基于結(jié)構(gòu)方程模型的全國區(qū)域霧霾水平評價研究

洪 宇

（安徽財經(jīng)大學(xué) 統(tǒng)計與數(shù)學(xué)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

引言

目前，國際社會對于霧霾的形成原因還沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識。盡管我國提倡生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，出臺大氣防治污染條例和環(huán)境保護(hù)政策，但是近年來霧霾污染仍頻繁發(fā)生，霧霾污染所造成的影響已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國居民的生活起居以及道路交通，霧霾污染問題在我國政府和社會各界廣受關(guān)注。

霧霾的形成原因是多方面的、復(fù)雜的，地區(qū)之間所受到的污染程度問題也不盡相同。研究霧霾污染的視角有很多，但是研究者普遍站在環(huán)境的角度進(jìn)行分析。霧霾污染固然可以通過測定大氣廢氣以及顆粒物濃度來衡量其發(fā)生水平，但歸根結(jié)底仍是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活過程中排出的垃圾廢氣所造成的。我們需要明確這一點，方能追其本質(zhì)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高能源效率、合理利用資源，以改善我國地區(qū)空氣質(zhì)量水平，為政府部門治理霧霾污染制定政策提供科學(xué)依據(jù)。

一、文獻(xiàn)綜述

目前，國內(nèi)外學(xué)者對霧霾污染的產(chǎn)生原因以及嚴(yán)重程度進(jìn)行了探究。

霧霾是“霧”和“霾”的統(tǒng)稱，通常指的是一種污染性天氣，通常是人類社會活動在特定的自然條件下反應(yīng)產(chǎn)生的。王躍思（2014）認(rèn)為，霧霾污染的產(chǎn)生分為兩個來源：一次來源主要是由于居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等直接排放到空氣中的顆粒物；二次來源主要是因人類活動所排放的氣態(tài)污染物，如氮氧化物、二氧化硫等，在大氣中通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒物所導(dǎo)致的。孟曉艷（2014）認(rèn)為，隨著氣溫變暖、空氣濕度增加、顆粒物濃度提高、風(fēng)速較小等原因形成霧霾天氣。因此，我國政府根據(jù)研究結(jié)果，由通過使用大氣中PM2.5濃度對霧霾污染水平進(jìn)行測度，進(jìn)一步使用空氣質(zhì)量指數(shù)體系對霧霾污染水平加以衡量。

霧霾污染對居民生活產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響，對霧霾的測度尤為必要，為此，國內(nèi)外專家通過不同的角度對霧霾污染水平進(jìn)行測度。Ram（2012）根據(jù)冬季印度恒河平原區(qū)域大氣中因社會生產(chǎn)和道路交通所產(chǎn)生的二次無機(jī)氣溶膠和黑炭含量反映霧霾污染水平。Doumbia（2012）根據(jù)非洲中西部大氣中因工業(yè)生產(chǎn)釋放的黑炭含量反映霧霾污染水平。于興娜（2012）根據(jù)氣溶膠的光學(xué)特性量化了霧霾污染的水平。王立平（2016）依據(jù)政策、經(jīng)濟(jì)、人口三個方面綜合反映地區(qū)霧霾污染水平。韓琭（2017）通過構(gòu)建霧霾災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)測度了我國省會城市的霧霾污染水平。但是，上述研究沒有考慮到影響霧霾污染水平的路徑依賴性和變量之間的內(nèi)生性，以及不可測變量的測度問題。因此，研究需結(jié)合變量間內(nèi)生性及評價模型的潛在因素全面考慮。

二、指標(biāo)體系構(gòu)建

為了適應(yīng)我國霧霾污染分析的實際需要，結(jié)合我國國情建立一套科學(xué)的指標(biāo)體系十分必要。但是在評價霧霾污染程度的過程中，霧霾造成的影響程度因素不僅包括可測的指標(biāo)，還包括不可測指標(biāo)，需要用到潛在變量指標(biāo)和觀測變量指標(biāo)對模型綜合評價，因此在建立霧霾污染指標(biāo)體系的過程中必須遵從科學(xué)性、系統(tǒng)性、可比性、可操作性原則。

綜上所述，建立霧霾污染程度指標(biāo)體系，結(jié)果見表1。

由表1知，我國霧霾污染程度指標(biāo)的構(gòu)建應(yīng)綜合考慮地區(qū)發(fā)展情況、居民生活因素以及空氣污染因素。其中，“空氣污染”作為最直接影響霧霾污染的形成原因，因此把空氣污染作為直接影響潛在指標(biāo)，可由“二氧化硫”、“氮氧化物”、“煙（粉）塵”的排放量三個可測指標(biāo)綜合反映；而“地區(qū)發(fā)展”和“居民生活”作為間接形成霧霾污染的原因，因此把這兩種因素作為間接影響潛在指標(biāo)，可分別由“地區(qū)生產(chǎn)總值”、“第二產(chǎn)業(yè)增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數(shù)量”、“地區(qū)人口”六個可測指標(biāo)綜合反映。

表1 霧霾污染程度結(jié)構(gòu)方程模型指標(biāo)

因此，我國霧霾污染水平的構(gòu)成因子應(yīng)由上述指標(biāo)所組成的指標(biāo)體系進(jìn)行分析研究得出。

三、分析方法

結(jié)構(gòu)方程模型又可稱為SEM（Structure Equation Modeling）模型，其本質(zhì)在于運用廣義線性方程來表示潛變量以及顯變量之間因果關(guān)系的統(tǒng)計方法。它主要是利用路徑分析來研究兩種變量之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)并探究變量間最優(yōu)化路徑問題，以及因子分析方法的降維技術(shù)和變量測量問題。其中，顯變量又可稱為可測變量，往往表示分析對象的客觀本質(zhì)因素；潛變量又可稱為不可測變量，由于社會經(jīng)濟(jì)生活中有許多指標(biāo)不可以被量化，但又客觀存在，我們根據(jù)這些性質(zhì)引入潛變量的概念，對不可測指標(biāo)變量具體化，表示分析對象的潛在因素，符合現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)社會研究的客觀性，提高實際分析中的準(zhǔn)確性和全面性。

結(jié)構(gòu)方程模型的優(yōu)勢在于，狹義的線性方程需要在單一的時點條件下研究單一變量對因變量關(guān)系程度，在分析過程中變量不能存在不可測的條件因素。結(jié)構(gòu)方程模型引入了潛變量和顯變量的概念，能夠?qū)Σ豢蓽y變量模型進(jìn)行分析；并且能夠研究兩組或兩組以上的自變量與多組因變量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，克服了傳統(tǒng)線性方程模型的缺點，非常適合對霧霾污染這種多方面、復(fù)雜的自然現(xiàn)象進(jìn)行探究和分析。分析步驟如下。

（一）明確分析對象

理解分析對象的影響因素并確定變量之間的因果關(guān)系，根據(jù)分析對象的性質(zhì)提出先驗假設(shè)條件，并建立合理的結(jié)構(gòu)方程模型指標(biāo)體系。對指標(biāo)體系進(jìn)行效度分析，如果指標(biāo)間的相關(guān)程度過大，則不能結(jié)構(gòu)方程模型擬合，需要重新選取分析指標(biāo)。

（二）對模型進(jìn)行設(shè)定

明確潛變量和顯變量，并根據(jù)潛變量和顯變量之間的因果關(guān)系，或兩種變量的內(nèi)部關(guān)系，用矩陣方程表示或路徑圖的方式繪制出來。

（三）對模型進(jìn)行擬合

根據(jù)設(shè)定后的結(jié)構(gòu)方程模型，估計模型中的參數(shù)，模型擬合的目標(biāo)是使模型中潛變量的協(xié)方差與顯變量的協(xié)方差距離最小。

（四）對模型進(jìn)行評價

根據(jù)各個參數(shù)的估計結(jié)果，得出模型擬合程度和各個路徑的系數(shù)。對分析對象結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果進(jìn)行解釋并綜合評價，提出政策建議。

四、實證分析

（一）模型設(shè)定

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型選取變量并設(shè)定假定條件。

1.“地區(qū)發(fā)展”、“居民生活”和“空氣污染”是結(jié)構(gòu)方程模型的潛在變量。其中，“地區(qū)發(fā)展”和“居民生活”是造成霧霾污染的內(nèi)生潛變量，二者之間相互影響，并共同影響“空氣污染”，因此后者是結(jié)構(gòu)方程模型的外生潛變量。

2.“地區(qū)生產(chǎn)總值”、“第二產(chǎn)業(yè)增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數(shù)量”、“地區(qū)人口”、“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”排放量九個指標(biāo)是結(jié)構(gòu)方程模型的觀察變量。其中，“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”是外生顯變量，直接決定著霧霾污染的污染程度，而其他六個觀察變量是結(jié)構(gòu)方程的內(nèi)生顯變量，間接影響著霧霾污染的發(fā)生程度。

3.根據(jù)模型的每一個潛在變量和觀察變量增加殘差項，為標(biāo)準(zhǔn)化測量，設(shè)置路徑系數(shù)1。結(jié)合實際研究的需要，霧霾污染評價指標(biāo)體系對于不同的評價目的的評價結(jié)果是不同的，因此，在實證分析中研究霧霾污染評價結(jié)果會隨著指標(biāo)體系建立的不同而變化，我們需根據(jù)實際需要制定不同的評價目的提取有價值的信息。為此，我們把霧霾污染結(jié)構(gòu)方程模型指標(biāo)體系進(jìn)行分組，評價目的分別為“地區(qū)發(fā)展對霧霾污染的影響”、“居民生活對霧霾污染的影響”、“綜合影響”三個方面，對應(yīng)著相應(yīng)的顯變量、潛變量指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2 霧霾污染評價目的

根據(jù)上述假定以及評價目的，建立如下模型分析霧霾污染水平：

其中，式（1）表示霧霾污染水平外生變量的測量方程，x是“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”組成的顯變量集合，ξ表示“空氣質(zhì)量”向量集，Λx表示x在ξ上的因子載荷矩陣，δ是外生變量測量方程的誤差；式（2）表示霧霾污染水平內(nèi)生變量的測量方程，y是“地區(qū)生產(chǎn)總值”、“第二產(chǎn)業(yè)增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數(shù)量”、“地區(qū)人口”組成的顯變量集合，η表示“地區(qū)發(fā)展”、“居民生活”組成的向量集，Λy表示y在η上的因子載荷矩陣，ε是內(nèi)生變量測量方程的誤差；式（3）描述了結(jié)構(gòu)方程模型中的內(nèi)生潛變量和外生潛變量間的因果關(guān)系，根據(jù)上述條件，B是表示內(nèi)生潛變量η之間相互影響的關(guān)系矩陣，而Γ是表示外生潛變量ξ對內(nèi)生潛變量η影響的關(guān)系矩陣，ζ表示方程不能夠解釋的部分。

（二）樣本來源

本文數(shù)據(jù)來源于《中國年統(tǒng)計年鑒—2017》，全國共31個省份的2016年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)真實有效。

（三）結(jié)論分析

1．地區(qū)發(fā)展對霧霾污染影響。綜上所述，構(gòu)建地區(qū)發(fā)展對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程模型，結(jié)果如圖1所示。

圖1 地區(qū)發(fā)展對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程模型

地區(qū)發(fā)展影響空氣污染的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0．73，影響程度較大且影響方向為正，符合結(jié)構(gòu)方程模型的假定條件（1），即地區(qū)發(fā)展是地區(qū)霧霾污染的影響因素之一。而地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、城市面積影響地區(qū)發(fā)展的路徑系數(shù)分別為 0．98、1．00、0．73，影響力都較大，符合結(jié)構(gòu)方程模型假定條件（2），即地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、城市面積都是影響地區(qū)霧霾污染的影響因素。表3為地區(qū)發(fā)展對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程的參數(shù)估計。

表3 地區(qū)發(fā)展對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程參數(shù)估計

以上結(jié)果說明，地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、城市面積盡管會對一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會起著促進(jìn)作用，但同樣會給地區(qū)帶來環(huán)境污染。

2．居民生活對霧霾污染影響。構(gòu)建居民生活對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程模型，結(jié)果如圖2所示。

圖2 居民生活對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程模型

根據(jù)模型修正指數(shù)對模型進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)模型結(jié)果如圖。居民生活影響空氣污染的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0．83，影響程度較大且影響方向為正，符合結(jié)構(gòu)方程模型的假定條件（1），即居民生活是地區(qū)霧霾污染的影響因素之一。而居民電力消費量、民用汽車數(shù)量、地區(qū)人口影響居民生活的路徑系數(shù)分別為 0．95、0．99、0．91，影響力都較大，符合結(jié)構(gòu)方程模型假定條件（2），即居民電力消費量、民用汽車數(shù)量、地區(qū)人口都是影響地區(qū)霧霾污染的影響因素。表4為居民生活對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程的參數(shù)估計。

表4 居民生活對霧霾污染影響結(jié)構(gòu)方程參數(shù)估計

以上結(jié)果說明，居民電力消費量、民用汽車數(shù)量、地區(qū)人口是一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會繁榮的重要標(biāo)志，但同樣會給地區(qū)帶來環(huán)境污染。

圖3 綜合影響結(jié)構(gòu)方程模型

3．綜合影響。為了考慮到地區(qū)發(fā)展和居民生活之間可能會相互影響，因此需構(gòu)建綜合影響結(jié)構(gòu)方程模型，對霧霾影響因素綜合分析，結(jié)果如圖3所示。地反映了構(gòu)成霧霾影響因素綜合情況。地區(qū)發(fā)展影響空氣污染的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0．67，居民生活影響空氣污染的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0．86，影響程度較大且影響方向為正，符合結(jié)構(gòu)方程模型的假定條件（1）。而間接影響因素的路徑系數(shù)都在0．7以上，影響力都較大，符合結(jié)構(gòu)方程模型假定條件（2）。表5為地區(qū)發(fā)展、居民生活對霧霾污染綜合影響結(jié)構(gòu)方程的參數(shù)估計。

綜合（一）和（二）結(jié)論，地區(qū)發(fā)展規(guī)模和居民生活中都可能造成霧霾污染，同時也考慮到二者之間可能互相影響，并有可能產(chǎn)生副產(chǎn)物共同作用于霧霾污染。因此，對于霧霾污染的復(fù)雜性和多放面性，我們考慮霧霾影響程度的測度問題時，需要綜合地區(qū)發(fā)展以及居民生活兩個方面。

（四）霧霾水平綜合評分

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果，可以對我國全國各省霧霾污染狀況進(jìn)行建模，結(jié)果如下：

根據(jù)模型修正指數(shù)對模型進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)模型結(jié)果很好

其中，上式方程是各組評價目的所對應(yīng)的霧霾污染評價綜合指數(shù)，是各顯變量的權(quán)重系數(shù)，是各潛變量的權(quán)重系數(shù)。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果，并結(jié)合霧霾污染水平綜合評價目的，為了得到霧霾水平評價標(biāo)準(zhǔn)，我們可以通過專家評分法，對地區(qū)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、城市面積、居民電力消費量、民用汽車數(shù)量、地區(qū)人口、二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵九個分量按照輕度污染、中度污染、重度污染三個評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分值：

表5 綜合影響結(jié)構(gòu)方程參數(shù)估計

輕度污染—中度污染：（0．5，-1．5，-0．5，0．0，-0．5，0．5，-1．5，-1．5，-1．5）

中 度 污 染—重 度 污 染 ：（0．5，1．0，0．5，0．0，1．5，1．0，1．0，1．0，1．0）

其中，評分以0．0為中間程度，正向為程度越大，反之越小。

綜上所述，根據(jù)結(jié)構(gòu)方程評價模型，并結(jié)合各組變量的權(quán)重歸一化結(jié)果，分別計算地區(qū)發(fā)展、居民生活和綜合影響對霧霾污染水平的評分，并對三種評分結(jié)果進(jìn)行平均得到最終評分結(jié)果和全國各省霧霾污染水平綜合排名。參照全國各省份空氣質(zhì)量達(dá)到及大于2級的天數(shù)進(jìn)行排序，將結(jié)構(gòu)方程模型對全國各省霧霾污染水平綜合排名與實際空氣質(zhì)量水平進(jìn)行對比。根據(jù)霧霾污染水平結(jié)構(gòu)方程評價標(biāo)準(zhǔn)和各組的權(quán)重系數(shù)，計算得到輕度污染—中度污染的界定標(biāo)準(zhǔn)為-0．22，中度污染—重度污染的界定標(biāo)準(zhǔn)為0．29，進(jìn)一步對霧霾污染水平進(jìn)行分組，結(jié)果見表6。

表6 全國各省霧霾污染水平綜合評分和污染程度

續(xù)表

（五）我國區(qū)域霧霾空間分布特征

根據(jù)全國各省霧霾污染水平綜合評分和霧霾污染程度結(jié)果，并按照輕度污染、中度污染以及重度污染三種霧霾污染程度，對我國各省份霧霾污染水平的分布狀況做出了矢量圖，結(jié)果如圖4所示。

五、結(jié)論和建議

圖4 全國各省霧霾污染水平分布圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型假定條件，并結(jié)合實際研究需要，本文分別通過地區(qū)發(fā)展對霧霾污染的影響、居民生活對霧霾污染的影響和綜合影響三個評價目的，對全國各省的霧霾污染現(xiàn)狀進(jìn)行了研究和分析，現(xiàn)基于上述結(jié)構(gòu)方程模型的結(jié)果，對我國各省霧霾污染水平現(xiàn)狀做出總結(jié)，并提出建議：

結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果顯示，地區(qū)發(fā)展和居民生活對霧霾污染的影響都是正向的，說明地區(qū)發(fā)展規(guī)模和居民生活中產(chǎn)生的環(huán)境污染都會造成霧霾污染程度加深。

結(jié)合實際，居民生活過程中產(chǎn)生的垃圾廢氣等會對環(huán)境造成破壞，進(jìn)而形成霧霾污染。居民生活造成霧霾污染主要分為三個方面：（1）民居的用電需求越高，對地區(qū)的發(fā)電水平要求也相對越高，而我國各地區(qū)發(fā)電站仍以火力發(fā)電為主，大量的電力需求將會對大氣造成嚴(yán)重的污染。因此，各地區(qū)需要對居民宣傳節(jié)能環(huán)保意識，推廣使用耗電量較小的家用電器，同時各地區(qū)政府應(yīng)減少公共設(shè)施用電的預(yù)算。（2）隨著我國居民生活質(zhì)量不斷提升，民用汽車的使用量也在不斷增加，不僅造成了城市交通負(fù)擔(dān)，也造成了嚴(yán)重的霧霾污染。因此，各地區(qū)應(yīng)建議居民選擇乘使公共車輛，選擇步行或騎行單車，減少私家車的使用，增強(qiáng)居民的減排意識。（3）隨著大量的人口涌入經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，不僅產(chǎn)生了大量的社會問題，同時給地區(qū)的環(huán)境造成了較大的負(fù)擔(dān)。因此，我國大力支持發(fā)展我國西北部地區(qū)，提高該地區(qū)人員待遇，吸引外來人員，使我國地區(qū)人口均衡發(fā)展。

路徑分析結(jié)果顯示，居民生活造成的霧霾污染相較于地區(qū)發(fā)展所造成的霧霾污染更加嚴(yán)重，這說明了：（1）發(fā)展規(guī)模較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，可能會更注意環(huán)境的保護(hù)，對霧霾污染的防治工作做得更加充分。因此，各地區(qū)要在保護(hù)環(huán)境的前提下發(fā)展經(jīng)濟(jì)，進(jìn)一步將環(huán)境問題當(dāng)作是地區(qū)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。（2）相比地區(qū)整體規(guī)模，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可能會是造成霧霾污染的重要因素，因此一些以第二產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)地位省份的霧霾污染水平相對較高。因此，霧霾污染水平較高的省份應(yīng)合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，縮減第二產(chǎn)業(yè)增加值，或制定節(jié)能減排政策。（3）隨著房價不斷上漲，各地區(qū)地產(chǎn)商盲目增加建筑面積，盡管使得經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化得到進(jìn)一步加強(qiáng)，但造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，各地區(qū)應(yīng)合理規(guī)劃城市建筑面積，優(yōu)先植樹，增加地區(qū)森林覆蓋面積，減少對綠色植物的破壞。

全國霧霾污染水平分布狀況顯示，我國重度霧霾的省份有河南、陜西、河北、山東、四川，這五個省份主要集中在我國的中部地區(qū)。這些省份的共同點一般都是第二產(chǎn)業(yè)所占比重較大、人口密度比較稠密、城鎮(zhèn)化發(fā)展比較迅速，所造成的霧霾污染程度也就相對較高。因此，我國中部地區(qū)需要依托現(xiàn)有基礎(chǔ)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，要以核心技術(shù)研發(fā)為著力點推進(jìn)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，努力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高資源節(jié)約和綜合利用水平，降低霧霾水平，做到生態(tài)、經(jīng)濟(jì)齊頭并進(jìn)發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)發(fā)展并不是矛盾的，全國各地區(qū)應(yīng)在盡量減少生態(tài)環(huán)境破壞的前提下謀求發(fā)展，在確保生態(tài)壞境的基礎(chǔ)上檢驗地區(qū)發(fā)展水平。因此，各地區(qū)要加大科技研發(fā)的投入力度，以核心技術(shù)研發(fā)為著力點，努力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)是發(fā)展經(jīng)濟(jì)同時也是降低霧霾水平的有效手段。