188
The Pennsylvania State University The Graduate School College of Agricultural Sciences The Welfare Consequences of Carbon Tax Reform in Open Economies: The Application of Computable General Equilibrium Model for Pennsylvania A Thesis in Agricultural, Environmental, and Regional Economics by Jeong Hwan Bae © 2005 Jeong Hwan Bae Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy December 2005

Welfare in Open The Application of Computable General

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Welfare in Open The Application of Computable General

The Pennsylvania State University 

The Graduate School 

College of Agricultural Sciences 

 

The Welfare Consequences of Carbon Tax Reform in Open 

Economies: The Application of Computable General 

Equilibrium Model for Pennsylvania 

 

 

A Thesis in  

Agricultural, Environmental, and Regional Economics 

by 

Jeong Hwan Bae 

 

© 2005 Jeong Hwan Bae 

 

Submitted in Partial Fulfillment  

of the Requirements  

for the Degree of  

 

Doctor of Philosophy 

 

 

December 2005 

Page 2: Welfare in Open The Application of Computable General

 

The thesis of Jeong Hwan Bae was reviewed and approved* by the following: 

 

 

James S. Shortle

Distinguished Professor of Agricultural and Environmental Economics

Thesis Advisor

Chair of Committee

 

Adam Rose

Professor of Geography

David Abler

Professor of Agricultural, Environmental and Regional Economics and

Demography

Martin Shields

Associate Professor of Agricultural and Regional Economics

Stephen M. Smith

Professor of Agricultural and Regional Economics

Head of the Department of Agricultural Economics and Rural Sociology

*Signatures are on file in the Graduate School. 

Page 3: Welfare in Open The Application of Computable General

iii

ABSTRACT

Taxes  on  environmental  externalities  have  long  been  recognized  in  the 

economics  literature  as  a  cost‐effective  mechanism  for  reducing  the  costs  of 

environmental degradation.   However, in recent years there has been substantial 

interest  in  other  possible  benefits  from  environmental  taxes, most  notably,  the 

economic gains that could result from substituting revenues from environmental 

taxes  for  conventional, distortionary  taxes  on  labor  income  or  other  goods  and 

services.   Emerging from this literature  is the “double dividend hypothesis” that 

the economic gains  from environmental  taxes will be greater  if  the revenues are 

used to reduce distortionary taxes rather than be returned to consumers through 

lump sum transfers.   

Most  theoretical  and  empirical  research  on  the  double  dividend  has  been 

conducted under the assumption of a closed economy. This assumption removes 

the  possibly  important  effects  of  interregional  factor mobility  and  interregional 

trade.    Moreover  it  is  an  unrealistic  assumption  for  most  economies,  and 

especially for those of small countries or sub‐national political  jurisdictions, such 

as states.   

The purpose of this study is to investigate the double dividend hypothesis in 

the context of an open economy.  The study specifically considers the hypothesis 

in  the  context  of  a  carbon  tax  in  the  state  of Pennsylvania.   To  test  the double 

dividend,  the  carbon  tax  revenues are used  to  reduce  labor  income  taxes  in  the 

state.   A static CGE model  is constructed for Pennsylvania.   The model captures 

key  features  of  a  regional  open  economy,  most  notably  endogenous  factor 

mobility,  and  interregional  trade.   An  innovative  feature  of  the model  is  labor 

migration in response to environmental quality and the after‐tax wage rate.  

Results show that the double dividend holds for the Pennsylvania model for 

a carbon  tax  imposed either unilaterally by  the  state government, but also  for a 

national carbon tax. The magnitude of the double dividend is larger for the state 

tax  than  for  the  federal  tax.  Labor  migration  affects  negatively  the  double 

dividend, but the impact is small. 

Page 4: Welfare in Open The Application of Computable General

iv

  TABLE OF CONTENTS

LIST OF TABLES .............................................................................................VIII

LIST OF FIGURES...............................................................................................X

ACKNOWLEDGEMENTS ...................................................................................XI

CHAPTER 1 INTRODUCTION .......................................................................... 1

1.1 Motivation.................................................................................................................... 1

1.2 Objectives..................................................................................................................... 3

1.3 Methodology ................................................................................................................ 4

1.4 Overview of Study Area ............................................................................................. 7

1.5 Outline of the study................................................................................................... 14

CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW AND THEORY........................................ 16

2.1 The Welfare Effects of Environmental Taxes ........................................................ 16

2.1.1 First-Best Environmental Taxes .......................................................................... 17

2.1.2 The Double-Dividend Hypothesis ....................................................................... 18

2.1.3 Tax Interaction Effects......................................................................................... 22

2.1.4 Non-Separability of Environmental Effects......................................................... 24

2.2 CGE Models for Environmental Tax Analysis ...................................................... 26

Page 5: Welfare in Open The Application of Computable General

v

2.2.1 Test of the Double-Dividend Hypothesis ............................................................ 26

2.2.2 Economic Impacts of Environmental Taxes ........................................................ 32

2.3 Partial Equilibrium Analysis on the Trade Effect ................................................. 39

2.4 Labor Migration........................................................................................................ 41

2.4.1 Labor Migration ................................................................................................... 42

2.4.2 Empirical Studies on Amenities and Migration................................................... 46

2.5 Partial Equilibrium Analysis on the Environmental Tax and Labor Mobility .. 56

2.6 Other Theoretical Considerations ........................................................................... 60

2.6.1 Potential Effects of Backward Bending Labor Supply Curve ............................. 60

2.6.2 Long Run Effects of the Environmental Tax Recycling Policy .......................... 62

CHAPTER 3 THE PENNSYLVANIA CGE MODEL ........................................... 64

3.1 Main Features of CGE Model.................................................................................. 64

3.2 Interactions among Institutions in PA CGE Model............................................... 69

3.3 Derivation of Equations............................................................................................ 72

3.3.1 Production and factor demands............................................................................ 72

3.3.2 Consumption Sector............................................................................................. 80

3.3.3 Trading Sector...................................................................................................... 85

3.3.3.1 Regional Supply and Export ............................................................................. 88

3.3.3.2 Regional Consumption and Imports ................................................................. 91

3.3.4 Government Account ........................................................................................... 94

Page 6: Welfare in Open The Application of Computable General

vi

3.3.4.1 Tax Payments.................................................................................................... 95

3.3.4.2 Government Budget Balances........................................................................... 98

3.3.5 Environmental Indicator .................................................................................... 101

3.3.6 Factor Mobility .................................................................................................. 103

3.4 Equilibrium and Macro Closure Rule .................................................................. 104

CHAPTER 4 SCENARIOS AND RESULTS..................................................... 108

4.1 Experimental Design............................................................................................... 108

4.2 Implementation of Carbon Taxes.......................................................................... 110

4.3 Welfare Measurement ............................................................................................ 112

4.4. RESULTS.................................................................................................. 116

4.4.1 $5/t State Carbon Tax without Revenue Recycling .......................................... 116

4.4.2 $5/t State Carbon Tax with Revenue Recycling................................................ 120

4.4.3 $5/t Federal Carbon Tax with Revenue Recycling ........................................... 123

4.4.4 Alternative Carbon Tax Rates............................................................................ 125

4.4.5 Sensitivity Analysis: Migration Elasticities ....................................................... 130

CHAPTER 5 CONCLUSIONS.......................................................................... 132

5.1 SUMMARY AND MAIN FINDINGS ............................................................ 132

Page 7: Welfare in Open The Application of Computable General

vii

5.2 FURTHER STUDY ..................................................................................... 135

REFERENCES ................................................................................................. 137

APPENDIX A: NUMBER OF EQUATIONS AND VARIABLES ....................... 154

APPENDIX B: DATA AND STATISTICS......................................................... 158

B.1 Carbon emission and Energy consumption ......................................................... 158

B.2 Hybrid SAM of Pennsylvania ............................................................................... 167

B.3 Data on Elasticities ................................................................................................. 174

B.4 Benchmark Value of Economic Variables ........................................................... 176

Page 8: Welfare in Open The Application of Computable General

viii

LIST OF TABLES

Table 1.1 Base Year Output, Trade, and Consumption from Hybrid IMPLAN (Million

Dollars) ............................................................................................................................... 9

Table 1.2 Classification of Durable and Non‐durable Industries............................ 10

Table 2.1 Classification of CGE Models on Environmental Taxation ............................. 39

Table 3.1 Description of Industrial Sectors ................................................................. 66

Table 3.2 Labor Income Tax, Proprietary Tax, and Corporate Taxes and Rates... 96

Table 3.3 Indirect Business Tax Payments and Rates ............................................... 97

Table 4.1 Scenarios ....................................................................................................... 110

Table 4.2 Carbon Tax and Equivalent Ad‐Valorem Fuel Tax Rates...................... 112

Table 4.3 Tax Revenue of Carbon Taxes by Fuel Type ($ Million) ....................... 112

Table 4.4 Relative Changes in Major Economic Variables for The $5/T Carbon Tax 

without Revenue Recycling (%)................................................................................. 119

Table 4.5 Relative Changes in Economic Variables for The $5/T Carbon Tax with the Tax

Revenue Recycling ......................................................................................................... 122

Table 4.6 Relative Changes in Major Economic Variables for the $5/T of Federal 

Carbon Tax with the Tax Revenue Recycling .......................................................... 124

Table 4.7 Relative Changes in Major Economic Variables for the $10/t and $15/t of 

Carbon Taxes without Revenue Recycling............................................................... 127

Table 4.8 Reduction in the Carbon Emission for $5 of Carbon Tax ...................... 129

Table 4.9 Reduction in the Carbon Emission for $10 of Carbon Tax .................... 129

Page 9: Welfare in Open The Application of Computable General

ix

Table 4.10 Reduction in the Carbon Emission for $15 of Carbon Tax .................. 129

Table 4.11 Relative Changes in Major Economic Variables for the Sensitivity of 

Migration Elasticities on $5/t of Carbon Taxes without the Tax Revenue Recycling

......................................................................................................................................... 131

Table A.1 Count of Independent Equations and Endogenous Variables ............. 154

Table B.1 Changes in the Share of GHGs Emission by Emission Source ............. 159

Table B.2 Changes in CO2 Emission by Sectors....................................................... 160

Table B.3 Energy Consumption by Sectors............................................................... 161

Table B.4 GHG Inventory in Pennsylvania............................................................... 162

Table B.5 Carbon emission of Pennsylvania by Emission Sources ....................... 163

Table B.6 Pennsylvania Coal Statistics ...................................................................... 164

Table B.7 Oil Prices in 2000, Pennsylvania ............................................................... 165

Table B.8 Natural Gas Price ........................................................................................... 166

Table B.9 Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000 ....................................................... 168

Table B.10 Description of Variables........................................................................... 173

Table B.11 Elasticities of Substitution in Production Functions ............................ 174

Table B.12 Elasticity Data for Armington and CET functions ............................... 175

Table B.13 Benchmark Value of Economic Variables (Million U.S. Dollar.......... 176

Page 10: Welfare in Open The Application of Computable General

x

LIST OF FIGURES

Figure 1.1 Expenditure Trend on Energy by sources in PA ............................................. 13

Figure 1.2 Energy Sources of Electricity.......................................................................... 14

Figure 2.1 Partial Equilibrium Analysis on Efficiency Effects of Environmental Taxes. 21

Figure 2.2 Two Region Equilibrium Model ..................................................................... 44

Figure 2.3 Labor Migration Effects on the Deadweight Loss .......................................... 58

Figure 2.4 Feedback of Environmental Taxes in the Long Run ....................................... 63

Figure 3.1 Flow Diagram of Pennsylvania CGE Modeling....................................... 71

Figure 3.2 NCES Production System................................................................................ 73

Figure 3.3 Consumer’s Utility System ........................................................................ 81

Figure 3.4 Structure of Trading Sector ........................................................................ 87

Figure 3.5 Structure of Trading Sector ........................................................................ 87

Page 11: Welfare in Open The Application of Computable General

xi

ACKNOWLEDGEMENTS

My  first  kudos  to  Professor  Shortle  for  his  warm‐hearted  advice  and 

guidance  in writing my dissertation! Whenever  I was  lost, he  showed  the  right 

way. Whenever  I  became  overly  self‐complacent,  he warned me  to  be  humble. 

Whenever  I was disappointed with  consequences, he  cheered me up. Professor 

Rose kindly  taught me CGE modeling, which  is  the crux of my dissertation. He 

has  come  up with  innovative  ideas  to  fix  problems  in  the  analysis.  Professors 

Abler  and  Shields  constantly  backed me  to  focus  on  the  dissertation  and  their 

comments were truly instrumental. I thank Professor Smith for his careful review 

of my dissertation draft. 

A dream comes true that I would work for a sustainable earth where human 

beings  and  all  other  creatures  co‐exist  peacefully.  The  dream will  sustain my 

intellectual  journey  until  I  exhaust  all  my  knowledge  and  experiences  to 

materialize the sustainable world. 

Last,  but  not  the  least  kudos  to  my  endeared  family  for  their 

encouragements and  the support. My most beloved wife, Hyun  Ju has stood by 

me whenever I was in trouble. My great appreciation goes to my parents for their 

constant support with unselfish love throughout the long journey, Ph.D. program. 

All  the  success  and honor  I  am now  entitled  to  are  ascribed  to  their unlimited 

support and love.  

Page 12: Welfare in Open The Application of Computable General

1

CHAPTER 1  

INTRODUCTION 

1.1. Motivation

Taxes on environmentally harmful products or activities have long been of 

interest  to  economists  as  a  means  for  efficiently  reducing  environmental 

externalities. During  the  last decade, environmental  taxes have been applied  in 

practice to various environmental problems, both internationally and within the 

U.S.  (U.S. EPA, 2001 and 2004).  In many  cases, environmental  taxes have been 

charged on production or consumption activities that affect water, air, and land 

pollution.  

Revenues  from  the  environmental  tax  are  used  to  compensate  the 

administrative  costs,  develop  environment‐friendly  technology  or  transfer  to 

consumers or firms (U.S. EPA, 2001 and 2004). Economists have found, However,  

that “recycling revenue” from environmental taxes to cut marginal tax rates for 

labor income or other distortionary taxes may provide a  ‘double dividend’ (Lee 

and Misiolek, 1986; Pearce, 1991; Repetto et al., 1992; Oates, 1993; Poterba, 1993). 

The  first dividend,  sometimes  called  the  ‘Pigouvian  effect’,  is  the  conventional 

benefit from reducing negative environmental externalities. The second dividend, 

Page 13: Welfare in Open The Application of Computable General

2

called  the  ‘tax  recycling effect’,  is  the  reduction  in  the deadweight  costs of  the 

conventional taxes.   

While early economic  literature on  the use of environmental  tax  revenues 

focused  on  the  “double dividend”, more  recent  literature  (e.g., Goulder,  1995; 

Parry, 1995; Goulder et al., 1997; Parry, 1997) has identified a third effect, referred 

to  as  the  ‘tax  interaction  effect’, which  reduces  the  gains.   The  tax  interaction 

effect  results  from  changes  in  labor  supply,  induced by  the environmental  tax, 

which may amplify  labor market distortions  (Goulder, 1995). Recent  theoretical 

and empirical research on the double dividend hypothesis shows that the welfare 

loss of the interaction effects is larger than the welfare gain of tax revenue effects 

(Parry,  1995;  Bovenberg  and Goulder,  1996).  But  these  results  are  now  being 

debated,  with  additional  studies  showing  that  there  are  other  types  of  tax 

interaction  effects  that  may  augment  the  conventional  double  dividend 

(Schwartz and Repetto, 2000; Parry and Bento, 2000).  

The extant  literature on  the double dividend debate has been confined  to 

closed  economies  (i.e.,  economies without  trade  or  interregional  factor  flows) 

(Parry, 1997; Goulder et al., 1997; Parry et al., 1999; Goulder et al., 1999; Parry 

and  Bento,  2000).  Even  large  contemporary  economies  are  open  to  and 

increasingly influenced by globalization of trade and factor migration (Morgan et 

al., 1989).  

Page 14: Welfare in Open The Application of Computable General

3

This  research  proposes  that  inter‐regional  factor  migration  and  inter‐

regional  trade effects can  significantly  influence  the magnitude and  sign of  tax 

revenue and tax interaction effects. Carbon taxes are considered as an important 

example  of  environmental  taxes.  Pennsylvania  offers  a  useful  case  study  as  a 

major  producer  of  carbon  emissions  within  the  U.S.  Specifically,  this  study 

explores  how  inter‐regional  labor mobility  and  inter‐regional  trade  affect  the 

welfare consequences of substituting carbon  taxes  for conventional  taxes  in  the 

context of a state (Pennsylvania) level economy.  

 

1.2 Objectives

The  purpose  of  this  research  is  to  explore  economic  benefits  and 

environmental impacts of substituting carbon taxes for labor income taxes in the 

context of an open state economy.  

The study pursues three specific objectives.  

The first objective is to investigate the effects of interregional migration and 

trade on the economic impact of a carbon tax.  

The  second objective  is  to examine  the double dividend hypothesis when 

the  revenue  from a carbon  tax  replaces  revenue  from  labor  income  taxes given 

interregional labor migration.  

Page 15: Welfare in Open The Application of Computable General

4

The  third objective  is  to examine  the effect of carbon  taxes when  imposed 

by  federal versus state authorities. A carbon  tax charged by a state will change 

the  relative  environmental  amenity  between  the  state  and  other  states.  The 

change  in  the  relative  environmental  quality  will  impact  the  sign  and  the 

magnitude  of  the  labor  migration.  However,  a  carbon  tax  imposed  by  the 

national  government  will  have  a  smaller  impact  on  relative  environmental 

quality.  

The  primary  innovative  features  in  this  study  are  the  modeling  of 

endogenous trading and  labor migration. This study will show how the double 

dividend  will  be  affected  by  the  trading,  labor  migration  and  the  different 

environmental tax authorities. 

 

1.3 Methodology

A static computable general equilibrium  (CGE) model of  the Pennsylvania 

economy  is  constructed  for  this  study.  Taxes  on  the  emission  of  carbon  is 

implemented  in  the  form  of  fuel  taxes.  Fuel  taxes  are  imposed  on  the 

intermediate demand for fossil fuels. Labor income taxes are reduced to maintain 

the  tax  revenue  neutrality.  The  model  consists  of  seventeen  industries,  one 

representative  household,  three  factor  inputs,  and  a  two‐tier  trade  system. 

Industries  include  coal,  oil,  natural  gas,  alternative  fuels,  electricity, 

Page 16: Welfare in Open The Application of Computable General

5

transportation,  agriculture,  mining,  construction,  non‐durable  manufacturing,  

durable  manufacturing,  utility,  electric  and  gas  utility,  trade,  FIRE(Financial, 

Insurance,  and  Real  Estate),  services,  and  others.  Factor  inputs  are  labor, 

proprietors, and capital. Trade consists of foreign and inter‐regional trade.  

CGE  models  are  commonly  used  to  analyze  the  welfare  effects  of 

environmental  taxes  at  both  national  and  sub‐national  levels when  economy‐

wide impacts are expected (Gunning and Keyzer, 1995). CGE models provide a 

theoretically  consistent  tool  for  modeling  equilibrium  responses  in  multiple‐

interdependent sectors (Shoven and Whalley, 1992).  

The  General  Algebraic  Modeling  System  (GAMS)  software  is  used  to 

program the CGE model and obtain feasible solutions (Brooke et al., 1998). The 

CONOPT solver is employed to solve the optimization problem. 

The  benchmark model  representing  the  baseline  economy  is  constructed 

using  a  Social  Accounting  Matrix  (SAM)  generated  from  IMPLAN  (Impact 

Analysis  for  PLANning).  A  SAM  is  a  snapshot  of  an  economy  reflecting 

monetary flow of  interactions among  institutions. Physical energy consumption 

data are integrated into the SAM to facilitate modeling carbon taxes. To examine 

the impacts of carbon taxes substituting for the labor income tax, counterfactual 

models are examined for various scenarios. Scenarios include cases of state and 

federal taxes combined with migration versus no migration.  

Page 17: Welfare in Open The Application of Computable General

6

There  are  key  features  in  the  Pennsylvania  CGE  model  relevant  to  this 

analysis: substitutability of both conventional fossil fuels and alternative energy 

sectors,  substitutability  between  leisure  and market goods,  endogenous  export 

prices and endogenous labor migration. 

Nested  constant  elasticity  of  substitution  (CES)  production  functions  are 

used  to  model  substitution  among  labor,  proprietors,  capital,  energy,  and 

intermediate inputs. Energy composite includes coal, oil, gas, electricity, and an 

aggregated  alternative  fuel  including  hydropower,  nuclear  power,  solar, 

geothermal, bio‐energy,  fuel  cells, and waste. The  substitutability among  fossil 

fuels  and  alternative  fuels  reflects  industry’s  response  to  avoid  the  increased 

production costs due to the carbon tax.  

A nested CES utility function  is used to model final commodity demands. 

This  specification  captures  substitutability  between  demand  for  leisure  and 

demand  for  market  goods.  Consumers  will  change  labor  supply  and 

consumption as the carbon tax replaces the labor income tax in part. 

Two  tier  Armington  and  constant  elasticity  of  transformation  (CET) 

functions  are  used  to  model  trade.  Armington  functions  capture  imperfect 

substitutability between imports and regional products. CET functions represent 

the differentiation of markets  for exports and  regional products. The  imperfect 

substitution  between  traded  and  non‐traded  goods  reflects  differentiated 

Page 18: Welfare in Open The Application of Computable General

7

production.  Thus,  one  good  can  be  imported  and  produced  in  a  region  or  a 

country  at  the  same  time.  Also,  one  good  can  be  regionally  consumed  and 

exported to the other region or country simultaneously. 

Labor supply is affected by interregional labor migration. Labor mobility is 

a  function  of  relative  real wages  and  relative  environmental  quality  between 

Pennsylvania  and  other  states.  Environmental  damage  affecting  the  overall 

environmental indicator is a diminishing function of consumption of fossil fuels. 

 

1.4 Overview of Study Area

Pennsylvania  has  been  one  of major  carbon‐emitting  states  in  the U.S.  In 

1998, Pennsylvania ranked  fourth among  the states  in U.S. GHG  (Green House 

Gases) emissions. Also, the state is an observer in the Regional Greenhouse Gas 

Initiative (RGGI), a consortium of state governments exploring the reduction of 

GHGs  in  the  northeast  states  (www.RGGI.org).  A  multi‐state  cap‐and‐trade 

program with a market‐based emissions trading system is the central initiative in 

this consortium, and the design of regional strategies is under discussion. Carbon 

taxation  can  be  a  possible  regional  strategy  for GHGs  emission  abatement.  If 

carbon  tax  reform  can  generate  efficiency  gains  from  recycling  revenues  of 

carbon taxes in addition to the primary gains from environmental improvement, 

Pennsylvania will  be  better  off with  carbon  taxes  than with  a  tradable permit 

Page 19: Welfare in Open The Application of Computable General

8

system  given  that  the  permits  are  allocated  based  on  historical  emission  of 

carbon dioxide (grandfathering)1. 

On the overall economic and environmental profile of Pennsylvania for year 

2000,  the gross state product  (GSP) of Pennsylvania was $ 394,649 million, and 

the total number of employment is 6,887,870 in the year 2000. In the same year, 

the total population of Pennsylvania was 12,285,492, total number of households 

was 4,777,003,  total personal  income was  $267 billions,  labor  income was $197 

billion, and gross state per capita income was $29,697 in year 2000 (U.S. Census 

bureau, 2000).  

Industries are aggregated  into 17 sectors and the aggregation  is focused on 

energy  production  industries  such  as  coal,  oil  (petroleum),  and  natural  gas, 

alternative fuels, and electricity. Alternative fuels include renewable energy such 

as  geothermal,  biomass,  hydrogen,  hydropower,  solar,  and  wind  as  well  as 

nuclear power. Table  1.1  shows output,  trade,  and  final  consumption  for  each 

industry in 2000.  

 

 

 

 

1 However, if the emission permit is auctioned, the tradable permit will have the same effect with the carbon tax.

Page 20: Welfare in Open The Application of Computable General

9

Table 1.1 Base Year Output, Trade, and Consumption from Hybrid IMPLAN (Million

Dollars) 

Industrial Sector Output Foreign Import

Domestic Import

Foreign Export

Domestic Export

Final Consumption

Agriculture 6,821.72 60.03 1,298.03 285.42 773.14 917.91

Mining 936.64 11.68 141.99 30.08 766.55 12.49

Coal 3,719.27 49.36 660.77 411.24 2,725.96 0.49

Gas 1,347.76 0.00 656.97 0.00 0.00 477.66

Oil 973.84 116.84 0.00 0.00 0.00 96.96

Alternative fuels 169.24 4.60 36.49 0.00 0.00 24.65

Construction 49,922.52 1,424.98 8,775.97 0.00 1,479.77 0.00

Nondurable manufacture

116,845.42 2,433.47 18,981.12 11,585.10 20,120.68 34,810.53

Durable manufacture

100,726.37 4,551.41 23,027.73 21,047.88 41,521.60 6,121.09

Transportation 24,996.86 186.91 2,820.71 3,582.43 3,647.39 5,091.44

Utility 18,651.63 174.60 2,600.73 225.81 6,943.21 4,512.63

Electricity 10,874.47 19.33 492.32 22.33 3,019.72 832.75

Electric and gasutility

4,761.56 352.31 1,549.82 37.29 310.48 1,771.99

Trade 86,304.94 240.57 5,324.20 3,099.80 352.50 53,630.02

F.I.R.E 109,135.98 62.60 9,059.92 2,715.58 30,692.73 46,949.79

Services 144,230.44 716.26 11,948.09 1,080.78 19,470.46 62,849.77

Others 43,315.25 43.61 651.65 1,177.59 657.43 6,679.23

 

This study divides  the manufacturing sector  into non‐durable and durable 

sectors,  since  the  two  sectors  require different  intermediate and energy  inputs. 

The U.S.  Bureau  of  the Census,  Bureau  of  Economic Analysis,  and  Bureau  of 

Labour  Statistics  publish  a  durable/non‐durable  manufacturing  industry 

classification (table 1.2). 

 

 

Page 21: Welfare in Open The Application of Computable General

10

Table 1.2 Classification of Durable and Non-Durable Industries 

Durable Manufacturing Industries Non-Durable Manufacturing

Industries  Wood Product Manufacturing

Non Metallic Mineral Product Manufacturing

Primary Metal Manufacturing

Fabricated Metal Product Manufacturing

Machinery Manufacturing

Computer and Electronic Product

Manufacturing

Electric Equipment, Appliance and

Component Manufacturing

Transportation Equipment Manufacturing

Furniture and Related Product

Manufacturing

Miscellaneous Manufacturing 

Food Manufacturing

Beverage and Tobacco Product

Manufacturing

Textile and Product Mills

Clothing Manufacturing

Leather and Allied Product Manufacturing

Paper Manufacturing

Printing and Related Support Activities

Petroleum and Coal Products

Manufacturing

Chemical Manufacturing

Plastics and Rubber Products

Manufacturing 

(Source: Bureau of Economic Analysis,2000) 

 

State  government  taxes  are  divided  into  corporation  taxes,  consumption 

taxes, personal  income  taxes, realty  transfer  taxes,  inheritance  taxes, and minor 

and  repealed  taxes.  The  corporation  tax  accounted  for  19%  of  total  state 

government revenues  in 2000. The proportion of consumption taxes to the total 

government  tax  revenue  is  37%,  and  for  personal  income  tax  and  others  the 

proportion is 42% (Pennsylvania Department of Revenue, 2002). 

Local  government  taxes  consist  of  real  estate  tax  (property  tax),  earned 

income tax, per capita tax, occupation tax, occupational privilege tax, real estate 

transfer,  amusement/admissions  tax,  and  business  gross  receipts  tax. 

Page 22: Welfare in Open The Application of Computable General

11

Pennsylvania local governments levy a property tax (real estate tax) divided into 

school district, county, and municipal levels. In 2000, the property tax accounted 

for $9.8 billion which was 30% of total local government revenues or 70% of all 

local  government  tax  revenues  (Governor’s  Center  for  Local  Government 

Services, 2002).  

Energy  production  sectors  include  coal,  petroleum,  natural  gas,  and 

electricity. Pennsylvania’s  total production of  coal  in  the year  1999 was  76,399 

thousand  short  ton  (TST),  48.3%  of  total  production  was  used  within 

Pennsylvania, 41.6% was consumed by other states, and 9.12% was exported  to 

foreign countries2.  In  the same year,  the  total employed  in  the state by  the coal 

industry  is  9,318  (0.14%  of  all  employed)  and  total  expenditure  on  the 

consumption of coal were $1853.9 million3.  In 2000, 2,385,051 million cubic  feet 

(MCF)  of  natural  gases  were  imported  from  other  states  such  as  Delaware, 

Maryland, New Jersey, New York, Ohio, and West Virginia, and 1,868,831 MCF 

2 Sources: Energy Information Administration (EIA), Form EIA-3, "Quarterly Coal Consumption Report Manufacturing Plants"; Form EIA-5, "Coke Plant Report Quarterly"; Form EIA-6A, "Coal Distribution Report"; Form EIA-7A, "Coal Production Report"; Form EIA-759, "Monthly Power Plant Report," and U.S. Department of Labor, Mine Safety and Health Administration, Form 70002, "Quarterly Mine Employment and Coal Production Report." 3 Table1. Energy Price and Expenditure Estimates by Source, 1970-2001, Pennsylvania at http://www.eia.doe.gov/emeu/states/sep_prices/total/pr_tot_pa.html

Page 23: Welfare in Open The Application of Computable General

12

were  exported  to  the  same  states4.  Total  expenditures  on  the  consumption  of 

natural gas were $4,529.1 million in that year5. 

In 2001, Pennsylvania produces 7,000 barrels of petroleum per day, ranked 

22nd among U.S.  states, and  consumed 30.3 million gallons per day,  ranked  6th 

among the states. Total petroleum expenditures in 2000 were $14,152.5 million6. 

Figure 1.1 shows the expenditure trend on energy by sources between 1970 and 

2001 in Pennsylvania. The portion of coal expenditure declines compared to total 

energy  expenditure,  while  expenditures  on  gas,  oil,  and  electricity  grow. 

Expenditure on nuclear and bio energy including waste and wood is less than 2% 

in 2001. 

 

 

 

 

 

 

 

4 Pennsylvania International and Interstate Movements in 2000 at http://tonto.eia.doe.gov/dnav/ng/ng_move_ist_a2dcu_SPA_a.htm 5 Pennsylvania International and Interstate Movements in 2000 at http://tonto.eia.doe.gov/dnav/ng/ng_move_ist_a2dcu_SPA_a.htm 6 Pennsylvania International and Interstate Movements in 2000 at http://tonto.eia.doe.gov/dnav/ng/ng_move_ist_a2dcu_SPA_a.htm

Page 24: Welfare in Open The Application of Computable General

13

 

Figure 1.1 Expenditure Trend on Energy by Sources in PA 

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

1970197219741976197819801982198419861988199019921994199619982000

Million Dollars

Electricity

Biofuel

Nuclear

Oil

Gas

Coal

(Source: Energy Information Administration (EIA) website, Energy price and

expenditure by source, 1970-2001, Pennsylvania)

 

Pennsylvania’s  total  electricity  consumption was  470.5  trillion Btu,  ranked 

5th  in  2001,  net  generation  of  electricity was  204,322,878 megawatt  hours,  and 

125,225 TST of  carbon dioxide were emitted,  ranked 5th  in  the United States  in 

20027. Total expenditure on the consumption of electricity were $10,175 million8 

7 2002 summary statistics in Pennsylvania at http://www.eia.doe.gov/emeu/states/main_pa.html 8 Pennsylvania International and Interstate Movements in 2000 at http://tonto.eia.doe.gov/dnav/ng/ng_move_ist_a2dcu_SPA_a.htm

Page 25: Welfare in Open The Application of Computable General

14

and  the main  energy  source of  electricity was  coal  (46%),  followed by nuclear 

(23%) (Figure 1.1).  

 

Figure 1.2 Energy Sources of Electricity

(Source: 2002 summary statistics in Pennsylvania from EIA web site) 

 

1.5 Outline of the study

Chapter 2 reviews the relevant literature on theoretical and empirical studies 

of  impacts  of  environmental  taxes. A  brief  partial  equilibrium  analysis  of  the 

impact  of  environmental  taxes  on  trading  and  migration  is  presented.  The 

literature  review  includes  a welfare  analysis  of  environmental  taxes,  empirical 

studies on CGE models  focused on carbon  taxes, and  theoretical and empirical 

research  on  labor  migration  and  environmental  amenities.  The  effect  of 

Energy source of electricity

46%

6%6%

23%

5%

14% coal oil gas nuclear hyroelectric

others

Page 26: Welfare in Open The Application of Computable General

15

backward  bending  labor  supply  on  welfare  consequences  and  long  run 

perspectives of the revenue from carbon taxes are discussed as other theoretical 

consideration.  Chapter  3  describes  the  overall  structure  of  the  CGE  model, 

equations  and  endogenous  variables.  Chapter  4  includes  scenario  design  and 

results including the relative changes in the welfare index, macro variables, and 

micro variables.  Conclusion and discussion of further study are presented in the 

last chapter. Appendices include tables on equations and endogenous variables, 

the  Pennsylvania  SAM  (Social Accounting Matrix),  energy  consumption  data, 

factor demand and income, government, trade, and data on elasticities. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 27: Welfare in Open The Application of Computable General

16

CHAPTER 2 

LITERATURE REVIEW AND THEORY 

The  literature  review  begins  with  an  overview  of  the  economics  of 

environmental  taxes. Next,  I summarize research on CGE models for analyzing 

the  economic  and  environmental  impacts  of  environmental  taxes.  Theoretical 

and  empirical  research  on  the  relationship  between  labor  migration  and 

environmental amenities is then discussed, focusing on the justifications for and 

limitations  of  the  use  of wage  and  environmental  quality  differentials  as  pull 

factors of  labor migration. Subsequent sections discuss various other theoretical 

considerations,  including  backward  bending  labor  supply  curves,  long  run 

effects of environmental taxes on government revenue, and the decomposition of 

economic effects in the CGE model. 

 

2.1 The Welfare Effects of Environmental Taxes

Research  on  the  welfare  effects  of  environmental  taxes  can  be 

conveniently classified into four generations. The first generation focused on the 

efficiency  of  environmental  taxes  as  a method  for  eliminating  environmental 

Page 28: Welfare in Open The Application of Computable General

17

externalities  in  a  first‐best  economy  (Pigou,  1938;  Baumol  and  Oates,  1971; 

Tietenberg,  1990).  The  second  generation  addressed  the  efficiency  gain  from 

recycling environmental  tax revenues  to reduce distortions due  to conventional 

taxes.  This  second  gain  in  addition  to  the  first  gain  from  environmental 

improvement is referred to as ‘double dividend’ (Lee and Misiolek, 1986; Pearce, 

1991; Repetto  et  al.,  1992; Oates,  1993;  Poterba,  1993).  The  third  generation  of 

research  discusses  the  negative  efficiency  loss  from  environmental  taxes 

(Bovenberg and Mooij, 1994; Goulder, 1995; Parry, 1995). The major argument of 

this generation  is  that  the negative  tax  interaction effect dominates  the positive 

environmental and  tax recycling effects. Fourth generation  literature points out 

how  the welfare  consequences  can  vary depending  on  the  assumptions  about 

utility  function  and market  conditions  (Parry  and  Bento,  2000;  Schwartz  and 

Repetto, 2000; Williams III, 2002 and 2003).  

2.1.1 First-Best Environmental Taxes

Literature  since  1938,  when  Pigou  suggested  the  environmental  tax, 

discussed  the use of environmental  taxes  to  internalize negative environmental 

externalities (Pigou, 1938). The case for taxation was originally and primarily on 

the basis of reducing the efficiency  losses due to environmental externalities. In 

an economy where there exists environmental degradation, the marginal private 

cost  of  producing  polluting  goods  is  lower  than  the  marginal  social  cost 

Page 29: Welfare in Open The Application of Computable General

18

including environmental damage. The market prices of polluting goods do not 

reflect environmental damage costs, since prices are set as equal to the marginal 

private  cost.  In  a  first  best  economy  where  there  are  no  distortions  such  as 

imperfect  market  conditions,  distortionary  taxes,  or  subsidies,  the  optimal 

Pigouvian  (or  environmental)  taxes  are  set  to  be  equal  to  the  environmental 

damage  cost.  The  imposition  of  environmental  taxes  shifts  up  the  marginal 

private  cost  (or  market  price)  until  it  is  equal  to  the  marginal  social  cost. 

However, in a second best economy where distortionary taxes exist, the optimal 

environmental  taxes will  be  affected  by  other  efficiency  costs  from  distorted 

markets, leading to different level of environmental tax rates. On the other hand, 

most  studies  on  the  first  best  environmental  tax  assume  a  ‘closed  economy 

model’ with no factor mobility between the  internal and external economies. In 

this study, the main assumptions on the first best tax and closed economy will be 

changed into a second best tax and open economy with factor mobility. 

 

2.1.2 The Double-Dividend Hypothesis

Economic thought about the use of environmental tax revenues emerged in 

the  second  generation.  The  literature  recognized  that  environmental  taxation 

occurs  within  a  social  context  in  which  governments  levy  taxes  on  “private 

goods” to support the provision of “public goods”. Taxes on private goods create 

Page 30: Welfare in Open The Application of Computable General

19

distortions  that  result  in welfare  losses.  In  this  context, Sandmo’s paper  (1975) 

was the first to point out that the analysis of environmental taxes with a first best 

assumption needed  to be modified  for a  second best economy where ordinary 

taxes are imposed on the demand of factors and consumers. Subsequent research 

discussed environmental taxes in a second best economy with two main findings: 

1)  that  the  gross  cost  of  environmental  taxes  relies  on  the marginal  rates  of 

existing distortionary taxes, and 2) that the tax revenue from environmental taxes 

can be used to cut the marginal distortionary tax rates (Goulder, 1997).  

A number of economists (Lee and Misiolek, 1986; Pearce, 1991; Repetto et al., 

1992; Oates, 1993; Poterba, 1993) have proposed that there is a “double dividend” 

if the government uses revenue from environmental taxes to reduce the marginal 

rate of distortionary taxes on factor inputs and commodities. The first dividend is 

the gain from reducing environmentally damaging activities, now referred to as 

the  ‘Pigouvian  effect’.  The  second  dividend  arises  from  the  reduction  of  the 

deadweight loss from pre‐existing taxes, referred to as the ‘tax revenue recycling 

effect’; this dividend can reduce the gross cost of environmental taxes. 

The double dividend hypothesis can be divided  into  ‘weak’ and  ‘strong’ 

forms of the double dividend (Goulder, 1994). The weak form implies that there 

is more cost saving when revenues from environmental taxes are used to reduce 

marginal  rates  of  existing  distortionary  taxes  than  when  they  are  given  to 

Page 31: Welfare in Open The Application of Computable General

20

taxpayers  in  a  lump‐sum  transfer.  The  strong  form  of  the  double  dividend 

hypothesis  argues  that  the  gross  cost  of  substituting  environmental  taxes  for 

distortionary taxes should be zero or negative.  

Partial  equilibrium analysis done by Goulder  (1997) on  the  ‘weak’  form 

versus  ‘strong’  form  of  the  double  dividend  hypothesis  sheds  light  on  the 

importance  of  applying  general  equilibrium  analysis  to  the welfare  effects  of 

environmental taxes. 

Goulder  (1997) defines  the  ‘gross cost’ of  revenue‐neutral environmental 

taxes  as  the  reduction  of  individual welfare  deducted  from  the welfare  effect 

(Pigouvian effect) of environmental  improvement. Given  that C(te, Tf) denotes 

the  gross  cost  of  environmental  taxes  (te),  the  revenues  of which  are given  to 

lump‐sum tax (Tf) reductions, and C(te, tL) denotes the gross cost of substituting 

environmental  taxes  for  existing  distortionary  taxes  (tL),  the  weak  double 

dividend can be described as: 

C(te, Tf) > C(te, tL)                                                                                      (2.1) 

This claim is equivalent to the argument that replacing lump‐sum taxes by 

distortionary taxes derives positive welfare costs. This argument can be verified 

through partial equilibrium analysis on the first best situation for welfare effects 

of environmental taxes. 

 

Page 32: Welfare in Open The Application of Computable General

21

Figure 2.1 Partial Equilibrium Analysis on Efficiency Effects of Environmental Taxes

 

(Source: Goulder, 1997 in Folmer and Tietenberg (eds), 1997) 

 

In  Figure  2.1, which  represents  the market  for  a  polluting  good, MCp 

denotes the private marginal cost of production, MCs denotes the social marginal 

cost of production, MED denotes the associated marginal environmental damage, 

and MB  denotes  the marginal  benefit  of  the  good  to  consumers.  Given  that 

environmental  taxes  are  imposed  as  equivalent  to MED,  the  gross  cost  or  net 

reduction  in  benefit  is  area  A,  and  the  welfare  gain  from  the  reduction  in 

environmental damage  is area A+B. Therefore,  the net welfare gain  is area B. If 

area R, the revenue from environmental taxes, is used to reduce the gross cost of 

environmental taxes, then the gross costs can be less than area A. However, the 

MED R A

BMCs

MCp

Q1 Q2 Q

MB

Page 33: Welfare in Open The Application of Computable General

22

analysis  is based on  first best  framework.  If  there exist distortionary  taxes,  the 

gross costs will be different from costs in the first best case. 

The strong form of the double dividend hypothesis is defined as: 

C(te, tL ) < 0                                                                                                  (2.2) 

Equation  2.2  implies  that  gross  cost  is  negative  when  the  revenue  from 

environmental  taxes  is  used  to  reduce  distortionary  taxes.  The  strong  double 

dividend  hypothesis  stimulated  discussion  on  the  negative  “tax  interaction 

effects” of environmental taxes represented in the next section. 

 

2.1.3 Tax Interaction Effects

The seminal literature on the double dividend failed to consider other kinds 

of  costs arising  from pre‐existing distortionary  taxes. Subsequent  literature has 

identified,  the  ‘tax  interaction  effect’,  a  negative  dividend  referring  to  the 

decrease  in  labor  supply  due  to  distortions  in  polluting  commodity markets. 

When  environmental  taxes  are  imposed  on  polluting  goods,  relative  prices  of 

polluting  goods  increase.  Given  that  leisure  is  a  substitute  for  polluting 

commodities,  the  increase  in  prices  of  polluting  goods  leads  to  an  increase  in 

leisure demand, in turn diminishing labor supply (Goulder et al., 1997; Kolstad, 

2000; Schwartz and Repetto, 2000).  

Page 34: Welfare in Open The Application of Computable General

23

Tax interaction effects are found in early literature on the double dividend 

hypothesis as well. Bovenberg‐de Mooij (1994) and Parry (1995) claimed that the 

environmental  tax generates distortions  in  the  labor market by decreasing  real 

wage  rates, which  are  affected  by  the  increase  in  consumer  prices. Also,  they 

pointed  out  that  the  environmental  tax  can  disturb  the  consumption  decision 

between  polluting  goods  and  non‐polluting  goods.  These  costs  are  jointly 

referred to as the tax interaction effect and the aforementioned studies argue that 

the  tax  interaction  effect  is  larger  than  the  tax  recycling  effect.  The  authors’ 

discussion addresses that the partial equilibrium analysis on the welfare effect of 

environmental  taxes  (in  figure  3.1)  can  be  considerably misleading. Therefore, 

general  equilibrium analysis  is more appropriate  to  capture  the whole welfare 

effects of environmental taxes if there are prior distortionary taxes. 

Parry  (1995)  showed  that  the  tax  interaction  effect  dominates  the  tax 

revenue recycling effect unless polluting goods are weak substitutes for  leisure. 

With this assumption, he argues that the optimal Pigouvian tax in a second‐best 

economy  should  be  less  than  the marginal  environmental  damage. When  an 

environmental  tax  is  imposed  on  intermediate  inputs  and  the  tax  interaction 

effect  is  considered,  the  optimal  tax  ranges  from  63%  to  78%  of  the marginal 

damage function (Parry, 1995). 

Page 35: Welfare in Open The Application of Computable General

24

The  weak  double‐dividend  is  generally  accepted  by  environmental 

economists (McCoy, 1997), but  the strong double‐dividend hypothesis has been 

contentious  since  there  are  contradictory  findings  in  empirical  as  well  as  in 

theoretical studies (Bovenberg, 1999). Supportive studies include Jorgenson and 

Wilcoxen (1994) and Parry and Bento (2000), while studies with negative findings 

include  Shackleton  et  al.  (1992),  Shah  and  Larsen  (1992), Goulder  (1995),  and 

Parry (1997).  

 

2.1.4 Non-Separability of Environmental Effects 

In the fourth generation, research began to focus on the assumptions of the 

utility function and other kinds of interaction effects. Schwartz and Repetto (2000) 

address the “non‐separability” assumption of environmental effects on the utility 

function. Given  that environmental effects due  to environmental  taxes  leads  to 

reduced medical  cost,  fewer  sick days,  and  increased  labor  productivity,  non‐

separability  of  environmental  effects  from  the  utility  function  affects  the  tax 

interaction effects. The ‘non‐separability’ assumption implies that environmental 

effects  influence  the marginal  rate  of  substitution  between  leisure  and  goods, 

which  leads  to  the  changes  in  labor  supply.  Schwartz  and  Repetto  (2000) 

conclude that if environmental effects increase the labor supply, the negative tax 

interaction effect can be reduced or possibly even reversed.  Williams (2002, 2003) 

Page 36: Welfare in Open The Application of Computable General

25

shows how non‐separable environmental effects (including reduced medical cost 

and  number  of  sick  days  and  increased  labor  productivity)  influence  tax 

interaction effects. 

In  summary,  the welfare  analysis  of  environmental  taxes  substituting  for 

distortionary  taxes  is  conducted  mainly  to  examine  whether  negative  tax 

interaction effects dominate positive welfare gains from environmental taxes in a 

second best economy.  

The  subsequent  section  discusses  empirical  findings  on  the  welfare 

consequences  of  environmental  taxes  including  the  Pigouvian,  tax  revenue 

recycling,  and  tax  interaction  effects.  Most  empirical  work  relies  on  a  CGE 

modeling  approach,  since  CGE  modeling  can  analyze  economic  interactions 

among multiple  institutions  optimizing  their  behaviors.  Each CGE model  has 

different  assumptions  and  modeling  structures,  which  affect  the  welfare 

consequences  significantly.  For  example,  welfare  consequences  can  vary 

depending  upon whether  the CGE model  assumes  a  first  best  economy  or  a 

second best economy, and whether it uses highly aggregated industries or more 

detailed industries.  

Restrictions  exist when  the  focus moves  from  closed  economies  to  open 

economies.  In  regional,  open  economies,  the  disequilibrium  of  wages  and 

environmental qualities among regions can cause inter‐regional labor migration, 

Page 37: Welfare in Open The Application of Computable General

26

which leads to different welfare outcomes than in a closed economy. This study 

will  highlight  the  impact  of  labor migration  on  the welfare  consequences  of 

environmental taxes in an open economy.   

 

2.2 CGE Models for Environmental Tax Analysis 

Empirical studies of environmental taxes can be divided into two foci: one 

on  testing  the  double  dividend  hypothesis  and  the  other  on  investigating  the 

economic  impacts  of  environmental  taxes.  The  former  focuses  more  on 

consumers’ welfare  changes, while  the  latter  focuses more  on  production  and 

trading sectors. This section explores how different CGE models have different 

welfare  outcomes  and  different  economic  impacts  on  production  and  trading 

sectors. Also, summary of CGE models focuses on how environmental taxes are 

levied, what are  the main equations, and what are  the main  scenarios, welfare 

consequences,  and  the  overall  economic  impacts  such  as  output,  employment 

and trading. 

 

2.2.1 Test of the Double-Dividend Hypothesis

Goulder  (1995)  employs  an  inter‐temporal  CGE  model  of  the  U.S. 

economy  focusing on how  the nature of  existing distortionary  taxes  influences 

Page 38: Welfare in Open The Application of Computable General

27

the welfare costs of carbon taxes. He constructs detailed tax systems, investment 

incentives, equity values, profits, nonrenewable resource supply dynamics, and 

capital  adjustment  dynamics.  In  particular,  he  addresses  the  transition  from 

conventional fossil fuel to synthetic fuels and its effects on the model. The energy 

industries  are  coal,  oil  and  gas,  petroleum  refining,  synthetic  fuels,  electric 

utilities,  and  gas  utilities.  Commodities  are  produced  using  CES  production 

functions. Labor, capital, energy composite, material composite, and current level 

of  investment  are  used  as  inputs.  Import  prices  are  exogenous  and  export 

demand is a function of foreign export price and the level of foreign income. In 

the simulation, Goulder uses different carbon tax rates such as $25.00, $50.00, and 

$100.00  per  ton  of  carbon  emission,  and  different  tax  substitutions  including 

personal  income  adjustment,  corporate  tax  replacement,  and  payroll  tax 

replacement. The welfare  loss with recycling  the  tax revenue from carbon  taxes 

to reduce the personal income tax rate is about 36% less than lump‐sum revenue 

replacement;  the welfare  loss  is 37%  less when recycling  the revenue  to reduce 

the profit tax, 53% when recycling the revenue to reduce the payroll tax, and 42% 

less when recycling the revenue to reduce all tax rates. 

Bovenberg  and Goulder’s paper  (1997)  examines whether gross  costs of 

environmentally motivated  policy  can  be  eliminated  when  the  revenue  from 

environmental taxes is used to cut marginal income tax rates. They use two types 

Page 39: Welfare in Open The Application of Computable General

28

of environmental  taxes:  taxes on  fossil  fuels and  taxes on gasoline. The base of 

fuel taxes is intermediate input demand, and that of gasoline tax is consumption 

of  gasoline  by  consumers.  Production  is  represented  by  a  CES  production 

function  using  labor,  capital,  and  polluting  source  as  factor  inputs. Ordinary 

taxes  include  income  taxes on  labor and capital. The authors divide  income  tax 

conditions into two cases; one in which only labor income taxes are imposed, and 

the other in which both labor and capital income taxes are imposed.  

They  developed  an  inter‐temporal CGE model  between  1990  and  2070. 

Energy composite in the production function includes coal mining, crude oil and 

natural gas, synthetic fuels, petroleum refining, electric utilities, and gas utilities. 

Shale  oils  are  regarded  as  synthetic  fuels  that  are perfect  substitutes  for  fossil 

fuels. The main scenarios include four policies. First, a BTU tax per million BTUs 

is imposed on oil, coal, and natural gas in proportion to the BTU contents of the 

fossil fuels. A BTU tax rate of  0.45 was applied to imported fossil fuels as well as 

domestic fossil fuels, but exported fossil fuels were exempted from the BTU tax. 

Second, a gasoline tax was levied on the purchase of gasoline by consumers; the 

gasoline tax rate was 0.692 per gallon. Third, marginal rates of personal income 

taxes were increased, and fourth, marginal rates of corporate income taxes were 

increased. The study’s main conclusion is that the substitution of environmental 

taxes for ordinary taxes generates positive gross costs. The simulation shows that 

Page 40: Welfare in Open The Application of Computable General

29

the  tax‐neutral environmental  tax  reform shifts  the burden of  taxation  to a  less 

efficient  factor, which  results  in  the  improvement of double dividend. This  tax 

burden  shifting effect appears  in  the case of  the gasoline consumption  tax, but 

not in the case of the BTU tax.     

Goulder et al.’s research (1997) examines if there are tax revenue recycling 

effects  and  if  tax  interaction  effects  dominate  tax  revenue  recycling  effects  by 

comparing  pollution  tax  policy  with  grandfathered  pollution  quotas  policy. 

Revenues from pollution taxes are returned to the economy through cuts  in the 

marginal  labor  income  tax  rate, while  grandfathered  pollution  quotas  do  not 

generate government revenue. Therefore, pollution tax policy has environmental, 

tax  interaction, and  tax  revenue recycling effects, while pollution quotas policy 

has only environmental and tax interaction effects.  

Consumers’  utility  function  includes  consumption  of  both  electricity‐

intensive and non electricity‐intensive goods, demand for leisure, and separable 

environmental quality. There are  two  intermediate  inputs: general  intermediate 

input and electricity  input. The use of electricity  input generates sulfur dioxide 

(SO2),  and  firms  can  reduce  SO2  emissions  by  either  decreasing  the  electricity 

output  level  or  purchasing  abatement  services  or  facilities. A CES  production 

function  is  employed  and  labor,  electricity,  and  general  inputs  are  used  to 

produce output.  

Page 41: Welfare in Open The Application of Computable General

30

The  experiment  shows  that  as  pre‐existing  tax  rates  increase, marginal 

abatement  costs  increase,  and  the  relative  increased  size  is  larger  in  emission 

quota policy than in pollution tax policy. U.S. environmental regulation aims for 

an annual reduction of about 10 million tons of SO2 from coal‐fired electric power 

plants. The  authors’ outcomes  show  that  the  costs of  this  regulation with pre‐

existing  taxes  are  approximately  71%  higher  than  those  without  pre‐existing 

taxes; over 50% of  these costs can be avoided  if emission quotas are auctioned 

rather than grandfathered.  

Bruvoll and  Ibenholt  (1998) develop  a dynamic CGE model  for a  small, 

open Norway economy, referred to as DREAM (Dynamic Resource/Environment 

Applied  Model),  with  the  assumption  of  inter‐temporal  optimization.  Ad‐

valorem  taxes  are  levied  on  all  intermediate  inputs  (raw  material  and  all 

processed material), which  are  equivalent  to  taxes on  solid waste. They  test  if 

recycling revenue from environmental taxes to cut labor taxes can offer a double 

dividend. Labor  supply  and  capital  supply  are  endogenous. They assume  that 

reduced  air pollution  affects  factor  efficiency  through  less  capital depreciation 

and  better  health  conditions.  Welfare  effects  are  calculated  for  changes  in 

conventional material consumption, leisure time, and environmental quality and 

multi‐level CES production functions are used. Material and labor‐capital‐energy 

composite combine into output and energy is a composite of oil and electricity.  

Page 42: Welfare in Open The Application of Computable General

31

In  Bruvoll  and  Ibenholt’s  model,  consumption  has  multi‐level  CES 

functions  as  well.  They  assume  there  are  three  channels  for  environmental 

feedback: health damage and labor productivity, material damage, and the direct 

welfare effect from an improved environment. They observe two opposite effects 

from  simulating  the  CGE  model  considering  environmental  taxes  with  the 

reduction of labor taxes as external shocks. Environmental taxes will increase the 

production costs, while reduction of  labor taxes will lower the production costs 

and  broaden  tax  bases.  Main  findings  are  that  the  environmental  reform 

increases production costs, decreases output, decreases labor demand – so there 

is  no  double  dividend  of  environmental  improvement  with  increased 

employment  –  and  improves  the  overall  environmental  quality  such  as waste 

generation and material deposition.    

Parry and Bento  (2000)10 investigated whether a double dividend  can be 

generated  from  substituting  environmental  taxes  for  labor  income  taxes. They 

incorporate  tax‐favored consumption goods such as medical care, housing, and 

mortgage  interest  into  a CGE model. CES utility and production  functions  are 

employed to allow flexible substitutibility. Generally, the optimal Pigouvian tax 

rates  in  a  distortionary  economy  should  be  lower  than  those  in  the  first  best 

10 Prior to this study, Shar and Larsen (1992) argued that subsidies to energy sectors in developing countries can be removed when the revenue from carbon taxes is used to cut conventional taxes.

Page 43: Welfare in Open The Application of Computable General

32

economy  since  the  negative  tax  interaction  effects  dominate  the  positive  tax 

recycling effects  (Bovenberg and Goulder, 1996; Parry, 1995). But,  in Parry and 

Bento’s study, the authors show that efficiency gains from recycling the revenue 

from  environmental  taxes  can  exceed  the  efficiency  losses  from  tax  interaction 

effects when deductible goods  such  as housing, health  care, and mortgage  are 

considered. Distortion  from  the  subsidy  on  deductible  goods  can  be  reduced 

when the consumption of tax‐favored goods is reduced due to the environmental 

tax; this welfare gain is referred to as the ‘subsidy‐interaction effect’. For the tax 

revenue recycling effect, if the revenue from the environmental tax can be used 

to cut the non‐comprehensive tax,  it reduces the subsidy for  tax‐favored goods; 

this is referred to as the ‘strong revenue recycling effect’. Main simulation results 

show  that marginal costs  for  the environmental  tax  ‐ with revenue recycling  to 

reduce  non‐comprehensive  labor  tax‐  are  the  lowest  among  various marginal 

costs, and at 13% of environmental taxes, the marginal costs are zero (Parry and 

Bento, 2000). 

 

2.2.2 Economic Impacts of Environmental Taxes  

The  DICE  (Dynamic  Integrated  Climate‐Economy  Model)  model, 

developed by Nordhaus  (1993), derives  the  levels of  investment  in  capital and 

GHG  reductions which maximizes  global welfare.  The  author  focuses  on  the 

Page 44: Welfare in Open The Application of Computable General

33

choices among current consumption, investment in capital, and GHG abatement, 

and  employs  a  Cobb‐Douglas  production  function  of  capital,  labor,  and 

technology.  Capital  accumulation  is  determined  by  the  optimization  of 

consumption over time.  

Two key aspects of the DICE model are a climate damage function and a 

GHG  reduction  cost  function.  The model  supposes  that  an  increase  of  3°C  in 

global temperature leads to a decrease of 1.3% in world output, and the loss is an 

increasing  function  of  temperature  in  a  quadratic  form.  For  the  emissions 

reduction  cost  function,  the  model  presumes  that  a  10%  reduction  in  GHG 

emissions  from  1990  levels  can  be  obtained with  negligible  cost, while  a  50% 

reduction  will  generate  a  1%  cut  in  global  economic  output.  When  GHG 

emissions are cut by 20% again from a 1990 baseline, carbon taxes are $55.55 per 

ton and net global costs are $762 billion. If the revenue from carbon taxes is used 

to reduce other burdensome taxes, the optimal carbon taxes are $59.00 per ton of 

carbon emission, and global annualized gains are around $200 billion (Nordhous, 

1993). However, this model does not consider distortions in the world economy, 

meaning that no tax interaction effects are included in the analysis.  

Li  and  Rose’s  study  (1995)  uses  a  static  long‐run  CGE  model  of 

Pennsylvania  assuming  that  revenue  from  carbon  taxes  is  used  to  cut  the 

government  deficit. Nested  generalized  Leontief  cost  functions  and  two‐stage 

Page 45: Welfare in Open The Application of Computable General

34

trade  equations  are  applied  to  the  CGE model.  Carbon  taxes  are  applied  to 

regional  producers,  and  export  and  import  prices  are  fixed.  For  sensitivity 

analysis, different elasticity of substitution for the production and trade functions, 

expanded government expenditure from the revenue of carbon taxes, and inter‐

regional labor mobility with a Keynesian closure rule are examined.  

The model assumes full mobility across the industries of labor and capital. 

For  inter‐regional  movement  of  factors,  the  authors  take  an  endogenous 

determination  of  labor mobility  to  adjusting  to  the  classical  closure  rule.  To 

maintain  2000  emission  levels,  carbon  taxes of  $8.55 per  ton  are  levied  on  the 

outputs of coal, crude oil, and natural gas. The direct effect of carbon taxation is 

increased fossil fuel prices, leading to substitution between fossil fuels as well as 

substitution  towards  other  energy  sources. Real  gross  regional  product  (GRP) 

decreases by 0.26% for maintaining year 2000 emission levels. For the case with 

year 1990 emission levels with a carbon tax of $16.96 per ton, real GRP drops by 

0.53%; the real GRP declines by 1.2% for a 20% reduction of year 2000 emission 

levels. The simulation  results show  that  the macro‐economic  impacts of carbon 

taxes are proportional to the level of carbon taxes. 

Boyd  et  al.’s  study  (1995)  derives  the  net  benefit  of  energy  taxation  to 

determine the optimal energy tax rate, the efficient level of energy conservation, 

and  the  proper  abatement  level  of  carbon  dioxide  emissions.  Factor  inputs 

Page 46: Welfare in Open The Application of Computable General

35

include  labor,  capital,  and  land.  The  prices  of  traded  goods  are  endogenous 

given  that  the U.S.  economy  is  large  enough  to  affect  prices  of world  trade. 

Production and utility are described as CES functions. Energy taxes are levied on 

coal,  oil,  and  gas  in  proportion  to  the  fuels’  respective  carbon  contents.  The 

energy taxes are converted into ad valorem taxes relative to prices of fossil fuels, 

and they are applied to domestic energy producers as well as energy importers.  

The main  scenario  supposes  that  the  government  increases  the  revenue 

from environmental taxation as non‐distortionary lump‐sum taxes. Coal tax rates 

are the highest; oil tax rates are 53% of the coal tax level; and natural gas tax rates 

are  26%  of  the  coal  tax  level.  Energy  taxes  are  applied  to  domestic  energy 

producers as well as energy importers, and the environmental benefit function is 

linear with the reduction of carbon dioxide emissions. Welfare cost is estimated 

from  a  CGE model  for  the United  States  in  1988  and  the  net  environmental 

benefit is calculated from the gross environmental benefits and welfare costs. The 

simulation  results  show  that  the  coal price  should  increase 20% more  than  the 

baseline price, and  that oil and natural gas prices should be about 10% and 5% 

higher,  respectively,  than  the  benchmark  prices.  Depending  on  the 

substitutability and reduction levels, 20% ‐ 50% of baseline emission levels can be 

reduced without generating a net loss of national welfare. 

Page 47: Welfare in Open The Application of Computable General

36

A  study by Böhringer and Rutherford  (1997)  shows  that  tax exemptions 

on export‐and energy‐intensive sectors to maintain price competitiveness can be 

more costly than sector‐specific wage subsidies when unilateral carbon taxes are 

imposed  on  carbon dioxide  emissions  from  the use  of  fossil  fuels  in domestic 

production  and  consumption.  Carbon  taxes  are  not  applied  to  imported  and 

exported  goods. A  static CGE model  for West Germany  as  an  open  economy 

with 58 sectors in 1990 is employed to derive the welfare costs of tax exemption. 

Various  revenue‐neutral policies  including  lump‐sum,  labor  tax  reduction, and 

capital  tax  reduction  are  combined with  the  three  scenarios  (unilateral  carbon 

taxes,  carbon  taxes  with  exemption,  and  uniform  carbon  taxes  with  wage 

subsidies).  The  excess  burden  of  tax  exemption  calculated  by  Hicksian‐

equivalent  variations  is  raised  by  approximately  20%  per  30%  reduction  in 

carbon emissions. An effective general equilibrium wage premium index shows 

that uniform carbon taxes with wage subsidies on exemption sectors gain more 

employment  than  an  exemption policy with  carbon  taxes. For  the  export  side, 

uniform  carbon  taxes with wage  subsidies  cause  less  of  a  decrease  in  exports 

than uniform carbon taxes or an exemption policy. 

Kamat et al. (1999) explored  the welfare  impact of a global carbon  tax  in 

the U.S. Susquehanna River Basin. A key  feature  in  their analysis  is  that global 

carbon  taxes change  the prices of  imported and exported  fossil  fuels as well as 

Page 48: Welfare in Open The Application of Computable General

37

prices of other  imported and exported goods  in the focus region. They mention 

price differentials  for  the other  regions  and other  countries  as well due  to  the 

different  combinations  of  fuel  usages  and  technologies.  Carbon  taxes  on  the 

consumption  of  fossil  fuels  are  converted  into  ad  valorem  taxes  on  composite 

consumption (intra‐regional sales and imports) of fossil fuels including coal and 

oil/gas  sectors. The other  case  assumes  ad valorem  taxes on  the production of 

fossil fuels, and the taxes are specified as increases in indirect business tax rates 

in the fossil fuel sectors.  

To maintain year 2000 emission levels, real gross regional product (GRP) 

for the consumption tax base decreases by 0.03%, while GRP for the production 

tax  base  decreases  by  0.04%.  For  the  second  scenario  of  maintaining  1990 

emission  levels, GRP  for  the  consumption  tax  base decreases  by  0.11%, while 

GRP for the production tax base decreases by 0.14%. As a whole, regional exports 

are affected positively, while regional  imports,  foreign  imports and exports are 

affected negatively by the global carbon tax. The literature review by Kamat et al. 

(1999) found that carbon taxes targeting 50% reduction of carbon emission leads 

to a 1% to 3% reduction in real GDP. 

Andre et al. (2003) develop a regional CGE model for Andalusia, Spain to 

examine the economic effects of the imposition of carbon taxes on carbon dioxide 

and sulfur dioxide emissions. They simulate scenarios such  that revenues  from 

Page 49: Welfare in Open The Application of Computable General

38

carbon taxes are used to reduce either income taxes or payroll taxes with revenue 

neutrality. When revenue from carbon taxes  is recycled to reduce payroll taxes, 

emissions and  the unemployment  rate decrease monotonically with  the carbon 

tax rates. When revenue from carbon taxes are used to cut  income tax rates, no 

double  dividend  is  generated;  all  the  economic  variables  including 

unemployment are adversely affected. 

To sum up the empirical studies on environmental taxation, CGE models 

are  developed  to  analyze  the welfare  consequences  of  environmental  taxation 

including debate on the double dividend hypothesis (Goulder, 1995; Bovenberg 

and Goulder, 1997; Goulder et al., 1997; Parry and Bento, 1999).  Also, the other 

CGE models have examined the economic impact of environmental taxes such as 

changes in output, consumption, employment, and trade (Nordhaus, 1993; Boyd 

et al., 1995). All these models are based on a second best, closed economy. On the 

other  hand,  some  CGE  models  for  open  economies  discuss  the  welfare 

consequences  of  environmental  taxes  such  as  efficiency  costs,  tax  revenue 

recycling,  and  tax  interaction  effects  (Bohringer  and Rutherford,  1997;  Bruvoll 

and  Ibenholt,  1998).  These  models  investigate  economic  impacts  of 

environmental  taxes  such  as  employment, output, demand, and  trade  (Bruvoll 

and  Ibenholt, 1998; Kamat et al., 1999; Andre et al., 2003). The aforementioned 

studies,  however,  do  not  include  inter‐regional mobility  of  labor  in  the  CGE 

Page 50: Welfare in Open The Application of Computable General

39

models. One study by Li and Rose (1995) shows the economic impact of carbon 

taxes  using  a  regional  static  CGE  model  including  labor  mobility  between 

regions, but as table 2.1 shows, no CGE research was found to examine both the 

welfare  consequences  and  economic  impacts  of  environmental  taxes  with 

migration effects at state‐level open economies. 

 

Table 2.1 Classification of CGE Models on Environmental Taxation Welfare Consequences

and Double Dividend

Production and Macro-

Economic Changes

Closed economy

Goulder (1995)

Goulder et al. (1997)

Bovenberg and Goulder (1997)

Parry and Bento (2000)

Nordhous (1993)

Boyd et al. (1995)

Inter-regional

mobility

No study found Li and Rose (1995)

Open

economy

No inter-regional

mobility

Bohringer and Rutherford

(1997)

Bruvoll and Ibenholt (1998)

Andre et al. (2003)

Kamat et al. (1999)

Bruvoll and Ibenholt (1998)

 

2.3 Partial Equilibrium Analysis on the Trade Effect

Most  studies mentioned  in  this  chapter do not  consider  inter‐regional and 

foreign  trade; exceptions are Böhringer and Rutherford  (1997) and Kamat et al. 

Page 51: Welfare in Open The Application of Computable General

40

(1999).  The  impact  of  the  environmental  tax  on  the  output  and  trade  can  be 

affected  significantly  by  different  assumptions  on  the  prices  of  traded  goods. 

Partial equilibrium analysis will show how production and trade will be affected 

by the environmental tax relying on different assumptions on the prices of traded 

goods.  

Suppose  there  is  an  energy‐intensive  good,  and  it  is  exported  to  other 

countries. When an  environmental  tax  (Ts)  is  imposed on  the  energy‐intensive 

good,  it will  increase  the  export price of  the  energy‐intensive good  ( 'ee PP → ), 

assuming that the world demand price of the good ( tP ) in the export market is 

constant. The supply curve of the good in the export market shifts upward due to 

the  environmental  tax.  Then,  tP =  eP + Ts.  This  implies  that  even  if  the world 

demand price of  the good  in  the export market  is  fixed at Pt,  the price  that  the 

industry exporting the energy‐intensive good receives will be less than before the 

imposition  of  the  environmental  tax;  therefore, when  the  environmental  tax  is 

imposed  on  the  energy‐intensive  good,  the  supply  of  that  good  in  the  export 

market decreases.  

On the other hand,  if the environmental tax  is extended to  import demand 

for the energy‐intensive good, the import demand for the energy‐intensive good 

will be affected by the environmental tax. But this study only assumes the export 

supply price is affected by the environmental tax. 

Page 52: Welfare in Open The Application of Computable General

41

The general equilibrium approach may have different outcomes than  those 

of the partial equilibrium approach, since foreign and inter‐regional exports and 

imports  are  affected  by  substitution  among  domestic  and  regional  products, 

changes in export and import prices, domestic prices, and cost shares. Therefore, 

partial  equilibrium  analysis  cannot  capture  direct  and  indirect  effects  of  the 

environmental tax on the traded sector.  

 

2.4 Labor Migration

This  section will  summarize  theoretical  analyses  and  empirical  research 

on  labor migration. Among  the  various  determinants  of  labor migration,  the 

major  focus  here  will  be  on  wage  and  environmental  amenity  differentials. 

Throughout  the  review of  the  theoretical analyses on  labor migration, how  the 

wage  differential  affects  labor  mobility  and  the  interaction  with  other 

determinants will be explained in a general equilibrium framework. The review 

on empirical studies will  focus more on  the environmental amenity differential 

as a determinant of  labor mobility, and what kind of variables are  identified as 

environmental amenities will be summarized.  

 

Page 53: Welfare in Open The Application of Computable General

42

2.4.1 Labor Migration

Although  there  have  been  extensive  studies  on  labor migration, major 

focuses here will  be on  the  role  of wage  and natural  amenity variables  in  the 

decision  of  labor migration. Roback  (1982)  examines  the  effects  of wages  and 

rents  in  allocating workers  to  locations with different  amenities.  In her  study, 

amenity is defined as clear days and low population density, while disamenity is 

defined  as  crime,  pollution,  and  cold weather.  She  employs  a  simple  general 

equilibrium model where capital and  labor are completely mobile across cities, 

while  land  is  a  fixed  factor  input.  Workers  with  identical  skills  and  tastes 

consume a composite commodity (x) and residential land (lc) given that each city 

has different amenity levels, s. Factor prices of labor and land are w and r. Based 

on  utility maximization  subject  to  budget  constraints,  the market  equilibrium 

condition  for workers  is given by an  indirect utility  function with  0/ >∂∂ sV in 

equation (2.3). 

ksrwV =);,(                                                                                                  (2.3) 

Firms  produce  composite  good  x  using  land  and  labor with  a  constant 

returns to scale production function. The equilibrium condition for firms is that 

the unit cost of production should equal the product price. 

1);,( =srwC                                                                                                   (2.4) 

Page 54: Welfare in Open The Application of Computable General

43

0<sC  if amenity  is unproductive, while  0>sC  if amenity  is productive. 

The  equilibrium  level  of w  and  r  are determined  by  equations  (2.3)  and  (2.4). 

Major results from the general equilibrium model are described in equations (2.5) 

and (2.6). 

0)(1<+−

∆= rsrs VCCV

dsdw                                                                           (2.5) 

0)(1f

pswsw VCCV

dsdr

+−∆

=                                                                           (2.6) 

As a city has more amenity, the wages should be  lowered (equation 2.5), 

while  the  rent  of  residential  land  is  ambiguous  for more  amenable  cities  in 

equation (2.6). From the general equilibrium discussion and numerical examples, 

Roback concludes that the value of amenity is reflected in the wage as well as the 

rent gradient of land. 

Wildasin  (1994)  uses  a  two‐region  equilibrium model  for migration  to 

analyze the effect of an income redistribution policy on migration. This literature 

review  is confined  to  the basic model, since  its major purpose  is  to address  the 

role of wage or amenity variables in the decision of migration. Wildasin assumes 

two  regions  (or  countries),  1  and  2,  one  produced  good,  two  factor  inputs, 

immobile  land  and  mobile  labor.  Immobile  households  such  as  landowners 

receive  returns  to  the  fixed  input,  and mobile workers  get  the  returns  to  the 

mobile  input.  The  number  of  mobile  workers  in  region  i  is  Ni. With  labor 

Page 55: Welfare in Open The Application of Computable General

44

migration,  the number of employed workers  is Li. Li‐Ni  implies  the amount of 

immigration into region i. The condition for the equilibrium allocation of labor is 

NNNLL ≡+=+ 2121                                                                                  (2.7) 

In the initial stage, wages of both regions are different ( 02

01 ww ⟩ ) assuming 

that there are migration costs. With free mobility, workers will flow into region 1, 

leading to equilibrium status with  eL1  and ew  (Figure 2.3). 

 

Figure 2.3 Two Region Equilibrium Model

 

Dickie and Gerking’s 1998 study focuses on the main reasons of continuity 

of  inter‐regional wage differentials  for  a  long  time  period. Based  on Roback’s 

paper  (1982  and  1988),  they  extend  Roback’s model  in  two ways:  first,  each 

region has a different amount of  land and a distinct amenity. Second, workers 

01w

ew

L1 L2 N

ew

02w

N1 eL1

Page 56: Welfare in Open The Application of Computable General

45

are  imperfectly mobile.    The  basic  general  equilibrium model  in  Dickie  and 

Gerking’s  study  assume  that  two  regions  produce  different  composite 

commodities (Xa, and Xb) using labor (H) and land (L). Unit cost equations are 

PtnrwC AAAAA =),;,(                                                                                   (2.8) 

1),;,( =BBBBB tnrwC                                                                                     (2.9) 

Where wi denotes wages of  labor,  ri denotes  the  rent per unit of  land, P 

denotes  producer  price  of  XA  relative  to  the  producer  price  of  XB,  ti  denotes 

technical  progress,  and  ni  denotes  inter‐regionally  differentiated  natural 

amenities. Relying on  constant  returns  to  scale,  land  is  fully allocated between 

industrial land and residential land, and workers are fully employed. 

iiiiir LHXc =+ϕ                     i=A, B                                                            (2.10) 

iiiw HXc =                               i=A, B                                                               (2.11) 

Where    jcc

iij ∂

∂=  (j = w,r) denotes use of a factor for producing one unit 

of goods,  iϕ denotes residential use of land, and Hi denotes the level of labor. 

HHH BA =+                                                                                               (2.12) 

The demand side of Dickie and Gerking’s model has specific assumptions. 

First, workers in region i may receive a lump‐sum transfer from the government. 

Second, relocation costs may accrue for labor migration, which leads to different 

utility  levels. Third,  the  initial utility  level of region A  is supposed  to be  larger 

Page 57: Welfare in Open The Application of Computable General

46

than that of region B, so the wage rate in region A is higher than the wage rate in 

region B. Fourth, there are transportation costs in trading commodities. Based on 

the equilibrium conditions of trade between regions, they take comparative static 

effects  of  production‐cost  differences,  amenities,  relocation  costs,  and  inter‐

regional transfer payments on the wage gap. In the Dickie and Gerking’s study, 

the key factor of labor migration is the wage difference between regions.  

With  the  role  of  the wage  differential  in  determining  labor migration, 

natural amenity is another important factor in labor migration. The next section 

discusses empirical studies on evidence on the natural amenity as an important 

determinant of labor migration. 

 

2.4.2 Empirical Studies on Amenities and Migration

In Judson et al (1999), environmental amenity is defined as  

“any attribute of a geographic location for which a resident or potential migrant would be willing  to pay, either  through higher housing  costs,  lower wages, or other location‐specific costs, but for which there is no market through which the individual can directly purchase a given amount of that good.”  

 There  have  been  numerous  empirical  studies  regarding  the  effect  of 

amenities  on  labor migration.  Cromartie  and Wardwell  (1999)  argue  that  the 

main pull factor of net  in migration is natural amenity as defined by the USDA 

(US  Department  of  Agriculture)  ERS  (Economic  Research  Service).    Rudzitis 

Page 58: Welfare in Open The Application of Computable General

47

(1999) addresses that wage and employment opportunity cannot totally explain 

migration  to  the  rural West. He  uses  outdoor  recreation,  landscape,  scenery, 

environment, and climate as amenity attributes. Compared to other pull factors 

of migration to the rural West, these amenity variables have higher scores when 

people are asked about  the  reasons of migration.   Vias’s  (1999) study  supports 

the  assumption  that  high  quality‐workers who  prefer  to  live  in  amenity‐rich 

locations  cause  service‐based  firms  to  locate  in  amenity‐abundant  counties. 

Judson et al. (1999) surveyed the immigrants of Oregon according to different life 

cycles.  They  found  that  retirees  referenced  high  amenity  as  a main  reason  of 

moving while young wage workers did not reveal strong preferences for amenity.  

Deller  et  al.  (2001)  assume  there  are  four  factors  affecting  regional 

economic  growth:  markets,  labor,  government,  and  amenity  attributes.  The 

market  variable  has  sub  groups  according  to  different  race,  age,  and  income 

groups while  the  labor  variable  is  categorized  to  capture  different  education 

levels, medical services, unemployment rates, and crime rates. The government 

variable represents property tax rates and total government general expenditures.  

The  empirical  analysis  consists  of  principal  component  analysis  and 

reduced  form  regression.  From  the  principal  component  analysis, Deller  et  al. 

extracted main  factors  that explain each amenity  category. For  example,  in  the 

climate  category,  average  temperature  and  annual  precipitation,  January 

Page 59: Welfare in Open The Application of Computable General

48

temperature,  and  July  humidity  components  have  higher  values.  Using  the 

information  from principal  component  analysis,  they performed  reduced  form 

regression on  the  regional growth model. There are  three dependent variables: 

changes in population, changes in employment and changes in per capita income. 

Thus, there are three simultaneous equations.  

Independent variables are population, employment, percent of nonwhite, 

percent under seventeen, percent above  sixty‐five,  income distribution, percent 

of  households  under  poverty  line,  unemployment  rate,  education,  crime  rate, 

number of physicians, property tax, government expenditure, climate, developed 

recreational  infrastructure,  land, water,  and winter  variable. Growth  rate  and 

percentage of over sixty five population have a strong negative relationship with 

each  other.  The  amenity  attributes  are most  important  in  the  explanation  of 

regional  growth.  For  example,  climate  has  a  strong  effect  on  growth  in 

population,  but  no  significant  effect  on  employment  growth. Higher  level  of 

water amenity is associated with higher population growth, but not significantly 

associated with  job  growth. Developed  recreational  infrastructure  is positively 

related with  population,  employment,  and  job  growth  rates. Land  and winter 

attributes  also  have  significant  effects  on  population,  employment,  and  job 

growth.    

Page 60: Welfare in Open The Application of Computable General

49

Lewis et al. (2002) examined the effects of public forest conservation land 

on employment growth and net migration  in  the northern  forest regions. Their 

empirical  tests  show  that  since  migration  due  to  amenity  is  generated  by 

multiple  land uses, policy makers  should not  regard  conservation  of  forest  or 

public lands as persuasive policy for economic development. 

McCool and Kruger’s paper (2003) is policy‐ and management‐oriented in 

the sense that they attempt to find main reasons for the increase of in‐migration 

to the Pacific Northwest area and propose policies to increase populations in the 

rural  counties.  Ninety‐four  of  104  counties  in  the  interior  Columbia  basin 

experienced population increases between 1990 and 1994. They observe that the 

main  pull  factor  of  population  increases  is  natural  resource  based  amenity. 

Counties with  increased populations have higher  expenditures on amusement, 

recreation, and lodging. They discuss the gains and costs of population changes 

in  the  counties. Population  changes mainly due  to  in‐  and out‐migration have 

positive effects such as more employment opportunities, increased expenditures, 

and  growing  tax  bases.  However,  the  increased  population  will  lead  to  the 

changes in ethnic and racial characteristics of communities, and this change may 

affect the interactions of community with natural resources.  

McCool  and  Kruger  categorize  the  components  of  this  interaction  into 

four  factors:  population  growth  driver,  growth  consequence,  and  social  and 

Page 61: Welfare in Open The Application of Computable General

50

psychological  links  with  natural  resource  and  measurement  issues.  As  a 

population  growth  driver,  they  propose  first  that  amenity  becomes  more 

important  as  a  fundamental  factor  of  in‐migration  to  rural  areas.  In  the  past, 

suburban  areas were  attractive places  to  live  since  they  satisfied  the needs  for 

natural  amenity  as  well  as  urban  facility.  But  as  telecommunications, 

transportation,  transfer payments and  internet develop  rapidly,  rural areas can 

provide both of these needs, so people will move into the rural area rather than a 

suburban area. Second, public  lands provide environmental based amenity as a 

pull  factor of  in‐migration, but  this should be harmonized with other demands 

such  as  highways,  airport,  high  speed  internet  and  cellular  phones.  Third, 

‘hidden’ people who are employed in the agricultural sector or natural resource 

related  fields may have different  interaction with  the natural environment and 

different demands for public services.  

McCool  and  Kruger  suggest  several  possible  growth  consequences  of 

population increases in the rural area. As population increases, the communities 

will require more housing, schools, and other  infrastructure which may  lead  to 

the  destruction  of  natural  resources  such  as  forest  and wildlife  habitat.   New 

landowners will have management  approaches different  from  those of  the old 

residents and lifestyles of migrants will be different from those of prior residents, 

so they will create new and various demands for recreation and public lands. 

Page 62: Welfare in Open The Application of Computable General

51

As  social  and  psychological  aspects  of  populations  change,  migrants’ 

culture will  be different  from  the  current  residents’  culture. Many  of  the  new 

residents may move  from a metropolitan area and  this urban culture will have 

different  features  than  rural  culture.  Regarding  the  valuation  of  natural 

environments, new people may put higher value on  aesthetic  and  recreational 

aspects while old residents may regard forests as their working places. To the old 

residents,  places  have  special  relationships with  them  in  terms  of  friendship 

networks  and  family  links  for which  small  rural  society  is  known, while new 

residents will  have  less  personal  relationships with  public  places.  Sometimes, 

new residents from urban areas may view the natural amenity as symbolic while 

old residents view it as functional.  

  The  final  component  of  the  examination  of  population  change  and 

natural  amenity  is  measurement  issues.  The  authors  raise  questions  about 

appropriate temporal and spatial scales and the application of new geographical 

analysis. 

Hunter et al.’s  (2003) paper  is unique  in  that  the authors use disamenity 

factors  to explain migration. The environmentally hazardous  facilities are push 

factors  of  migration  and  it  is  said  that  there  exists  racial  and  income 

differentiation  in  avoiding  environmental  hazards.    Put  another  way,  racial 

minority and low income groups tend to have higher probability of living within 

Page 63: Welfare in Open The Application of Computable General

52

the  proximity  of  an  environmental  hazard.    They  test  if  socio‐economically 

disadvantaged populations such as non‐white or poor groups are less responsive 

to avoid  environmentally hazardous  facilities as a  location‐specific disamenity.  

They use  four different dependent variables: white, black, Asian, and Hispanic 

out‐migrants,  for a nation wide, county  level dataset mostly between 1980 and 

1990.  As  explanatory  variables,  they  include  population,  economic,  housing, 

geographic characteristics, environmental amenities, environmentally hazardous 

facility indicators, proposed Superfund sites, and hazardous waste large quantity 

generators.  

The results show that among 44 risk coefficients, only 5 coefficients have 

statistical significance, and no clear patterns appear regarding to the direction of 

the  coefficients. Besides,  there  are no  statistical differences  between white  and 

non‐white  residents  on  out‐migration  in  counties  with  environmentally 

hazardous facilities, so this outcome does not support the proposed hypothesis. 

Garber‐Yonts (2004) synthesizes diverse fields of study in order to identify 

relationships  among  the  natural  amenity,  migration,  and  federal  land 

management.  His  literature  review  covers  demographic  studies,  urban  and 

regional economics and non market valuation,  land use change, and economics 

of  forest  preservation  and  wilderness  designation.  The  main  finding  of  the 

review is that natural amenity is a powerful factor that explains migration flow, 

Page 64: Welfare in Open The Application of Computable General

53

especially with increasing mobility and the aging U.S. population. But the effect 

of natural  amenity on wage, housing  cost,  and  employment  is  ambiguous. As 

implication of  the  review  is  that natural  amenity  is  static  and  changes  slowly, 

while the tastes and preference of people on the location change rapidly. 

In Stewart’s (2004) paper, people in‐migrated to rural counties in the 1970s 

but the trend declined in the 1980s, and increased again in the 1990s. He analyzes 

the main factors and social contexts that influence amenity migration. First of all, 

retirees  prefer  amenity‐rich  counties,  and  new  financial  tools  facilitate  those 

retirees’  migration  to  high  amenity  counties.  Second,  improvements  in 

transportation,  telecommunication,  and  computer  technology  allows  people  to 

work  at  home more  readily;  in  the  near  future,  people may  live  in  the  rural 

county with high natural amenity and work in the urban county through internet 

or cyber meeting. Third, once people visit some amenity area  for  the  first  time, 

they may want to visit again. They may return to visit that place and rent cottage. 

Now, as  they choose  to stay  longer or visit more often,  they will buy a second 

home,  and  at  last  they will migrate  to  the  amenity  area.  In  this  case,  tourism 

affects people’s decisions on migration.  

As consequences of migration, Stewart points out six aspects. First, a rural 

community  with  in‐migration  will  face  a  variety  of  cultures,  races,  and 

conventions,  so  different  people  will  have  different  expectation  and  needs. 

Page 65: Welfare in Open The Application of Computable General

54

Second,  the  community will  have  social  conflict  and  turbulence.  For  example, 

migrant people may not be cooperative in community decision making or public 

expenditure.  Third,  as  a  positive  effect,  mailbox  economies  will  grow.  For 

example, retirees’ main income is from external sources and this external income 

will  fund  the  community  economy.  Fourth,  as more  people  live  in  the  rural 

community, they will require more land for housing and facilities. This may lead 

to  the  reduction of  forest area and destruction of natural environment  through 

air and water pollution. Fifth, therefore, natural resource management will have 

to  adjust  to  the  changes  arising  from  migration  effects.  Sixth,  the  increased 

population will require more infrastructure to support the community.  

Dissart and Marcouiller  (2004) distinguish between natural amenity and 

built amenity. They attempt to show the effect of recreation facilities on economic 

growth  in  remote  rural  regions.  Therefore,  this  paper  is  different  from  the 

aforementioned  literature  in  that  it  focuses  on  the  effect  of  built  amenity  on 

migration  and  regional  economic  growth.  They  use  nation‐wide  remote  rural 

county  data  on  natural  amenity,  outdoor  recreation  facilities,  and  economic 

growth between 1989 and 1999. The analysis consists of clustering and regression. 

The  dependent  variable  is  income  and  independent  variables  are  outdoor 

recreation  facilities  and  other  control  variables  including  natural  amenities, 

tourism  budget,  college  education,  proportion  of  population  over  sixty  five, 

Page 66: Welfare in Open The Application of Computable General

55

population  growth,  public  ownership  of  resources,  and  interstate  mileage 

density. Using clustering analysis,  they divide rural counties  into six categories 

from negatively scored counties on natural amenity  to counties with mountain, 

forest, below average temperature, wildlife resource, and wetlands.  Within each 

category,  they  regress  the  income variable on  outdoor  recreation  facilities  and 

other control variables. The overall results support  the hypothesis  that outdoor 

recreation  facilities  are  positively  related with  economic  development,  though 

the relationship varies with clusters. The policy implication of this paper is that if 

a remote rural county has abundant natural amenity, that county ought to invest 

in outdoor recreation facilities to attract migrants, which will boost the region’s 

economic growth. 

Krupka  (2004)  addresses  location‐specific  human  capital  as  an 

opportunity cost of migration. If a person learns location‐specific skills, it will be 

hard to get a job in the other region where that skill is not used or a different skill 

is required. So, individuals will move if the difference between the net income of 

staying and that of moving relying on region‐specific human capital is negative. 

He  uses  data  from  interviews  with  8,033  people  in  1979  and  2000.  For  the 

regression model, he uses  level of amenity at  the  terminal date as a dependent 

variable and individual characteristics and amenity level at the original location 

as explanatory variables. The results of 2SLS (two stage least squares) regression 

Page 67: Welfare in Open The Application of Computable General

56

for six different amenities show  that  the  initial county characteristics  (exposure 

variable)  are  highly  significant.  He  concludes  that  people  have  different 

valuations  of  local  amenity  since  they  have  various  kinds  of  location‐specific 

human education which determines people’s tastes and amenity preferences. 

In  summary, numerous  theoretical as well as  empirical  studies on  labor 

mobility  show  that  wage  and  environmental  amenities  are  important 

determinants of migration, and environmental amenity variables can be defined 

in various ways. 

 

2.5 Partial Equilibrium Analysis on the Environmental Tax and

Labor Mobility

A survey of studies on  labor migration shows the  importance of wage and 

amenity variables as determinants of labor mobility. However, the final purpose 

of studies on labor mobility is to explore the impact of labor mobility on welfare 

consequences  of  environmental  taxes. This  section  briefly discusses  how  labor 

mobility affects  the welfare consequences of environmental  taxes  through  labor 

markets depending on different environmental tax regimes.  

The  equalization  of  factor prices  leads  to no  inter‐regional  factor mobility 

given  that  Heckscher‐Ohlin  conditions  are  satisfied.  The  conditions  are  i) 

unequal  relative  factor  endowments,  ii) perfect  competition  in  all markets,  iii) 

Page 68: Welfare in Open The Application of Computable General

57

inter‐regionally  identical  constant  return  to  scale  of production  technology  for 

each  good,  iv)  no  distortions  in  the  regions,  v)  identical  and  homothetic 

preferences of consumers, vi) no transaction (i.e., transportation) cost, and vii) no 

factor intensity reversals (Batra, 1973). But  if one region  imposes environmental 

taxes  and  reduces  factor  income  taxes  for  tax  revenue  neutrality,  then  the 

environmental amenities and  real  factor prices  in  the  focus  region will change. 

Consequently,  labor  and  other  factors  will move  inter‐regionally  until  factor 

prices  in  all  regions are  equalized.  In migration  studies  reviewed  so  far, wage 

differential and natural amenity differential are  treated as  important  factors  to 

determine an individual’s migration decision.  

Inter‐regional  labor  mobility  can  affect  the  welfare  consequences  of 

environmental taxes in various ways. First, labor market distortions due to labor 

income taxes (tL) are smaller in labor markets with labor migration (case II) than 

in labor markets without mobility (case I). Based on partial equilibrium analysis 

in  figure 2.4,  regional  labor  supply  (Ls) without migration  (mig) has  a  steeper 

curve  since  the  labor  supply without migration  is  less  elastic  than  that with 

migration. Given that labor income taxes are levied, dead weight losses (∆ABD) 

without labor mobility are bigger than those (∆ABC) with labor migration.  

 

 

Page 69: Welfare in Open The Application of Computable General

58

 

Figure 2.4 Labor Migration Effects on the Deadweight Loss

 

 

Secondly,  the  improvement  in  environmental  quality  due  to  state 

environmental  taxes will  encourage  in‐migration of  labor  in  the other  regions. 

Federal environmental taxes will not change the relative environmental tax, since 

all  the  regions will have a  similar  improvement  in  the environmental amenity. 

The  labor  supply with an environmental quality differential as well as a wage 

differential (the dotted lines) (case III) will be more elastic than the labor supply 

curve where only real wage differential affects  labor migration. Thus,  the  labor 

market with environmental amenity and  real wage variables will have  smaller 

L

W

Ld

Ls + tL

Ls Ls +mig

Ls +mig+tL

A

C

B

D

E

Case ICase II

Case III

Page 70: Welfare in Open The Application of Computable General

59

distortions (∆ABE) than the labor market with only real wage variable. However, 

there will  be  negative  impacts  on  the  location  decision  of  pollution‐intensive 

industries  due  to  the  reinforced  environmental  regulation  (Pagoulatos  et  al., 

2004). In this study, this effect will be ignored since evidence shows the effect is 

contentious  (Dean,  1992;  Jaffe  et  al.,  1995;  Levinson,  1996;  Brunnermeier  and 

Levinson, 2004; Thomas and Ong, 2004; Raspiller and Riedinger, 2004). 

To  sum up, distortions  in  labor markets due  to  labor  income  taxes are  the 

largest in case I, and next in case II (federal environmental tax) followed by case 

III (state environmental tax).  

ABEABCABD ∆>∆>∆                                                                                    (2.13) 

 

Third, from the perspective of general equilibrium analysis, the tax recycling 

and  tax  interaction  effects  will  be  amplified  by  labor migration.  For  the  tax 

revenue  recycling  effect,  the  reduction of  labor  income  taxes  for  tax neutrality 

given  that  environmental  taxes are  imposed will  increase  real wage  rates. The 

increase  in  real wage  rates will not only  increase  labor supply within a  region, 

but  labor  in  the  other  regions  also will  in‐migrate  until  the  real wage  rate  is 

equalized  among  regions.  Labor migration  affects  the  tax  interaction  effect  as 

well: as  the price of polluting goods goes up due  to  the environmental  tax,  the 

real wage rate will be reduced. Labor supply will be diminished and move out to 

Page 71: Welfare in Open The Application of Computable General

60

other  regions  with  higher  real  wage  rates.  Again,  the  general  equilibrium 

approach  can  capture  the  whole  impact  of  labor  migration  that  the  partial 

equilibrium analysis cannot. 

 

2.6 Other Theoretical Considerations

Other  theoretical  aspects  to  be  considered  in  this  review  include  possible 

influences  on  welfare  consequences  when  a  backward  bending  labor  supply 

curve  is  assumed,  long  run  effects  of  substituting  state  government  revenues 

from carbon taxes for the revenues from conventional taxes are considered, and 

the possible  economic  effects due  to  the  environmental  tax  and  reduced  labor 

income tax are decomposed.  

 

2.6.1 Potential Effects of Backward Bending Labor Supply Curve

Most  CGE models  assume  positive  own wage  elasticity  of  labor  supply, 

implying  that  an  increase  in  the  real  wage  stimulates  the  labor  supply 

(Bovenberg and de Mooij, 1994). Empirical studies, however, show that the labor 

supply  elasticity  can  be  negative,  called  the  ‘backward  bending’  labor  supply 

curve (Ballard et al., 1985). If the own after‐tax wage elasticity of labor supply is 

negative, the welfare consequences will be adversely affected. 

Page 72: Welfare in Open The Application of Computable General

61

Wage elasticity of  labor supply  is derived by  the relative magnitude of  the 

substitution  and  income  effects.  By  substitution  effect,  as  the  price  of  leisure 

increases, individuals reduce the amount of time allocated to leisure and increase 

the  amount  of  labor  supplied.  By  income  effect,  as  the  wage  increase, 

individuals’ incomes increase. So, as long as leisure is a normal good, individuals 

spend more  time  on  leisure  and  reduce  labor  supply.  In  the  upward  sloping 

labor supply curve, the substitution effect dominates the  income effect; in other 

words, the own wage elasticity of labor supply is positive. But in the downward 

sloping  labor supply curve,  the  income effect exceeds  the substitution effect, so 

the own wage elasticity of labor supply is negative.  

Given that a backward bending labor supply curve is assumed, the welfare 

consequences of environmental taxes can change in various ways. First of all, the 

tax revenue recycling effect will be attenuated. With the assumption of positive 

own  wage  elasticity,  the  decrease  in  labor  income  tax  due  to  tax  revenue 

recycling raises the net real wage, leading to an increase in labor supply. But the 

negative  elasticity  of  labor  supply  results  in  the  reduction  of  labor  supply, 

therefore the recycling of tax revenue dampens the welfare cost of environmental 

taxes.  Second,  the  tax  interaction  effect will  be mitigated.  The  increase  in  the 

price of dirty goods reduces  the net real wage. So, with  the backward bending 

labor supply, a decrease in the net real wage increases the labor supply.  

Page 73: Welfare in Open The Application of Computable General

62

On the other hand, when  the backward bending  labor supply  is applied to 

all regions, labor migration will influence tax recycling and tax interaction effects 

in  different  ways.  The  decrease  in  labor  income  tax  due  to  the  tax  revenue 

recycling will  increase  real wage but  the  labor will out‐migrate  since negative 

own wage elasticity is assumed, so the labor supply will decrease more. For the 

tax interaction effects, the decrease in real wage due to the increase in the price of 

dirty goods will lead to an increase in in‐migration.  

However,  there  can be multi‐equilibrium when a backward bending  labor 

supply curve is assumed. Therefore, this study will not examine the case with the 

backward bending labor supply. 

 

2.6.2 Long Run Effects of the Environmental Tax Recycling Policy

In  the  long run,  the  flow of revenue  from carbon  taxes can be unstable.  In 

figure 2.5, carbon  taxes  reduce consumption of carbon‐emitting goods and  this 

effect encourages technological innovation. Firms will change from carbon‐based 

fuels to alternative fuels. Accordingly, the carbon tax base will decline in the long 

run, which leads to reduced welfare gains from tax recycling. As one of the state 

government tax revenues, the carbon tax is an unstable source compared to other 

conventional  taxes  such as  labor  income  taxes,  sales  taxes, property  taxes, and 

corporate income taxes.  

Page 74: Welfare in Open The Application of Computable General

63

  

Figure 2.5 Feedback of Environmental Taxes in the Long Run

 

 

 

 

Resource depletion

Environmental pollution + climate change

Production cost (+)

Consumer price (+)

Consumption (-)

Profit (-)

Innovation

Environmental tax

Alternative fuels

(-)

Page 75: Welfare in Open The Application of Computable General

64

CHAPTER 3  

THE PENNSYLVANIA CGE MODEL 

A static Pennsylvania CGE model is constructed for the year 2000. There are 

17  industrial  sectors  and  production  is modeled  using  nested  CES  functions. 

Primary  factor  inputs  are  labor,  proprietors,  and  capital.  Intermediate  inputs 

include energy composite, transportation and other materials; energy composite 

consists  of  coal,  oil,  gas,  alternative  fuels,  and  electricity.  Final  demand  is 

modeled  using  a  CES  utility  function  and  trade  is  modeled  using  two‐tier 

Armington  and  CET  functions.  Labor migration  is modeled  as  a  function  of 

relative real wages and environmental amenities.  

 

3.1 Main Features of CGE Model

Pennsylvania’s  economic  institutions  are  divided  into  a  representative 

household, 17 industries, federal and state/local non‐educational and educational 

government,  and  rest  of world  (ROW)  and  rest  of USA  (ROUS). All  flows  of 

payments or  transfers among  the entities of  institutions are based on a SAM of 

the Pennsylvania economy  in the year 2000 and energy consumption data from 

Page 76: Welfare in Open The Application of Computable General

65

the  EIA  (Energy  Information  Administration).  The  SAM,  which  provides  a 

comprehensive snapshot of  the economy during a given year  (Decaluwe, et al., 

1999), was derived from IMPLAN (Impact Analysis for PLANning) for the year 

2000  (IMPLAN  Pro,  2000).  The  SAM with  energy  consumption  data  has  two 

different  units:  value  (million  dollars)  and  quantity  (trillion  Btu).  The  input‐

output transaction  included  in this transformed SAM  is referred to as a  ‘hybrid 

commodity by commodity input‐output table’ (Miller and Blair, 1985; Brenkert et 

al., 2004). This hybrid SAM was recalculated to transform the quantity unit into 

value unit12.  

There  are  17  sectors  for  the production  and  consumption of goods  in  this 

model:  coal,  oil,  gas,  alternative  fuels,  electricity,  transportation,  agriculture, 

mining, construction, durable manufacturing, non‐durable manufacturing, trade, 

utility,  electric  and  gas  utility,  FIRE,  services,  and  others.  Energy  production 

sectors are  coal, petroleum, natural gas, alternative  fuels, and  electricity. Table 

3.1 describes the sub‐sectors within 7 main industrial sectors.  

 

 

 

 

12 More details are explained in Appendix B.

Page 77: Welfare in Open The Application of Computable General

66

Table 3.1 Description of Industrial Sectors Industry Description

Coal* Coking coal and steam coal

Oil*

Asphalt and road oil, aviation gasoline, distillate fuel,

jet fuel, kerosene, LPG, lubricants, motor gasoline,

and residual fuel

Natural gas* Natural gas, Natural gas liquid

Alternative fuels* Nuclear, hydropower, solar, fuel cell, geothermal,

bio-fuel and wind

Materials**

Agriculture, Mining, Construction, Electric and gas

utility, Utility, Durable and non-durable

manufacturing, Trade, Financial, insurance, real

estate, services, and others

Transportation**

Railroad and related service, Local, interurban

passenger, Motor freight transport, Water transport,

Air transport, Transportation service, Local

government passenger

Electricity** Electric services, State and local electric utility,

Federal electric utility

(Source: * State energy data 2001 in EIA, **Type codes (SA092) in IMPLAN) 

 

Government  sectors  consist  of  federal  government,  state  and  local‐non 

education  government,  and  state  and  local‐education  government  in  order  to 

look  at  the different  effects  on  revenue  and  expenditures  among  federal,  state 

and local government with and without expenditure on education.  

Production  and  consumption  behavior  is  captured  by  the  first  order 

optimality conditions derived from profit maximization and utility maximization 

subject to budget constraints. Value added inputs are labor, proprietary services, 

Page 78: Welfare in Open The Application of Computable General

67

capital,  and  energy,  and  they  are  substitutable  in  a  nested  CES  (constant 

elasticity  of  substitution)  function.  Intermediate  inputs  are  used  to  produce 

commodities using a CES production function while household utility consists of 

a nested CES function. In the first tier CES utility function, household utility is a 

function of demand  for  leisure and a composite commodity.  In  the  second  tier 

CES utility  function,  the demand  for  the composite commodity  is composed of 

consumption of market commodities.  

There are several important features in the CGE model to examine the effects 

of state‐specific conditions on the welfare consequences of carbon taxes, the first 

of which is the endogenization of labor migration. Labor migration is a function 

of  the  after‐tax  real  wage  differential  and  the  environmental  amenities 

differential. The real wage is affected by the market price index as well as labor 

income  taxes. Hence,  changes  in  the  price  index  or  labor  income  taxes  in  the 

region will cause  in‐migration or out‐migration  through  the changes  in  the real 

wage.  Meanwhile  the  increased  environmental  amenities  due  to  the 

environmental tax will also boost in‐migration. The total changes of prices, taxes, 

and  environmental  quality  will  determine  the  sign  and  the  size  of  labor 

migration.  

The second important feature in the CGE model is that the trading sector is 

divided  into  two  levels; all other countries and  the rest of  the states  in  the U.S. 

Page 79: Welfare in Open The Application of Computable General

68

Nested Armington and Constant Elasticity of Transformation (CET) functions are 

used  to  allow  a  cross‐hauling  assumption  implying  imperfect  substitution 

between tradable goods and non‐tradable goods. In the first tier, foreign imports 

to  the  rest of  the other  countries  and domestic demands  are derived  from  the 

Armington  function.  The  domestic  demands  are  allocated  between  domestic 

import  by  the  rest  of  the  states  in  the U.S.,  and  the  regional demands  by  the 

second tier Armington function. The derived domestic imports are a function of 

domestic  import price, regional price, and the elasticity of substitution between 

domestic import and regional supply. Foreign and domestic exports are derived 

in  the  same way  using  the  nested  CET  function.  Output  supply  is  allocated 

between  foreign export and domestic supply by  the  first  level of CET  function. 

At  the second stage,  the domestic supply  is allocated between domestic export 

and regional supply by the second CET function.   

Other activities such as tax payment, savings, remittance, and borrowing are 

assumed to be proportional to total control. Most parameters, including shift and 

share parameters  in  the production, utility, Armington and CET  functions, and 

various  tax  rates  are  calibrated  by  using  IMPLAN  SAM  data  in  order  to 

reproduce the benchmark solution (Ballard et al., 1985). 

 The  model  is  solved  by  a  competitive  set  of  prices  that  satisfies  the 

condition  of  zero  excess demand. One of  the properties  in  the  excess demand 

Page 80: Welfare in Open The Application of Computable General

69

function  is Walras’  law  such  that  there  exist  (n‐1)  independent  excess demand 

equations  to  determine  (n‐1)  relative  price  ratios  (Dervis  et  al.,  1982).  The 

equilibrium conditions consist of a commodity market, a  factor market, and an 

aggregate saving‐investment market. When supply of goods is equal to demand 

of  goods  and  supply  of  factors  is  equal  to  demand  of  factors  in  equilibrium 

conditions,  the  last saving‐investment market equilibrium condition  is satisfied 

automatically  by  Walras’  law  (Robinson  et  al.,  1990).  Finally,  the  objective 

function,  such  as  the  sum  of  households’  consumption  of  commodity,  is 

maximized depending on all the non‐linear equations in the CGE model in order 

to obtain mathematical  solutions  (Thissen, 1998; Lofgren et al., 2002).   Relative 

changes in endogenous variables due to the substitution of carbon taxes for labor 

income taxes are derived from simulation of the CGE model.  

 

3.2 Interactions among Institutions in PA CGE Model

The  interactions  among  institutions  in  the  Pennsylvania  economy  are 

described  in  figure 3.1. Production activity  (PROD)  includes  intermediate  input 

(IMIP) demand  (1) and pays  indirect business  taxes  (2). Government purchases 

commodities  from  production  activity  (3).  The  household  (HH)  consumes 

commodities (20) and investment activity (SI) consumes commodities (5) as well. 

Production activity exports (imports) commodities to (from) the rest of the other 

Page 81: Welfare in Open The Application of Computable General

70

countries (ROW) and the rest of the U.S. (ROUS) (6, 10). Production activity pays 

providers of factors such as labor (LAB), proprietary service (LAND), and capital 

(CAP) (21). 

Government consists of federal government (FED), state/local non education 

(SLNE), and state/local education (SLED) and they transfer money to each other 

(4). Factor activities such as LAB, LAND, and CAP pay factor taxes such as the 

payroll  tax,  proprietary  tax,  and  capital  stock  tax  to  governments  (19). 

Government activity  transfers money  to  the household  (17) and enterprise (22). 

Government transfers money to saving/investment accounts, SI (7) and borrows 

money (8). 

The  household  pays  income  taxes,  payroll  taxes,  and  other  taxes  to 

government  (23),  consumes  imported  goods,  and  receives  remittance  from 

foreign  countries  or  other  USA  regions  (12).  Enterprise  activity  pays  part  of 

corporate profits to the household as a dividend (14). The household offers labor, 

proprietary  service,  and  capital  service  and  receives  wages  and  returns  to 

proprietary  and  capital  service  (18). The household  saves  and borrows money 

from  saving/investment  accounts  (11).  Enterprise  pays  corporate  profit  tax  to 

governments (15) and saves retained earnings to SI account (16).  

Page 82: Welfare in Open The Application of Computable General

71

Figure 3.1 Flow Diagram of Pennsylvania CGE Modeling

 

Source: Revised from Thorbecke (1988) 

FED

SLNE SLED

PROD

SI

ROW/ROUS HH ENT

LAB LAND CAP

IMIP ①

② ③

⑤ ⑥

(11)

(12) (14)

(15)

(16)

(17)(18)

(19)

(20) (21)

(22)

(23)

Page 83: Welfare in Open The Application of Computable General

72

3.3 Derivation of Equations  

Equations consist of production, consumption,  trade markets, government, 

equilibrium  conditions, and  closure  rules. The production  system  is elaborated 

upon more  than  the  consumption  system  in  order  to  describe  the  demand  of 

fossil  fuels  by  industries  as main  sources  of GHG  emissions.  The  consumer’s 

utility  system  is  simplified  to  focus on  the  role of demand  for  leisure or  labor 

supply. As carbon taxes are imposed on the consumption of fossil fuels to reduce 

GHG emissions, firms will substitute the consumption of alternative, clean, and 

renewable fuels for the consumption of fossil fuels. Production and consumption 

systems  employ  nested  CES  functions  to  reflect  various  substitutability.  The 

equilibrium conditions and macro closure rule will be discussed in section 3.4.   

3.3.1 Production and factor demands

Figure 3.2 shows the overall production system. Output (Xi) of industry i is 

produced by primary inputs (VA) and intermediate inputs (IM); primary inputs 

consist of labor (L), proprietor’s service (F), capital (K), and energy (E). Labor and 

proprietary services are combined in one CES function, while capital and energy 

are bundled  in  the other CES  function. Energy  is a  composite of gas, oil,  coal, 

electricity,  and  alternative  fuels  (ALTF)  such  as  solar, hydroelectricity, nuclear 

Page 84: Welfare in Open The Application of Computable General

73

electricity,  fuel cells and others.  In  the other group,  the combined  intermediate 

inputs consist of materials (M) and transportation (TRAN).  

 

Figure 3.2 NCES Production System

 

 

NCES production function

VA IM VA: factor inputs IM: intermediate goodsLF: composite of labor and proprietary serviceKE: composite of capital and energy M: all other materials

F(VA,IM)

LF KE

L F K E

ELEC GAS OIL COAL

M TRAN

1st CES

2st CES

3st CES

4st CES

ALTF FOSSIL FUELS

Page 85: Welfare in Open The Application of Computable General

74

Production  functions used  in  the model  is presented by  a nested  constant 

elasticity of substitution (NCES) production function. At the first level of NCES, 

industry  i  produces  goods  (Xi)  using  primary  inputs  (VA)  and  intermediate 

inputs  (IM).    A  calibrated  shared  form  of  a  CES  function  is  employed  for 

convenience of programming (Rutherford, 1995). 

1/11

11

1 ))(1()(ρ

ρρ γγ ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=

IMIM

VAVAXX ii                                                (3.1) 

Primary inputs are substitutable for intermediate inputs with the elasticity of 

substitution ( 111

1 ρσ

−= ) (Varian, 1992). 

A share parameter  ( 1γ )  is calibrated by  the benchmark value of prices and 

quantities (Rutherford, 1995). The share parameter can be regarded as the “cost 

share”  of  one  factor  input  relative  to  the  total  cost  of  production.  The  share 

parameter and the elasticity of substitution affect the level of factor demand.  

IMPVAPVAP

imva

va

+=1γ                                                                                       (3.2) 

At  the  second  tier  of  the NCES  function,  intermediate  inputs  are divided 

into  transportation  and  all  other  materials  including  agriculture,  mining, 

construction, manufacturing,  utility, wholesale  and  retail  trade,  services,  FIRE 

(financial, insurance, and real estate), and public sectors. The functional form and 

calibration follow the above procedure. 

Page 86: Welfare in Open The Application of Computable General

75

  21/1

2121

2121 ))(1()(

ρρρ γγ ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −+=

MM

TRANSTRANSIMIM                       (3.3) 

MPTRANSPTRANSP

mtrans

trans

+=21γ                                                                          (3.4) 

On the other second level of the NCES function, primary inputs (VA) consist 

of a composite of  labor and proprietary service (LF), and a composite of capital 

and energy (KE). 

22/122

2222

22 ))(1()(ρ

ρρ γγ ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=

KEKE

LFLFVAVA                                   (3.5) 

KEPLFPLFP

kelf

lf

+=22γ                                                                                     (3.6) 

The  composite of  labor  and proprietary  services  is divided  into  labor  and 

proprietary services using a third level CES function. 

31/131

3131

31 ))(1()(ρ

ρρ γγ ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=

FF

LLLFLF                                          (3.7) 

FPLPLP

fl

l

+=31γ                                                                                              (3.8) 

The  composite  of  capital  and  energy  is  divided  into  capital  service  and 

combined energy in the other third level CES function. 

32/132

3232

32 ))(1()(ρ

ρρ γγ ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=

EE

KKKEKE                                    (3.9) 

Page 87: Welfare in Open The Application of Computable General

76

EPKPKP

ek

k

+=32γ                                                                                         (3.10) 

The combined energy consists of alternative fuels and the composite of fossil 

fuels in the fourth CES function. 

4/14

44

4 ))(1()(ρ

ρρ γγ ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −+=

FFUELFFUEL

ALTFALTFEE                           (3.11) 

FFUELPALTFPALTFP

ffuelaltf

altf

+=4γ                                                            (3.12) 

The composite of  fossil  fuels consists of coal, oil, gas, and electricity  in  the 

fifth CES function, 

i

i

i

i

ii FUEL

FUELFFUELFFUEL5/1

55 )(

ρ

ργ ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= ∑                                     (3.13) 

∑=

iiifuel

iifueli FUELP

FUELP

,

,5γ                                                                                (3.14) 

where FUEL is a composite of coal, oil, gas, and electricity. 

Conditional (i.e., Hickian or compensated) factor demands are derived from 

cost minimization of firms using the above NCES production function. 

The  calibrated  forms  (Rutherford,  1995)  of  unit  cost  functions  and 

compensated factor demand functions for the NCES function are as follows; 

Page 88: Welfare in Open The Application of Computable General

77

The unit cost function and factor demand functions in the first CES function 

are: 

111

11

11

1111 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

im

im

va

vaimva P

PPPePPePX        (3.15) 

Where  MIPVAPPPe imvaimva +=),(1  

1

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

va

vaimva P

PPXPX

XXVAPPVA                                                               (3.16) 

1

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

im

imimva P

PPXPX

XXIMPPIM                                                             (3.17) 

The  unit  cost  function  and  factor  demand  functions  for  the  aggregated 

intermediate  goods  and  aggregated  value  added  inputs  in  the  second  CES 

functions are: 

212121

11

121

1212121 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

m

m

trans

transmtransim P

PPPePPeP  

                                                                                                                     (3.18) 

Where  MPTRANSPPPe mtransmtrans +=),(21  

21

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

trans

trans

im

immtrans P

PPP

IMIMTRANSPPTRANS                                           (3.19) 

21

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

m

m

im

immtrans P

PPP

IMIMMPPM                                                              (3.20) 

Page 89: Welfare in Open The Application of Computable General

78

222222

11

122

1222222 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

ke

ke

lf

lfkelfva P

PPP

ePPeP     

                                                                                                          ………… (3.21) 

Where  KEPLFPPPe kelfkelf +=),(22  

22

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

lf

lf

va

vakelf P

PPP

VAVALFPPLF                                                                (3.22) 

22

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

ke

ke

va

vakelf P

PPP

VAVAKEPPKE                                                                (3.23) 

The unit  cost  function  and  factor demand  functions of  composite of  labor 

and proprietary services in the third CES functions are: 

313131

11

131

1313131 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

f

f

L

LfLLf P

PPPePPeP       

                                                                                                          …………. (3.24) 

Where  FPLPPPe fLfL +=),(31  

32

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

L

L

Lf

LffL P

PPP

LFLFLPPL                                                                      (3.25) 

32

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

f

f

Lf

LffL P

PPP

LFLFFPPF                                                                     (3.26) 

The unit cost function and factor demand functions of composite of capital 

and energy in the third CES functions are: 

Page 90: Welfare in Open The Application of Computable General

79

323232

11

132

1323232 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

e

e

k

kekke P

PPPePPeP  

                                                                                                              (3.27) 

Where  EPKPPPe ekek +=),(32  

32

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

k

k

ke

keef P

PPP

KEKEKPPK                                                              (3.28) 

32

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

e

e

ke

keef P

PPP

KEKEEPPE                                                                 (3.29) 

The unit cost function and factor demand functions of composite of energy 

in the fourth CES functions are: 

444

11

14

1444 ))(1()(),(

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+==

ffuel

ffuel

altf

altfffuelaltfe P

PPP

ePPeP (3.30) 

FFUELPALTFPPPe ffuelatfffuelaltf +=),(4                                         (3.31) 

4

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

altf

altf

e

effuelaltf P

PPP

EEALTFPPATLF                                              (3.32) 

4

),(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=

ffuel

ffuel

e

effuelaltf P

PPP

EEFFUELPPFFUEL                                       (3.33) 

The unit cost function and factor demand functions of composite of energy 

in the fourth CES functions are: 

Page 91: Welfare in Open The Application of Computable General

80

∑−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

i ifuels

ifuelsiifuelsffuel

i

PP

ePeP5

5

11

1

,

,55,5 )()(

σσγ                                 (3.34)    

Where  ∑=i

iE

ifuelsifuel FUELSPPe ,,5 )(                                                  (3.35) 

i

ifuels

ifuels

e

ei

Ei

E

P

P

PP

EEFUELSFUELS

5

,

,

σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=                                                        (3.36) 

3.3.2 Consumption Sector

The household utility  function has  two  stage CES  functions. The  first  tier 

utility function consists of demand for leisure (R) and aggregated market goods 

(C ). In the second tier utility function, the aggregated market good (C ) is divided 

into seven market commodities; market goods are produced by industries which 

employ primary inputs and intermediate inputs. Utility functions have a nested 

system, represented in Figure 3.3. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 92: Welfare in Open The Application of Computable General

81

Figure 3.3 Consumer’s Utility System 

  

To set up the first utility optimization problem, budget and time constraints 

first should be built. Households are assumed  to consume market commodities 

and leisure within the constraints of the household income.  

Household  income  ( 1I )  includes  labor  income  ( LI ),  opportunity  cost  of 

leisure, and other kinds of incomes such as capital ( KI ), proprietary income ( FI ), 

and government transfer (G ). This expanded  income is different from observed 

household  income  in  that  the  former  income  includes  the  opportunity  cost  of 

spending time on leisure (Ballard et al., 1985). 

The amount of time spent on leisure is derived from the ratio between total 

endowment  of  time  (T)  and  time  to  spend  on work  (Ls). Assuming  that  total 

possible  labor hours per week  is  seventy and average  labor hours per week  is 

First tier CES utility function

U(R) U( C )

C1……………C17

R: demand for leisure C : aggregated market commodity (Second tier CES function)

U(R, C )

Page 93: Welfare in Open The Application of Computable General

82

forty, the ratio of leisure time and working time is 0.75 (Ballard et al., 1985). Thus, 

the amount of time dedicated to  leisure  is calculated from multiplying working 

time by 0.75. The total endowment of time (T) is 1.75 times the working time. 

GIIII FKL +++= *75.11 (3.37)

The representative household maximizes the CES utility function subject to 

the budget constraint. For convenience of programming, a calibrated share form 

of the CES utility function is applied to the CGE model (Rutherford, 1995).  

 11

11

11

11

1

11

11

])1([),(0

10

11

−−

−+=U

UUU

U

UU

u

CC

RRCRMaxU UU

σσσ

σ

σ

σσ

σ γγ (3.38)

Subject to CPwRI *1 += , T = R + Ls

The price of leisure is the opportunity cost of working, which is the after‐tax 

real wage (w), and the price of the aggregated market commodity (P ) is derived 

from cost minimization. The net real wage rate is affected by the nominal wage 

rate, labor income tax rate, and price index.  

PtLPLw )1( −

= , where TQ

QPQp i

ii∑ ×=                                                        (3.39) 

The elasticity of  substitution between  leisure and aggregated consumption 

of goods is given exogenously as 0.96 (Goulder et al., 1999). 

From the conventional solution to the utility optimization problem, the share 

parameter is calibrated: 

Page 94: Welfare in Open The Application of Computable General

83

CPwRwR

U *1 +=γ (3.40) 

The  unit  expenditure  function  is  derived  by  solving  the  dual  problem  of 

utility maximization. The  composite price of  the  first utility  ( TCP ), which  is  the 

sum of R and C , is referred to as the unit expenditure function.  

111

11

11

111 ))(1()(),(

uu

Ouu

OuuTCP

PwwPweP

σσσ γγ

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+== (3.41) 

The expenditure function ( ),(1 Pweu ) is calculated from multiplying the unit 

expenditure  function  by  household  expenditure  on  the  consumption  of 

commodities and leisure.  

TCu PEXPPwe ×= 11 ),( , CREXP +=1 (3.42) 

The indirect utility function is derived by plugging the Marshallian demand 

functions into the original utility function. 

),(),,(

11

11 PweI

IIPwV

uO ×

=                                                                                (3.43) 

The Hicksian demand  functions  for  leisure  and  composite  commodity  are 

derived  by  applying  Roy’s  identity  to  the  indirect  utility  function  in  (3.43) 

(Varian, 1992). 

1),(),,(),,( 1

11

uOuO

wwPwe

IPwVRIPwRσ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×××=                                           (3.44) 

Page 95: Welfare in Open The Application of Computable General

84

1

),(),,(),,( 1

11

u

PPPwe

IPwVCIPwCO

uO

σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×××=                                           (3.45)   

When  the demand  for  leisure  is derived,  labor  supply  (Ls)  can be derived 

from  the difference between  the  total endowment of  time and  the demand  for 

leisure.  P  is  discussed  at  the  end  of  this  section.  All  variables  with  the 

superscript 0 denote initial values. 

The second tier of the CES utility function is written: 

iU

i

iUO

i

iiU C

CC2/1

22 )(

ρ

ργ ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= ∑                                                                   (3.46) 

The share parameter is calibrated: 

∑=

i

Oi

Oi

Oi

Oi

iU CPCP

2γ                                                                                            (3.47) 

The  unit  expenditure  function,  indirect  utility  function,  and  Hicksian 

demand for the second CES utility function are: 

∑−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

iO

i

iiUiu

iUiU

PPPPPeP

22

11

12212 )(),...,(

σσγ                             (3.48) 

),...(),,...(

122

221

iuOi PPeI

IIPPV×

=                                                                      (3.49) 

iU

i

iO

iiO

i PPPIPPVCC

2

21 ),,...(σ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××=                                                               (3.50) 

Page 96: Welfare in Open The Application of Computable General

85

where the household income (I2) in the second level is defined as  wlI − . 

The expenditure function  is calculated by multiplying  the unit expenditure 

function by the household expenditure on commodity. 

  2212 ),...,( EXPPPPPe iu ×= , and  ∑=i

iiCPEXP2                            (3.51) 

When  the  carbon  tax  is  levied  on  the  consumption  of  carbon‐emitting 

commodities, consumers will reduce expenditures on consumption of fossil fuels 

while  increasing consumption of clean  fuels such as hydro power, solar, wind, 

and fuel cells. 

  

3.3.3 Trading Sector

The trading sector is divided into foreign and inter‐regional sub‐sectors. The 

foreign  trade sector  includes  foreign export and  import between  the rest of  the 

world  (ROW)  and  Pennsylvania while  inter‐regional  trade  involves  domestic 

export and import between other USA regions (ROUS) and Pennsylvania. 

Armington  and  CET  functions  are  applied  to  the  allocation  of  export, 

domestic  supply,  import,  and  domestic  demand  given  that  cross  hauling  is 

assumed. With  this  assumption,  imported  and  exported  goods  are  imperfect 

substitutes  for  domestic  goods.  In  particular,  the  imperfect  substitutes  of 

Page 97: Welfare in Open The Application of Computable General

86

imported  goods  assume  that  a  qualitative  difference  exists  between  imported 

input and domestic inputs (Ballard et al., 1985)  

Regional output (X)  is allocated between domestic supply (SD) and foreign 

export (FE) using a  first  tier CET  function. Domestic output supply  is allocated 

between  regional  supply  (XXS)  and  domestic  export  (DE)  using  a  second  tier 

CET  function.  Regional  absorption  (Q)  is  decomposed  into  domestic  demand 

(XD)  and  foreign  import  demand  (FM)  using  a  first  tier Armington  function. 

Domestic demand  (XD)  is divided  into  regional demand  (XXD)  and  domestic 

import  (DM) using  a  second  tier Armington  function. Finally,  regional  supply 

(XXS)  is  equal  to  regional  demand  (XXD)  by  the  above  trade  structure.  The 

export and import price in ROW and ROUS levels are assumed to be fixed as one. 

Figure 3.4 shows the structure of the trading sector. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 98: Welfare in Open The Application of Computable General

87

 

 

Figure 3.4 Structure of Trading Sector 

 

(Parentheses are the prices of each product and demand level) 

Q (PQ)

XD(PXD)

FM(PFM)

XXD(PD)

DM(PDM)

X (PX)

SD(PSD)

FE (PFE)

XXS(PD)

DE(PDE)

Import side

Export side

First tier Armington Second tier Armington

First tier CET function Second tier CET function

Page 99: Welfare in Open The Application of Computable General

88

3.3.3.1 Regional Supply and Export

The output  (Xi) of  industry  i  is allocated  into  the export  to ROW  (FE) and 

domestic  supply  (SD)  of  commodities  using  a  CET  (constant  elasticity  of 

transformation) function. 

111

))1(( +++

−+= ff

f

f

f

f

ifiifiii SDFEATFX ττ

ττ

ττ

γγ            (3. 52) 

where 

iii FEXSD −=                                                                                             (3.53) 

i

iiii SD

FEERPFEXPXPSD

××−×=                                                               (3.54) 

iATF            CET function shift parameter of the first tier CET function 

fiγ                First tier CET function share parameter 

iFE               Foreign exports of industry output 

fiτ                   Transformation elasticity (CET function exponent) 

iSD                Domestic supply of commodity 

iX                  Regional supply of production 

iPSD             Price of SD 

iPX               Output price (price of X) 

 PFE                Foreign export price 

 ER                  Exchange rate 

Page 100: Welfare in Open The Application of Computable General

89

 

The  shift  parameter  (ATF)  in  the  first  tier  CET  function  is  calibrated  by 

solving  the  CET  function  in  reverse.  The  elasticity  of  transformation  ( fτ )  is 

related with  the CET  exponent  ( ρ )  given  that   fτ

ρ+

=1

1 (Robinson  et  al., 

1990).  

The share parameter (γf) is calibrated by the first order conditions (FOCs) in 

the profit maximization problem subject to the CET production function.  

 

f

f

f

f

f

f

iifii

iii

SDFEATFXts

SDPSDFEERPFEMax

ττ

ττ

ττ

γγ

π

+++

−+=

×+××=

111

])1([..                             (3.55) 

The Lagrangian is, 

]])1([[ 111

f

f

f

f

f

f

iiiiiii SDFEATFXSDPSDFEERPFEL τ

τ

τ

τ

τ

τγγλ +

++−+−+×+××=

 

Differentiating with regard to FE and SD, then the F.O.C. will be 

01

11

11)1/( =

+−×=

∂∂ −

+−+

f

fff

if

fii

f

f

i

i FEBATFERPFEFEL

ττ

ττ

ττ

γτ

τ

  

                                                                                                                  …….. (3.56) 

01

)1(1

11

1)1/( =+

−×+

−=∂∂ −

+−+

f

fff

if

ffii

f

fi

i

i SDBATFPSDSDL

τ

τττ

ττ

γτ

τ                    (3.57) 

where  f

f

f

f

ififi SDFEB ττ

ττ

γγ++

−+=11

)1(  

Page 101: Welfare in Open The Application of Computable General

90

 

Dividing (3. 56) by (3.57) yields 

ii

i

f

f

PSDERPFE

SDFE f ×

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

τ

γγ /1

1                                                                        (3.58) 

Rearranging equation (3.58) with regard to Gamma yields 

τγ /1

1

1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

×+

=

i

ii

f

SDFE

ERPFEPSD

                                                                               (3.59) 

and the demand of foreign export is derived from equation (3.59): 

f

f

f

iii PSD

ERPFESDFE τ

γγ

)1*(−

×=                                                                             (3.60) 

Regional output will be allocated between  the supply of  the foreign export 

and domestic supply, which is composed of regional supply (XXS) and domestic 

export  (DE).  In  the  same  way,  domestic  supply  (SD)  is  allocated  between 

domestic  export  and  regional  supply.  The  CET  function  for  this  allocation  is 

presented in (3.61). 

d

d

d

d

d

d

ididii XXSDEATDSD ττ

ττ

ττ

γγ +++

−+= 111

])1([                                     (3.61) 

Using profit maximization  subject  to  the CET production  function, we get 

the supply of domestic export, 

d

d

d

iii PXD

PDEXXSDE τ

γγ )1( −

×=                                                                        (3.62) 

Page 102: Welfare in Open The Application of Computable General

91

The  price  of  total  supply  (X)  is  given  as  one,  and  the  price  of  domestic 

supply  (PSD)  is  determined  by  the  equality  of  total  revenue  to  the  sum  of 

domestic production value and export revenue in equation (3.63).   

iiiii FEERPFESDPSDXPX ××+=                                                  (3.63) 

The price of domestic supply is determined by the value of domestic export, 

regional supply, and domestic supply in equation (3.64). 

i

iii SD

XXSPXDDEPDEPSD ×+×=                                                         (3.64) 

Equations (3.63) and (3.64) reflect the homogeneity of export transformation 

by the CET function. The value of the composites such as Xi and SDi should be 

equal to the value of component parts, regardless of functional form (Robinson et 

al., 1990). 

3.3.3.2 Regional Consumption and Imports

Consumers demand the composite of foreign imports and domestic goods in 

the  first  tier. An Armington CES  function  is used  to determine  the demand  for 

foreign  imports  and  domestic  goods.  In  the  CGE model,  total  absorption  of 

commodity  (Qi)  of  each  industry  i  is  allocated  between  foreign  imports  (FMi) 

and domestic demand (XDi) by minimization of the cost function subject to the 

Armington production function constraint. 

Page 103: Welfare in Open The Application of Computable General

92

 

111

])1([(..

)(

−−−

−+=

×+××

f

f

f

f

f

f

ififiii

iii

XDFMACFQts

XDPXDFMERPFMMin

σ

σ

σ

σ

σ

σ

δδ                                              (3.65) 

Shift  parameters  (ACF)  are  calibrated  by  reverse  solving  the  Armington 

function the share parameter ( fδ ) is calibrated from the first order conditions of 

equation (3.65) 

)])1([(( 111

−−−

−+−+×+××= f

f

f

f

f

f

ififiiiii XDFMACFQXDPXDFMERPFML σ

σ

σ

σ

σ

σ

δδλ  

F.O.C) 

01

])1([(1

111

111

=−

×−+×××−

−×=∂∂ −

−−−

−−

f

ff

f

f

f

f

f

if

ffififi

f

f FMXDFMACFERPFMFML

σ

σσ

σ

σ

σ

σ

σ

σσ

δδδλσσ

                                                                                                                          ……….(3.66)       

01

)1(])1([(1

111

11

1

=−

×−−+×××−

−=∂∂ −

−−−

−−

f

ff

f

f

ff

f

if

ffiffi

f

fi XDXDFMACFPXD

XDL

σ

σσ

σ

σ

σσ

σ

σσ

δδδλσσ

                                                                                                                         ……….  (3.67) 

Dividing (3.66) by (3.67) produces equation (3.68): 

01

11

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−×

−−

f

f

i

i

f

f

i XDFM

PXDERPFM σ

σ

δδ

                                                                     (3.68) 

Rearranging (3.68) with regard to the demand of foreign import yields 

         F

ERPFMPXD

XDFM i

f

fii

σ

δδ

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

×−=

1                                                                  (3.69) 

Finally, equation (3.69) is used to get the calibration of share parameter. 

Page 104: Welfare in Open The Application of Computable General

93

f

XDFM

PXDERPFM

f

σ

δ/1

' ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×

×= where 

'

'

1 f

ff δ

δδ

+=                                          (3.70) 

The domestic import demand (DM) can be derived using the same steps. 

The Armington production  function  for  the allocation of domestic demand 

(XD)  to  domestic  import  (DM)  and  regional  demand  (XXD)  is  presented  in 

equation (3.71).   

111])1([( −

−−

−+= d

d

d

d

d

d

ididiii XXDDMACDXD σσ

σσ

σσ

δδ                                     (3.71) 

From minimization of the cost function subject to the second tier Armington 

production  function,  we  get  the  domestic  import  demand  (DM)  as  equation 

(3.72). 

d

PDMPDXXDDM i

d

dii

σ

δδ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=1

                                                                      (3.72) 

The calibration procedure for the share parameter ( dδ ) at the second tier is 

the same as with the first tier calibration.  

d

XXDDM

PDPDM

d

σ

δ/1

' * ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=                                                                             (3.73) 

The price of  regional absorption  is given as one and  the price of domestic 

demand(XD) is determined by the equality of total value of regional absorption 

to the sum of value of foreign import and the value of domestic demand. 

i

iii XD

FMERPFMQPQPXD

××−×=                                                                    (3.74) 

Page 105: Welfare in Open The Application of Computable General

94

Within the domestic level, the price of regional demand (PD) is determined 

by  the relationship  that  the  total value of domestic demand should be equal  to 

the  sum  of  the  value  of  domestic  import  demand  and  the  value  of  regional 

demand.  

i

iiii XXD

DMPDMXDPXDPD ×−=                                                                      (3.75) 

Equation (3.74) and (3.75) reflect the homogeneity of the import aggregation 

by  the Armington  function. The  same  argument holds  in  the determination of 

prices  in  import  sectors  such  that  the  value  of  the  composites  like  regional 

absorption or domestic demand should be equal to the value of component parts, 

regardless of functional form. 

 

3.3.4 Government Account

The  government  institution  is  composed  of  federal  government  and 

state/local  government.  The  state/local  government  account  is  divided  into 

education  and  non‐education  accounts.  Government  revenues  include  tax 

payments  by  industry,  household,  and  enterprise,  transfer  from  other 

governments, and debts  from  finance  institutes. Expenditures are  composed of 

purchase  of  commodities,  imports,  transfers  to  the  household,  enterprise,  and 

other governments. 

Page 106: Welfare in Open The Application of Computable General

95

3.3.4.1 Tax Payments

Governments get  revenues  from payroll  tax, proprietor  tax,  enterprise  tax 

(corporate  profit  tax),  indirect  business  tax,  and  household  taxes.  In  addition, 

governments receive transfers from other government, income from trading, and 

borrowed money from financial institutions.  

Payroll  tax  (STAX),  proprietors’  payment  (PPRTAX),  and  enterprise  taxes 

(corporate profit  tax  (ENTAX))  rates are determined by equations  (3.76),  (3.77), 

and (3.78). 

   *WLSSTAXSSTAXR

ii

kk ×=∑ , where W* is a nominal wage rate              (3.76) 

PPFPPRTAXPPTAXR

ii

kk ×=∑  , where PP  is  a nominal  return  to proprietary 

services                                                                                                                        (3.77) 

∑=

ii

kk RK

ETAXENTAXR *  , where R* is a nominal return to capital services     (3.78) 

The payroll tax rate (or  labor  income  tax rate)  is calibrated by dividing  the 

payroll tax payment by labor income in equation (3.76). The proprietary payment 

rate  is defined  as  the  ratio  of proprietary payment  and proprietary  income  in 

Page 107: Welfare in Open The Application of Computable General

96

equation (3.77). Enterprise income tax or corporate profit tax rates are calibrated 

from dividing capital stock tax payment by capital income in equation (3.78). 

 

Table 3.2 Labor Income Tax, Proprietary Tax, and Corporate Taxes and Rates Taxes Federal government State government

Labor income tax 28175.77 355.243

proprietary tax 1515.652 .

corporate income tax 9382.803 1693.078

   

Indirect business  taxes  (ITAX)  include specific sales, business property  tax, 

general retail sales tax, and other taxes. The Pennsylvania CGE model assumes a 

combination  of  indirect  business  taxes  and  the  indirect  business  tax  rate  is 

derived from dividing industry output value by the tax payment. 

iiikik XPXITAXITAXR ×= /,,                                                                               (3.79) 

Indirect business tax payments and rates in each industry are shown in table 

3.3. 

 

 

 

 

 

Page 108: Welfare in Open The Application of Computable General

97

Table 3.3 Indirect Business Tax Payments  Industry indirect business tax payment ($ million)

Federal government State government

AGR 43.78 94.042

MIN 9.133 19.619

COAL 168.898 345.174

GAS 11.23 24.122

OIL 22.126 47.529

ALTF 5.601 12.031

CNT 105.376 226.355

NDMNF 427.437 918.164

DMNF 313.695 673.838

TRAN 249.948 536.906

UTIL 357.614 768.179

ELEC 442.272 950.03

EGUTIL 66.227 142.26

TRADE 3768.795 8095.63

FIRE 2786.793 5986.223

SER 730.21 1568.541

(There is no indirect business tax payment from the other public sector, since 

public sectors are supposed to pay no indirect business taxes in IMPLAN) 

 

Household  tax  (HTAX)  consists  of  household  income  tax,  household 

property tax, and household other taxes. Household other taxes include those on 

estate and gift, non taxes such as fines and fees, motor vehicle license, fishing and 

hunting  licences, but  the Pennsylvania CGE model only  includes  the combined 

Page 109: Welfare in Open The Application of Computable General

98

household taxes. The household tax rate is calculated by dividing household tax 

payment by household income (HHY): 

hhh HHYHTAXHTAXR /=                                                                                   (3.80) 

Household  taxes  to  the  federal  government  are  $40,777.434 million,  and 

$14,537.746 million  are  paid  to  the  state  and  local  governments.  The  federal 

household tax rate is 11.5% and the state household tax rate is 4.1%. 

  

3.3.4.2 Government Budget Balances

In equilibrium, governments are assumed to have no deficit, which implies 

that total revenues are equal to or larger than total expenditures.  

The  federal  government  budget  deficit  is  government  expenditures  less 

government  revenues.  Federal  government  expenditures  include  government 

purchase of commodities (G), commodity imports from ROW and ROUS (FMPG 

and  DMPG),  transfer  expenditure  to  households  (TRANS),  transfer  to  non 

educated  state/local  government  (FEDNED)  and  educated  state/local 

government (FEDED), transfer to enterprise (ENTFED), and government savings 

(GOVSVO). Sources of federal government revenues are labor income tax (STAX), 

corporate  income  tax  (ENTAX), proprietary  taxes  (PPRTAX), government  sales 

(GS),  indirect  business  taxes  (ITAX),  household  taxes  (HTAX),  government 

Page 110: Welfare in Open The Application of Computable General

99

borrowing  (GOVBRO),  government  income  from  trading  (GOVTRO),  transfer 

income from state/local non education (NEDFED), and education (EDFED). 

kk

ikk

hhkkkki

GOVSVOENTFED

FEDEDFEDNEDTRANSODMPGFMPGGFEDEXP

++

+++++= ∑ ∑ ,, 

………(3.81) 

EDFEDNEDFEDHTAXITAX

GOVTROGSENTAXPPRTAXSTAXFEDREV

kk

ki

ikkkkh

++++

++++= ∑ ,            (3.82) 

Government  expenditures  (G)  are  calibrated  by  the  proportion  of 

government commodity expenditures (DRG) and  total government expenditure 

on commodities (TOTG). 

k

kiki TOTG

GDRG ,

, =                                                                                                 (3.83) 

Non‐educated  state/local  government  deficit  (NEDFL)  is  government 

expenditures  less  government  revenues. Non‐educated  state/local  government 

expenditures  include  government  purchase  of  commodities,  non‐comparable 

imported commodity from ROW and ROUS, transfer expenditure to households 

(TRANS),  transfer  to  federal  government  (NEDFED)  and  educated  state/local 

government  (EDTRANS),  transfer  to  enterprise  (ENTNED),  and  government 

savings  (GOVSVO).  Non‐educated  state/local  government  revenues  are  labor 

income  taxes,  corporate  income  tax,  government  sales,  indirect business  taxes, 

Page 111: Welfare in Open The Application of Computable General

100

household taxes, government borrowing, government income from trading, and 

transfer income from the federal government (FEDNED). 

k

kkh

hkh

hkh

hk

iik

iik

iik

iiik

kkkkkkk

ki h

hkkkiik

FEDNED

GOVTROGOVBROHHOTHTAXHHPROTAXHINCTAX

SALETAXBPROTAXOTHERTAPDGSPPRTAXENTAXCATAXGOVSVOSTAXENTNEDEDTRANS

NEDFEDTRANSDMPGFMPGPGNEDFL

−−−−−

−−−−

−−−+−++

++++=

∑∑∑

∑∑∑∑

∑ ∑

,,,

,,,,

,,

                                                                                                                         ………(3.84) 

Transfers  from  non‐education  state/local  government  to  education‐

state/local government  (EDTRANS) are the whole revenue source of education‐

state/local  government.  There  is  no  tax  revenue  in  education‐state/local 

government,  and  all  the  revenue  is  from  transfers  from  other  governments. 

Expenditures  consist  of  government  purchase  of  goods,  demand  of  imported 

commodities from ROW and ROUS (FMPG, DMPG), transfers to the household 

(TRANS),  transfers  to  non‐educational  state/local  government  (EDNED)  and 

federal government (EDFED), and government savings (GOVSVO). 

GOVSVOEDFED

EDNEDTRANSONCIMPGPGEDTRANSI HH

HHEDIEDI

++

+++= ∑ ∑ ,,

                 (3.85) 

 

 

Page 112: Welfare in Open The Application of Computable General

101

3.3.5 Environmental Indicator

The Pigouvian effect occurs as the consumption of fossil fuels is diminished 

due  to  the  imposition  of  carbon  taxes.  To  evaluate  the  Pigouvian  effect 

completely, environmental amenities should enter the household utility function 

as a non‐separable variable (Schwartz and Repetto, 2000; Williams III, 2002 and 

2003).  However,  it  is  not  verified  yet  how  to  include  non‐separable 

environmental  amenities  in  the  CGE  model.  In  this  study,  an  alternative 

approach, which  does  not  reflect  the  full  effect,  is  employed  to  evaluate  the 

Pigouvian effect.  

As  an  environmental  indicator,  the  level  of  environmental  amenities  is  a 

diminishing function of consumption of fossil  fuels, since  the use of fossil fuels 

emits carbon‐based gases which result in degradation of the natural environment. 

The equation is revised from a study by Böhringer et al. (2003). 

  TCEENVAMEN ×−=2π

(3.86)

where AMEN is the condition of environmental amenity, ENV is the endowment 

of environmental amenity in Pennsylvania, π  is an emission coefficient, and TCE 

is total consumption of energy‐intensive goods. 

As  the  consumption  of  fossil  fuels  is  reduced  because  of  fuel  taxes,  the 

environmental  amenities  are  improved.  The  value  of  endowed  environmental 

Page 113: Welfare in Open The Application of Computable General

102

amenities  is  assumed  to  be  20%  of  gross  state  product  (GSP)  in  2000  and  the 

emission coefficient is given as 0.001.  

As  fuel  taxes are  imposed on  the  consumption of  fossil  fuels,  the primary 

effect is the mitigation of global warming since the emission level of GHGs will 

be reduced. However, unless all other states and countries invest in mitigation of 

GHG  emissions,,  the  overall  emission  level  of  GHGs  will  not  be  reduced. 

Therefore, a unilateral carbon tax by one region will not lead to the reduction of 

total  GHG  emissions.  But  there  can  be  a  co‐benefit  from  the  fuel  tax which 

includes  avoided  human  health  from  air  pollution,  eco‐system  effects  such  as 

avoided crop damage, reduced soil erosion, and reduced bio‐diversity loss, and 

economic effects such as technological innovation and job creation (McKinstry et 

al.,  2004).  In  this  study,  fuel  taxes  are  supposed  to  provide  the  co‐benefit 

confined  to  local  air  quality  improvement,  but  the  value  of  co‐benefit  is  not 

evaluated since co‐benefit analysis  is complex and  inter‐related with numerous 

factors.  The  environmental  indicator  used  in  this  study  only  provides  an 

approximation  of  the  environmental  improvement,  therefore  it  cannot  be 

interpreted  as  the  Pigouvian  effect.  The  main  purpose  of  developing  the 

environmental indicator is to use it as an explanatory variable for labor migration 

explained in the next section. 

 

Page 114: Welfare in Open The Application of Computable General

103

3.3.6 Factor Mobility

Literature review on labor migration and environmental amenities supports 

that labor will move into the focus region as net real wage rates or environmental 

amenities  in  the  destination  region  increase.  After‐tax  real wage  rates  reflect 

labor income taxes and prices of commodities. As labor income taxes are reduced 

due  to  tax  reform  policy,  the  wages  are  increased,  so  labor  flows  into 

Pennsylvania. On the other hand, as the price of market commodities goes up as 

a result of imposing carbon taxes, the wages are diminished, thus workers move 

out  of  Pennsylvania.  Changes  in  relative  environmental  amenities  affect  the 

decision  of  labor  migration.  Better  environmental  quality  in  Pennsylvania 

resulting from carbon taxation attracts households to move into the focus region. 

The labor migration decision is represented in equation (3.87). 

)/log()/log( 21 RUSPARUSPAmig AMENAMENwwL εε +=                                    (3.87) 

Labor migration  ( migL )  is  a  function  of  the natural  log  of  relative  net  real 

wage  and  natural  amenities;  1ε  and  2ε  imply wage  elasticity  of migration  and 

amenity  elasticity  of migration,  respectively. A working  paper  (Shields  et  al., 

2005) estimated earned  income elasticity of out‐migration from Pennsylvania as 

0.017,  and  cancer  risk  elasticity  of  out‐migration  from  Pennsylvania  as  0.025. 

Cancer rate can be regarded as an approximation of the environmental quality in 

Page 115: Welfare in Open The Application of Computable General

104

a state; these figures are applied in this study. A sensitivity analysis is conducted 

to explore the reliability of the model for the migration variable. 

Labor migration affects the total amount of regional labor supply (GLS). The 

total  labor  supply  is  the  sum of  labor migration and net  regional  labor  supply 

(LS). 

LSLGLS mig +=                                                                                                  (3.88) 

 

3.4 Equilibrium and Macro Closure Rule

In equilibrium, all the markets should be cleared by the equilibrium prices: 

commodity market,  factor market,  and macro  balances  (Robinson  et  al.,  1990). 

Total commodity supply (X) should be equal to total commodity demand, which 

is  the sum of energy  input demand  (E), other  intermediate  input demand  (IM), 

consumer’s demand  (C),  government demand  of  commodities  (G),  investment 

demand, and export demand.  

 

iiigov

iiii DEFEITGCIMEX ++++++= ∑                                                     (3.89) 

For  the  factor market equilibrium,  total  labor  (TLS), proprietors  (TFS), and 

capital supply (TKS) are equated to the sum of each industry’s demand for labor 

(LD), proprietors (FD), and capital (KD). 

Page 116: Welfare in Open The Application of Computable General

105

  

∑ +++=gov

LADJEXOINCOMESTAXGLSTLS                                               (3. 90) 

∑=i

iLDTLS                                                                                                        (3.91) 

∑=i

iFDTFS                                                                                                       (3.92) 

∑=i

iKDTKS                                                                                                       (3.93) 

Next, government revenue should be equal to government expenditure. 

FEDEXPFEDREV =                                                                                          (3.94) 

NEDEXPNEDREV =                                                                                          (3.95) 

EDEXPEDUTRAN =                                                                                          (3.96) 

Macro closure includes saving‐investment, government deficit, and balance 

of  foreign  exchange.  For  the  saving  and  investment market  equilibrium,  total 

saving  (TOTSAV)  is  the  sum  of  inventory  of  industries  (INVNTR),  household 

saving  (HHSAVING),  government  saving  (GOVSV),  retained  earnings  of 

enterprise  (RET),  labor  and  proprietary  capital  adjustment  (LADJ  and  PADJ), 

and  savings  of  the  rest  of  the  world  (ROWSAV)  and  the  rest  of  the  states 

(RUSSAV). 

RUSSAVROWSAV

PADJLADJRETGOVSVHHSAVINGINVNTRTOTSAVgovi

i

++

+++++= ∑∑      (3.97) 

Page 117: Welfare in Open The Application of Computable General

106

Total investment is the sum of industry’s investment demand. 

∑=i

iITTINT                                                                                                     (3.98) 

The foreign exchange market should be  in equilibrium. The expenditure of 

the rest of the world and the rest of the states  is the sum of exports, household 

remittances, export revenue of governments, and savings. 

RUSSAVDEXTXHHREDDERUSEXgovi

i +++= ∑∑                                     (3.99) 

ROWSAVFEXTXHHREFFEROWEXgovi

i +++= ∑∑                                   (3.100) 

Revenue  of  the  rest  of  the world  and  the  rest  of  the  states  is  the  sum  of 

imports,  outflows  of  labor, proprietary  and  capital  income, debt  from  finance, 

federal  government  imports,  state/local  non‐education  imports,  and  state/local 

education imports. 

DMPEGDMPNEGDMPFGRUSDEFFCADJDPADJDDMRUSYi

i ++++++= ∑FMPEGFMPNEGFMPFGROWDEFFCADJFPADJFFMROWY

ii ++++++= ∑  

……..(3. 101) 

The  labor supply and wage rate are not fixed to allow  labor migration and 

reflect flexible wage rates. Supplies of proprietary and capital services are fixed; 

public purchase of  commodities,  the  exchange  rate and  exogenous  savings are 

fixed as well. 

Page 118: Welfare in Open The Application of Computable General

107

To  close  the  CGE model,  the  number  of  independent  equations  and  the 

number  of  endogenous  variables  should  be  the  same.  By Walras’  law,  not  all 

variables are  independent, so any one equation can be eliminated  (Robinson et 

al., 1990). The  total number of equations will be N‐1 when  the  total number of 

endogenous  variables  is  N.  In  the  Pennsylvania  CGE  model,  the  saving‐

investment equilibrium condition is removed from the equations. 

The  total  number  of  equations  except  the  saving‐invest  equilibrium 

condition for Walras’ law is 457, the total number of endogenous variables is 474, 

and the total number of fixed variables is 16. The total number of net endogenous 

variables  is  458  (Appendix  A);  this  satisfies  Walras’  law  for  equilibrium 

conditions. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 119: Welfare in Open The Application of Computable General

108

CHAPTER 4 

SCENARIOS AND RESULTS  

This chapter presents the experimental design and results. Six scenarios are 

developed to investigate the economic consequences of a carbon emissions tax in 

Pennsylvania,  levied  either  by  state  or  national  authorities,  and  how  those 

consequences  are  influenced  by  inter‐regional  labor mobility.   Four  additional 

scenarios are developed to examine the economic effects of the carbon tax on tax 

rates and migration elasticities.  

4.1 Experimental Design

Counterfactual  simulations are used  to examine  the  impacts of a  carbon 

tax.  The  analysis  begins  with  simulations  that  are  used  to  explore  the 

implications of  labor migration  for  the economic  consequences of  carbon  taxes 

imposed  either  unilaterally  (i.e.,  not  in  cooperation  with  other  states  or  the 

national government) by the state or by the national government.  Taxes imposed 

unilaterally  by  the  state  will  lead  to  labor  migration,  driven  by  changes  in 

relative  real  wages  and  differences  in  environmental  quality  between 

Pennsylvania  and  other  regions  in  simulations  in  which  labor  migration  is 

Page 120: Welfare in Open The Application of Computable General

109

endogenous; otherwise, labor supply is constant.  Taxes imposed by the national 

government  are  assumed  to  produce  no differentials  in  relative  real wages  or 

environmental quality, and  thus, not  to  induce  changes  in  labor  supply.   State 

and federal taxes also clearly differ in the recipient of tax revenues.   

Next,  several  simulations  are  conducted  to  test  if  revenue  recycling,  in 

which carbon tax revenues replace labor income tax revenues, generates a double 

dividend.   These  tests are conducted  for both state and  federal  taxes, with and 

without endogenous labor migration.  The simulations are all conducted using a 

$5/ton  carbon  tax.   The $5  rate  is  selected because under  recycling  it  results  in 

revenue neutrality, a norm for comparing the effects of alternative types of taxes.  

Under  revenue  neutrality,  economic  outcomes  reflect  the  effects  of  the  tax 

substitution  alone;  that  is,  there  are  no  effects  resulting  from  changes  in  the 

overall level of spending.   

While revenue neutrality is appropriate for analyzing the consequences of 

substituting a carbon  tax  for  labor  income  taxes, carbon  taxes with higher rates 

than $5/ton rate are of interest.  Additional simulations are performed to explore 

the  impacts  of  alternative  tax  rates,  specifically  $10/ton  and  $15/ton.    The  tax 

rates  and procedures used  to model  carbon  taxes  are discussed  further  in  the 

next  section. Because of  the novelty of  the endogenous migration analysis and 

uncertainty about  the  impacts of  real wage and  environmental differentials on 

Page 121: Welfare in Open The Application of Computable General

110

migration, simulations are conducted  to explore  the sensitivity of  the results  to 

migration elasticities. 

Table 4.1 summarizes the main components of the ten scenarios. 

 

Table 4.1 Scenarios Scenario Tax

Authority Revenue Recycling

EndogenousLabor Migration

Carbon Tax Rate

Wage Elasticity of Migration

Amenity Elasticity of Migration

1 PA No No $5/t 0.017 0.025

2 PA No Yes $5/t 0.017 0.025

3 PA Yes No $5/t 0.017 0.025

4 PA Yes Yes $5/t 0.017 0.025

5 Federal Yes No $5/t 0.017 0.025

6 Federal Yes Yes $5/t 0.017 0.025

7 PA No No $10/t 0.017 0.025

8 PA No No $15/t 0.017 0.025

9 PA No Yes $5/t 0.01 0.02

10 PA No Yes $5/t 0.02 0.03

4.2 Implementation of Carbon Taxes

Since  carbon  emissions  are  not  modeled  explicitly,  carbon  taxes  are 

modeled  as  equivalent  taxes on  the  carbon  content of  fossil  fuel  consumption.  

The procedure  follows Boyd et al.  (1995), Li and Rose  (1995), and Kamat et al. 

(1999) to convert taxes on the carbon contained in fossil fuels, the combustion of 

Page 122: Welfare in Open The Application of Computable General

111

which generates carbon emissions, into ad‐valorem taxes on fuels. In the model, 

fuel  consumption  occurs directly  in  the  production  of  goods;  accordingly,  the 

taxes are imposed on the intermediate demand for fossil fuels and electricity.  

Specifically,  following Boyd et al.  (1995), ad‐valorem  tax rates are obtained 

as.  

Ad valorem tax rate =prices Fuel

esCarbon taxcontentCarbon × (4.1) 

The carbon contents of coal, oil, gas, and electricity are, respectively, 0.605 

tons/short  ton,  0.1299  tons/barrel  of  oil,  0.0163  tons/cubic  feet,  and  0.574 

tons/MWh13 (Boyd et al., 1995).  The prices of coal, oil, natural gas, and electricity 

used  to  compute  the  tax  rates  are,  respectively,  $23.5/short  ton,  $43.68/barrel, 

$6.05/cubic  feet,  and  $68.1/MWh  (see  Table  B  in  the Appendix  for  sources  of 

fossil fuel prices). Table 4.2 shows the resulting ad‐valorem tax rates for carbon 

taxes  ranging  from $5/ton  to $15/  ton.   As noted above,  this  study uses $5/t of 

carbon tax in most scenarios to maintain revenue neutrality.  

 

 

 

13 Energy information administration website provides a carbon content of electricity sector since electricity is generated from various fossil fuels including coal, gas, and oil. More details are found at http://www.eia.doe.gov/oiaf/1605/ee-factors.html (accessed on April. 2005).

Page 123: Welfare in Open The Application of Computable General

112

Table 4.2 Carbon Tax and Equivalent Ad‐Valorem Fuel Tax Rates  Carbon tax ×Carbon Content by

Fuel Type (A) Equivalent Ad-valorem Fuel Tax

(A / Fuel Price) Carbon Tax ($/Ton)

Coal Oil Gas Electricity Coal Tax

Oil Tax

Gas Tax

Electricity Tax

5 3.025 0.650 0.082 2.870 0.129 0.015 0.013 0.042

10 6.050 1.299 0.163 5.740 0.257 0.030 0.027 0.084

15 9.075 1.949 0.245 8.610 0.386 0.045 0.040 0.126

 

Table  4.3  presents  carbon  tax  revenue  by  fuel  types  and  total  carbon  tax 

revenue before the model is simulated. Most revenue is from the electricity sector 

and the portion of revenue from the gas sector in the total revenue is the smallest. 

 

Table 4.3 Tax Revenue of Carbon Taxes by Fuel Type ($ Million)  Carbon Rate

Coal Tax Revenue

Oil Tax Revenue

Gas Tax Revenue

Electricity Tax Revenue

Total Revenue

$5/ton 74.63 12.98 11.67 250.9 350.2

$10/ton 149.2 25.95 23.3 501.9 700.5

$15/ton 223.9 38.9 35.0 752.9 1050.7

 

4.3 Welfare Measurement

Welfare  consequences  of  carbon  taxes  will  result  from  changes  in 

environmental  quality  and  economic  variables  (Freeman,  1999).    As  in most 

previous studies, this analysis is limited to the welfare consequences of price and 

income changes, thus excluding welfare impacts of changes from environmental 

Page 124: Welfare in Open The Application of Computable General

113

quality improvements. This is accomplished by assuming that market goods are 

strongly  separable  from  environmental quality  in  consumers’ utility  (Schwartz 

and Repetto, 2000).  

Given highly limited information about the benefits of reduced air emissions 

from  the  combustion  of  fossil  fuels,  research  on  the double dividend  assumes 

that environmental quality  is strongly separable from market goods and  leisure 

in  consumer preferences. This  assumption means  that household demands  for 

goods and  supply of  labor are unaffected by environmental quality;  this  study 

follows in that tradition.  

Compensating variation (CV) is commonly used in CGE studies to measure 

changes in economic welfare change due to changes in prices and incomes, and is 

adopted for this study. The CV of an economic change  is the amount of money 

that can be  taken away  from an economic agent after  the change such  that  the 

agent’s utility after the change is the same as before (Freeman, 1999).   CV has a 

positive  sign  for  economic  changes  that  improve  welfare  and  negative  for 

changes that decrease welfare.     

Following standard procedure for cases in which welfare is affected by both 

changes  in  prices  and wages,  CV  is  computed  using  a  ‘pseudo  expenditure’ 

function (Freeman, 1999; Hisnanick and Coddington, 2000).  A standard result is 

Page 125: Welfare in Open The Application of Computable General

114

that  the pseudo  expenditure  function  can be derived by  inverting  the  indirect 

utility function.   

Given the CES utility specification, the pseudo expenditure is derived from 

utility maximization subject to budget and time constraints:  

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+ )ln(1Max ρρ

ρRC  

subject to  PCRTw =−+ )(M*  and T = L + R 

where  U  is  the  household’s  utility  level,  R  is  leisure,  C  is  consumption  of 

commodities, M* is the household’s exogenous income level (which is the sum of 

other factor incomes and transfers from government), w is the after‐tax wage rate, 

T  is  the  total  endowment  of  time,  ρ  is  an  exponent  related  to  the  elasticity  of 

substitution (σ), P is the consumer price index, and L is labor supply.  

The first order conditions of utility maximization are  

0)ln(1 =−+=∂Γ∂ − λρρρ PRCCC

                                                                        (4.2) 

0)ln(1 =−+=∂Γ∂ − λρρρ wRCRR

                                                                         (4.3) 

0* =−−+=∂Γ∂ PCwRwTMλ

                                                                            (4.4) 

where Γ denotes a Lagrangian equation of the utility maximization problem, and λ is the

Lagrange multiplier.

Dividing equation (4.2) by equation (4.3) yields 

Page 126: Welfare in Open The Application of Computable General

115

wP

RC

=−1)( ρ  , thus  *)1/(1* )( RwPC −= ρ                                                                (4.5) 

Plugging equation  (4.5)  into equation  (4.4) and  rearranging  terms provides  the 

Mashallian demand for commodities and leisure. 

σσ

σ

PwwTMwR

++

=− )( *1

* ,  σσ

σ

PwwTMPC

++

=− )( *1

* , where 1−

=ρρσ                      (4.6) 

Using  the  derived Mashallian  demands  in  equation  (4.6),  the  indirect  utility 

function (V) can be derived as 

)()(})(

))(({),,( */11*

wTMwPPw

wTMwPTMPV ++=+

++= − σσσρ

ρσσ

ρσσ

              (4.7) 

Solving the indirect utility function with regard to exogenous household income 

yields the pseudo‐expenditure function (Just et al., 1986). 

wTVwPTVwPe −+= σσσ /1* )(),,,(                                                                   (4.8) 

This  function  is used  to  compute  the  compensating variation of wage and 

price changes using the definition 

),,,(),,,( 0011*0000* TUwPeTUwPeCV −=  

Note  that  in  this  formulation we do not consider  the welfare  impacts of a 

change in the per capita labor endowment, T, although we do consider changes 

in  the aggregate  labor endowment with  labor migration. CV  is  calculated on a 

per capita basis to exclude changes in the economy‐wide time endowment from 

CV calculations. 

Page 127: Welfare in Open The Application of Computable General

116

4.4. Results

4.4.1 $5/t State Carbon Tax without Revenue Recycling

Carbon  taxes  levied at  the modest  rate of $5/ton have small and primarily 

adverse effects on economic welfare without revenue recycling. The impacts are 

less  in  scenarios with  labor migration  than  in  those without  labor migration. 

Carbon  taxes  increase  production  costs  by  increasing  the  costs  of  fossil  fuels. 

Subsequently, price  increases  are passed  on  to  consumers,  reducing  consumer 

welfare.  In‐migration  reduces cost  increases by  facilitating substitution of  labor 

for fossil fuels. 

Household welfare  is  reduced:  the per capita CV of a $5/ton of carbon  tax 

when  the  revenue  is not  recycled  is  ‐$0.7 without  labor migration  and  is  ‐$0.4 

with endogenous labor migration (table 4.4). As shown in table 4.6, there is little 

change in the after‐tax wage, but there is a small increase in the consumer price 

index  for both  the  cases of no  labor migration and  labor  in‐migration. The per 

capita welfare effect  (CV) of  the $5/ton carbon  tax without revenue recycling  is 

negative since household income does not change, but the cost of living increases 

slightly. The effect of  labor migration on per capita CV  is positive even  though 

the difference is very small. 

Page 128: Welfare in Open The Application of Computable General

117

The gross state product (GSP) declines by 0.16% for the carbon tax without 

labor migration and 0.06% for the carbon tax with the  labor migration. Overall, 

the  effect  of  labor  in‐migration  is positive  on  the Pennsylvania  economy.  It  is 

possible to explain why in‐migration affected the GSP positively in several ways, 

including the price, substitution, output, and trading effects.  

Total  foreign  import and domestic  import  increase by 1.29% and 1.47%  for 

the carbon tax policy without labor migration, and increase by 1.55% and 1.17% 

for the carbon tax policy with the labor in‐migration. On the other hand, the total 

intermediate demands  for other materials  increase by 0.32%  for  the  carbon  tax 

policy without  labor migration,  and  also  increase  by  0.5%  for  the  carbon  tax 

policy with the labor in‐migration.  

Hence, import and  intermediate input sectors are affected positively by the 

carbon  tax policy, while  the demand  for energy  input  sectors decreases due  to 

the fuel taxes on fossil fuels and electricity. This change can be explained by the 

effect of substitution among  imports, other material  inputs, and energy  inputs. 

The increase in the cost of purchasing energy inputs lowered the relative costs of 

purchasing  imported  goods  and  other  intermediate  inputs;  in  this  way, 

industries could mitigate the burden of the carbon tax. 

The demand  for  the coal  industry declines  substantially by 4.7% and 4.1% 

relative  to  other  fossil  fuels,  reflecting  the  higher  carbon  content  of  coal.  The 

Page 129: Welfare in Open The Application of Computable General

118

demand for the electricity industry drops by 1.1 % and 1.5%. The demand for the 

oil  industry decreases slightly, while  the natural gas demand  increases by 0.6% 

and 1.1%. The tax rate on gas is the lowest among fossil fuel taxes, owing to the 

low  carbon  content  of  gas,  resulting  in  its  substitution  for  other  fuels.  The 

demand for the alternative fuel industries increases by 1.3% and 0.9%, since the 

relative costs of purchasing alternative fuels are lower than those of fossil fuels. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 130: Welfare in Open The Application of Computable General

119

Table 4.4 Relative Changes in Major Economic Variables for The $5/T Carbon Tax without Revenue Recycling (%) 

Scenario  $5/t Carbon Tax Without Revenue Recycling 

Economic Variable  No Labor Migration

Endogenous Labor migration

Gross CV -3.44 ($million) -1.77 ($million)

Per capita CV -0.72($) -0.37 ($)

GSP -0.16 -0.06

Total final consumption -0.002 -0.001

Total foreign import 1.29 1.55

Total domestic import 1.47 1.17

Total foreign export 1.17 1.39

Total domestic export 0.97 1.00

Labor supply 0.0 +

Labor demand 0.0 0.0

After tax wage rate + +

Total demand for fossil fuels and electricity -1.55 -1.16

Consumer price index 0.005 0.002

Labor migration 0.00 +

Final consumption on fossil fuels and electricity -2.30 -2.29

Demand for leisure and commodity - -

Total intermediate demand for fossil fuels -1.426 -0.983

Intermediate demand for coal -4.73 -4.10

Intermediate demand for gas 0.56 1.10

Intermediate demand for oil -0.54 -0.03

Intermediate demand for alternative fuels 1.32 0.87

Intermediate demand for electricity -1.52 -1.12

Total intermediate demand for materials 0.32 0.5

Exogenous income + +

(+ represents very small increase and – denotes very small decrease.)

Page 131: Welfare in Open The Application of Computable General

120

4.4.2 $5/t State Carbon Tax with Revenue Recycling

Carbon  taxes with revenue recycling  increase welfare, with the gains being 

greater  in  the  cases  without  labor  in‐migration  than  in  those  with  labor  in‐

migration.    In‐migration  supplies  labor  to  the PA  labor market  leading  to  the 

reduction  in  the wage rate. Thus, per capita  labor  income of  the PA household 

decreases.  Given  that  other  household  exogenous  income  does  not  change, 

households  in  the  case  with  the  in‐migration  have  less  purchasing  power 

resulting in less welfare gains. 

Household welfare increases: the per capita CV of the $5/ton carbon tax with 

recycling  is  $19.0 with  no  labor migration,  and  $18.0 with  labor  in‐migration 

(table 4.5). The double dividend hypothesis is supported for both cases, since per 

capita CVs are positive.  

Changes  in the after‐tax wage rate and consumer prices determine the sign 

and magnitude of the per capita CV. After‐tax wage rates increased by 0.21% and 

0.198%  and  the  consumer price  index decreased  by  0.07%  and  0.08%  for  both 

cases. The  increase  in  the after‐tax wage  rate due  to  the  reduction  in  the  labor 

income  tax  raises  household  income  given  that  exogenous  incomes  are 

unchanged.  The  income  gains  encourage  household  consumption  and 

production. When labor in‐migrates to Pennsylvania, the increase in the after‐tax 

wage  rate  enlarges  the  income  gains,  leading  to  even  more  household 

Page 132: Welfare in Open The Application of Computable General

121

consumption. The amplified consumer demand due to labor in‐migration raises 

the  consumer price  and  expands  the output  level.   Price  increases  induced by 

increased  production  costs  are  not  large  enough  to  offset  the  consumer  gains 

from wage increases.   

The GSP decreases by 0.03% for the case without migration and 0.3% for the 

case with migration. Total consumption does not change for both cases, so there 

is no effect from the demand side, but there is significant change in the exports. 

When there is no labor migration, total foreign and domestic exports increase by 

0.24% and 0.14%. For the case with labor in‐migration, total foreign and domestic 

exports increase by 0.02% and 0.9%. Thus, it is not clear in which case the output 

increases from exports are larger.  

Total  demand  for  fossil  fuels  decreases  by  0.6%  for  the  case  without 

migration  and  by  1.2%  for  the  case with  the migration.  Industries  substitute 

materials and imports for fossil fuels and electricity. Total demand for materials 

increases by 0.2% for the case without migration and by 0.27% for the case with 

migration. Total  foreign and domestic  imports  increase by 0.27% and 0.17%  for 

the case without migration, and by 0.04% and 1.97% for the case with migration. 

Hence, import and material inputs substitute for energy inputs. 

Again,  there  are  changes  in  energy  portfolios  due  to  the  carbon  tax  and 

changes are analogous to those in the previous section. For example, coal is again 

Page 133: Welfare in Open The Application of Computable General

122

the most negatively affected  fossil  fuel because  the  coal  tax  rate  is  the highest. 

The demand for gas increases by 0.6% and 0.5% for two scenarios.  

Table 4.5 Relative Changes in Economic Variables for The $5/T Carbon Tax with

the Tax Revenue Recycling

Scenario $5/T Carbon Tax With The Tax Revenue Recycling

Economic Variable No Labor Migration Endogenous Labor migration

Gross CV 92.0 ($million) 87.5($million)

Per capita CV 19.276($) 18.317($)

GSP -0.033 -0.319

Total foreign import 0.271 0.039

Total domestic import 0.172 1.972

Total foreign export 0.236 0.019

Total domestic export 0.138 0.896

Total demand for fossil fuels and electricity -0.857 -1.368

Labor in-migration 0.000 0.003

Final consumption on fossil fuels and electricity -2.341 -2.338

Demand for leisure and commodities -0.027 -0.027

Intermediate demand for coal -4.085 -4.340

Intermediate demand for gas 0.628 0.500

Intermediate demand for oil -0.396 -0.041

Intermediate demand for alternative fuels 1.041 0.403

Intermediate demand for electricity -0.475 -1.327

Consumer price index -0.067 -0.079

Demand for leisure -0.084 -0.084

After tax wage rate 0.211 0.198

Labor supply 0.063 0.059

Labor demand -0.101 -0.103

Total intermediate demand for fossil fuels -0.604 -1.203

Total final consumption - -

Total intermediate demand for materials 0.202 0.271

Household exogenous income - -

(‐ denotes very small decrease.) 

 

Page 134: Welfare in Open The Application of Computable General

123

4.4.3 $5/t Federal Carbon Tax with Revenue Recycling

Results for a national carbon tax are generally analogous to those of a state 

tax both with and without endogenous migration, although  the magnitudes of 

welfare changes are  relatively  lower. Analytically,  the main difference between 

state  carbon  tax  and  federal  carbon  tax  is on  the  sign  and magnitude of  labor 

migration  since  the  environmental  quality  differential  variable  is  assumed  to 

have no significant effect on the decision of labor migration in the case of federal 

carbon  tax. However,  the  result shows  little changes  in  labor migration  for  the 

scenarios with state and federal carbon tax. Thus, the only difference between the 

state  and  federal  tax  scenarios  is  the  tax  revenue. This difference  could  cause 

small changes in welfare and other economic variables. 

Compared  to  the  scenarios with  the  state  carbon  tax,  changes  in  the wage 

rate are not different and consumer price decreases less in the scenarios with the 

federal tax. Therefore, the relatively smaller gains from lowered living cost result 

in  less  improvement  in  the welfare effect of  the  scenarios with  the  federal  tax. 

These results suggest that the use of a state carbon tax with the revenue recycling 

policy generates more welfare gains than that of a national carbon tax. 

 

 

 

Page 135: Welfare in Open The Application of Computable General

124

Table 4.6 Relative Changes in Major Economic Variables for the $5/T of Federal Carbon Tax with the Tax Revenue Recycling  Scenario  $5/T Of Federal Carbon Tax with the  

Tax Revenue Recycling  Economic Variable  No Labor Migration  Endogenous 

Labor migrationgross CV 84.15 ($million) 71.56($million)

Per capita CV 17.6($) 15.0($)

GSP -0.077 -0.293

Total foreign import -0.1 0.678

Total domestic import 1.202 -6.174

Total foreign export -0.159 0.967

Total domestic export 0.919 -2.826

Labor demand -0.1 -0.102

Labor supply 0.064 0.06

After tax wage rate 0.212 0.2

Total demand for fossil fuels and electricity -1.622 -2.11

Labor in-migration 0 0.003

Final consumption on fossil fuels and electricity -2.353 -1.58

Demand for leisure and commodities -0.031 -0.033

Intermediate demand for coal -4.142 -4.398

Intermediate demand for gas 0.565 -0.268

Intermediate demand for oil 0.612 -0.403

Intermediate demand for alternative fuels -0.374 -0.461

Intermediate demand for electricity -1.849 -2.53

Consumer price index -0.053 -0.05

Household exogenous income -0.003 -0.003

Total final consumption -0.005 -0.01

Total intermediate demand for fossil fuels -1.498 -2.2

Total intermediate demand for materials 0.436 -0.08

 

 

Page 136: Welfare in Open The Application of Computable General

125

4.4.4. Alternative Carbon Tax Rates

The  results  above  assume  a  $5/ton  carbon  tax  to  maintain  approximate 

revenue  neutrality  in  the  case  of PA  tax  substitution.   However,  carbon  taxes 

needed to achieve targets established by international agreements are likely to be 

higher  (Kamat  et  al.,  1999).    Accordingly,  it  is  relevant  to  explore  the 

consequences  of  higher  tax  rates.    Alternatives  of  $10  and  $15  per  ton  are 

considered for the case without labor migration and no revenue recycling.   

In both cases there is little adjustment in the labor market because there is no 

change  in  the  labor  income  tax.  The  effect  on  labor migration  is  very  small 

because  the  carbon  tax  lowers  the  after‐tax  real wage  rate, which  reduces  the 

effect of environmental improvement on migration. There is a large difference in 

the  relative changes of consumer prices between  the scenario with $10/ton and 

the  scenario  with  $15/ton  (in  Table  4.7).  The  consumer  price  index  for  the 

scenario with  $15/ton  increases  by  0.09%, while  it  increases  by  0.01%  for  the 

scenario with  $10/ton. Final  consumption decreases by  0.028%  for  the  scenario 

with $15/ton, while  it decreases by 0.003%  for  the scenario with $10/ton due  to 

the  increase  in  the  consumer price  index. As  the  carbon  tax  is  imposed on  the 

demand for fossil fuels, the increased production costs raise the consumer price 

index. 

Page 137: Welfare in Open The Application of Computable General

126

On the whole, the demands for coal, electricity, and oil decline more in the 

scenario with $15/ton  than  in  the scenario with $10/ton of carbon. The demand 

for gas increases more in the scenario with the $15/ton than the $10/ton of carbon, 

but the demand for alternative fuels does not increase more in the scenario with 

$15/ton  than  the $10/ton of carbon. The GSP  for  the case with $15/ton  is  larger 

than with the $10/ton of carbon. Thus, this simulation shows that as the carbon 

tax increases, the economy is affected more adversely. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 138: Welfare in Open The Application of Computable General

127

Table 4.7 Relative Changes in Major Economic Variables for the $10/t and $15/t of Carbon Taxes without Revenue Recycling  Scenario  Different Carbon Tax Rates without  

Revenue Recycling and No MigrationEconomic Variable   $10/t Carbon Tax   $15/t Carbon Tax Gross CV -5.83 -48.4

Per capita CV -1.2 -10.1

GSP -0.158 -0.458

Total foreign import 1.30 -0.19

Total domestic import 1.67 4.68

Total foreign export 1.19 0.14

Total domestic export 1.189 3.32

Labor demand - -

Labor supply + +

After tax wage rate + +

Total demand for fossil fuels and electricity -1.679 -4.473

Labor in-migration + +

Final consumption on fossil fuels and electricity -4.491 -6.523

Demand for leisure and commodities -0.002 -0.02

Total final consumption -0.003 -0.028

Consumer price index 0.011 0.09

Intermediate demand for coal -6.793 -12.976

Intermediate demand for gas 0.822 1.298

Intermediate demand for oil -0.748 -0.559

Intermediate demand for alternative fuels 2.703 0.143

Intermediate demand for electricity -1.017 -4.573

Household exogenous income + +

Total intermediate demand for fossil fuels -1.201 -4.124

Total intermediate demand for materials 0.442 1.085

 

In  addition  to  the  relative  changes  in  economic  variables,  the  amount  of 

mitigated  carbon  emission  for  different  carbon  tax  rates  is  calculated  and 

compared to the total carbon emission level in Pennsylvania.  

Page 139: Welfare in Open The Application of Computable General

128

In  1999,  the  total  amount  of  carbon  emissions  in  Pennsylvania  was 

79.8MMTCE and the amount of emissions in 1990 was 77.4MMTCE. Based on the 

$5/t of carbon charge  in  the  first  scenario,  the amount of  reduction  in  the  total 

carbon  emission was  1.714MMTCE. Therefore,  the  total  amount  of  the  carbon 

emission reduction due to the carbon tax is 2.15%.  

When  the  carbon  charge  increases  to  $10/t,  the  total  amount  of  carbon 

emissions  decreases  to  77.8MMTCE  (2.5%  reduction).  Thus,  Pennsylvania  can 

maintain its carbon emission level at 1990 with a $10 of carbon charge per ton. 

Tables  4.8,  4.9,  and  4.10  show  how  the  amount  of  reduction  in  carbon 

emissions  can  be  calculated  for  three  carbon  tax  rates.  First,  intermediate  and 

final  demands  for  coal,  gas,  oil,  and  electricity  are  calculated  for  the  three 

different carbon taxes. Second, the sum of intermediate and final demands in the 

value term  is divided by the fuel price per ton, which produces the quantity of 

reduction in total demand for fossil fuels. Third, conversion factors for each fossil 

fuel type are multiplied by the quantity of each fuel demand, which provides the 

reduction in carbon emissions for each fuel type. 

 

 

 

 

Page 140: Welfare in Open The Application of Computable General

129

Table 4.8 Reduction in the Carbon Emission for $5 of Carbon Tax  Fossil Fuel

Type

Intermediate

Demand

($Million)

Final

Consumption

($Million)

Total

($Million)

Conversion

Factor

Fuel

Price

($)

Quantity

(ton)

Carbon

(MTCE)

Carbon

(MMTCE)

coal -27.429 -0.045 -27.47 0.605 23.5 -1169106 -707309 -0.70

gas 4.814 -4.988 -0.174 0.0163 6.05 -28760.3 -468.793 -0.0005

oil -4.739 -1.117 -5.856 0.1299 43.68 -134066 -17415.2 -0.0174

electricity -90.67 -26.646 -117.3 0.574 68.1 -1722702 -988831 -0.9888

total -150.8 total -1.7140

 

Table 4.9 Reduction in the Carbon Emission for $10 of Carbon Tax  Fossil Fuel

Type

Intermediate

Demand

($Million)

Final

Consumption

($Million)

Total

($Million)

Conversion

Factor

Fuel

Price

($)

Quantity

(ton)

Carbon

(MTCE)

Carbon

(MMTCE)

coal -39.388 -0.082 -39.47 0.605 23.5 -1679574 -1016143 -1.016

gas 7.117 -9.874 -2.757 0.0163 6.05 -455702 -7427.95 -0.007

oil -6.527 -2.208 -8.735 0.1299 43.68 -199977 -25977 -0.026

electricity -60.541 -51.627 -112.17 0.574 68.1 -1647107 -945440 -0.945

total -163.13 total -1.995

 

Table 4.10 Reduction in the Carbon Emission for $15 of Carbon Tax  Fossil Fuel

Type

Intermediate

Demand

($Million)

Final

Consumption

($Million)

Total

($Million)

Conversion

Factor

Fuel

Price

($)

Quantity

(ton)

Carbon

(MTCE)

Carbon

(MMTCE)

coal -75.233 -0.114 -75.35 0.605 23.5 -3206255 -1939784 -1.94

gas 11.236 -14.525 -3.289 0.0163 6.05 -543636 -8861.27 -0.0089

oil -4.876 -3.247 -8.123 0.1299 43.68 -185966 -24157 -0.024

electricity -272.325 -74.878 -347.2 0.574 68.1 -5098429 -2926498 -2.93

total -433.96 total -4.899

 

Page 141: Welfare in Open The Application of Computable General

130

4.4.5 Sensitivity Analysis: Migration Elasticities

The results above with endogenous  labor migration have assumed  that the 

elasticity of  the wage  rate  is 0.017 and  that of environmental amenity  is 0.025.  

Given  limited  information  to  support  these  assumptions,  it  is  important  to 

explore  the  sensitivity  of  the  model  to  alternative  values.    The  alternatives 

considered are lower and higher elasticities (0.01 and 0.02) in combination with a 

carbon tax of $5/t and no revenue recycling. 

There is little difference in the labor in‐migration between the low migration 

elasticity and high migration elasticity cases, so the sensitivity of the model to the 

changes  in  the migration elasticity must be very small. There  is  little difference 

between  the per  capita CV. Except  for  the within  the  trading  sector,  there  are 

little differences between  the  two  cases  in most  economic variables. When  the 

migration elasticities are low, foreign import and export are affected negatively, 

while all exports and  imports  increase  in  the case of high migration elasticities. 

Due to the change in the trading sector, the GSP has different changes for the two 

cases.  Therefore,  the  model  does  not  respond  sensitively  to  the  change  in 

migration elasticities. 

 

 

 

Page 142: Welfare in Open The Application of Computable General

131

Table 4.11 Relative Changes in Major Economic Variables for the Sensitivity of Migration Elasticities on $5/t of Carbon Taxes without the Tax Revenue Recycling  Scenario  Sensitivity  of  Different  Migration 

Elasticities Economic Variable  Low Migration 

ElasticityHigh Migration 

Elasticitygross CV -3.3 -1.4

Per capita CV -0.7 -0.3

GSP -0.29 -0.06

Total foreign import -0.28 1.51

Total domestic import 2.48 1.14

Total foreign export -0.22 1.36

Total domestic export 1.739 0.986

Labor demand - -

Labor supply + +

After tax wage rate + +

Total demand for fossil fuels and

electricity -1.15 -1.19

Labor in-migration + +

Final consumption on fossil fuels

and electricity -2.29 -2.29

Demand for leisure and commodities -0.001 -

Total final consumption - -

Consumer price index 0.006 0.003

Intermediate demand for coal -4.064 -4.101

Intermediate demand for gas 1.128 1.031

Intermediate demand for oil -0.054 -0.045

Intermediate demand for alternative

fuels 0.909 0.814

Intermediate demand for electricity -1.09 -1.14

Household exogenous income + +

Total intermediate demand for fossil

fuels -0.957 -1.005

Total intermediate demand for

materials 0.521 0.485

Page 143: Welfare in Open The Application of Computable General

132

CHAPTER 5 

CONCLUSIONS  

5.1 Summary and Main Findings

This  study  explores  the  economic  consequences  of  carbon  taxes  in 

Pennsylvania.    Key  questions  addressed  are  the  effects  of  labor  migration 

(induced  by  changes  in  after‐tax  wages)  and  environmental  quality  in 

Pennsylvania  (relative  to  other  regions)  on  the  economic  consequences  of  the 

carbon  taxes.    Further,  the  study  explores  how  the  level  of  government  (i.e., 

either state or national) that levies the tax affects the economic outcomes.  These 

questions are motivated by current interest in carbon taxes at both the state and 

federal  levels,  and  the  need  for  research  that  addresses  the  impacts  of  carbon 

taxes  in sub‐national economies.   The  innovative  feature of  this study  is  to  test 

the  double  dividend  hypothesis  at  the  sub‐national  level  using  a model  that 

incorporates interregional labor mobility. 

A  static  CGE  model  of  the  Pennsylvania  economy  is  developed  for  the 

analysis.   Ten different scenarios are simulated to examine changes in economic 

Page 144: Welfare in Open The Application of Computable General

133

welfare,  prices,  consumption,  gross  state  product,  and  trade  variables.    The 

scenarios differ in their assumptions about the effects of wage and environmental 

quality  change  on  labor migration,  the  tax  authority  levying  the  tax  (state  or 

national), the tax rates considered, and the use of revenues (deficit reduction or 

revenue recycling).  

A  key  finding  of  this  study  is  that  a  double  dividend  results  from  the 

substitution of a carbon tax for a labor income tax in Pennsylvania.  Specifically, 

a $5/ton carbon tax levied at the state level produces a per capita welfare gain of 

$19 without  labor  in‐migration,  and  $18 with  in‐migration. Thus,  the negative 

welfare cost from the tax  interaction effect is dominated by the positive welfare 

gain  from  the  tax revenue recycling effect. The relative changes  in  the after‐tax 

wage  rate and  the  consumer price  index explain  the  result. The after‐tax wage 

rate  increases  and  the  consumer price  index decreases. Thus,  consumers  enjoy 

higher incomes and lower prices.  The lower gains with labor in‐migration occur 

because in‐migration increases the labor supply and diminishes the magnitude of 

the after‐tax wage gain.   

A double dividend  is also  found  for  the national  tax, although  the welfare 

gain is smaller in this case ($17.6 without labor in‐migration and $15.0 with labor 

migration).  The  relative  increases  in  the  after‐tax  wage  rate  in  the  state  tax 

scenarios are larger than those in the federal tax scenarios. Also, decreases in the 

Page 145: Welfare in Open The Application of Computable General

134

consumer price index is greater in the state tax scenarios than in the federal tax 

scenarios. The difference in the tax revenue system between the state and federal 

tax authorities possibly affects  the  result. But overall economic  impacts are not 

considerably different between the state tax and the federal tax scenarios. 

Another  key  finding  is  that  the  carbon  taxes  in  all  simulations  induce 

substitution of 1) non‐energy and alternative energy inputs for fossil fuels, and 2) 

fossil fuels with  lower carbon content for fuels with higher carbon content. The 

result  is  a  reduction  in  fossil  fuel  consumption  except  for  natural  gas,  the 

consumption of which (because of  its comparatively  low carbon)  increases. The 

state carbon  taxes also result  in a substitution of  imports  from other regions of 

the U.S. and from foreign countries for goods produced  in Pennsylvania. These 

substitutions help to limit production cost increases resulting from the carbon tax 

and upward pressure on prices. In all scenarios, the Gross State Product (GSP) of 

Pennsylvania is affected minimally.  

Finally, as the carbon tax rates increase from $5/ton to $10/ton and $15/ton, 

the  per  capita  welfare  gain,  GSP,  and  intermediate  demand  for  fossil  fuels 

decrease more  than  in previous scenarios. For  low and high elasticities of after 

tax‐wage  and  environmental  quality  on  labor migration,  the model  does  not 

respond sensitively.  

 

Page 146: Welfare in Open The Application of Computable General

135

5.2 Further Study

One limitation of this study that could be usefully addressed in subsequent 

research  is  the  assumption  of  non‐separable  environmental  effects.  There  are 

several  theoretical  studies  regarding  the non‐separability of  the  environmental 

effect (Schwartz and Repetto, 2000; Williams, 2002 and 2003). However, there are 

few  empirical  studies  on  this  issue.  It  will  be  quite  interesting  if  the  non‐

separability of the environmental effect is assumed in the household utility, since 

the environmental quality variable will affect  the demand  for  leisure as well as 

final  consumption  resulting  in  changes  in welfare  gains  and  other  economic 

variables. 

Second, capital mobility could be included as an endogenous variable in the 

model,  since  capital mobility  also  can  affect welfare  consequences  and  other 

economic variables of environmental taxes through changes in the capital supply 

and demand market.  

Third,  in  this  study,  alternative  fuels  including  nuclear  power,  hydro 

power, fuel cells, geo‐thermal, wind, bio‐fuel and solar energy are combined into 

one sector for simplicity of analysis. However, production technology and costs 

are different among fuel types. Thus, a combined alternative fuel sector could be 

disaggregated, by the different production costs and technologies. In the future, 

as  the portion of alternative  fuels  in  the primary  energy  supply  is  expected  to 

Page 147: Welfare in Open The Application of Computable General

136

increase, disaggregated alternative energy sectors may affect the CGE modeling 

significantly.   

Fourth, environmental taxation without taxes on imported goods that use 

fossil  fuels as  intermediate  inputs can  lead  to  increased demand  for  imports of 

fossil  fuel‐intensive  goods.  This  study  shows  that  industries  substituted 

imported goods for regionally produced goods to lower the increased production 

costs  due  to  the  carbon  tax.  This  result  can  have  a  bias  in  favor  of  imported 

goods;  the bias  can be  removed  if  the  simulation  includes  carbon  taxes on  the 

import of fossil fuel‐intensive goods. To generate meaningful results, the model 

will  require more  information  on  imported  goods,  including  detailed  import 

structure for each industry.

 

 

 

 

Page 148: Welfare in Open The Application of Computable General

137

REFERENCES 

1. Abler, David G., Adrian G. Rodriguez, and  James S. Shortle, 1998, Labor 

Force Growth  and  the  Environment  in Costa Rica,  Economic Modelling, 

Vol.15, 477‐499 

2. André,  F.J.,  Cardenete,  M.A.,  And  Velázquez,  E.,  2003,  Performing  an 

Environmental Tax Reform in a Regional Economy: A Computable General 

Equilibrium Approach,   Working Paper, No. 2003–125, Tilberg University 

3. Babiker,  Mustafa  H.  Gilbert  E.  Metcalf,  and  John  Reilly,  2003,  Tax 

Distortions  and  Global  Climate  Policy,  Journal  of  Environmental 

Economics and Management Vol. 46, 269–287 

4. Ballard, Charles, L., Don Fullerton, John B. Shoven, and John Whalley, 1985, 

A General Equilibrium Model for Tax Policy Evaluation, The University of 

Chicago Press, Chicago 

5. Batra, R and G. W. Scully, 1972, Technical Progress, Economic Growth, and 

the North‐South Wage Differential,  Journal  of  Regional  Science,  vol.  12, 

375‐386 

6. Berck, Peter, Elise Golan, and Bruce Smith, 1997, State Tax Policy, Labor, 

and Tax Revenue Feedback Effects, Industrial Relations, Vol.36, No.4, 399‐

418 

Page 149: Welfare in Open The Application of Computable General

138

7. Böhringer, Christoph, and Thomas F. Rutherford, 1997, Carbon Taxes with 

Exemptions  in an Open Economy: A General Equilibrium Analysis of  the 

German  Tax  Initiative,  Journal  of  Environmental  Economics  and 

Management, Vol. 32, 189‐203 

8. Böhringer,  Christoph,  Wiegard,  Wolfgang,  Starkweather,  Collin  and 

Ruocco, Anna, 2003, Green tax reforms and computational economics: a do‐

it‐yourself approach, computational economics, Vol. 22, 75‐109  

9. Bovenberg, A. Lans., 1999. Green Tax Reforms and  the Double Dividend: 

an Updated Reader’s Guide,  International Tax and Public Finance, 6, 421‐

443 

10. Bovenberg, A.L. and L.H. Goulder, 1996, Optimal Environmental Taxation 

in the Presence of Other Taxes: An Applied General Equilibrium Analysis, 

American Economic Review, Vol. 86, No. 4, 985‐1000 

11. Bovenberg,  A.L.  and  L.H.  Goulder,  1997,  Costs  of  Environmentally 

Motivated  Taxes  in  the  Presence  of  Other  Taxes:  General  Equilibrium 

Analysis, National Tax Journal, Vol. 50, No.1, p59 

12. Bovenberg,  A.L.  and  R.A.  de  Mooij,  1994,  Environmental  Levies  and 

Distortionary  Taxation,  The  American  Economic  Review,  Vol.84,  No.4, 

1085‐1089 

Page 150: Welfare in Open The Application of Computable General

139

13. Boyd, Roy, Kerry Krutilla, and W.Kip Viscusi, 1995, Energy Taxation as A 

Policy  Instrument  to  Reduce  CO2  Emissions:  A  Net  Benefit  Analysis, 

Journal of Environmental Economics and Management, Vol. 29, 1‐24 

14. Brooke,  Anthony,  David  Kendrick,  Alexander  Meeraus,  and  Ramesh 

Raman, 1998, GAMS: A User’s Guide, GAMS Development Corporation 

15. Brunnermeier, Smith B. and Arik Levinson, 2004, Examining the Evidence 

on  Environmental  Regulations  and  Industry  Location,  Journal  of 

Environment and Development, Vol.13, No.1, 6‐41 

16. Bruvoll, Annegrete and Karin Ibenholt, 1998, Green Throughput Taxation: 

Environmental  And  Economic  Consequences,  Environmental  And 

Resource Economics 12: 387–401 

17. Charles  River  Associates,  2004,  Overview  of  the  MS‐MRT  Model, 

http://65.198.99.21/documentation/MS‐MRT_descr.html  

18. Clark, David, E., Thomas A. Knapp, and Nancy E. White, 1996, Personal 

and  Location‐Specific  Characteristics  and  Elderly  Interstate  Migration, 

Growth and Change, Vol. 27, 327‐351 

19. Cromartie, J.B., and Wardwell, J.M, 1999, Migrants Settling Far and Wide in 

The Rural West, Rural Development Perspectives, Vol.14, No. 2, 2‐23 

Page 151: Welfare in Open The Application of Computable General

140

20. Cromartie,  John  B.,  1998, Net Migration  in  the Great  Plains  Increasingly 

Linked  to  Natural  Amenities  and  Suburbanization,  Rural  Development 

Perspectives, Vol.13, No. 1, 27‐34 

21. Dean, J., 1992, Trade and The Environment: A Survey Of The Literature, In 

P.Low(Ed),  International  Trade  and  The  Environment,  World  Bank 

Discussion Paper #159, Washington, DC, World Bank, 819‐842 

22. Decaluwe, B, Patry, A, Savard, L, and Thorbecke, E, 1999, Poverty Analysis 

Within a General Equilibrium Framework, Working paper 9909, CREFA 99‐

06, Quebec, Canada 

23. Deller,  Steven  C.,  Tshung‐Hsiu(Sue)  Tsai,  David  W.  Marcouiller,  and 

Donald B.K. English, 2001, The Role of Amenities and Quality Of Life  in 

Rural Economic Growth, American Journal of Agricultural Economics, Vol. 

83, No. 2, 352‐365  

24. Deller, Steven. C., Tsung‐Hsiu(Sue) Tsai, David W.Marcouiller, and Donald 

B.K.English,  2001,  The  Role  of  Amenities  and  Quality  of  Life  in  Rural 

Economic  Growth,  American  Journal  of  Agricultural  Economics,  Vol.83, 

No.2, 352‐365 

25. Dervis, K., de Melo, J. and S. Robinson, 1982, General Equilibrium Models 

for Development Policy, Cambridge University Press, Cambridge 

Page 152: Welfare in Open The Application of Computable General

141

26. Dickie, Mark T. and Shelby Gerking. 1998. ʺInterregional Wage Disparities, 

Relocation  Costs,  and  Labor  Mobility  in  Canada,ʺ  Journal  of  Regional 

Science Vol. 38, No. 1, 61‐87.  

27. Dissart,  J.‐C.  And  David  W.  Marcouiller,  2004,  Impact  of  Outdoor 

Recreation Facilities on Rural Economic Growth, Presented at The USDA 

NRI Funded Conference on Amenities and Rural Development, June 18‐19, 

2004, In Madison, WI 

28. Edmonds,  Jae, Hugh,  Pitcher,  and  Ron  Sands,  2004,  Second  Generation 

Model  2004:  An  Overview,  Working  Paper  for  U.S.  Environmental 

Protection Agency  

29. Fry,  Jane,  Tim,  R.L.  Fry  and  Matthew  W.  Peter,  1999,  Inter‐Regional 

Migration  in  Australia:  An  Applied  Economic  Analysis,  Department  of 

Econometrics and Business Statistics in Monash University Working Paper 

5/99 

30. Garber‐Yonts, Brian E., 2004, The Economics of Amenities And Migration 

in The Pacific Northwest: Review of Selected Literature with  Implications 

for National Forest Management, General Technical Report PNW‐GTR‐617, 

USDA 

31. Goetz, Stephan J. , 1999, Migration and Local Labor Markets, The Web Book 

of Regional Science, Regional Research Institute, West Virginia University 

Page 153: Welfare in Open The Application of Computable General

142

32. Goetz, Stephan  J., Richard C. Ready and Brad Stone, 1996, U.S. Economic 

Growth vs. Environmental Conditions: A State‐Level Analysis, Growth and 

Change Vol. 27, 97‐110. 

33. Goulder,  H.  Lawrence,  1997,  Environmental  Taxation  in  A  Second‐Best 

World,  In  Henk  Folmer  and  Tom  Tietenberg  (Ed.),  The  International 

Yearbook of Environmental and Resource Economics 1997/1998 ‐  A Survey 

of Current Issues, Edward Elgar, U.K 

34. Goulder,  L.H.,  I.W.H.  Parry  and  D.  Burtraw,  1996,  Revenue‐Raising  vs. 

Other Approaches to Environmental Protection: The Critical Significance of 

Pre‐Existing Tax Distortions, RFF Discussion Paper, Vol. 96‐24, Washington: 

Resource for the Future 

35. Goulder, Lawrence H, 1995, Effects of Carbon Taxes  in an Economy with 

Prior  Tax  Distortions:  An  Inter‐temporal  General  Equilibrium  Analysis, 

Journal of Environmental Economics and Management, Vol.29, No.3, 271‐

97 

36. Goulder, Lawrence, H and Roberton C. Williams III, 2003, The Substantial 

Bias  from  Ignoring  General  Equilibrium  Effects  in  Estimating  Excess 

Burden, and a Practical Solution, The Journal of Political Economy, Vol. 111, 

No.4, 898‐927 

Page 154: Welfare in Open The Application of Computable General

143

37. Goulder,  Lawrence,  H.,  1994,  Environmental  Taxation  and  the  “Double 

Dividend”, A Reader’s Guide, NBER Working Paper No. 4896 

38. Goulder,  Lawrence, H.;  Ian, W.H.Parry; Dallas  Burtraw,  1997,  Revenue‐

Raising versus Other Approaches to Environmental Protection: The Critical 

Significance  of  Preexisting  Tax  Distortions,  The  RAND  Journal  of 

Economics, Vol.28, No.4, 708‐731 

39. Goulder,  Lawrence, H.;  Ian, W.H.Parry; Roberton C. Williams  III, Dallas 

Burtraw,  1999,  The  Cost‐Effectiveness  Of  Alternative  Instruments  For 

Environmental  Protection  In  A  Second‐Best  Setting,  Journal  Of  Public 

Economics, Vol.72, 329‐360 

40. Gunning,  Jan,  Willem  and  Keyzer,  Michiel,  A.,  1995,  Applied  General 

Equilibrium Models  for Policy Analysis,  in Behrman and T.N. Srinivasan 

(eds), Handbook of Development Economics, Vol. III, Elsevier Science B.V. 

41. Hunter, Lori. M., Michael J. White, Jani S. Little, and Jeannette Sutton, 2003, 

Environmental  Hazards,  Migration,  and  Race,  Population  and 

Environment, Vol. 25, No. 1, 23‐ 39 

42. IMPLAN  Pro,  2000,  IMPLAN  Professional  Version  2.0:  User’s  Guide, 

Analysis Guide, Data Guide, Minnesota IMPLAN Group, USA 

43. IPUMS, US sample micro‐data, http://beta.ipums.org/usa/ 

Page 155: Welfare in Open The Application of Computable General

144

44. Jaffe, A.,  Peterson,  S.,  Portney,  P.,  and  Stavins,  R.,  1995,  Environmental 

Regulations  and The Competitiveness of U.S. Manufacturing: What Does 

The Evidence Tell Us?, Journal of Economic Literature, Vol.33, 132‐163 

45. Johnson, K.M, And Beale, C.L., 2002, Nonmetro Creation Counties: Their 

Identification and Rapid Growth, Rural America, Vol. 17, No.4, 12‐19 

46. Jorgenson, D.W. and Wilcoxen, P.J, 1994, The Economic Effects of Carbon 

Taxes,  Department  of  Economics,  Harvard  University,  Cambridge, 

Massachusetts 

47. Judson,  D.H,  Reynolds‐Scanlon,  S.,  and  Popoff,  C.L.,  1999, Migrants  to 

Oregon  in  The  1990’s: Working  Age,  Near‐Retirees,  and  Retirees Make 

Different  Destination  Choices,  Rural  Development  Perspectives,  Vol.14, 

No.2, 24‐31 

48. Just,  Richard  E,  Darrell  L.  Hueth,  and  Andrew  Schmitz,  1986,  Applied 

Welfare Economics and Public Policy, Englewood Cliffs, N.J., Prentice‐Hall 

Inc  

49. Kamat,  Rajnish,  Adam  Rose,  and  David  Abler,  1999,  The  Impact  Of  a 

Carbon Tax on the Susquehanna River Basin Economy, Energy Economics, 

Vol. 21, 363‐384 

50. Kolstad, Charles, D.,  2000,  Environmental  Economics, Oxford University 

Press, Inc., New York 

Page 156: Welfare in Open The Application of Computable General

145

51. Koteen, Jessica, Susan. J. Alexander, and John B. Loomis, 2002, Evaluating 

Benefits and Costs of Changes in Water Quality, USDA, General Technical 

Report, PNW‐GTR‐548 

52. Krupka, Douglas,  2004,  Location‐Specific Human Capital, Migration  and 

Amenities, Working Paper No.04‐06, School of Policy Studies, Georgia State 

University 

53. Lee,  Dwight  R.  and  Walter  S.  Misiolek,  1986,  Substituting  Pollution 

Taxation  for  General  Taxation:  Some  Implications  for  Efficiency  in 

Pollution Taxation, Journal of Environmental Economics and Management, 

Vol. 13, No.4, 338‐347 

54. Levinson,  A.,  1996,  Environmental  Regulations  and  Industry  Location: 

International and Domestic Evidence,  In  J. Bhagwati and R.Hudec  (Eds.), 

Fair Trade  and Harmonization: Prerequisite For Free Trade?, Cambridge, 

Ma, Mit Press, 429‐457 

55. Lewis, D, Hunt, G.L., and Plantinga, A.J., 2002, Public Conservation Land 

and  Economic Growth  in The Northern  Forest Region, Land Economics, 

Vol. 78, No 2, 245‐259 

56. Li,  Ping‐Chen  and  Adam  Rose,  1995,  Global Warming  Policy  and  The 

Pennsylvania  Economy:  A  Computable  General  Equilibrium  Analysis, 

Economic Systems Research, Vol.7, No. 2, 151‐171 

Page 157: Welfare in Open The Application of Computable General

146

57. Lofgren,  Hans,  Rebecca  Lee  Harris,  and  Sherman  Robinson,  2002,  A 

Standard Computable General Equilibrium (CGE) Model in GAMS, IFPRI 

58. Manne,  Alan  S  and  Richels,  Richard  G,  2004,  MERGE:  an  integrated 

assessment model for global climate change, working paper 

59. Mathur, ViJay K., and Sheldon H. Stein, 1993, The Role of Amenities  in a 

General Equilibrium Model of Regional Migration and Growth, Southern 

Economic Journal 59, no. 3, 394‐409 

60. McCool,  Stephen,  F. And Kruger,  Linda  E,  2003, Human Migration  and 

Natural  Resources:  Implications  for  Land Managers  and  Challenges  for 

Researchers, General Technological Report, PNW‐GTR‐580, USDA 

61. McCoy,  1997,  Reflections  on  the  Double  Dividend  Debates,  in  Tim 

O’Riordan(eds), Ecotaxation, Earthscan, London 

62. Mcgranahan, D., 1999, Natural Amenities Drive Rural Population Change, 

Agricultural Economic Report, 781, Washington, DC, U.S. Department Of 

Agriculture, Economic Research Service 

63. McKinstry,  Robert, Adam  Rose,  and Coreen  Ripp,  2004,  Incentive‐Based 

Approaches to Greenhouse Gas Mitigation in Pennsylvania: Protecting the 

Environment and Promoting Fiscal Reform, Vol. 14, No. 1, Widener Law 

Journal 

Page 158: Welfare in Open The Application of Computable General

147

64. Morgan,  William,  John  Mutti,  and  Mark  Partridge,  1989,  A  Regional 

General  Equilibrium Model  of  the  United  States:  Tax  Effects  on  Factor 

Movements  and  Regional  Production,  The  Review  of  Economics  and 

Statistics, Vol. 71, Issue 4, 626‐635 

65. Nelson,  Peter,  B,  1999,  Quality  Of  Life,  Nontraditional  Income,  and 

Economic Growth: New Development Opportunities  for The Rural West, 

Rural Development Perspectives, Vol. 14, No. 2, 32‐37 

66. Oates, Wallace, E., 1993, Pollution Charges as a Source of Public Revenues, 

in Economic Progress and Environmental Concerns, Herbert Giersch(eds), 

135‐152, Berlin, Springer‐Verlag 

67. Oladosu,  Gbadebo  Ayodeji,  2000,  A  Non‐Market  Computable  General 

Equilibrium  Model  for  Economic  Analysis  of  Climate  Change  in  the 

Susquehanna  River  Basin,  Ph  D.  Thesis  in  the  Department  of  Energy, 

Environmental and Mineral Economics, Pennsylvania State University 

68. OTIM  (The  Oregon  Tax  Incidence  Model),  2001,  Research  Report, 

Legislative  Revenue  Office,  http://www.leg.state. 

or.us/comm/lro/home.htm 

69. Pagoulatos,  Angelos,  Stephan  J.  Goetz,  David  L.  Debertin,  and  Tulin 

Johannson,  2004,  Interactions  Between  Economic  Growth  and 

Page 159: Welfare in Open The Application of Computable General

148

Environmental Quality in U.S. Counties, Growth and Change, Vol.35, No.1, 

90‐108 

70. Parry,  Ian  W.H.  and  Bento,  Antonio  M.,  2000,  Tax  Deductions, 

Environmental Policy, and  the  ʺDouble Dividendʺ Hypothesisʺ, Journal of 

Environmental Economics and Management, Vol. 39, 67‐96 

71. Parry, Ian W.H., 1997, Environmental Taxes and Quotas in the Presence of 

Distorting Taxes  in Factor Markets, Resource and Energy Economics, Vol. 

19, 203‐220 

72. Parry, Ian W.H., Roberton C., Williams III, and Lawrence H. Goulder, 1999, 

When Can Carbon Abatement Policies Increase Welfare? The Fundamental 

Role of Distorted Factor Markets, Journal of Environmental Economics and 

Management, Vol. 37, No.1, 52‐84 

73. Parry,  Ian,  1995,  Pollution  Taxes  and  Revenue  Recycling,  Journal  of 

Environmental Economics and Management, Vol.29, S64‐S77 

74. Pearce,  D,  1991,  The  Role  Of  Carbon  Taxes  In  Adjusting  To  Global 

Warming, The Economic Journal, Vol. 101, No. 407, 938‐948 

75. Pigou,  A.C.,  1938.  The  Economics  of Welfare,  Fourth  Edition,  London: 

Weidenfeld and Nicolson 

76. Poterba,  James, M., 1993, Global Warming: A Public Finance Perspective, 

Journal of Economic Perspectives Vol. 7, No. 4, 47‐63 

Page 160: Welfare in Open The Application of Computable General

149

77. Raspiller,  Sebastien  and  Nicolas  Riedinger,  2004,  Do  Environmental 

Regulations  Influence  the  Location  Behavior  of  French  Firms?,  EAERE 

(European  Association  of  Environmental  and  Resource  Economics) 

Conference, 13th, Presentation paper 

78. Repetto, Robert, Roger C. Dower, Robin Jenkins, and Jacqueline Geoghegan, 

1992, Green Fees: How a Tax Shift Can Work for the Environment and the 

Economy, Washington D.C., World Resource Institute 

79. Roback,  Jennifer.  1982,  Ages,  Rents,  and  the  Quality  of  Life,  Journal  of 

Political Economy Vol. 90 No.6, 1257‐1278. 

80. Robinson,  S,  Kilkenny,  M,  and  Hanson,  K,  1990,  The  USDA/ERS 

Computable  General  Equilibrium  (CGE)  Model  of  the  United  States. 

Technical report, USDA/ERS 

81. Rose,  Adam,  Rob  Neff,  Brent  Yarnal,  and  Howard  Greenberg,  2004,  A 

Greenhouse Gas Emissions Inventory  for Pennsylvania, Journal of  the Air 

and Waste Management Association, Forthcoming 

82. Rudzitis, Gundars, 1999, Amenities Increasingly Draw People to The Rural 

West, Rural Development Perspectives, Vol. 14, No. 2, 9‐13 

83. Rutherford,  Thomas,  F,  2002,  Lecture  Notes  on  Constant  Elasticity 

Functions, MIMEO, www. debreu.colorado.edu/ces.pdf 

Page 161: Welfare in Open The Application of Computable General

150

84. Schachter,  J.P., L.  Jensen  and G.T. Cornwell,  1998, Migration, Residential 

Mobility  and  Poverty  in  Rural  Pennsylvania  Rural  Development 

Perspectives 13, no. 2 (August), 40‐45 

85. Schwartz,  Jesse  and  Robert  Repetto,  2000, Nonseparable Utility  and  the 

Double‐Dividend  Debate:  Reconsidering  the  Tax‐Interaction  Effect, 

Environmental and Resource Economics, Vol.15, 149‐157 

86. Science  Daily,  9‐25,  2003,  Pennsylvania  Inventory  Shows  Fossil  Fuels 

Remain Largest Source of Carbon Dioxide 

87. Seung,  Chang  Kyu  and  David  S.  Kraybill,  1999,  Tax  Incentives  in  an 

Economy with Public Goods, Growth and Change, Vol.30, 128‐147 

88. Shackleton, Robert, Michel  Shelby, Alex Cristofaro, Roger  Brinner,  Joyce 

Yanchar,  Lawrence  Goulder,  Dale  Jorgenson,  Peter Wilcoxen,  and  Peter 

Pauly,  1992,  The  Efficiency  Value  of  Carbon  Tax  Revenues,  US. 

Environmental Protection Agency, Nov. 5, Working Paper 

89. Shar, A  and  B.  Larsen,  1992,  Carbon  Taxes,  The Greenhouse  Effect  and 

Developing Countries, World Bank Policy Research Working Paper Series, 

957, The World Bank, Washington, DC 

90. Shar, Anwar and Bjorn Larsen, 1992, Carbon Taxes, the Greenhouse Effect 

and Developing  Countries, World  Bank  Policy  Research Working  Paper 

Series, No.957, The World Bank, Washington, D.C. 

Page 162: Welfare in Open The Application of Computable General

151

91. Shields, Martin,  Stephan  J. Goetz,  and Qiuyan  (Cindy) Wang,  2005, Out‐

Migration  from  the Northeast  US:  The  Relative  Roles  of  Economic  and 

Amenity Differentials, Working Paper 

92. Shoven,  John,  B,  and  Whalley,  J,  1992,  Applying  General  Equilibrium, 

Cambridge University Press 

93. Smith, V.Kerry and Ju‐Chin Huang, 1995, Can Markets Value Air Quality? 

A  Meta‐Analysis  of  Hedonic  Property  Value  Models,  The  Journal  of 

Political Economy, Vol.103, No.1, 209‐227 

94. Stewart, Susan, I., 2004, Amenity Migration, Working Paper, USDA Forest 

Service 

95. Stiglitz,  Joseph  E.,  2000,  Economics  of  the  Public  Sector, W.W.Norton & 

Company Ltd, London 

96. Taylor, L.O, And Smith, V.K, 2000, Environmental Amenities as A Source 

of Market Power, Land Economics, Vol. 76, No. 4, 550‐568 

97. Thissen, Mark,  1998,  A  classification  of  empirical  CGE modeling,  SOM 

Research  Report  99C01,  University  of  Groningen,  Groningen,  The 

Netherlands 

98. Thomas, Ward F. and Paul Ong, 2004, Location Adjustments  to Pollution 

Regulations: The South Coast Air Quality Management District And The 

Page 163: Welfare in Open The Application of Computable General

152

Furniture  Industry, Economic Development Quarterly, Vol.18, No.3,  220‐

235 

99. Thorbecke, E, 1988, The impact of Stabilization and Structural Adjustment 

Measures and Reforms on Agriculture and Equity, in Berg, E. (eds), Policy 

Reform and Equity: Extending the Benefits of Development, San Francisco: 

Institute for Contemporary Studies 

100. United  States  Census  Bureau,  at  

http://factfinder.census.gov/servlet/QTTable?‐geo_id=04000US42&‐

qr_name=DEC_2000_SF1_U_QTP10&‐ds_name=DEC_2000_SF1_U 

101. United  States  Department  of  Agriculture  (USDA)  Economic  Research 

Services (ERS) homepage, www. ers.usda.gov/data/naturalamenity.htm. 

102.  United  States  Environmental  Protection  Agency  (US  EPA),  2001,  The 

United  States    Experiences with  Economic  Incentives  for  Protecting  the 

Environment  at 

http://yosemite.epa.gov/ee/epa/eed.nsf/webpages/USExperienceWithEcono

micIncentives.html 

103. United  States  Environmental  Protection  Agency  (US  EPA),  2004, 

International  Experiences  with  Economic  Incentives  for  Protecting  the 

Environment, http://yosemite.epa.gov/ee/epa/eed.nsf/pages/homepage 

Page 164: Welfare in Open The Application of Computable General

153

104. Vargas,  E.,  Schreiner,  D.,  Tembo,  G.,  and  Marcouiller,  D.,  1999, 

Computable  General  Equilibrium  Modeling  for  Regional  Analysis, 

Regional Research Institute, West Virginia University 

105. Varian, Hal R.,  1992, Microeconomic Analysis, W.W.Norton & Company 

Ltd, New York 

106.  Vias, A,  1999,  Jobs  Follow  People  in  The  Rural  Rocky Mountain West, 

Rural Development Perspectives, Vol. 14, No. 2, 14‐23 

107.  Williams  III,  Roberton,  2000,  Environmental  Tax  Interactions  When 

Pollution Affects Health or Productivity, NBER, Working paper 8049 

108. Williams  III,  Roberton,  2002,  Environmental  Tax  Interactions  when 

Pollution  Affects  Health  or  Productivity,  Journal  of  Environmental 

Economics and Management, Vol.44, 261‐270 

109. Williams  III,  Roberton,  2003, Health  Effects  and Optimal  Environmental 

Taxes, Journal of Public Economics, Vol.87, 323‐335 

110. Wise,  R.J.,  S.  C.  Cooke,  and  D.W.  Holland,  2002,  “A  Computable 

General  Equilibrium  Analysis  of  Property  Tax  Limitation  Initiative  in 

Idaho”, Working Paper 

 

 

Page 165: Welfare in Open The Application of Computable General

154

APPENDIX A: Number of Equations and Variables Table A.1 Count of Independent Equations and Endogenous Variables

Equation Number Variable Number Fixed variablePRIVAPRICE(I) 7 PVA(I) 7 .

RXCOST(I) 7 CX(I) 7 . VADEMAND(I) 7 VA(I) 7 . OIMDEMAND(I) 7 OIM(I) 7 .

OIMCOST(I) 7 COIM(I) 7 . OIMPRICE(I) 7 POIM(I) 7 .

TRANDEMAND(I) 7 DTRAN(I) 7 . MATDEMAND(I) 7 DMAT(I) 7 .

VACOST(I) 7 CVA(I) 7 . LFDEMAND(I) 7 LF(I) 7 . KEDEMAND(I) 7 KE(I) 7 .

LFCOST(I) 7 CLF(I) 7 . LDEMAND(I) 7 LD(I) 7 . FDEMAND(I) 7 FD(I) 7 . KECOST(I) 7 CKE(I) 7 .

KDEMAND(I) 7 KD(I) 7 . EDEMAND(I) 7 ENER(I) 7 .

ECOST(I) 7 CEN(I) 7 . DFUELC(EN,WCOA) 3 FUEL("COAL",WCOA) 3 . DFUELG(EN,WGAS) 5 FUEL("GAS",WGAS) 5 . DFUELO(EN,WOIL) 5 FUEL("OIL",WOIL) 5 . DFUELA(EN,WALT) 3 FUEL("ALTF",WALT) 3 . DFUELE(EN,WELE) 6 FUEL("ELEC",WELE) 6 .

TFUELC 1 TCOAL 1 . TFUELG 1 TGAS 1 . TFUELO 1 TOIL 1 . TFUELA 1 TALTF 1 . TFUELE 1 TELEC 1 .

CESUTIL1(HH) 1 UTIL(HH) 1 . CESUTIL2(HH) 1 CT(H) 1 .

EUTIL1(HH) 1 PU(HH) 1 . EUTIL2(HH) 1 PCT(HH) 1 .

VIRTUALHHY(HH) 1 VHHY(HH) 1 . INDU1(HH) 1 V1(HH) 1 . INDU2(HH) 1 V2(HH) 1 . LEDEMAND 1 LE 1 .

CTDEMAND(HH) 1 CT(HH) 1 . CDEMAND(NFEN,HH) 4 IRC(NFEN,HH) 4 .

DFOSSIL(FEN,HH) 3 IRC(FEN,HH) 3 . TFOSSIL 1 CE 1 .

 

 

Page 166: Welfare in Open The Application of Computable General

155

Table A.1 (Contd.) Count of Independent Equations and Endogenous Variables    Equation Number Variable Number Fixed variable

HHFIMPORT(I,HH) 7 HHFIMP(I,HH) 7 . HHDIMPORT(I,HH) 7 HHDIMP(I,HH) 7 .

LSUPPLY 1 LS 1 . LMOBILITY 1 LMG 1 . GLSUPPLY 1 GLS 1 .

FROW 1 PADJF 1 . FRUS 1 PADJD 1 . KROW 1 CADJF 1 . KRUS 1 CADJD 1 .

TOTENV 1 TED 1 . AMENITY 1 AMEN 1 .

NETWAGE 1 W 1 . NETPP 1 PPNET 1 .

NETRENT 1 R 1 . LABINCOM 1 LABY 1 .

PROPINCOM 1 PROPY 1 . CAPINCOM 1 CAPY 1 .

CAPDEP 1 DEP 1 . ENTINCOM 1 ENTY 1 . ENTSAVE 1 RET 1 .

HHENINCOM 1 HHENTY 1 . INCOME(HH) 1 HHY(HH) 1 .

HHSAVINGS(HH) 1 HHSAVING(HH) 1 . HHDEBT(HH) 1 HHBOR(HH) 1 FIXED HHREMF(HH) 1 HHREF(HH) 1 FIXED HHREMD(HH) 1 HHRED(HH) 1 FIXED

HHSUPPLY(HH,I) 7 HHSUP(HH,I) 7 . THHINCOME(HH) 1 THHY(HH) 1 . DPINCOME(HH) 1 HHYDP(HH) 1 .

TEXPEN(HH) 1 TEX(HH) 1 . ARMINGTONF(I) 7 Q(I) 7 .

SUPRICE(I) 7 PQ(I) 7 . FIMPORT(I) 7 FM(I) 7 .

ARMINGTOND(I) 7 DS(I) 7 . . RS(I) 7 .

DSPRICE(I) 7 PDS(I) 7 . DIMPORT(I) 7 DM(I) 7 . CETF(FEIS) 6 X(FEIS) 6 .

CETF(NFEIS) 1 X(NFEIS) 1 . DEMPRICE(FEIS) 6 PX(FEIS) 6 .

 

 

 

Page 167: Welfare in Open The Application of Computable General

156

Table A.1 (Contd.) Count of Independent Equations and Endogenous Variables    Equation Number Variable Number Fixed variable

FEXPORT(FEIS) 6 FE(FEIS) 6 . CETM(DEIS) 6 DC(DEIS) 6 .

CETM(NDEIS) 1 DC(NDEIS) 1 . DCPRICE(DEIS) 6 PDC(DEIS) 6 .

DCPRICE(NDEIS) 1 PDC(NDEIS) 1 . DEXPORT(DEIS) 6 DE(DEIS) 6 .

. . RC(NDEIS) 1 .

. . RC(DEIS) 6 . GOVSUP(GOV,I) 21 GS(GOV,I) 21 . GOVEXPF(GOV) 3 FEXTX(GOV) 3 . GOVEXPD(GOV) 3 DEXTX(GOV) 3 . INDTAX(GOV,I) 21 ITAX(GOV,I) 21 . TAXCOAL(GOV) 3 TXCOAL(GOV) 3 . TAXGAS(GOV) 3 TXGAS(GOV) 3 . TAXOIL(GOV) 3 TXOIL(GOV) 3 . SOCTAX(GOV) 3 STAX(GOV) 3 . CAPTAX(GOV) 3 CATAX(GOV) 3 . ENTTAX(GOV) 3 ENTAX(GOV) 3 .

HOUSETAX(GOV,HH) 3 HTAX(GOV,HH) 3 . PROPIETAX(GOV,HH) 3 PPRTAX(GOV) 3 .

HCARBONTAX(GOV,HH) 3 COTH(GOV,HH) 3 . CARBONTAX(GOV) 3 TCARBONTX(GOV) 3 .

FREVENUE 1 FEDREV 1 . SLREVENUE 1 NEDREV 1 . EREVENUE 1 EDUTRAN 1 FIXED

. . GTOT(GOV) 3 FIXED GOVCON(I,GOV) 21 G(I,GOV) 21 .

GOVFMFP 1 FMPFG 1 . GOVFMNEP 1 FMPNEG 1 . GOVFMEP 1 FMPEG 1 . GOVDMFP 1 DMPFG 1 .

GOVDMNEP 1 DMPNEG 1 . GOVDMEP 1 DMPEG 1 . FEXPEND 1 FEDEXP 1 .

SLEXPEND 1 NEDEXP 1 . EDEXPEND 1 EDEXP 1 . COMEQC 1 X(COAL) 1 . COMEQO 1 X(OIL) 1 . COMEQG 1 X(GAS) 1 .

 

 

 

 

Page 168: Welfare in Open The Application of Computable General

157

Table A.1(Contd.) Count of Independent Equations and Endogenous Variables    Equation Number Variable Number Fixed variableCOMEQA 1 X(ALTF) 1 . COMEQE 1 X(ELEC) 1 . COMEQT 1 X(TRAN) 1 . COMEQM 1 X(MAT) 1 .

TOTLS 1 TLS 1 . LABEQ 1 . 0 .

PROPEQ 1 TFS 1 FIXED CAPEQ 1 TKS 1 FIXED

INVENTORY(I) 7 INVNTR(I) 7 . TFEXPORT 1 TFE 1 . TDEXPORT 1 TDE 1 .

ROWSAVING 1 ROWSAV 1 . RUSSAVING 1 RUSSAV 1 .

TOTSAV 1 TSAV 1 . . . GOVSV 3 FIXED

INVEST 7 IT(I) 7 . TFIMPORT 1 TFM 1 . TDIMPORT 1 TDM 1 . RWDEFICIT 1 ROWDEFF 1 . RUSDEFICIT 1 RUSDEFF 1 .

TOTINV 1 TINV 1 FIXED . . GOVBR(GOV) 3 FIXED

FEDEQ 1 . . . NEDEQ 1 . . . EDEQ 1 . . .

RUSEXPEND 1 RUSEX 1 . ROWEXPEND 1 RUSEX 1 . RUSINCOME 1 RUSY 1 . ROWINCOME 1 ROWY 1 .

RUSEQ 1 . . ROWEQ 1 . .

GROSPRD 1 GSP 1 . OBJ 1 OMEGA 1 .

TOTAL 457 TOTAL 474 . FIXED VARIABLE 16 . Net endogenous variables 458 .

 

 

Page 169: Welfare in Open The Application of Computable General

158

APPENDIX B: Data and Statistics

Appendix B  consists of data on  fossil  fuel  consumption  and price,  carbon 

emission  of  Pennsylvania,  hybrid  SAM,  and  elasticities  in  production,  utility, 

Armington,  and  CET  functions.  Since  main  variables  in  the  study  are 

consumptions on  fossil  fuels, SAM  should  reflect energy data  from  survey. To 

import  quantitative  data  in  monetary  SAM  system,  hybrid  input‐output 

approach was applied to SAM system.  

 

B.1 Carbon emission and Energy consumption

In 1990, total GHGs emissions of Pennsylvania were 77.4 million metric tons 

carbon equivalent (MMTCE) of GHGs in 1990, and this total increased by 3.0% to 

79.8 MMTCE by 1999 (Rose et al., 2004). Pennsylvania was ranked as the fourth 

state among U.S. states  in  the emission of CO2  in 1998 (Science Daily, 2003).  In 

1990, Pennsylvania emitted 1.27% of  total GHGs emission of U.S. and 1.18%  in 

199918. From table 5.1, fossil fuels have been the largest source of CO2 emission 

in Pennsylvania and the share has increased to 90% in 1999 from 71% in 1990.  

 

18 The total U.S. GHGs emissions in 1990 was 6088 teragrams and 6752.2 teragrams in1999 (USEPA, 2005)

Page 170: Welfare in Open The Application of Computable General

159

Table B.1 Changes in The Share of GHGs Emission by Emission Source (Unit: MMTCE19)

Emission Source 1990 % of 1990 1999 % of 1999

CO2 from Fossil Fuels 71.57 92.42 72.23 90.53

GHGs from Non-Energy Industrial Processes 1.92 2.48 2.95 3.70

CH4 from Oil and Natural Gas 1.43 1.85 1.47 1.84

CH4 from Coal Mining 1.98 2.56 2.27 2.84

CH4 from Domestic Animals 0.08 0.10 0.07 0.09

GHGs from Municipal Waste Management 1.25 1.61 1.16 1.45

GHGs from Manure Management 0.79 1.02 0.81 1.02

CO2 from Forestry and Land-use Change -2.40 -3.10 -2.01 -2.52

GHGs from Burning Agricultural Waste * * * *

GHGs from Municipal Waste Water 0.15 0.19 0.15 0.19

CH4 & N2O from Mobile Combustion 0.42 0.54 0.44 0.55

CH4 & N2O from Stationary Combustion 0.25 0.32 0.25 0.31

Total 77.44 100.00 79.79 100.00

(Source: Rose et al., 2004, *: data does not exist) 

38%  of  total  CO2  emission  in  Pennsylvania  is  generated  from  the 

consumption of fossil fuels by the electricity sector, 26% of total CO2 emission is 

due to the industrial use of fossil fuel, and 22% of total CO2 emission is from the 

consumption of fossil fuels by the transportation sector (table 5.2). 

 

 

 

 

 

19 MMTCE stands for million metric tons carbon equivalent.

Page 171: Welfare in Open The Application of Computable General

160

Table B.2 Changes in CO2 Emission by Sectors  (Unit: MMTCE) Emission Source 1990 % of 1990

Fossil Fuel

1999 % of 1999

Fossil Fuel

Residential 6.00 8.38 6.38 8.83

Commercial 3.42 4.78 3.25 4.50

Industrial 18.69 26.11 14.97 20.73

Transportation 16.03 22.40 18.71 25.90

Electricity 27.43 38.33 28.92 40.04

Total 71.57 100.00 72.23 100.00

 

Each industry consumes fuels including coal, oil, natural gas, and alternative 

(or renewable) fuels. 

Carbon taxes will be imposed on the use of fossil fuels by industries as well 

as  final consumption20. Table 5.3 shows consumption of  fossil  fuels, alternative 

fuels,  and  primary  electricity  by  sectors  and  households  in  the  year  2000. 

Proportions of demand  for coal, petroleum, and natural gas are 41%, 39%, and 

20%. 

  

 

 

 

 

20 Households consume fossil fuels for heat, electricity, and driving.

Page 172: Welfare in Open The Application of Computable General

161

Table B.3 Energy Consumption by Sectors  (Unit: MMTCE) Energy sectors Electricity Transport Materials Final demand TOTAL

(%)

Coal

(thousand short tons)

1210.6 0 295.3 2.2 1508.1

(41.10)

Gas

(billion cubic feet)

21.3 40.2 394 272 727.5

(19.83)

Petroleum

(thousand barrels)

45.1 955.2 279.3 153.8 1433.4

(39.07)

Alternative fuels

(million kWh)

31.6 1.1 54.1 14.8 101.6

Electricity

(million kWh)

788.6 1.4 301.8 153.6 1245.4

Total fossil fuels 1277 995.4 968.6 428 3669

  (Recalculated from EIA, State Energy Data 2001: Consumption) 

 

In 1990,  total emission of carbon  from  fossil  fuels was 71.57 million metric 

tons  carbon  equivalent  (MMTCE),  absorption  from  forest and  land‐use  change 

was  ‐2.4 MMTCE, so  the net carbon emission  in 1990 was 69.17 MMTCE  (table 

5.3).  The total emission from fossil fuels increased to 72.23 MMTCE in 1999, the 

absorption from forest and others diminished to 2.01 MMTCE, which made the 

net emission as 70.22 MMTCE (table B.4). 

 

 

 

Page 173: Welfare in Open The Application of Computable General

162

Table B.4 GHG Inventory in Pennsylvania   (Unit: MMTCE) Emission Source 1990 % of 1990 1999 % of 1999

CO2 from Fossil Fuels 71.57 92.42 72.23 90.53

GHGs from Non-Energy Industrial Processes 1.92 2.48 2.95 3.70

CH4 from Oil and Natural Gas 1.43 1.85 1.47 1.84

CH4 from Coal Mining 1.98 2.56 2.27 2.84

CH4 from Domestic Animals 0.08 0.10 0.07 0.09

GHGs from Municipal Waste Management 1.25 1.61 1.16 1.45

GHGs from Manure Management 0.79 1.02 0.81 1.02

CO2 from Forestry and Land-use Change -2.40 -3.10 -2.01 -2.52

GHGs from Municipal Waste Water 0.15 0.19 0.15 0.19

CH4 & N2O from Mobile Combustion 0.42 0.54 0.44 0.55

CH4 & N2O from Stationary Combustion 0.25 0.32 0.25 0.31

Total 77.44 100.00 79.79 100.00

(Source:  Rose  et  al.,  2004,  A  Greenhouse  Gas  Emissions  Inventory  for 

Pennsylvania) 

 

 For the use of fossil fuels, household demand for fossil fuels takes 8.38% of 

total carbon emission and  industry consumption of  fossil  fuels  takes 91.17% of 

total carbon emission (Table B.5). 

 

 

 

 

 

Page 174: Welfare in Open The Application of Computable General

163

Table B.5 Carbon Emission of Pennsylvania by Emission Sources  (Unit: MMTCE) Emission Source 1990 % of 1990

Fossil Fuel1999 % of 1999

Fossil Fuel

Residential 6.00 8.38 6.38 8.83

Commercial 3.42 4.78 3.25 4.50

Industrial 18.69 26.11 14.97 20.73

Transportation 16.03 22.40 18.71 25.90

Electricity 27.43 38.33 28.92 40.04

Total 71.57 100.00 72.23 100.00

(Source: Adam Rose et al., 2004, A Greenhouse Gas Emissions Inventory for 

Pennsylvania) 

In  2000,  coal  price  is  estimated  as  $  23.5  per  short  ton  applying  ‐2.6%  of 

average annual percent change in coal prices (table B.6). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 175: Welfare in Open The Application of Computable General

164

Table B.6 Pennsylvania Coal Statistics   (Unit: MMTCE) Average Annual

Percent ChangeCategory 1999

Percent

Change

1998-

1999 1995-1999

1990-1999

Supply (thousand short tons)

Recoverable Reserves at Producing Mines 657,416 -15.1 -2.8 -5.8

Productive Capacity 93,770 -0.8 5 NA

Production Total 76,399 -5.7 5.5 0.9

Number of Employees/Miners 9,318 -6 1 -5.8

Producer/Distributor Stocks 2,134 -20.4 -3.8 -

Imports - - -100 -

Distribution Total 75,669 -6 5 NA

Domestic Distribution Total 68,703 -5.4 6.2 NA

Within State 36,912 -11.9 0.5 NA

To Other States 31,791 3.5 15.6 NA

Foreign Distribution Total 6,966 -11.9 -4.2 NA

Demand (thousand short tons)

Consumption Total 45,414 -16.7 -4.8 -2.5

Coal Prices (nominal dollars per short ton)

Mine Total $24.14 -6.4 -2.6 -2.4

( S o u r c e :   P e n n s y l v a n i a   c o a l   p r o f i l e   a t 

h t t p : / / w w w . e i a . d o e . g o v / c n e a f / c o a l / s t a t e p r o / i m a g e m a p / p a . h t m ) 

 

The average petroleum price  in year 2000  is estimated as $43.68 per barrel 

from table B.7 given that 1 barrel is equal to 42 gallon. 

 

 

Page 176: Welfare in Open The Application of Computable General

165

Table B.7 Oil Prices in 2000, Pennsylvania   (Unit: Dollar per barrel) 2000 price Regular

Gasoline Midgrade Gasoline

Premium Gasoline

Jet Fuel

Kerosene No 2 Heating

Oil

No 2 Diesel

Residual Fuel Oil

December 1.007 1.092 1.173 0.989 1.174 1.351 1.176 0.646

November 1.072 1.155 1.238 1.058 NA 1.313 1.219 0.684

October 1.08 1.159 1.24 1.012 1.233 1.272 1.188 0.683

September 1.088 1.171 1.255 1.048 1.244 1.232 1.196 0.624

August 1.043 1.127 1.216 0.867 NA 1.097 1.074 0.57

July 1.118 1.194 1.279 0.84 1.001 1.04 1.008 0.608

June 1.112 1.185 1.266 0.798 NA 1.062 1.003 0.574

May 1 1.071 1.154 0.798 1.104 1.065 1.015 0.487

April 0.972 1.05 1.13 0.776 NA 1.082 0.992 0.517

March 1.047 1.119 1.194 0.823 1.143 1.143 1.03 0.534

February 0.905 0.978 1.059 0.899 1.329 1.331 1.159 0.555

January 0.852 0.929 1.009 0.848 1.056 1.173 1.011 0.525

2000

Average

1.031 1.103 1.185 0.92 1.189 1.224 1.088 0.593

(Source:  EIAʹs  Petroleum  Product  Prices  for  Pennsylvania  at 

http://www.eia.doe.gov/emeu/states/oilprices/oilprices_pa.html) 

 

The average price of natural gas for the year 2000 is estimated as $6.05 from table

B.8.

Page 177: Welfare in Open The Application of Computable General

166

Table B.8 Natural Gas Price (Unit: Dollar Per Thousand Cubic Feet (MCF)) 2000 At City

Gate

Residential Commercial Industrial Electric

Utility

December 6.32 9.21 8.67 NA NA

November 5.62 9.19 8.27 NA NA

October 6.4 10.08 8.67 NA NA

September 6.64 10.64 7.55 NA NA

August 5.43 11.88 8.99 NA NA

July 7.85 11.38 8.43 NA NA

June 7.13 10.07 7.92 NA NA

May 6.08 9.05 7.86 NA NA

April 4 8.17 7.5 NA NA

March 4.37 7.8 7.32 NA NA

February 3.64 7.33 7.11 NA NA

January 3.44 7.27 6.77 NA NA

2000

Average

5.09 8.49 7.72 5.12 3.83

(Source:  EIAʹs  Natural  Gas  Prices  for  Pennsylvania  at 

http://www.eia.doe.gov/emeu/states/ngprices/ngprices_pa.html) 

 

 

 

 

 

 

 

Page 178: Welfare in Open The Application of Computable General

167

B.2 Hybrid SAM of Pennsylvania

The production and consumption sectors are aggregated into 7 sectors; coal, 

natural gas, petroleum, alternative fuels, electricity, transportation, and all other 

materials. The transaction data of  industries are abstracted from IMPLAN SAM 

and energy consumption data from EIA (2001).  

Energy production  sectors  consist of  fossil  fuels  such  as  coal, natural gas, 

petroleum,  alternative  fuels,  and  primary  electricity.  Since  IMPLAN  SAM 

provides  only  the  monetary  transaction  of  composite  of  natural  gas  and 

petroleum,  quantity  based  energy  consumption  data  on  coal,  natural  gas, 

petroleum,  alternative  fuels,  and  primary  electricity  replace  the  value  of 

transaction.  The  SAM  including  quantity  based  data  and  monetary  data  is 

referred to as ‘hybrid SAM’.   

Since  the  hybrid  SAM  incorporates  quantity  terms with  value  terms,  the 

quantitative terms are changed into value terms using virtual energy prices that 

rebalance  the  total  output  value  (Edmonds,  et  al.,  2004).  Except  energy 

production  sectors,  all  the  necessary  data  to  construct  Pennsylvania  SAM  are 

derived from IMPLAN SAM. Since the energy sector is included in the IMPLAN 

SAM,  the  final  hybrid  SAM  should  be  rebalanced  to  have  row  sum  equal  to 

column sum using financial account (table B.9). 

 

Page 179: Welfare in Open The Application of Computable General

168

Table B.9 Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000 (million $) Industry 1 2 3 4 5 6 7

1 AGR 692.4514 0.182929 1.3197 0.018946 0.037329 0.038103 154.6179

2 MIN 0.892361 6.346512 0.195987 4.250936 8.375659 0.355076 30.20313

3 COAL 0.003123 0.300082 238.848 0.001441 0.00284 6.614171 0.016399

4 GAS 0.391889 0.024417 0.141224 21.58802 42.53507 1.779573 1.647434

5 OIL 0.099728 0.006214 0.141224 21.58802 42.53507 1.779573 0.419241

6 ALTF 0.051041 0.00318 0 0 0 0 0.214567

7 CNT 89.158 4.924158 11.61746 4.377538 8.625104 0.681767 46.60624

8 NDMNF 765.5891 48.65092 183.379 12.59677 24.81954 6.114145 3379.983

9 DMNF 64.91789 26.60837 114.3542 6.819094 13.43572 3.727522 3943.813

10 TRAN 139.6497 16.1916 149.8173 5.568113 10.97091 4.606651 957.2496

11 UTIL 34.047 2.261181 7.154589 1.994931 3.930631 0.362209 298.3019

12 ELEC 24.93026 8.974011 36.42466 4.646153 9.154358 1.390809 25.88469

13 EGUTIL 9.812771 6.440335 7.380586 14.04208 27.66725 1.359372 9.106511

14 TRADE 390.7088 27.38198 158.897 9.279347 18.28318 5.16334 4768.473

15 FIRE 260.619 12.31639 86.93235 70.38063 138.6716 8.196248 755.9304

16 SER 162.6084 29.83615 132.8111 21.25142 41.87187 5.425711 4432.842

17 OTHR 13.44988 2.604642 6.88834 7.930749 15.62603 0.84307 106.2217

18 LABOR 960.4545 296.335 560.3034 73.59021 144.9955 21.56858 13659.13

19 PROP 878.0259 43.7474 671.4225 47.7893 94.1597 22.52345 4559.95

20 CAPITAL 796.0944 214.9972 100.3682 179.2205 353.1198 17.52063 1961.765

21 IBTAX 137.8217 28.75179 531.7034 35.35217 69.65471 17.63144 331.7308

22 HHH 0.155384 0.041677 0.086829 0.146378 0.28841 0.014444 1.322397

23 FED 8.348684 0.195031 0.180393 0.675139 1.330233 0.060527 5.994804

24 SLNED 18.22266 1.764666 7.757429 1.194845 2.354214 0.313093 257.5034

25 SLED 0 0 0 0 0 0 0

26 ENTER 0 0 0 0 0 0 0

27 SAVING 15.16375 4.085728 1.010586 146.4826 -215.444 0.074686 32.65246

28 FIMP 60.02604 11.68487 49.36001 0 116.8387 4.602287 1424.976

29 DIMP 1298.028 141.9863 660.7712 656.9709 0 36.49022 8775.967

30 TOTAL 6821.722 936.6427 3719.267 1347.756 973.8392 169.2367 49922.52

 

 

 

Page 180: Welfare in Open The Application of Computable General

169

Table B.9 (contd.) Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000  (million $)  Industry 8 9 10 11 12 13 14

1 AGR 3259.441 40.56068 1.21256 1.278308 0.231406 0.238731 122.1353

2 MIN 27.30272 40.95146 0.632248 0.103929 0.04173 0.035266 1.071147

3 COAL 16.42212 23.76668 0 0.000564 268.7637 24.57622 0.191665

4 GAS 549.3148 2.41128 70.59499 0.072613 37.40481 133.8894 1.477616

5 OIL 139.7903 0.613625 602.1755 0.018479 28.43186 34.07234 0.376025

6 ALTF 71.54435 0.314052 1.832287 0.009457 52.63661 17.43815 0.192449

7 CNT 774.8688 646.7701 353.1061 471.2899 315.8907 374.555 417.6473

8 NDMNF 24166.35 4935.044 1739.416 214.2473 79.91937 88.51181 3065.891

9 DMNF 1007.529 13115.53 363.7318 507.4419 38.29351 22.04936 476.7338

10 TRAN 2914.011 1800.495 2909.454 109.9715 99.39574 57.67062 507.0797

11 UTIL 526.0541 442.7894 324.1168 1249.239 11.5405 25.42763 811.2817

12 ELEC 456.4047 341.7098 7.590215 0.051909 4275.46 2.053559 280.6512

13 EGUTIL 1011.687 278.234 17.44931 18.66289 70.45893 457.6327 127.3596

14 TRADE 6604.412 6589.628 660.3757 148.512 35.43342 34.76474 1857.116

15 FIRE 1803.119 1411.766 590.1395 286.5556 130.4993 78.86544 2516.614

16 SER 6979.46 4999.037 2146.394 1885.478 207.1125 208.4908 7608.693

17 OTHR 751.5548 980.2775 535.6191 377.1078 16.10424 34.13904 578.5133

18 LABOR 20874.09 25934.97 8430.853 3899.34 1883.749 335.3142 34941.88

19 PROP 3832.73 1423.071 1301.518 1000.849 388.7295 40.77285 3461.67

20 CAPITAL 16583.07 8573.603 1599.479 4429.697 5504.745 396.4923 11541.51

21 IBTAX 1345.601 987.5333 786.8546 1125.793 1392.302 208.4867 11864.42

22 HHH 13.46259 19.64976 10.56057 6.328386 0.221929 0.178965 10.92791

23 FED 73.92358 11.47081 2.405189 0.987908 0.088201 5.314521 4.34932

24 SLNED 435.7805 296.2215 115.753 104.1826 10.90327 11.04558 406.9031

25 SLED 0 0 0 0 0 0 0

26 ENTER 0 0 0 0 0 0 0

27 SAVING 1212.905 250.8056 -582.018 39.07442 -4485.54 267.4079 135.4726

28 FIMP 2433.474 4551.413 186.9112 174.6004 19.33341 352.3139 240.5746

29 DIMP 18981.12 23027.73 2820.706 2600.734 492.3187 1549.819 5324.202

30 TOTAL 116845.4 100726.4 24996.86 18651.63 10874.47 4761.557 86304.94

 

 

 

Page 181: Welfare in Open The Application of Computable General

170

Table B.9 (contd.) Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000 (million $) Industry 15 16 17 18 19 20 21

1 AGR 360.1538 72.57996 9.842945 0 0 0 0

2 MIN 0.16398 1.827304 0.330754 0 0 0 0

3 COAL 0.067551 0.213729 0.001025 0 0 0 0

4 GAS 0.222931 2.320605 0.128122 0 0 0 0

5 OIL 0.056732 0.59055 0.032605 0 0 0 0

6 ALTF 0.029035 0.302242 0.016687 0 0 0 0

7 CNT 2326.516 1065.596 1016.18 0 0 0 0

8 NDMNF 671.4645 5221.666 266.9423 0 0 0 0

9 DMNF 93.25926 1749.224 105.5105 0 0 0 0

10 TRAN 372.0839 990.0973 188.5838 0 0 0 0

11 UTIL 722.4167 1595.327 93.85443 0 0 0 0

12 ELEC 148.565 262.6114 68.78266 0 0 0 0

13 EGUTIL 73.13231 148.6001 81.39548 0 0 0 0

14 TRADE 309.4446 2103.482 62.63672 0 0 0 0

15 FIRE 12275.84 5441.58 218.7379 0 0 0 0

16 SER 6397.91 19170.3 480.3692 0 0 0 0

17 OTHR 756.0173 1255.726 223.6282 0 0 0 0

18 LABOR 18660.92 69172.61 35160.56 0 0 0 0

19 PROP 3100.43 10976.26 0 0 0 0 0

20 CAPITAL 44516.97 8827.998 4575.042 0 0 0 0

21 IBTAX 8773.017 2298.751 0 0 0 0 0

22 HHH 14.03352 24.23109 4.618128 206456.9 30305.47 34348.91 0

23 FED 5.905954 6.714794 0.813587 28175.77 1515.652 -4.59495 9503.534

24 SLNED 337.7874 1006.11 25.64548 355.2431 0 175.0268 20414.24

25 SLED 0 0 0 0 0 0 0

26 ENTER 0 0 0 1.189571 0 31192.16 0

27 SAVING 97.05068 171.3691 36.33838 21.57384 22.52393 46151.75 17.63136

28 FIMP 62.60349 716.2648 43.60918 0 0 444.4044 0

29 DIMP 9059.921 11948.09 651.6481 0 0 -2135.96 0

30 TOTAL 109136 144230.4 43315.25 235010.7 31843.65 110171.7 29935.41

 

 

 

Page 182: Welfare in Open The Application of Computable General

171

Table B.9 (contd.) Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000 (million $) Industry 22 23 24 25 26

1 AGR 917.907 1.464821 108.8253 17.87492 0

2 MIN 12.491 0.451086 2.109133 0.286465 0

3 COAL 0.488419 0.359598 0.78215 0.62605 0

4 GAS 477.6576 0.654495 1.674533 0.615129 0

5 OIL 96.95832 0.654495 1.674533 0.615129 0

6 ALTF 24.65259 0 0 0 0

7 CNT 0 1059.069 9828.295 357.8559 0

8 NDMNF 34810.53 907.4966 2213.893 805.9871 0

9 DMNF 6121.09 1356.561 363.5667 104.3414 0

10 TRAN 5091.441 213.774 319.0674 231.6867 0

11 UTIL 4512.625 99.3083 307.0221 138.1223 0

12 ELEC 832.755 98.67387 714.1659 231.0703 0

13 EGUTIL 1771.993 24.51443 164.9879 90.26202 0

14 TRADE 53630.02 294.3712 747.9015 156.8566 0

15 FIRE 46949.79 167.0269 1263.121 47.85397 0

16 SER 62849.77 1848.327 2479.513 509.222 0

17 OTHR 6679.232 6458.367 10912.31 11415.33 0

18 LABOR 0 0 0 0 0

19 PROP 0 0 0 0 0

20 CAPITAL 0 0 0 0 0

21 IBTAX 0 0 0 0 0

22 HHH 9041.059 53149.36 15003.35 249.8723 16776.29

23 FED 40753.56 11721.57 28.72335 28.06237 9382.803

24 SLNED 16232.29 11239.07 7873.267 27.9402 1693.078

25 SLED 0 0 18046.79

26 ENTER 0 1838.838 16.83147

27 SAVING 22512.55 6142.493 609.9119 635.2562 5196.848

28 FIMP 4238.239 793.0388 176.9293 50.52653

29 DIMP 65203.32 3899.424 4888.283 2946.522

30 TOTAL 382760.4 101314.9 76073 18046.79 33049.02

 

 

 

Page 183: Welfare in Open The Application of Computable General

172

Table B.9 (contd.) Hybrid SAM for Pennsylvania, 2000 (million $) Industry 27 28 29 30

1 AGR 0.755378 285.4159 773.1373 6821.722

2 MIN 1.593274 30.08293 766.5486 936.6427

3 COAL 0.014424 411.2439 2725.963 3719.267

4 GAS 1.209683 0 0 1347.756

5 OIL 1.209683 0 0 973.8392

6 ALTF 0 0 0 169.2367

7 CNT 29269.12 0 1479.771 49922.52

8 NDMNF 1531.14 11585.1 20120.68 116845.4

9 DMNF 8558.349 21047.88 41521.6 100726.4

10 TRAN 678.1817 3582.426 3647.389 24996.86

11 UTIL 275.4214 225.8141 6943.212 18651.63

12 ELEC 0.464707 22.33481 3019.717 10874.47

13 EGUTIL 1.608157 37.28798 310.4827 4761.557

14 TRADE 4239.497 3099.799 352.5023 86304.94

15 FIRE 1213.111 2715.577 30692.73 109136

16 SER 1082.476 1080.783 19470.46 144230.4

17 OTHR 352.7296 1177.593 657.4315 43315.25

18 LABOR 0 0 0 235010.7

19 PROP 0 0 0 31843.65

20 CAPITAL 0 0 0 110171.7

21 IBTAX 0 0 0 29935.41

22 HHH 14242.81 24.20365 3055.935 382760.4

23 FED 5.02202 21.77462 54.23493 101314.9

24 SLNED 13889.02 78.26553 1056.116 76073

25 SLED 0 0 0 18046.79

26 ENTER 0 0 0 33049.02

27 SAVING 3297.463 185.1119 39978.91 121898.9

28 FIMP 29458.97 0 0 45610.69

29 DIMP 13798.75 0 0 176626.8

30 TOTAL 121898.9 45610.69 176626.8 2086076

 

The variables used in the table B.9 are explained in table B.10. 

 

Page 184: Welfare in Open The Application of Computable General

173

Table B.10 Description of Variables Variable Description

1 AGR Agriculture

2 MIN Mining

3 COAL Coal

4 GAS Natural gas

5 OIL Petroleum

6 ALTF Alternative fuels

7 CNT Construction

8 NDMNF Non-durable manufacturing

9 DMNF Durable manufacturing

10 TRAN Transportation

11 UTIL Utility

12 ELEC Electricity

13 EGUTIL Electric and gas utility

14 TRADE Wholesale and retail sale

15 FIRE Finance, insurance, and real estate

16 SER Services

17 OTHR All other sectors not classified

18 LABOR Employed workers

19 PROP Proprietors (Self employed workers)

20 CAPITAL Capital

21 IBTAX Indirect business taxes

22 HHH Household

23 FED Federal government

24 SLNED State and local government for non-education

25 SLED State and local government for education

26 ENTER Enterprise

27 SAVING Saving and inventory

28 FIMP Foreign import/export

29 DIMP Domestic import/export

 

 

 

Page 185: Welfare in Open The Application of Computable General

174

B.3 Data on Elasticities

Data on elasticities of substitution of a nested CES Production function and 

household utility function are based on Böhringer and Rutherford’s study (1997) 

and Oladosu’s study  (2000). For  the elasticities  that were unable  to  find data,  I 

assume “best guesses” from other studies. 

   

Table B.11 Elasticities of Substitution in Production Functions Index Description Values

σ 1 Elasticity of substitution between value added inputs and

other intermediate inputs

0.1*

σ21 Elasticity of substitution between transportation inputs and

other material inputs

0.2**

σ31 Elasticity of substitution between labor and proprietary

service

0.3**

σ22 Elasticity of substitution between composite of labor and

proprietary service and composite of capital and energy

0.2***

σ32 Elasticity of substitution between capital and energy 0.5***

σ 4 Elasticity of substitution between alternative fuels and fossil

fuels

0.2***

σ 5 Elasticity of substitution among fossil fuel inputs 0.5*

σU1 Elasticity of substitution between leisure and commodity 0.3**

σU2 Elasticity of substitution among market commodities 0.2***

(Source:  *  Böhringer  and  Rutherford  (1997);  **Oladosu  (2000);  ***Best 

guesses) 

 

Page 186: Welfare in Open The Application of Computable General

175

Elasticities  of  substitution  of  Armington  CES  (Constant  Elasticity  of 

Substitution) function and CET (constant elasticity of transformation)  in foreign 

and inter‐regional trading sectors (ROW and RUS) are obtained from Oladosu’s 

study  (2000),  Mid‐Atlantic  Regional  Assessment  (MARA)  project 21 .  The 

elasticities  of domestic  export  and  import  are  set higher  than  those  of  foreign 

export and import. 

 

 Table B.12 Elasticity Data for Armington and CET functions CET for ROW CET for RUS CES for ROW CES for RUS

coefficient 1.2 1.3 1.58 1.7

21 Elasticity of substitution and transformation in materials is recalculated from working paper

in MARA project, and documents and issues are found at

http://www.essc.psu.edu/mara/index.html.

Page 187: Welfare in Open The Application of Computable General

176

B.4 Benchmark Value of Economic Variables

For  reference,  the values of major endogenous variables  in  the benchmark 

model are summarized in Table B.13.  

 

Table B.13 Benchmark Value of Economic Variables (Million U.S. Dollar   Major economic variables base year value

After tax wage rate 0.879

Rate of net return to proprietor 0.952

Rate of net return to capital 0.297

labor supply 206,430

demand for leisure 154,823

Household expenditure for market commodity 294,221

labor income tax payment(federal) 28,176

labor income tax payment(state) 355

In-migration 0

Household income 356,290

Total fossil fuel consumption 9,682

Intermediate fuel demand

Coal 580.0

Gas 866.0

Oil 873.0

Alternative fuels 145.0

Electricity 5955.0

total foreign export 45,301

Total domestic export 132,482

total foreign import 10,449

Total domestic import 88,027

federal government revenue 89,599

state government revenue 68,200

GSP 407,363

Page 188: Welfare in Open The Application of Computable General

VITA of JEONG HWAN, BAE 1400 Martin Street ParkCrest Apt 2113, State College, PA 16803 814-865-2702(Office), 814-235-7455(Home) , [email protected]

Education

The Pennsylvania State University, University Park, PA Ph.D. Agricultural, Environmental, & Regional Economics (AEREC) December 2005

Department of Economics, University College London, UK Department of Economics, University College London, UK 2002

Graduate School of Environmental Studies, Seoul National University, South Korea Master, Urban and Regional Planning 1999Department of Agricultural Economics, Seoul National University, South Korea 

BA, Agricultural Economics  1996

Related Experience

AEREC, Pennsylvania State University, State College, PA Research Assistant

• Analysis of Bank Consolidation Trends  

• Analysis of State Tax Reform

2003 ~ PRESENT

Seoul Development Institute, Seoul, South Korea Researcher • The Evaluation of Urban Environmental Change By Intensifying FAR Regulation 

2001

Korea Environmental Institute, Seoul, South Korea

Researcher

• The Efficient Way of Privatization of Public Toxic Waste Management Facilities 

• The Improvement of Institutions for the Conservation of Paldang Source Water 

2000

Publications and presentations

• Bae, Jeong Hwan, James S. Shortle, The welfare consequences of green tax reform in small open 

economies, Presented in AAEA Annual Meeting, July 2005 

• Bae, Jeong Hwan, James S. Shortle, The Welfare Analysis of Green Tax Reform: The Case of Small Open Economies, Presented in NAREA Annual Meeting, June 2005 

Shields, Martin, Jeffrey Stokes and Jeong Hwan Bae, An Analysis of Bank Consolidation Trends in Rural Pennsylvania, Presented in AAEA Annual Meeting, August 2004 

Bae, Jeong Hwan, Solution to the conflict among development, conservation and equity in the evaluation of wetland conversion project, Presented in ISEE Biannual Meeting, July 2004  

• Lee, Sang‐Kyeong, Jeong Hwan, Bae, and∙ Young‐Chul, Shin, 2001, Estimating the Value of Improvements of Built Environments: The Case of FAR Control by Seoul Metropolitan Government, Journal of Korea planners association, vol.36 No.5