2003-2016年中国P...时空格局演变及影响因素解析_刘媛.pdf

刘媛,张蕾,陈娱,等.20032016 年中国 PM2.5质量浓度时空格局演变及影响因素解析 J.地理科学,2023,43(1):152-162.Liu Yuan,Zhang Lei,Chen Yu et al.Spa-tio-temporal evolution patterns and the influencing factors of PM2.5 mass concentration in China.Scientia Geographica Sinica,2023,43(1):152-162.doi:10.13249/ki.sgs.2023.01.01620032016 年中国 PM2.5质量浓度时空格局演变及影响因素解析刘媛1，张蕾2，陈娱1，陆玉麒1,3，周媛媛1，王峰1（1.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023；2.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023）摘要摘要：以中国 286 个主要地级市为研究区域，基于 20032016 年中国地级市大气 PM2.5质量浓度栅格数据及各地级市社会经济数据，运用空间自相关和空间面板杜宾模型，揭示了中国地级市 PM2.5质量浓度的时空格局与影响因素。研究显示：中国 PM2.5污染在时序演化上呈“M”型波动态势，在空间分布上以胡焕庸线为界呈现出“东高西低”的集聚型格局；中国地级市 PM2.5污染在空间效应上呈现出显著的正相关性，表明区域间大气污染存在交互影响；人口密度与非农产业从业人员占比对 PM2.5质量浓度升高的贡献最大，而液化石油气供气总量与第三产业占 GDP 的比重对 PM2.5有较为显著的负向消减作用。关键词关键词：PM2.5；大气污染；胡焕庸线；空间面板模型中图分类号中图分类号：K902文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1000-0690(2023)01-0152-11 随着工业化和城市化进程的推进，能源消耗不断增加，雾霾日数呈持续上升趋势，已经引起社会各界的广泛关注1。雾霾产生的元凶是高质量浓度的 PM2.5，由于 PM2.5在大气中的停留时间和运输距离较长，对大气环境质量和能见度具有严重的负面影响，对心理健康、身体健康、交通安全、建筑、经济、自然和气候的间接影响尤甚2。因此，PM2.5目前是中国空气污染防治的重点。2012 年，PM2.5首次被中国政府颁布的环境空气质量标准（GB3095-2012）3列为例行关键监测指标。2018 年 10月 26 日，最新版中华人民共和国大气污染防治法4中指出，防治大气污染，要推动区域大气污染联合防治，同时鼓励和支持大气污染防治科学技术研究，开展对大气污染来源及其变化趋势的分析，发挥科学技术在大气污染防治中的支撑作用。针对空气污染这一世界性问题，国内外研究主要集中于以下几个方面：PM2.5源解析。该研究始于美国，中国相关研究起步于 20 世纪 80 年代。学者们常用的源解析方法包括源排放清单法、扩散模型法和受体模型法5。PM2.5质量浓度的动态演变。已有研究主要从时空双维度进行分析。在时间演变层面，大多基于遥感反演数据或地面监测数据；在空间分异层面，研究方法主要有空间插值、重心模型、空间自相关等方法6，研究尺度多为单一城市或城市群，近年来逐渐转向全国。PM2.5质量浓度的影响因素。现有研究主要考虑自然条件与社会经济因素两方面。在自然条件上，风速、降水、湿度、温度、地形条件等因素会对 PM2.5质量浓度产生影响7-9；在社会经济因素上，能源消耗、外商直接投资、工业化水平、人均 GDP、城市化率、人口密度和公共交通运输强度等因素会对 PM2.5质量浓度产生影响10-12。研究方法主要有土地利用回归、主成分分析、混合回归、灰色关联分析、地理探测器13-14等。总体而言，国内外学者运用多种方法、选取各类指标因子对 PM2.5污染的影响因素进行了探究。然而，现有研究大多基于部分一、二线城市或污染 收稿日期收稿日期：2021-12-28；修订日期修订日期：2022-06-20基金项目基金项目：国家自然科学基金项目（41430635）资助。Foundation:National Natural Science Foundation of China(41430635).作者简介作者简介：刘媛（1999），女，山西吕梁人，硕士研究生，主要从事环境经济地理研究。E-mail:通讯作者通讯作者：陆玉麒。E-mail: 第 43 卷第 1 期地理科学Vol.43 No.12023 年 01 月Scientia Geographica SinicaJan.,2023较为严重的城市群15-16展开，忽视了 PM2.5污染的区域间交互影响作用，缺乏对大气污染区域联动治理路径的系统探讨。因此，本文着眼于全局污染联合防治的宏观视角，利用 20032016 年 PM2.5质量浓度遥感反演数据，以中国 286 个主要地级市为研究单元，对中国 PM2.5质量浓度的时空格局演变规律进行深入解析，探寻中国空气污染的内在空间关联。进一步地，运用空间面板模型探究 PM2.5污染的关键影响因素，以期为中国空气污染治理提供建议。1 数据与方法1.1数据来源数据来源 1.1.1 PM2.5年均质量浓度数据PM2.5年均质量浓度数据，来源于加拿大达尔豪斯大学国际大气成分分析小组提供的 20032016年全球地级市大气 PM2.5年均质量浓度栅格数据集（V4.GL.02）。该数据集下载网址为 http:/fizz.phys.dal.ca/atmos/martin/?page_id=140，使 用 WGS84投影，空间分辨率为 0.010.01，时间分辨率为 1 a。该数据是由美国国家航天局（NASA）中等分辨率成像光谱仪（MODIS）、多角度成像光谱仪（MISR）和海洋观测宽视场传感仪（SeaWIFS）反演得到的气溶胶光学厚度（AOD）产品与地球化学传输模型（GEOS-Chem）相结合来估算地表细颗粒物（PM2.5），利用地表 PM2.5与 AOD 之间的地球物理关系模拟地表 PM2.5质量浓度，结合地面站点监测数据，采用地理加权回归模型对其进行校正，最终得到栅格数据17。为获取 20032016 年全国各地级市的 PM2.5年均质量浓度数据集，本文首先采用 ArcMap10.2分别对各年度的全球大气 PM2.5年均质量浓度栅格数据进行空间校正，以行政区划界线矢量数据作为掩膜，对校正后的栅格数据进行裁切及分区统计，最终得到地级市空间尺度上各样本单元的 PM2.5年均质量浓度数值（单位为 g/m3）。1.1.2 基础地理信息数据基础地理信息数据，空间行政边界来源于国家基础地理信息中心提供的 1100 万中国基础地理信息数据库，该数据集下载网址为 https:/ PM2.5质量浓度均值，建立中国PM2.5质量浓度值时空数据库。1.1.3 20032016 年中国地级市社会经济数据20032016 年全国 286 个主要地级市的社会经济数据，主要来源于中国统计年鉴（20032016 年）（http:/ 年）（https:/ 1.2.1 空间自相关分析为检验 PM2.5污染是否存在空间自相关，本文采用全局空间自相关与局部空间自相关分析方法来探讨中国 PM2.5污染的空间集聚关联效应。全局空间自相关概括了在总的空间范围内空间依赖的程度。全局 Morans I 指数是常见的用来度量空间自相关的全局指标，其反映的是空间邻接或邻近的区域单元属性值的相似程度。公式如下：Morans I=ni=1nj=1ij(YiY)(YjY)/S2ni=1nj=1ijS2=1nni=1(YiY)2Y=1nni=1YiYiij式中，；，表示第 i地区的观测值；n 为地区总数；为空间权重矩阵，本文采用基于距离的 0-1 空间权重矩阵。局部空间自相关描述一个空间单元与其领域的相似程度，能够表示每个局部单元服从全局总趋势的程度，反映了空间异质性。本文所采用的局部空间自相关的方法为 Moran 散点图。以（Wz,z）为坐标点的 Moran 散点图研究局部的空间特征，对z（即观测值）及其空间滞后因子 Wz（即该观测值周围邻居的加权平均）进行了可视化的二维图示。Moran 散点图的第 1、3 象限代表观测值的正空间相关性，第 2、4 象限则代表负空间相关性，且第 1象限代表观测值高的区域单元被高值区域所包围（HH）；第 2 象限代表观测值低的区域单元被高值区域所包围（LH）；第 3 象限代表观测值低的区域单元被低值区域所包围（LL）；第 4 象限代表观测值高的区域单元被低值区域所包围（HL）18。1.2.2 指标选取结合已有相关文献的研究分析19-21，基于科学性、全面性、层次性和可获取性等原则，本文选择PM2.5年均质量浓度作为被解释变量，解释变量的选取从“三生”视角出发，选取生产系统、生活系统、生态系统 3 类 15 个影响因素变量指标。各个指标的定性描述如表 1 所示。1 期刘媛等：20032016 年中国 PM2.5质量浓度时空格局演变及影响因素解析153 1.2.3 空间面板模型Elborst 将空间面板主要划分为如下几种不同类型，即空间面板滞后模型（Spatial Lag Model,SLM）、空间面板误差模型（Spatial Error Model,SEM）和空间面板杜宾模型（Spatial Durbin Model,SDM）。本文分别采用 3 种模型对 PM2.5质量浓度的影响因素进行了分析估计，并通过 LM 检验与Hausman 检验，最终选取了空间面板杜宾模型来对变量进行解释。具体计算方法参见文献 22。2 中国 PM2.5质量浓度时空演变格局2.1PM2.5质量浓度时序演变分析质量浓度时序演变分析20032016 年中国 PM2.5质量浓度呈现出先增后减再增的“M”型变化趋势（图 1）。结合 PM2.5年均质量浓度值变化以及国家经济、环保政策的实施部署，可将 20032016 年 PM2.5质量浓度时序演变划分为 3 个阶段：快速上升期（20032007 年）：在这一阶段，PM2.5质量浓度总体呈现显著增加的态势，年均增加1.385 g/m3，从2003 年的30.485 g/m3增至 2007 年的 36.026 g/m3，在 2007 年质量浓度达最高点，突破环境空气质量标准（GB3095-2012）3中 PM2.5质量浓度年均限值（35.000 g/m3）。这一趋势可能与 2002 年 11 月党的十六大提出要逐步提高城镇化水平所导致的城镇化加速发展密切相关23；均匀下降期（20082012 年）：该阶段PM2.5质量浓度基本呈现匀速减少的态势，年均减少 1.026 g/m3；波动趋稳期（20132016 年）：这一阶段 PM2.5质量浓度呈先增后减的趋势，2016 年则与 2012 年的质量浓度基本持平。2.2PM2.5质量浓度空间演变格局质量浓度空间演变格局通过分析全国各地级市 20032016 年 PM2.5质量浓度值的变化情况（图 2），可以发现：中国全域空间尺度上。以胡焕庸线为界，胡焕庸线东南侧为高污染聚集区域，西北侧为低污染区，与中国整体社会经济发展水平的区域分布一致24。同时，东南侧高污染聚集区域内部污染情况差异较大，该 表表 1变量定性描述变量定性描述Table 1 Qualitative description of variables 变量类型一级系统二级系统指标层符号单位因变量PM2.5年均质量浓度pmg/m3解释变量生产系统生产结构第二产业占GDP的比重ts%第三产业占GDP的比重tt%土地利用城市建设用地占市区面积比重cons%生产效益人均国内生产总值gdp元工业总产值totalin万元生活系统人口城镇化非农产业从业人员占比pro%人口密度human人/km2生活保障煤气供气总量coal万m3液化石油气供气总量lpgt全年用电总量ele万kWh生态系统生态效