳播(Mandel984Bevington和Robinson1992)，使用這種方法的條件是：

不確定性相對較小，標準偏差除以平均值要小于0.3;

不確定性具有高斯(正態(tài))分布;

不確定性沒有重大的協(xié)方差;注:協(xié)方差是描述兩個隨機變量X和Y相關(guān)程度的量,協(xié)方差為0的兩個隨機變量稱為是不相關(guān)的。18192021MonteCarlo方法的來源蒙特卡羅(MonteCarlo)方法，或稱計算機隨機模擬方法，是一種基于“隨機數(shù)”的計算方法。這一方法源于美國在第一次世界大戰(zhàn)研制原子彈的“曼哈頓打算”。該打算的主持人之一、數(shù)學(xué)家馮·諾伊曼用著名世界的賭城—摩納哥的MonteCarlo—來命名這種方法，為它蒙上了一層奇妙顏色。MonteCarlo方法的進展MonteCarlo方法的根本思想很早以前就被人們所覺察和利用。早在17世紀，人們就知道用大事發(fā)生的“頻率”來打算大事的“概率”。本世紀40年月電子計算機的消失，特殊是近年來高速電子計算機的消失，使得用數(shù)學(xué)方法在計算機上大量、快速地模擬這樣的試驗成為可能。用MonteCarlo方法求“圖形”面積考慮平面上的一個邊長為1的正方形及其內(nèi)部的一個外形不規(guī)章的“圖形”，如何求出這個“圖形”的面積呢？MonteCarlo方法是這樣一種“隨機化”的方法：向該正方形“隨機地”投擲N個點，假設(shè)有M個點落于“圖形”內(nèi)，則該“圖形”的面積近似為M/N。該方法是依據(jù)實際問題所遵循的概率統(tǒng)計規(guī)律，用電子計算機直接進展抽樣試驗，然后計算其統(tǒng)計參數(shù)。也稱直接MonteCarlo方法。蒙特卡洛方法的根本思想當(dāng)問題可以抽象為某個確定的數(shù)學(xué)問題時，應(yīng)當(dāng)首先建立一個恰當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ?，即確定某個隨機大事A或隨機變量X，使得待求的解等于隨機大事消失的概率或隨機變量的數(shù)學(xué)期望值。然后進展模擬試驗，即重復(fù)屢次地模擬隨機大事A或隨機變量X。最終對隨機試驗結(jié)果進展統(tǒng)計平均，求出A消失的頻數(shù)或X的平均值作為問題的近似解。該方法也稱間接蒙特卡洛方法。25蒙特卡洛方法的理論根底26，均27用蒙特卡洛方法來確定不確定性步驟1:確定源類別的不確定性確定根本數(shù)據(jù)的不確定性，包括排放因子和活動數(shù)據(jù)及其相關(guān)的平均值和概率分布函數(shù)，以及不同源類別之間的任何穿插相關(guān)。步驟2:建立軟件包包括排放清單計算、概率密度函數(shù)和相關(guān)值等。步驟3:選擇隨機變量對于每一個輸入數(shù)據(jù)項〔排放因子或活動數(shù)據(jù)〕，可以從該變量的概率密度函數(shù)中隨機選擇一個數(shù)值。步驟4:估算排放步驟5:重復(fù)和監(jiān)控結(jié)果2829(1)使用可以獲得的觀測結(jié)果和專家推斷來確定輸入量的不確定性；

(2)系統(tǒng)、透亮地記錄這些輸入資料；

(3)檢測可以獲得的排放數(shù)據(jù)以確定是否進展了代表性取樣；

(4)設(shè)計另外的取樣.假設(shè)沒有得到代表性取樣,對關(guān)鍵源類別的參數(shù)缺省值和算法進展修正；

(5)利用各領(lǐng)域的優(yōu)良作法指南,選擇一個可以表示數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)；

(6)評估輸入量之間任何重要的相關(guān)(協(xié)方差)；

(7)假設(shè)不確定性很小且為高斯分布，通過近似法傳播不確定性；

(8)否則，在可以獲得資源的狀況下，通過蒙特卡羅方法傳播不確定性;(9)記錄不確定性。確定排放和吸取估算不確定性的優(yōu)良作法的關(guān)鍵特征例子：近似數(shù)定點運算的誤差分析

擔(dān)當(dāng)科研工程簡介(19項)能源環(huán)境類:中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部重大工程“建筑節(jié)能標準對國民經(jīng)濟和社會進展影響的模型測算”與美國ILLINOIS大學(xué)的合作爭論“全球變暖背景下中國、美國能源消耗及溫室氣體排放的比較和應(yīng)對措施爭論”中國科學(xué)院學(xué)部詢問評議工程“我國溫室氣體排放的猜測模型探究”爭論中國科學(xué)院學(xué)問創(chuàng)新重要方向工程“節(jié)能減排的經(jīng)濟環(huán)境影響評價爭論”其他類工程:國家自然科學(xué)青年基金工程:“可持續(xù)進展水資源治理的投入占用產(chǎn)出模型爭論和應(yīng)用”中國科學(xué)院重點工程“全國糧食產(chǎn)量猜測”水利部重大工程“水利與國民經(jīng)濟協(xié)調(diào)進展爭論”國家自然科學(xué)基金跨學(xué)部重點工程“非線性和動態(tài)投入占用產(chǎn)出技術(shù)及其應(yīng)用爭論”……

32中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程“建筑節(jié)能標準對國民經(jīng)濟和社會進展影響的模型測算”

33李京文院士為首的專家組的有關(guān)評審意見

34第一屆國際應(yīng)用能源

會議的論文接收函35工程和計算科學(xué)世界大會(IEEE)論文接收函將發(fā)表在EnergyandBuildings(SCI)上的論文征求修改意見函36AwardforIntellectualContributionstoRegionalEconomicsApplicationsLaboratory2023372023年獲“北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎”團體獎3839已完成政策建議和爭論報告(22篇)被國辦或中辦承受13篇，獲得國家主要領(lǐng)導(dǎo)人的重要批示30次，被承受報告標題如下：擴大居民消費提振經(jīng)濟，政策措施應(yīng)因產(chǎn)業(yè)部門而異“十一五”建筑節(jié)能目標可超額完成，既有建筑節(jié)能改造仍有很大潛力可挖關(guān)于建立科學(xué)的衡量能源消費水平指標的建議中科院專家關(guān)于暴雪和凍雨災(zāi)難對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的分析與對策建議2023-2023年全國糧食、棉花和油料產(chǎn)量猜測報告〔9份〕中心主要領(lǐng)導(dǎo)局部批示胡錦濤：“家寶并培炎、良玉同志：猜測棉花減產(chǎn)，我儲藏狀況如何？是否需增加進口？請酌。胡錦濤1/5”。(2023年5月1日)李克強:“如何挖掘國內(nèi)居民消費潛力以替代因國際市場需求驟減造成的出口消費品等力量過大，這是一篇大文章。要對例如“家電下鄉(xiāng)”等一些重要的措施想成的效果做全面測算。并爭論實行新舉措以帶動產(chǎn)業(yè)，促進就業(yè)。”(2023年1月28號)曾慶紅：“這是有科學(xué)依據(jù)的好消息。特別贊成中科院重視農(nóng)業(yè)科技的意見，這是解決三農(nóng)問題的具體表達”。(2023年5月9日〕劉延?xùn)|：“猜測中心以解決現(xiàn)實問題促進理論創(chuàng)新，以理論創(chuàng)新提升力量水平，為國家宏觀決策效勞，這一爭論方向和科學(xué)態(tài)度值得贊許和發(fā)揚?！薄?023年7月9日〕陳至立：“猜測爭論很好，為國家供給了重要的根底性數(shù)據(jù)。望連續(xù)發(fā)揮中科院多學(xué)科爭論的綜合優(yōu)勢，爭取更大突破”〔2023年5月8日〕40已發(fā)表論文(41篇)41其中34篇是第一作者，代表性論文：XiuliLiu,XikangChen,ShouyangWang,Evaluating

and

Predicting

Shadow

Prices

of

Water

Resources

in

China

and

Its

Nine

Major

River

Basins,WaterResourceManagement,2023,AcceptedXiuliLiu,XikangChen,MethodsforapproximatingshadowpriceofwaterinChina,EconomicSystemsResearch，Vol(20)，No.2，2023,pp.173-185.XiuliLiu,XikangChen,TheNon-linearImportantCoefficientsInput-Holding-OutputModel,InternationalJournalofAppliedEconomicsandEconometrics,2023,Vol.13,No.3,pp.429-438.XiuliLiu,CPE-IHOModeltoCalculatetheDirect,CompleteandConjunctImpactofUnfairImportationonImportCountry’sEconomy,InternationalJournalofAppliedEconomicsandEconometrics,2023,Vol.14,No.1,