環(huán)長株潭城市群霧霾污染特征及驅(qū)動機制分析

吳金雨，李春紅，田亞平

（衡陽師范學院 地理與旅游學院，湖南 衡陽 421002）

改革開放以來，我國飛速發(fā)展的同時也面臨諸多環(huán)境問題，如霧霾污染。我國所遭受的霧霾污染[1-2]，覆蓋面廣、污染嚴重，且造成巨大損失。眾多學者就霧霾的現(xiàn)狀特征和影響因素研究各持觀點。Anselin針對將空間計量建模方法應(yīng)用到環(huán)境經(jīng)濟的角度[3]，對空間因素分析的重要性進行了探討；王美霞[4]認為中國霧霾污染呈現(xiàn)出顯著的集聚特征和空間溢出效應(yīng)；古陽等學者[5]表明在空間上霧霾組分也存在聚集狀態(tài)，相鄰區(qū)域有明顯貢獻作用；劉曉紅利用2014年—2016年中國161個城市PM2.5和PM10日數(shù)據(jù)[6]，采用空間計量經(jīng)濟學模型，得出全國和各區(qū)域霧霾污染月均值變化軌跡呈“U”型，霧霾污染存在空間集聚等觀點。學者們多從宏觀層面且選取大范圍地域為研究區(qū)域開展霧霾污染研究，利用氣象、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，對霧霾污染在時空特征、污染源頭等得出結(jié)論。國家治理霧霾法令頒布后，整體污染情況有所緩解，但作為空間緊湊、經(jīng)濟聯(lián)系高度一體化的城市群，在發(fā)展過程中出現(xiàn)的大氣污染問題，已然呈現(xiàn)近鄰城市聯(lián)帶污染的趨勢。因此，關(guān)于城市群的霧霾污染特征及其驅(qū)動機制研究顯得尤為重要。

“環(huán)長株潭城市群”一詞于國家“十二五”規(guī)劃中提出，是在原有長株潭城市群經(jīng)濟核心作用的基礎(chǔ)上，輻射涵蓋周邊衡陽、岳陽、益陽、常德和婁底五個城市，以構(gòu)建湖南省持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟增長極。研究區(qū)域作為湖南省的經(jīng)濟核心，人口密度、城市規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展水平等在全省均居于前列，霧霾污染較為嚴重，且有愈加頻繁的趨勢[7]。通過研究環(huán)長株潭城市群霧霾污染特征及驅(qū)動機制，有助于深入了解環(huán)長株潭城市群霧霾天氣形成、分布規(guī)律現(xiàn)狀，對科學認識城市群霧霾的發(fā)生特征和規(guī)律具有重要意義，也可作為環(huán)保部門制定有效的空氣質(zhì)量保障措施和合理的減緩霧霾干預(yù)機制的參考依據(jù)，對于減少一定時期內(nèi)霧霾污染帶來的損失具有重要的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要有2017年長株潭核心城市群以及輻射圈內(nèi)衡陽、岳陽、益陽、常德和婁底5個地級城市的霧霾大氣污染物數(shù)據(jù)、自然氣象數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中，PM2.5，PM10，NO2，SO2，CO，O3等6種主要大氣污染物的濃度數(shù)據(jù)主要是中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺（www.aqistudy.cn）的日監(jiān)測數(shù)據(jù)，氣溫、降水量、風速等自然氣象數(shù)據(jù)來源于全國溫室數(shù)據(jù)系統(tǒng)（http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/），社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來自2017年湖南省統(tǒng)計年鑒和各市統(tǒng)計公報。

1.2 研究方法

1.2.1 霧霾污染指數(shù)

歸納大氣的各種質(zhì)量參數(shù)，運用因素成對比較分析確定各主要污染物的權(quán)重，并以一種數(shù)值綜合的形式表示霧霾污染的程度，即霧霾污染指數(shù)。綜合考量PM2.5，PM10，NO2，SO2，CO，O3等6種主要污染物的污染情況，霧霾污染指數(shù)Xi越大則污染程度越嚴重。計算公式為

式中，n表示霧霾污染物種類，Ci指污染物i的濃度值，Wi表示污染物i的權(quán)重值。

其中Wi利用因素成對比較分析法[8-10]計算，通過對造成霧霾污染的6種大氣污染物之間進行成對比較，同時對比較結(jié)果賦值、排序，用以確定各大氣污染物權(quán)重。權(quán)重值結(jié)果如表1所示。

表1 主要大氣污染物權(quán)重

1.2.2 全局空間自相關(guān)

本節(jié)采用空間計量分析[11]的方法，從空間尺度對研究區(qū)域內(nèi)各城市霧霾污染進行分析。采用Moran’s I來描述研究區(qū)域內(nèi)所有城市污染單元之間的關(guān)聯(lián)程度及顯著性。計算公式如下:

式中，xi表示地區(qū)i的年均霧霾污染指數(shù)，n表示城市總數(shù)，W表示空間權(quán)重矩陣，Wij表示城市i與j之間的影響程度，Ii指局部Moran’s I指數(shù)，表示城市i與周邊區(qū)域的相關(guān)性，xˉ為xi的平均值，。Moran’s I的閾值為[－1,1]，與1越相近，表示區(qū)域空間正相關(guān)的程度越強；當Moran’s I越接近－1時，表示區(qū)域空間負相關(guān)的程度越強；若Moran’s I接近0時，則表示區(qū)域在空間上不相關(guān)。

1.2.3 局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)是用來識別霧霾污染隨空間位置變化而形成的不同空間關(guān)聯(lián)模式，從而觀察霧霾污染的空間局部聯(lián)系及特征。計算公式為

1.2.4 雙變量相關(guān)分析

為確定霧霾形成的驅(qū)動機制，通過雙變量分析方法描述霧霾污染指數(shù)與解釋變量之間相關(guān)性強弱及發(fā)展趨勢，結(jié)合數(shù)據(jù)本身屬性，選擇Pearson和Spearman兩種相關(guān)系數(shù)供核準。

1）Pearson相關(guān)系數(shù)是定量地描述變量之間相關(guān)程度強弱的一個常用指標（要求兩個變量通過正態(tài)檢測，并呈線性關(guān)系），計算公式為

式中，X為霧霾污染指數(shù)，Y是本文選取的解釋變量；Xˉ，Yˉ分別為霧霾污染指數(shù)均值、解釋變量的均值；r為兩者相關(guān)系數(shù)，為[－1,1]，當r>0時說明兩個變量之間正相關(guān)，當r<0時為負相關(guān)，當r=1時則完全相關(guān)，當r=0時則為零相關(guān)。

2）Spearman相關(guān)系數(shù)用于衡量分級定序變量之間的相關(guān)程度，使用排序后的數(shù)據(jù)秩次來計算（無正態(tài)分布苛刻條件要求，可適用一些特殊情況），其計算公式同式（4）。

1.2.5 變量說明

以Xi為被解釋變量，主要是從氣象條件和社會經(jīng)濟因素兩個方面出發(fā)，氣象條件是選取了2017年各個城市的日均氣溫、日均降水量和日均風速；社會經(jīng)濟因素是從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口、科技、經(jīng)濟發(fā)展、能源、城市建設(shè)等六個方面選擇12個指標作為解釋變量[12-14]，如表2所示。

表2 指標含義與說明

2 研究結(jié)果與分析

2.1 霧霾污染時間特征

2.1.1 月變化

從圖1中可以看出，環(huán)長株潭城市群各市Xi變化趨于平緩，均在1月、12月達到峰值，在6~8月為低谷，呈先降后升的變化趨勢，霧霾污染主要集中于一年中的11月至次年2月。

圖1 2017年環(huán)長株潭城市群各市Xi月變化趨勢

這種變化趨勢不僅與能源消耗產(chǎn)生大量的霧霾污染物有關(guān)，使得污染物濃度上升；也與季節(jié)上氣象條件差異有關(guān)，如氣溫和降水的差異使得擴散速度不一，最終形成地區(qū)之間的差異。夏季受氣壓帶與風帶變化影響，對流運動明顯，在研究區(qū)域內(nèi)形成強度大且持續(xù)時間長的降雨（如梅雨等），且伴有大風天氣。冬季氣團寒冷干燥，氣體多沉降聚集，局域天氣穩(wěn)定，使得研究區(qū)域內(nèi)污染物濃度隨時間而疊增。

2.1.2 季變化

由圖2可以看出，研究區(qū)域內(nèi)各市的季節(jié)變化幅度較為明顯，結(jié)合霧霾污染物中占比較高的PM2.5和PM10季節(jié)均值變化趨勢，二者均值在春季（3~5月）到夏季（6~8月）呈下降趨勢，至夏季到達低谷后，觸底反彈且在秋季（9~11月）、冬季（12~2月）兩季呈直線上升狀態(tài)，于冬季到達峰值。

圖2 2017年環(huán)長株潭城市群各市Xi季節(jié)均值

總體來看，環(huán)長株潭城市群各市的Xi季節(jié)均值變化趨勢為夏低冬高、“春-夏”下降、“秋-冬”上升，整體呈現(xiàn)較為特殊的“√”形變化特征，主要污染物PM2.5和PM10濃度變化趨勢也與之相同。這是因為夏季地表受熱溫差大，氣壓梯度力強，大氣對流運動活躍，有利于形成風雨天氣，空氣流通性比較好，有利于污染物的擴散和清除，Xi及污染物濃度均為低值；而冬季大氣趨向地面沉降，對流運動弱，污染物難以擴散且持續(xù)累積。

2.2 霧霾污染空間特征

2.2.1 全局空間自相關(guān)分析

針對2017年環(huán)長株潭城市群8個城市Xi月均值進行全局空間自相關(guān)分析，采用Moran’s I從整體上判斷空間是否存在集聚，結(jié)果如表3所示。

表3 Xi全局Moran’s I指數(shù)及相關(guān)統(tǒng)計指標

從表3中得知Moran’s I均大于零，表明Xi月均值呈現(xiàn)空間正相關(guān)性，環(huán)長株潭城市群霧霾污染在地理分布上空間明顯集聚。在時間上，Moran’s I在7月達到最大值0.697 712，12月為最低值0.209 346，并且Moran’s I呈現(xiàn)出12月低谷區(qū)、3~4月的穩(wěn)定區(qū)和8~11月峰值區(qū)，表明Xi的空間集聚性呈先穩(wěn)后升再降的變化趨勢。

2.2.2 局域空間自相關(guān)分析

因研究區(qū)域各市氣象條件、社會經(jīng)濟水平存在差異，各地區(qū)的霧霾污染形成空間模式并不相同，關(guān)系上也有所差異。為了進一步探究各市與相鄰市域之間的空間聯(lián)系，利用GIS進行局部空間自相關(guān)分析，得出對應(yīng)的Moran’s I指數(shù)及顯著性，因霧霾污染季節(jié)變化幅度大，選取3月、6月、9月和12月集聚圖進行呈現(xiàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2017年環(huán)長株潭城市群3，6，9，12月Xi局部空間自相關(guān)分析

結(jié)果表明，環(huán)長株潭城市群存在高-高集聚、低-低集聚和少部分的高-低集聚、低-高集聚和不顯著5類集聚區(qū)域，在空間上呈現(xiàn)出東南高、東北不顯著和部分地區(qū)低的分異格局。

1）“高污染”區(qū)域演變特征?！案呶廴尽眳^(qū)域在空間上呈現(xiàn)以長湘潭地區(qū)和益陽為主、婁底和衡陽次之的雙中心格局，且分布范圍還會隨時間次序更替而變化。3~4月、9~11月份“高污染”區(qū)域范圍最大，主要區(qū)域為長株潭地區(qū)和益陽。還包含岳陽市部分區(qū)域，但在12~1月范圍縮小，并于5~8月趨于穩(wěn)定研究表明，環(huán)長株潭城市群中長沙、株洲和湘潭地區(qū)的霧霾污染物常年高于周邊地區(qū)，一定程度上受重化工企業(yè)和汽車尾氣等因素影響，易形成相互輸送的重污染區(qū)。

2）“低污染”區(qū)域演變特征。在時間推移過程中，“低污染”區(qū)域在空間上主要集中在婁底和衡陽地區(qū)?！暗臀廴尽眳^(qū)域分布及范圍會隨時間變化而變化，2月以婁底和株洲為主，3~7月以岳陽、婁底和衡陽三個地區(qū)為主，12月主要是婁底。這一特征與人口密度相關(guān)，除長株潭地區(qū)外，其他地區(qū)人口密度相對小，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化水平低，造成霧霾污染的程度輕。

總體來看，2017年環(huán)長株潭城市群霧霾污染呈現(xiàn)出明顯的長株潭地區(qū)和益陽高、婁底和衡陽低的特征，且形成空間上“高污染”與“低污染”區(qū)域的分布鄰近且相互影響的格局；大氣污染重點區(qū)域以長株潭地區(qū)和益陽為中心，集聚區(qū)域具體覆蓋范圍隨著時間變化而不同。

2.3 驅(qū)動因子分析

2.3.1 氣象條件

選取2017年環(huán)長株潭城市群各市日均氣溫、日均降水量和日均風速，通過雙變量相關(guān)分析得到氣象條件對霧霾污染的影響，其與霧霾污染指數(shù)Xi的相關(guān)系數(shù)及顯著性水平如表4所示。

表4 基于Spearman氣象條件與Xi的相關(guān)系數(shù)及顯著性水平

氣溫、降水和風速等變量與霧霾污染因子均呈顯著性負相關(guān)（均達到0.05顯著性水平），表明以上氣象因素對霧霾污染存在抑制作用。降水對霧霾的影響，是指在降水過程中，雨水沖刷大氣污染物，使得污染物顆粒減少，對霧霾污染存在一定的抑制作用。抑制程度與降水強度成正比，降水量愈大、時間越長，對大氣的沖刷越徹底，對霧霾污染抑制也越明顯。風速亦然，風的存在促使大氣污染物轉(zhuǎn)移，使得空氣中大氣污染物密度降低，霧霾污染程度減輕。氣溫與霧霾的關(guān)系，可結(jié)合降水與風來分析，隨氣溫升高，氣壓梯度增強，形成區(qū)域性熱力環(huán)流，促使大氣對流運動活躍、大氣層結(jié)構(gòu)變得越發(fā)不穩(wěn)定，有利于污染物的擴散及清除，減輕污染程度。

2.3.2 社會經(jīng)濟因素

通過雙變量相關(guān)分析得到各影響因素與霧霾污染指數(shù)Xi的相關(guān)系數(shù)以及顯著性水平，鑒于部分數(shù)據(jù)為非正態(tài)分布，運用Pearson相關(guān)系數(shù)有失精準，因此相關(guān)分析采用Spearman相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果見表5。

表5 基于Spearman各因素與Xi的相關(guān)系數(shù)及顯著性水平

相關(guān)系數(shù)基于顯著性水平小于0.01或者0.05時，具有統(tǒng)計學意義。而根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小可以對各因素的影響程度進行分析，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，說明該因素與Xi之間的相關(guān)性越強。

結(jié)果顯示，影響霧霾污染的解釋變量中，相關(guān)性排序（影響程度排序）依次是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、經(jīng)濟、科技、人口、能源，說明以上因素是霧霾污染形成和發(fā)展的主要影響因素。

Xi與單位工業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為0.778，與第二產(chǎn)業(yè)占GDP比例的相關(guān)系數(shù)為0.534，與規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)綜合能源消耗量的相關(guān)系數(shù)為0.591，均為較強正相關(guān)。研究區(qū)域有采取“衛(wèi)星城”產(chǎn)業(yè)遷移式治理污染的案例，將高污染高排放產(chǎn)業(yè)進行遷移，這無疑會促進遷入地區(qū)的霧霾形成和發(fā)展。

Xi與人口密度的相關(guān)系數(shù)為0.543，為中等強度正相關(guān)。人口自然增長和經(jīng)濟導(dǎo)向下的人口集聚導(dǎo)致城市人口密度增大、道路擁堵、能耗與機動車數(shù)量上升等問題，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達持續(xù)吸引人口流入，均會使污染物排放量增多，加重大氣環(huán)境壓力。

Xi與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)為0.662，為較強正相關(guān)。科技進步加重霧霾污染，其一是高新技術(shù)投資開發(fā)目的單一，即促進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，提高勞動生產(chǎn)率，用于大氣污染治理經(jīng)費較少，間接使污染物濃度升高；二是科研攻關(guān)缺乏針對性，未能把握重點領(lǐng)域；三是科研成果應(yīng)用規(guī)模小，未能達到預(yù)期實效。

Xi與城市建設(shè)的相關(guān)系數(shù)為正相關(guān)，與機動車密度的相關(guān)系數(shù)為0.471，表明在正常人口密度增長下機動車密度增大與霧霾污染之間存在正相關(guān)。機動車尾氣排放會促使PM2.5、SO2等污染物濃度增加，加重霧霾污染。

Xi與單位GDP和人均GDP的相關(guān)系數(shù)分別為0.538，0.512，均為較強正相關(guān)。兩種情形都表明目前湖南省的霧霾污染程度隨經(jīng)濟發(fā)展水平持續(xù)上升，經(jīng)濟發(fā)展未能改善環(huán)境質(zhì)量反而使其趨于惡化的現(xiàn)象，其潛在原因值得深究。

Xi與能源消耗兩個指標的相關(guān)系數(shù)為0.591和0.495，均為中等強度正相關(guān)。一方面工業(yè)企業(yè)能源消耗量與工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)，另一方面天然氣消耗量與人口密度相聯(lián)系，表現(xiàn)為資源消耗加劇霧霾污染。

3 結(jié)論與討論

采用2017年環(huán)長株潭城市群主要大氣污染物濃度數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，運用因素成對比較法和加權(quán)求和計算綜合的霧霾污染指數(shù)Xi，采用空間計量分析方法和雙變量分析開展環(huán)長株潭城市群霧霾污染研究。結(jié)論如下：

（1）從時間變化來看，環(huán)長株潭城市群霧霾污染月均值變化軌跡為先降后升，季節(jié)性變化特征為“夏低冬高、春秋持平”，發(fā)展趨勢與月變化相同。

（2）以空間格局來看，研究區(qū)域內(nèi)污染嚴重主要集中于長沙、株洲和湘潭地區(qū)，霧霾污染具有顯著的空間集聚特征。婁底和衡陽呈現(xiàn)顯著的低－低集聚特征，長株潭地區(qū)和益陽為高－高集聚。

（3）在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口因素、經(jīng)濟發(fā)展、能源因素、城市建設(shè)等對霧霾污染產(chǎn)生正向影響的因素中，工業(yè)的發(fā)展對霧霾污染的影響是主導(dǎo)性和源頭性的，工業(yè)生產(chǎn)排放的污染物以及能源消耗為霧霾污染形成打下了基礎(chǔ)，而工業(yè)化推動城市化進程和經(jīng)濟發(fā)展使得人口聚集，進而城市建設(shè)間接對霧霾產(chǎn)生影響。在一定程度上也符合長沙、株洲和湘潭地區(qū)人口眾多、經(jīng)濟發(fā)展迅速的事實。

基于上述結(jié)論，霧霾污染防控可以根據(jù)霧霾污染影響因素傳導(dǎo)鏈，把握霧霾污染全過程，從末端治理轉(zhuǎn)變?yōu)樵搭^防控。逐步關(guān)停淘汰高能耗、污染企業(yè)以實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。強化公共運輸能力，推進公共運輸系統(tǒng)清潔能源普及。通過增加科技投入，構(gòu)建全天候信息化監(jiān)測系統(tǒng)，如環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、大氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)等；依照霧霾污染空間相關(guān)性，助推跨區(qū)動態(tài)防控進程，積極強化城市群區(qū)域協(xié)商與合作，構(gòu)建以長株潭為核心、衡岳益常婁為枝干的多極聯(lián)防聯(lián)控體系，同步監(jiān)測、統(tǒng)一調(diào)度、有效應(yīng)對霧霾污染；分時采取不同防控措施，把握氣象規(guī)律防控霧霾污染，在把握全年降水規(guī)律基礎(chǔ)上實施人工降雨與灑水降塵（工業(yè)區(qū)等），企業(yè)結(jié)合霧霾發(fā)展規(guī)律制定“夏秋多、冬春少”的生產(chǎn)計劃。