王 濤, 馮志暢, 羅 健, 孟慶濤
1.中電普瑞電力工程有限公司,北京102200
2.北京市工貿(mào)技師學院 機電分院,北京100097
電力消費是中國主要的能源消費,是經(jīng)濟運行狀況的重要指向標,與經(jīng)濟增長情況密切相關(guān)[1],因此電力消費的變化在一定程度上反映了中國宏觀經(jīng)濟走向。當前中國經(jīng)濟發(fā)展已進入新常態(tài),電力消費同樣也進入了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、區(qū)域分化階段[2-3]。電力消費量是衡量地區(qū)電力消費狀況的基本指標,但是目前缺乏更精細化尺度如市級、縣級甚至柵格尺度電力消費量的空間分布特征,致使統(tǒng)計數(shù)據(jù)不能更準確地模擬電力消費量。因此,電力消費統(tǒng)計數(shù)據(jù)不能充分反映電力消費的空間分布狀況,那么如何快速、有效、精準化地模擬區(qū)域電力消費量是亟需解決的現(xiàn)實問題。
隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應用[4],利用美國國防氣象衛(wèi)星計劃(defense meteorological satellite program, DMSP) 上的操作線性掃描系統(tǒng)(operational linescan system,OLS)所獲取的夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)成了人類經(jīng)濟活動[5]、電力消費情況[6-7]的有效指標,也逐漸成為監(jiān)測人類社會經(jīng)濟生活的理想客觀數(shù)據(jù)源之一。從20 世紀80年代以來,眾多學者對DMSP-OLS 數(shù)據(jù)在電力消費領(lǐng)域的研究展開了大量工作[8-10]。文獻[11] 對全球主要國家的電力消費和燈光之間的關(guān)系進行了分析,表明燈光與電力消費具有很強的線性相關(guān)性。文獻[12] 對印度1993—2002年的電力消費時空特征進行分析,表明印度夜間燈光與電力消費的相關(guān)系數(shù)為0.56,所提模型的模擬效果良好。文獻[13] 基于DMSP-OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)重構(gòu)了1995—2008年中國縣級尺度電力消費量,并對其進行時空特征分析。文獻[14] 對日本10個供電地區(qū)的電力消費和由此產(chǎn)生的碳排放進行了區(qū)域模擬,結(jié)果表明DMSP-OLS 的輻射校準產(chǎn)品相比穩(wěn)定燈光產(chǎn)品可以更好地模擬電力消費量。文獻[15] 基于夜間燈光數(shù)據(jù)對中國1994—2009年市級尺度電力消費進行空間分析,指出估算模型有助于體現(xiàn)電力消費的地區(qū)差異性。文獻[16] 基于DMSP-OLS 夜間穩(wěn)定燈光對全球電力消費情況進行探測,建立全球尺度的電力消費量模擬模型,表明全球高電力消費地區(qū)集中在歐洲、北美和亞洲??梢钥闯?,多數(shù)研究均從國家、區(qū)域等單一尺度展開,而對多尺度分析電力消費時空演變格局的研究卻較少。本文基于前人的研究成果,從省級尺度構(gòu)建基于DMSP-OLS 數(shù)據(jù)的電力消費模擬模型,進而反演出柵格、市級和縣級尺度電力消費量,最后分析了多尺度電力消費時空格局,為政府電力調(diào)配和經(jīng)濟發(fā)展提供借鑒和參考。
DMSP-OLS 遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局,包含了6 代衛(wèi)星傳感器獲
取的F10-F18 數(shù)據(jù);省級電力消費統(tǒng)計數(shù)據(jù)則來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2001—2017)。
1.3.1 模擬模型的構(gòu)建
基于DMSP-OLS 數(shù)據(jù)與電力消費數(shù)據(jù)存在顯著的線性相關(guān)性,本文建立電力消費估算模型,其計算公式為
式中:Ei為估算的i像元電力消費;DNi為i像元的DN 值;a和b為回歸系數(shù)。結(jié)合式(1)建立省級電力消費和DN 值之間的線性回歸關(guān)系,如圖1 所示。
圖1 2000—2013年省級電力消費與省級DN 值回歸關(guān)系Figure 1 Regression relationship between provincial electric power consumption and provincial DN value from 2000 to 2013
數(shù)據(jù)校正步驟如下:
步驟1將DMSP-OLS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Lambert 等角圓錐投影,并裁剪得出中國DMSPOLS 數(shù)據(jù)。
步驟2對裁剪出的數(shù)據(jù)進行相互校正。
步驟2-1選取影像數(shù)字量化值(digital number, DN)年際變化較小的區(qū)域作為穩(wěn)定的目標區(qū)域與其他年份進行比較,并利用回歸模型進行校正。
步驟2-2需要對同一年不同衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)進行比較校正,以獲得穩(wěn)定值。
步驟3采用后一期DN 值始終大于前一期DN 值的方法,對DMSP-OLS 數(shù)據(jù)進行時間序列連續(xù)校正。
通過以上步驟可以得到中國1992—2013年校正后的DMSP-OLS 數(shù)據(jù)。
計算得出省級電力消費與DN 值之間的線性回歸關(guān)系式為
估算模型的擬合優(yōu)度R2為0.714 9,表明擬合優(yōu)度良好;回歸系數(shù)為正值,表明兩者之間存在著顯著的正線性相關(guān)性。估算模型可以進行多尺度電力消費時空演變格局分析。鑒于省級尺度模擬的電力消費量與統(tǒng)計消費量存在一定的數(shù)據(jù)差異性,可利用省級電力消費數(shù)據(jù)作為線性調(diào)整來糾正初步估算的柵格尺度電力消費量,進而生成省級電力消費柵格圖(1 km×1 km 空間分辨率),其計算公式為
式中:Ki為i省的調(diào)整系數(shù);Ei和E0分別為i省電力消費的統(tǒng)計值和模擬值;Egridi和Egrid0分別為i省調(diào)整后的電力消費柵格統(tǒng)計值和模擬值。
1.3.2 全局空間相關(guān)性
全局空間相關(guān)性的有效指數(shù)[17]Global Moran’sI可以檢驗電力消費的空間分布特征,其計算公式為
式中
式中:xk為k地區(qū)電力消費量;xp為p地區(qū)電力消費量;S為區(qū)域數(shù);W為空間權(quán)重矩陣;dkp為兩地區(qū)之間的距離。I的取值范圍為[?1,1]。I值越接近1,表明空間屬性值存在正相關(guān);越接近?1,表明空間屬性值存在負相關(guān)。進一步對Global Moran’sI結(jié)果進行統(tǒng)計檢驗,計算公式為
式中:Var(I) 表示指數(shù)Global Moran’sI的方差,當Z(I) 大于臨界值1.96 時,該空間具有顯著相關(guān)性。
1.3.3 局部相關(guān)性
全局空間相關(guān)性指數(shù)Moran’sI是總體統(tǒng)計指標,反映了區(qū)域整體的空間聚集和分散程度,而進一步識別不同區(qū)域的空間屬性[18]則需要局部空間自相關(guān)性指標。揭示不同空間區(qū)域的空間聚集程度和變化趨勢,能夠反映全局自相關(guān)的局部分布不穩(wěn)定性,即空間異質(zhì)性。本文主要使用局部Moran’sIc指數(shù)度量和檢驗不同尺度碳排放的局部空間特征,公式為
式中:Ic表示局部Moran’sI指數(shù),Zk和Zp分別為區(qū)域k和p標準化后的電力消費量,Wkp為行標準化后的空間權(quán)重,且∑Wkp=1。進一步通過局部Moran’sIc指數(shù)來區(qū)分局部集聚模式,具體的集聚模式包括:H-H 集聚是指若Ic顯著為正且Zk >0,則電力消費量高的地區(qū)被電力消費量高的地區(qū)包圍;L-L 集聚是指若Ic顯著為正且Zk <0,則電力消費量低的地區(qū)被電力消費量低的地區(qū)包圍;L-H 集聚是指若Ic顯著為負且Zk <0,則電力消費量低的地區(qū)被電力消費量高的地區(qū)包圍;H-L 集聚是指若Ic顯著為負且Zk >0,則電力消費量高的地區(qū)被電力消費量低的地區(qū)包圍。
2.1.1 柵格尺度
基于1.3.1 節(jié)建立的模型可得出中國柵格尺度電力消費量如圖2 所示??梢钥闯觯?000—2013年中國電力消費呈現(xiàn)顯著增長趨勢,電力消費總量由2000年的13 606.29 億kWh 增加為2013年的53 423.39 億kWh。電力消費空間分布由星點狀分布演變?yōu)榫W(wǎng)狀分布特征,其中京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)是高電力消費聚集區(qū)域,而廣大的西部地區(qū)則呈現(xiàn)低電力消費集聚態(tài)勢。進一步研究可以發(fā)現(xiàn),高電力消費區(qū)域主要集中在胡煥庸線的東南側(cè),而低電力消費區(qū)域則聚集在胡煥庸線的西北側(cè),呈現(xiàn)出與經(jīng)濟發(fā)展、人口密度相一致的“東密西疏”分布特征,表明電力消費具有胡煥庸線現(xiàn)象。
圖2 2000—2013年間中國柵格尺度電力消費分布特征Figure 2 Distribution characteristics of China’s electric power consumption at grid scale from 2000 to 2013
2.1.2 省級尺度
采用自然斷點法將中國2000—2013年間省級電力消費總量分為5 類,其空間特征如圖3所示。
從圖3 中可以看出:2000—2013年中國省份電力消費總量呈現(xiàn)擴大趨勢,由2000年的38.37 億kWh 增長為2013年的4 956.62 億kWh。2000年高電力消費省份為廣東、山東和江蘇,低電力消費省份為新疆、寧夏、青海、海南和西藏;2005年高電力消費省份為廣東、江蘇和山東,低電力消費省份在新疆、青海、寧夏、海南、西藏的基礎(chǔ)上增加了重慶市;2010年高電力消費省份在山東、江蘇和廣東的基礎(chǔ)上增加了河北和浙江,低電力消費省份減少為海南和西藏;2013年高電力消費省份仍為山東、江蘇和廣東,低電力消費省份仍為海南和西藏??傮w來說,高電力消費省份為廣東、山東和江蘇,低電力消費省份分布在西藏,可以看出:省級電力消費的分布特征呈現(xiàn)出由東部地區(qū)向西部地區(qū)階梯式減少的趨勢。
圖3 2000—2013年間中國省級尺度電力消費分布特征Figure 3 Distribution characteristics of China’s electric power consumption at provincial scale from 2000 to 2013
2.1.3 市級尺度
采用自然斷點法將中國2000—2013年間市級電力消費總量分為5 類,其空間特征如圖4所示。
從圖4 中可以看出:2000—2013年城市電力消費總量呈現(xiàn)擴大趨勢,電力消費最高值由2000年的23.78 億kWh 增加為2013年的1 407.16 億kWh。2000年高電力消費城市主要分布在珠三角、長三角、京津冀三大城市群;東北的沈陽、哈爾濱等老工業(yè)基地;西南地區(qū)的成都和重慶;中部工業(yè)城市武漢,以及東部沿海的青島和泉州。2013年高電力消費城市主要分布在長三角、京津冀、珠三角三大城市群;西南地區(qū)的成都和重慶;山東的濰坊和青島;福建泉州;內(nèi)蒙古鄂爾多斯;中部的武漢和鄭州;東北的沈陽。低電力消費城市廣泛分布于中國的西部地區(qū),呈現(xiàn)東多西少的層級分布趨勢。這與柵格尺度和省級尺度電力消費呈現(xiàn)出一致的分布趨勢,表明省份電力消費分布存在著城市之間的差異性。
圖4 2000—2013年間中國市級尺度電力消費分布特征Figure 4 Distribution characteristics of China’s electric power consumption at prefectural scale from 2000 to 2013
2.1.4 縣級尺度
采用自然斷點法將中國2000—2013年縣級電力消費總量分為5 類,其空間特征如圖5 所示,可以看出:2000—2013年縣域電力消費總量呈現(xiàn)擴大趨勢,電力消費最高值由2000年的3.28 億kWh 增加為2013年的393.24 億kWh。2000年高電力消費縣域主要分布在珠三角、上海、北京、浙江的蕭山區(qū)、遼寧的海城市。2013年高電力消費縣域主要分布在珠三角、長三角、內(nèi)蒙古的烏審旗和北京市,而低電力消費縣域主要分布在中國的西北、西南、內(nèi)蒙古和東北大部分地區(qū),呈現(xiàn)出由東部發(fā)達地區(qū)向西部經(jīng)濟較為落后地區(qū)層級降低趨勢,這與柵格、省級和市級尺度電力消費呈現(xiàn)出一致的分布趨勢,表明電力消費分布同樣存在著縣域之間的差異性。
圖5 2000—2013年間中國縣級尺度電力消費分布特征Figure 5 Distribution characteristics of China’s electric power consumption at county scale from 2000 to 2013
多尺度電力消費全局空間相關(guān)性分析結(jié)果如表1 所示,其中Z為檢驗統(tǒng)計量,P值為拒絕域概率,可以看出:省級尺度Z值小于1.96,P值均大于10%,表明在省級尺度上電力消費并不存在全局空間相關(guān)性;市級和縣級尺度Z值均大于2.58,P值均小于0.01,在1% 水平上顯著,表明中國市級和縣級電力消費量具有顯著的空間相關(guān)性,電力消費在市級和縣級尺度上呈現(xiàn)聚集分布態(tài)勢??傮w來看,市級尺度電力消費的Moran’sI指數(shù)要大于縣級尺度電力消費的I指數(shù),表明較小的空間尺度更具有空間集聚特征,其中市級尺度是模擬電力消費的有效行政單元。
表1 多尺度電力消費全局空間相關(guān)性分析Table 1 Global spatial correlation analysis of multi-scale electric power consumption
2.3.1 省級尺度
計算2013年中國省級電力消費的局部Moran’sIc指數(shù),得到省級尺度電力消費的LISA集聚格局,如圖6 所示。
圖6 2013年省級電力消費LISA 分布圖Figure 6 LISA distribution map of provincial electric power consumption in 2013
2013年12.9% 的省份電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。顯著性空間類型主要表現(xiàn)為HH類型和HL 類型。其中HH 類型主要為東部地區(qū)的山東、江蘇和浙江,這3 個省份與相鄰省份呈現(xiàn)出高電力消費的趨同效應。如河北、河南、安徽等與這3 個省份均為人口大省、重工業(yè)大省和經(jīng)濟發(fā)達省份,經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的提高直接導致電力消費量的增加。HL 類型為廣東,表明廣東為高電力消費區(qū)域,而周邊的廣西、湖南和江西等電力消費量遠低于廣東省,表明廣東省電力消費對周圍區(qū)域具有顯著溢出效應。由此可見高電力消費區(qū)域集中在中國的東南沿海地區(qū),這與現(xiàn)實相符。
2.3.2 市級尺度
計算2013年市級電力消費的局部Moran’sIc指數(shù),得到市級尺度電力消費的LISA 集聚格局,如圖7 所示。
圖7 2013年市級電力消費LISA 分布圖Figure 7 LISA distribution map of prefectural electric power consumption in 2013
2013年16.56% 的城市電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。顯著性空間類型主要表現(xiàn)為正相關(guān)HH 型和LL 型,負相關(guān)HL 型和LH 型。其中HH 型城市有42 個,主要分布如下:1)環(huán)渤海灣地區(qū)的北京、天津,河北的邢臺、石家莊、滄州、保定、廊坊、唐山;2)山東的臨沂、濟寧、濟南、青島、濰坊、濱州、煙臺;3)長三角的上海、蘇州、南京、無錫、常州、鎮(zhèn)江、泰州、南通、揚州、淮安、鹽城、連云港、臺州、金華、寧波、杭州、紹興、嘉興、湖州、溫州、徐州;4)珠三角的深圳、佛山、廣州、東莞和惠州??梢园l(fā)現(xiàn)HH 型城市主要分布在中國的東部沿海等經(jīng)濟發(fā)達、城鎮(zhèn)化水平較高地區(qū),與周圍的高電力消費城市呈現(xiàn)出趨同性。LL型城市則主要分布如下:1)青海的黃南藏族自治州和果洛藏族自治州;2)甘肅的甘南藏族自治州;3)西藏的昌都地區(qū)和林芝地區(qū);4)云南的迪慶藏族自治州。可以發(fā)現(xiàn)LL 型城市主要聚集在中國西北經(jīng)濟較為落后地區(qū),這些城市與周邊低電力消費城市呈現(xiàn)出趨同性。HL 型城市則分別為武漢、長沙、重慶和成都,可以發(fā)現(xiàn)均分布在中國的中部和西南省會城市,表明這4 個城市本身為高電力消費城市,而被低電力消費城市包圍,呈現(xiàn)出電力消費的溢出效應,存在省內(nèi)電力消費分布的差異性。LH 型城市則分布在浙江舟山、安徽馬鞍山、山東萊蕪和山西陽泉,呈現(xiàn)點狀部分特征,表明這4 個城市雖然為低電力消費城市,但被高電力消費城市包圍,同樣存在省內(nèi)電力消費分布的差異性。
2.3.3 縣級尺度
計算2013年縣級電力消費的局部Moran’sIc指數(shù),得到縣級尺度電力消費的LISA 集聚格局,如圖8 所示。
圖8 2013年縣級電力消費LISA 圖Figure 8 LISA distribution map of county electric power consumption in 2013
2013年40.95% 的縣域電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。顯著性空間類型主要表現(xiàn)為正相關(guān)HH 型和LL 型,負相關(guān)HL 型和LH 型。HH 類型縣域有382 個,主要分布如下:1)環(huán)渤海灣地區(qū)的北京、天津、河北、遼寧和山東;2)長三角地區(qū)、珠三角地區(qū);3)東南沿海的福建;4)中部地區(qū)河南的永城市、中牟縣、濮陽縣、梁園區(qū)和安徽;5)西北地區(qū)的內(nèi)蒙古、陜西的神木縣、寧夏的利通區(qū)、青銅峽市、靈武市、永年縣、西夏區(qū)、大武口區(qū)、興慶區(qū)。可以發(fā)現(xiàn)HH 類型區(qū)域主要集中在中國的東部沿海地區(qū),呈現(xiàn)條帶狀分布趨勢。LL 類型縣域有636個,主要集中在中國的中西部廣大地區(qū),呈現(xiàn)連片狀分布,包括:1)內(nèi)蒙古的科爾沁右翼前旗;2)吉林、黑龍江、江西的永新縣、蓮花縣;3)河南的盧氏縣;4)湖北、湖南、廣西、重慶、四川、貴州、云南、西藏等西部省份。HL 類型縣域有56 個,呈現(xiàn)點狀分布,主要包括:1)內(nèi)蒙古的科爾沁區(qū)、牙克石市、鄂倫春自治旗;2)遼寧的昌圖縣;3)河南的靈寶市;4)湖北的潛江市和樊城區(qū);5)湖南、廣西的興賓區(qū)和興寧區(qū);6)重慶、四川、貴州、云南、陜西的長安區(qū)和志丹縣、青海的格爾木市和湟中縣;7)寧夏的原州區(qū)。LH 類型有102 個,同樣呈現(xiàn)點狀分布,主要包括:1)北京、河北、遼寧的長??h、中山區(qū);2)長三角圍繞高碳地區(qū)的縣域、中部的安徽、江西的婺源縣、河南的臺前縣;3)圍繞珠三角的部分縣域;4)東部沿海的福建和山東。
總體來看,利用DMSP-OLS 數(shù)據(jù)對電力消費進行擬合,可以得到較好的估計效果,與文獻[10] 的估計精度(70% 左右)具有一致性。中國電力消費在持續(xù)增長的同時,也呈現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性特征,這與文獻[18] 研究表明的區(qū)域電力發(fā)展不均衡具有一致性。文獻[10] 認為京津唐、滬寧杭、珠三角、山東半島、遼中南地區(qū)和四川盆地為電力集中區(qū)域,而本研究進一步指出高電力消費區(qū)域主要集中在京津冀、長三角和珠三角這三大城市群,實現(xiàn)了多尺度高電力消費地區(qū)的精準識別。
1)本文采用校正后的DMSP-OLS 夜間燈光數(shù)據(jù),經(jīng)過影像重投影、相互校正、年內(nèi)融合、時間序列校正后,得到了1992—2013年全國DMSP-OLS 數(shù)據(jù)集。在統(tǒng)計電力消費量的基礎(chǔ)上構(gòu)建多尺度電力消費模擬模型。模擬結(jié)果顯示模型的擬合優(yōu)度為0.714 9,基于校正后的DMSP-OLS 數(shù)據(jù)估算電力消費模擬精度良好,表明模型有效。
2)2000—2013年中國電力消費呈現(xiàn)顯著增長趨勢。電力消費總量由2000年的13 606.29 億kWh 增加為2013年的53 423.39 億kWh。京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)是高電力消費聚集區(qū)域,西部地區(qū)則呈現(xiàn)低電力消費集聚態(tài)勢,電力消費量分布呈現(xiàn)胡煥庸線特征。
3)多尺度電力消費總量均呈現(xiàn)擴大趨勢。高電力消費省份為廣東、山東和江蘇。高電力消費城市主要分布在珠三角、長三角、京津冀三大城市群;西南的成都和重慶、中部的武漢、東部沿海的青島和泉州。高電力消費縣域主要分布在珠三角、長三角和北京。柵格、省級、市級和縣級尺度電力消費量呈現(xiàn)出一致的分布趨勢,不同地區(qū)電力消費存在著差異性。
4)省級尺度上電力消費并不存在全局空間相關(guān)性;市級和縣級電力消費量具有顯著的空間相關(guān)性;市級尺度電力消費的Moran’s 指數(shù)要大于縣級尺度電力消費的Moran’s 指數(shù),市級尺度是模擬電力消費的有效行政單元。
5)2013年12.9% 的省份電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。其中HH 類型主要為東部地區(qū)的山東、江蘇和浙江。16.5% 的城市電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。其中HH 型城市有42 個,主要為環(huán)渤海灣地區(qū)、長三角、珠三角。40.9% 的縣域電力消費呈現(xiàn)出局域空間相關(guān)性。HH 類型縣域有382 個,主要集中在環(huán)渤海灣地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū);東南沿海的福建;中部地區(qū)河南、西北地區(qū)的內(nèi)蒙古、陜西的神木縣、寧夏。
首先,本文構(gòu)建的模擬模型可以快速、有效、精準化地利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對中國多尺度電力消費量進行模擬和預測,為衛(wèi)星大數(shù)據(jù)時代進行區(qū)域電力消費和經(jīng)濟監(jiān)測分析提供了基礎(chǔ)保證。政府部門應建立基于DMSP-OLS 數(shù)據(jù)的“省級- 市級- 縣級”多層級電力消費聯(lián)動模擬監(jiān)測系統(tǒng),為存在地區(qū)差異的政府電力資源調(diào)配提供客觀參考。
其次,隨著中國遙感技術(shù)的進一步發(fā)展,未來基于夜間燈光數(shù)據(jù)開展電力消費模擬和預測的重點在于時效性更好的NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)的應用。建立月度、季度和年度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與電力消費量之間的模擬模型,對中國省級、市級和縣級以及柵格尺度進行電力消費的動態(tài)監(jiān)測,為中國經(jīng)濟未來走勢、電力資源合理配置提供科學決策和依據(jù)。
(編輯:管玉娟)