全球经济的长期演变——第2部分：未来的预测

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英文标题：
《Long-run evolution of the global economy - Part 2: Hindcasts of
  innovation and growth》
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作者：
Timothy J. Garrett
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最新提交年份：
2016
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英文摘要：
  Long-range climate forecasts use integrated assessment models to link the global economy to greenhouse gas emissions. This paper evaluates an alternative economic framework outlined in part 1 of this study (Garrett, 2014) that approaches the global economy using purely physical principles rather than explicitly resolved societal dynamics. If this model is initialized with economic data from the 1950s, it yields hindcasts for how fast global economic production and energy consumption grew between 2000 and 2010 with skill scores > 90 % relative to a model of persistence in trends. The model appears to attain high skill partly because there was a strong impulse of discovery of fossil fuel energy reserves in the mid-twentieth century that helped civilization to grow rapidly as a deterministic physical response. Forecasting the coming century may prove more of a challenge because the effect of the energy impulse appears to have nearly run its course. Nonetheless, an understanding of the external forces that drive civilization may help development of constrained futures for the coupled evolution of civilization and climate during the Anthropocene.
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中文摘要：
长期气候预测使用综合评估模型将全球经济与温室气体排放联系起来。本文评估了本研究（Garrett，2014）第1部分中概述的另一种经济框架，该框架使用纯粹的物理原理，而不是明确解决的社会动力学来研究全球经济。如果这个模型是用20世纪50年代的经济数据初始化的，它会对2000年至2010年间全球经济生产和能源消耗的增长速度产生后预测，与趋势持续性模型相比，技能得分>90%。该模型似乎获得了很高的技巧，部分原因是在20世纪中叶，人们强烈地希望发现化石燃料能源储备，这有助于文明作为一种确定性的物理反应迅速发展。预测下一个世纪可能会被证明是一个更大的挑战，因为能源冲动的影响似乎已经接近尾声。尽管如此，了解驱动文明的外部力量可能有助于人类世文明和气候耦合演化的有限未来的发展。
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分类信息：

一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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PDF下载：
--> Long-run_evolution_of_the_global_economy_-_Part_2:_Hindcasts_of_innovation_and_growth.pdf (993.87 KB)

2022-5-11 13:11:49 上传

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关键词：全球经济 Quantitative Applications QUANTITATIV Development

全球经济的长期演变——第2部分：创新和增长的后遗症蒂莫西·J·加勒特美国犹他大学盐湖城大气科学系，蒂姆。garrett@utah.eduAbstractLong-范围气候预测使用综合评估模型将全球经济与温室气体排放联系起来。本文评估了本研究（Garrett，2014）第1部分中概述的另一种经济框架，该框架使用纯粹的物理原理，而不是明确解决的社会动力学来研究全球经济。如果这个模型是用20世纪50年代的经济数据初始化的，它会对2000年至2010年间全球经济生产和能源消耗的增长速度产生后预测，与趋势持续性模型相比，技能得分>90%。该模型似乎获得了很高的技巧，部分原因是在20世纪中叶，人们强烈希望发现化石燃料能源储备，这有助于文明作为一种决定性的物理反应迅速发展。预测下一个世纪可能会被证明是一个更大的挑战，因为能量脉冲的影响似乎已经接近尾声。尽管如此，对驱动文明的外部力量的理解可能有助于发展文明和气候在第三纪耦合演化的受限未来。1简介气候模拟需要综合评估模型（IAMs）的温室气体排放未来情景作为输入。

IAMs旨在探索如何在缓解气候变化的同时优化社会福利。人类行为的计算是在区域和部门的基础上进行的，可能相当复杂，可能有数百个方程式来解释人类决策、技术变革和经济增长之间的相互作用（莫斯等人，2010年；IPCC，2014年）。定期更新模型情景，以说明观测到的排放轨迹。例如，人们注意到，全球二氧化碳（CO）排放率不仅沿着“一切照旧”（BAU）的轨迹增长，而且事实上略微超过了它（Raupach et al.，2007；Peters et al.，2013），尽管有一系列旨在实现相反目标的国际协议（Nordhaus，2010）。排放增长的稳定性可能表明，人类系统具有惯性，就像物理系统一样。当前的变化反映了之前事件的累积，因此来自过去的持续力量往往对现在的影响最大。这种大规模趋势往往会持续到未来，因为它们对当前的小规模快速部队反应最差，这些部队在之前的行动历史中被稀释（Hasselman，1976）。也许今天我们很难摆脱化石燃料，因为我们至少花了一个世纪的时间积累了一个庞大的全球基础设施，用于化石燃料的消费。并不是说当前推动人类文明向可再生能源发展的努力无法改变这种碳依赖的轨迹，而是需要付出相当大的努力和时间。惯性为BAU轨迹提供了合理性，尤其是对于在空间和时间上高度整合的东西，就像整个文明的共同任务一样。尽管如此，假设趋势的持续性是目前为止应该做的事情。

通过与气象预报的类比，可以合理地假设晴朗的天空将迎来一个阳光灿烂的日子。然而，预测天气模型是基于基本的物理原理，告诉我们它不能保持阳光。即使是一组非常简单的方程式也表明，在某个时刻，锋面将经过，云层将形成，高压系统将衰变。正是通过正确掌握基本物理知识，我们才能在任何预测尝试中获得一定程度的积极技能（图1）。IAMs的宏观经济组成部分不能提供可指定技能分数的真实预测。相反，它们反映了专家的意见（Moss等人，2010年），并且大多不受外部物理力的约束，因为它们是政策驱动的，并且是数学构造的，以便考虑到极其广泛的可能未来（Pindyck，2013年）。他们认为劳动力、物质资本和受人类启发的技术变革是经济生产和增长的动力。重点是个人、国家和经济部门。模型方程描述了物质资本和人类繁荣如何随时间增长，以及能源选择如何与温室气体排放相联系（索洛，1956年；诺德豪斯和施托尔克，2013年）。本研究的第1部分（Garrett，2014，以下简称第1部分）描述了第二种更具确定性的方法。COI被认为是长寿命且在大气中混合良好的物质，因此温室效应的大小基本上与人为排放的国家来源无关。然后，文明可以被描述为一个整体，在这个整体中，个人、地区或部门层面的小规模细节没有得到明确处理。

模型中唯一需要解决的问题是一个综合的全球经济，它包含所有文明元素，包括人力资本和物质资本的总和。作为IAMs的替代方案，这种新方法提供了一种在通用框架下集成人类系统和物理系统的方法，其中控制方程始终源自第一热力学原理。与预测天气模型的原始方程非常相似，全球经济增长被表示为对驱动能量耗散和物质流动的外部梯度的非平衡响应。人类的决定没有明确的规则；物理学不容易用数学表达政策。相反，经济创新和增长主要被视为一种地球物理现象，换句话说，整个文明被表达为对可用原材料和能源储备的紧急反应。无论采用何种方法，对任何社会模式进行绩效评估都很重要。天气、气候和财务模型定期通过事后预测或回溯测试进行评估。模拟人类长期发展的经济模型也不例外。一个好的模式，即使是一个包含政治的模式，也应该能够从几十年前的某个时刻开始，以积极的技巧再现当前的事件。为了消除持久性的零技能后遗症，该模型将尽可能地调用对并发趋势的响应。在第二次世界大战后的时期，一条经济“阵线”通过，推动文明走向前所未有的繁荣，并由此产生温室气体排放。本文考察了第一部分介绍的理论模型是否能够解释这一前沿的演变。

第2节概述了用物理学描述经济演化的哲学和热力学基础。第3节从事后预测中评估该模型。第4节和第5节讨论并总结了结果。2.经济增长的动力2。1能量耗散与人类财富的关系文明增长的非平衡热力学的正式框架在第1部分中给出（加勒特，2014）。将经济学与物理学联系起来的模型的基础是一个基本的恒等式，它将财富的货币表达与文明以一次能源为自身提供动力的速度联系起来（加勒特，2011）。由于我们有农场、建筑、人口、交通工具和通讯网络，我们都对文明与其未开化环境之间的差异有某种感觉。如图2所示，并在附录A中讨论，这种差异意味着文明与其环境之间存在梯度。梯度允许不可逆的热力学流动。文明对潜在能量的消耗和耗散维持着文明内部的可逆循环，这是其所有活动的特征。第一部分提出的假设是，文明实际上是一台热机，其能量可以用更人性化的术语表示为经济财富。如果没有任何能源消耗，文明必然会走向一种不文明、毫无价值的平衡，在这种平衡中，梯度不再存在，所有内部循环都会停止。财富只有通过网络在环境中成长才能增长。真正的经济生产发生在原材料以比文明衰退更快的速度融入文明结构的时候（图2）。以净正增长率扩展文明与能源储备的界面。

它扩大了文明，创造了新的财富，提高了文明消费和维持内部循环的整体能力。用整体表示，当前经济财富是过去净体力劳动和实际经济生产的净积累。实际上，财富本身并不存在。相反，正如第1部分所讨论的，财富是建立在联系网络上的，是物质长度密度和能量潜力的乘积。图1：预测的积极技能（黑线）要求在预测数量的未来演变（红线）方面比坚持做得更好。耗散流，只要存在驱动流的势能梯度。对于整个文明来说，财富是通过我们与化石、核能和可再生能源储备的联系，通过初级电力消耗来维持的。在文明内部，人们的解释是，财富来自我们自身和“物质资本”之间的联系，以及交通、电信和社交网络的流通。文明的各个方面，无论是社会的还是物质的，都在争夺全球可用的潜在能源。任何元素价值的金融表达反映了其联系使文明不可逆地消耗潜在能量以维持全球经济可逆循环的相对程度。虽然经济生产和增长需要能源消耗，但在过去的生产中积累的连接网络中，通常需要更多的能源来维持循环。模拟物是成年人。人的身体也是一个在童年和青春期发展起来的联系网络。

目前的日常食物消耗中，用于维持生命的远远多于任何额外的体重增加。类似地，几十年前通过建造房屋为文明增加的价值仍然对今天的价值有贡献，因为它是支持居民日常节奏的更大网络的一部分。这一假设的分析公式是，所有文明的瞬时功耗或初级能源消耗率a（以每时间或每功率的能量单位表示）通过一个常数λ（以每货币的功率单位表示）与文明的经通胀调整的经济价值（或文明财富）C（以货币单位表示）相关联。财富被定义为世界总产值（GWP）年的累积，并根据市场汇率（MER）的波动进行调整（加勒特，2011年）。使用MER单位而不是购买力量平价单位（PPP），因为重点不是人与国家之间的短期不平等，而是全球经济中所有活动的总和，着眼于长期的可变性。因此，a=λC=λtZY（t）dt。（1） 或者，通过对时间的导数，经济产量代表财富的增长：dCdt=Y，（2）其中，由于a=λC，生产函数由消耗能源的能力的增加给出：Y=λdadt。（3） 至关重要的是，等式（1）是一个可以使用可用数据进行检验的假设。如第1部分的支持信息所述，Maddison（2003年）和联合国（联合国，2010年）的GWP估计值如图2所示：开放系统的热力学表示。在一个恒电位系统中，可逆循环有一个特征时间τ圈。循环是由一个潜在能源的消耗维持的，该能源会加热系统。

系统保持稳定状态（左面板），因为能量（蓝色）和物质（绿色）以相同的速率进入和离开系统。当存在正不平衡时（右图），系统会随着时间尺度τ的增长而不可逆转地增长 τcirc。详见附录A。用于Y的历史估计。美国能源部（DOE，2011）提供了全球一次能源消耗率的估计值。以瓦特为单位表示a，以2005mer美元为单位表示Y，则财富的单位为2005mer美元，常数λ的单位为每2005mer美元的瓦特。加勒特（2014）的表S2和图3中的图表显示，在1970年至2010年期间，全球电力消耗统计数据可用，a和Try（t）数据几乎同步上升。与这两个量相关的λ的平均值为每2005美元7.1兆瓦。尽管这一时期的GWP同比增长了三倍多，但λ=a/C比率的SD仅为1%，这意味着在95%的置信水平（每2005美元0.1兆瓦）下的平均值存在不确定性。常数λ不是从相关分析中得出的（其他人错误地声称了这一点，Cullenward et al.，2011；Scher and Koomey，2011），而是从观察中得出的，即Cto a的比率没有逐年变化，即使C和a有变化。这一观察结果与量子力学的基本表达式非常相似，在量子力学中，最初假设光子的能量与其频率ν通过普朗克常数h联系起来，然后通过测量加以证实。λ或h是有效常数的经验支持是独立的。

但为了理解物理学，它们之间的关系不是相互关联的，而是可以被视为同一事物的可互换表示。挑战可能是理解像金钱这样的心理结构是如何通过一个常数与像热力结构一样的力量联系在一起的。经济价值仅限于人类的判断。即使没有一栋房子，所有的公用设施都关闭了，只要一栋房子被其他活跃的全球经济成员视为可能有用，它仍能保持一定的价值。这种解释可能是，物质流动将我们的大脑与全球经济联系在一起。大脑利用异常密集的轴突和树突网络处理来自环境的大量信息；振荡神经元活动的模式导致行为和认知的出现；为这种大脑活动提供能量需要大约20%的每日热量输入到整个身体（Varela等人，2001年；Lennie，2003年；Buzs\'aki和Draguhn，2004年）。也许，沿着大脑网络的耗散性神经元循环反映了我们对真实全球经济财富的集体感知。它们沿着由石油、煤炭和其他一次能源供应消散维持的全球文明网络走向更广泛的经济循环。Eqs。