珠三角城市空氣質量的時空變化特征及影響因素

◎ 李 婕 滕 麗

珠三角是我國最發達的經濟區域之一，處于工業化、城市化快速發展時期。在珠三角經濟發展取得舉世矚目成績的同時，也產生了大量的環境問題，其中空氣質量問題是主要環境問題。據廣東省環境狀況公報顯示，2000年全省空氣污染較重的10個地級市有7個在珠三角。由于全省70%的火電裝機容量和發電量聚集在珠三角，二氧化硫、氮氧化物等致酸雨物質排放量巨大，珠三角成為了全球三大酸雨區域之一[1]。面對如此嚴峻的城市空氣質量問題，政府進行了大量的污染減排工作。隨著時間的推移，珠三角城市空氣質量又在不斷的發生著變化。

本文采用2002～2011年珠三角9城市空氣污染指數表征城市空氣質量，運用空間統計分析方法描述珠三角地區的空氣質量時空分布特征，采用Granger因果檢驗法探究珠三角地區城市間空氣質量溢出特征，并結合灰色關聯分析法分析珠三角空氣質量的影響因素，為珠三角地區城市空氣質量的改善和科學決策提供進一步的支持。

一、相關研究綜述

城市空氣污染是一個復雜的現象，空氣污染程度影響著城市空氣質量。城市空氣污染是在城市的生產和生活中，向自然界排放的各種空氣污染物超過了自然環境的自凈能力，給人類的身體、生產和生活帶來危害。關于珠三角城市空氣質量的時空分布特征及城市間空氣質量的影響效應，許多學者進行了研究。

在珠三角城市空氣質量的時空分布方面，劉俊、袁鸞[2]對2006年10月珠三角地區一次大范圍灰霾天氣下珠三角地區空氣污染在空間分布上的特征進行研究，指出珠三角空氣污染的區域性特征比較明顯，其中佛山-廣州-東莞一帶是珠三角的污染核心區。黃曉英、李娟[3]對粵港珠江三角洲區域2007年環境空氣質量空間分布與時間變化進行了分析和探討，指出珠海、香港、深圳空氣質量較好，東莞、佛山空氣質量最差。付春、梁桂雄[4]對珠江三角洲城市群2001年冬季典型空氣污染過程和原因進行分析，指出廣州、佛山、南海、香港、澳門、深圳、珠海、順德等城市空氣污染變化有很強的同步性，但各有特點；地區空氣污染受天氣過程影響，城市污染因地理位置和經濟條件而各有特點。胡曉宇[5]認為冬季受偏北風的影響，廣佛一帶空氣污染會減輕，但卻加重了下風向的江門、珠海和中山等城市的污染；夏季，偏南風會減輕廣佛東莞一帶空氣污染的程度，但由于廣州、佛山部分地區的局地環流容易形成此地區的污染集聚區，造成局部重污染。張寶春[6]對珠三角地區城市空氣質量時空特征進行了研究，表明珠三角區域污染高值中心由東莞西部逐步向佛山中部轉移，珠三角的肇慶南部、佛山中部、中山北部以及廣州的南沙等區域空氣質量變化幅度較大，惠州、深圳、香港等地區的空氣質量較好，也較穩定。

在珠三角城市間空氣質量影響效應方面，王淑蘭[7]分析了珠三角地區城市之間大氣污染物相互輸送的特點和規律，指出珠江三角洲城市間污染相互作用顯著，其中廣州是最典型的與周邊發生顯著相互作用的城市之一。胡曉宇[8]對珠江三角洲地區2006年10月的大氣PM10污染進行模擬研究，指出珠江三角洲地區已形成PM10區域性污染的格局，城市間輸送已成為造成珠三角地區PM10污染的重要因素。陳煥生[9]分析了亞運時段珠三角各城市的源排放對廣州市污染物濃度貢獻，指出東莞對廣州地區大氣污染物的貢獻最大，NO2、SO2、PM10的日貢獻率分別高達19.3%、40.25%、48.7%。王芳、程水源[10]研究了跨區域輸送對廣州市顆粒物污染的貢獻，認為源自周邊城市的污染輸送與廣州的顆粒物污染密切相關，區域污染輸送對廣州市顆粒物污染的影響顯著。楊柳林[11]通過建立“四維通量法”研究廣州周邊地區PM10、O3對廣州空氣質量的影響。邱軍、范紹佳[12]分析了2006年7月珠江三角洲兩次重空氣污染過程與氣象條件的關系后認為：水平輸送和垂直擴散的共同作用決定著珠江三角洲區域空氣污染的時空分布。

以上對珠三角城市空氣質量的研究，都采用動力學模型，對某一短時段的空氣質量分布及原因進行研究，時間跨度較小。動力學模型適合研究短期內的某個特殊的天氣狀況，但城市空氣質量問題卻是一個長期而連續的過程，因此有必要對其進行一個長期的觀察與研究。本文從統計學的角度，以城市為單位來研究珠三角2002～2011年城市空氣質量問題，為珠三角實行城市空氣質量管制提供政策參考。

二、珠三角空氣質量數據來源

空氣污染指數（Air Pollution Index，簡稱API）是一種反應和評價城市空氣質量好壞的數量尺度，是將常規監測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數值形式，并分級表征空氣污染程度和空氣質量狀況（表1），適合于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢[13]。

目前，珠三角地區已經建立城市空氣質量常規監測站的站點數達到了62個，這62個監測站點均具備二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、可吸收顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）6種污染物的監測能力。廣東環境保護公眾網發布監測數據的17個監測站點遍布珠三角各市，包括廣州、深圳、珠海、中山、佛山、肇慶、香港等城市，主要是粵港珠三角區域空氣質量監測網16個子站中位于珠三角的12個監測子站。

本文所采用的主要數據為廣東省環境信息綜合發布平臺公布的2002～2011年空氣環境質量中的珠三角9城市的API日報數據；由于珠三角 9個城市在這10年的首要污染物為PM10。其中廣州首要污染物為PM10的天數占總天數的比例75.32%，其余8個城市全部均在80%以上，所以通過API指數換算PM10濃度來反映空氣質量有較好的代表性。

三、珠三角空氣質量的時空分布模式

（一）年度空氣質量分布情況

從整體看，10年來珠三角PM10濃度在波動中總體呈下降趨勢（圖1），只在2003年和2007年出現了兩個較高點，API總體下降說明隨著經濟的發展和科技水平的提高，珠三角整體空氣質量有所改善，空氣質量等級為優的城市數量也在緩慢增長。

表1 空氣質量分級

圖1 珠三角9城市2002～2011年空氣質量時間分布

從城市間看，廣州、東莞、佛山的年均API值在9個城市中較高，但有緩慢下降的趨勢；珠海、惠州和肇慶的年平均API值雖然較低，尤其是珠海的空氣質量等級在十年中全為優，但年均API卻是在緩慢上升，惠州的年均API緩慢上升中在2003年和2007年出現了兩個高點，肇慶2002～2007年的年均API呈上升的趨勢，2008、2009年迅速下降，2010～2011年又呈上升趨于平穩的趨勢。

分析2002～2011年珠三角9城市API增長率（圖2），發現肇慶、珠海、惠州的API變化率為正值，表示十年里空氣質量呈現出下降的趨勢，其中惠州空氣質量下降得幅度最大。廣州、佛山、中山、江門、東莞和深圳的API變化率為負值，表示十年里空氣質量得到改善，其中東莞空氣質量改善得最明顯，其次為廣州。

圖2 2002～2011年珠三角9城市API增長率

（二）季度空氣質量分布情況

從整體來看，珠三角空氣質量存在典型的季節性特征（圖3）。季度平均API值曲線呈“U”形，第二季度有明顯的下降趨勢，第三季度下降的幅度較小，比較平緩，第四季度又明顯地上升。一季度和四季度的API相對要高，空氣質量較差，而二、三季度的API要低一些，空氣質量為優。這是因為珠三角夏季雨水多，加之偏南季候風為珠三角地區帶來了較潔凈的海洋性氣流。

從城市間來看，廣州、佛山和東莞的API高于其他六個城市，尤其是在二三季度，廣州在一、三、四季度中都為API最高的城市。珠海的API在任何季度都要比其他城市低，特別是在二三季度，城市空氣質量明顯比其他8個城市好很多。季度空氣質量呈現出以廣州為中心向四周圍好轉的空間分布模式（圖4）。

圖3 珠三角地區季度空氣質量時間分布

圖4 珠三角季度空氣質量空間分布

（三）月度空氣質量分布情況

珠三角城市空氣質量不僅存在典型的季節特征，還存在顯著的月度變化特征（圖5）。月均API值曲線呈“V”字形，且以7月為中心軸，兩邊大致對稱。API值從一月開始遞減，通常在7月達到最低值，之后API值又開始逐月遞增。五、六、七、八月的API值小于50，空氣質量為優，其余月份的API都大于50，空氣質量較差。說明冬季空氣質量較差，夏季空氣質量較好，春、秋兩季屬于過渡期。

圖5 珠三角地區月度空氣質量時間分布

從城市間來看，廣州、東莞、佛山的API相對于其他城市較高，即空氣質量相對較差，尤其是六、七、八月份的月均API在50以上，而其他6個城市的月均API均在50以下，空氣質量達到等級優。珠海、惠州和肇慶的API較低，即空氣質量相對較好，尤其是珠海，一年八個月的月均API都達到了等級優。由此，珠三角月度空氣質量空間分布與季度空氣質量的空間分布相一致，亦呈現出了以廣州為中心，向四周圍的城市逐漸轉好的趨勢（圖6）。

（四）珠三角9城市間空氣質量的空間溢出特征

1.檢驗方法

由于空氣污染具有空間擴散的特征，因此珠三角9個城市間的空氣質量可能具有相互影響。為了檢驗這種城市間的相互作用，擬采用格蘭杰（Granger）因果關系檢驗。該檢驗的基本原理是：如果x是引起y的變化原因，則在關于y的過去值的回歸中，添加x的過去值，應該能顯著增加回歸的解釋能力。此時，稱x為y的Granger原因。如果添加x的滯后變量后，沒有顯著增加模型的解釋能力，則x不是y的Granger原因。格蘭杰因果檢驗的前提是時間序列必須具有平穩性，否則可能會出現虛假回歸問題。因此在進行格蘭杰因果檢驗之前首先應對各指標時間序列的平穩性進行單位根檢驗。

2.檢驗結果及分析

圖6 珠三角月度空氣質量空間分布

首先對珠三角9個城市2002～2011年的年均API數據進行平穩性檢驗，結果顯示，東莞和惠州的年均API數據具有平穩性；佛山、廣州、江門、深圳和珠海在進行一階差分后平穩，為一階單整序列；肇慶和中山在二階差分后平穩，為二階單整序列。在平穩性檢驗的基礎上，對通過平穩性檢驗的城市、同階單整且通過協整檢驗的城市進行格蘭杰因果檢驗，檢驗結果見表2。

結合F檢驗值和P值，從表2知道，佛山空氣質量是廣州和深圳的格蘭杰原因，廣州空氣質量是深圳的格蘭杰原因，深圳空氣質量是珠海的格蘭杰原因?？諝赓|量受影響的廣州和深圳位于佛山的東部和東南部，深圳也位于廣州的東南部。珠三角位于廣東省中南部，背靠南嶺山脈，東、北、西三面環山不利于空氣污染物的輸送和擴散。十年來，佛山和廣州的空氣污染指數都居整個珠三角的前列，空氣質量較差，且位于珠三角地區的中心地帶，大量的污染物會向周圍城市擴散（當風力不大，風向不明顯時），因此會引起珠三角地區其他城市的空氣質量的變化。珠三角冬季盛行偏北風，加之冬季整個珠三角地區的API都偏高，明顯高于夏季，強烈的西北風導致中部的佛山和廣州的污染氣體會隨著風向向東南部的深圳擴散。珠海處于珠三角南部沿海地區，冬季盛行的偏北風會夾帶來深圳等地的污染物，因此會受到珠三角其他城市的空氣污染的影響。

四、珠三角城市空氣質量影響因素分析

隨著珠三角地區城市化進程的加速，城市規模不斷擴張，工業的集聚、人口規模的壯大、交通運輸業的發展和廢氣的排放等眾多因素，直接或間接地影響到城市空氣的質量。如何確定影響珠三角地區城市空氣質量的主要因素，并及時、恰當地加以控制，對改善珠三角城市空氣質量具有重大的意義。

表2 格蘭杰因果檢驗結果

（一）分析方法

城市空氣質量受經濟、社會和生態等眾多因素的影響，是一個復雜的現象，具有灰色系統的特征，因此本文選用灰色關聯分析法對珠三角9個城市空氣質量的影響因素進行分析?；疑P聯分析主要通過對系統數據序列的幾何關系進行比較來分析系統中各個因素間的關聯程度，其基本思想為：先確定目標序列和比較序列之間的關聯系數；在此基礎上，結合相對重要性權重，計算各序列和目標序列的關聯度。如果目標序列和比較序列關聯度較大，則認為兩者的相對變化基本一致；反之，則認為兩者變化差異較大。

據有關研究認為道路建設、舊城改造、住宅建設施工、汽車排放、工業排放等會對地區PM10濃度產生影響。在珠三角這些因素的作用如何則需要開展進一步的關聯度分析。設城市的PM10濃度為目標序列Y，并從經濟、社會、生態三方面選取對珠三角城市空氣質量影響較大的8個因素作為比較序列Xi（表3）。

（二）關聯度計算結果與分析

1.各市空氣質量的影響因素分析

通過計算珠三角各城市的空氣質量影響因素與其PM10濃度的關聯度，結果（表4）顯示：與廣州PM10濃度關聯度較高的前三個因素分別為煙塵排放量、工業SO2排放量和人均綠地面積；與深圳、珠海、佛山和中山PM10濃度關聯度較高的前三位因素，和廣州基本一致，只是順序或其中一個因素略有不同；與惠州和肇慶PM10濃度值關聯度較高的前三個因素共同有城鎮房屋施工面積和社會從業人員數，此外惠州的機動車擁有量和肇慶的工業SO2排放量與PM10濃度關聯度亦高；煙塵排放量位于東莞和江門PM10濃度關聯度較高的前三，東莞的工業SO2排放量和城鎮房屋施工面積與其PM10濃度關聯度亦較高，江門的社會從業人員數和機動車擁有量與其PM10濃度關聯度亦較高。

表3 目標序列和比較序列

以上分別分析了9個城市的空氣質量影響因素，工業SO2排放量、人均綠地面積和城鎮房屋施工面積是影響大部分城市空氣質量的主要原因。說明減少工業SO2的排放總量和城鎮房屋施工面積，同時提高人均綠地面積將有助于改善大部分城市的空氣質量。

2.城市之間空氣質量的影響因素

據表2，10年中年均空氣質量存在影響的城市共有4對，為了找出污染地的哪些因素對受影響城市的空氣質量產生影響，本文計算影響污染地空氣質量的因子與受影響城市的PM10濃度之間的關聯度（表5），結合表4，顯示：佛山的工業SO2排放量、人均綠地面積和機動車數量與廣州PM10濃度關聯度較大，其中工業SO2排放量與廣州PM10的關聯度要大于與其本身PM10濃度的關聯度；佛山的工業SO2排放量、城鎮房屋施工面積和機動車數量與深圳的PM10濃度關聯度較大，其中城鎮房屋施工面積和機動車數量與深圳PM10濃度的關聯度大于與佛山本地PM10濃度的關聯度；廣州的人均綠地面積、機動車數量和煙塵排放量與深圳PM10濃度的關聯度較大，其中機動車數量與煙塵排放量與深圳的PM10濃度的關聯度大于與其本身PM10濃度的關聯度；深圳的人均綠地面積、城鎮房屋施工面積和工業SO2排放量與珠海的PM10濃度關聯度較大，其中城鎮房屋施工面積與珠海的PM10濃度的關聯度大于與其本身PM10濃度的關聯度。

表4 每個城市目標序列與比較序列的關聯度

從以上分析知道，影響污染地空氣質量的許多因子會對受影響城市的空氣質量產生更大程度的影響（表6），這除了受風向的影響，還因為污染地城市為了減少本城市的空氣污染，提高空氣質量，往往把污染源轉移到該城市的邊界區域，因此會形成對周邊城市空氣質量更大的影響。對此，珠三角城市空氣質量要想得到改善，就需要城市與城市之間合作，從本源上降低污染，提高空氣質量，而不是城市間相互轉嫁污染。

表5 存在格蘭杰因果關系的城市間目標序列與比較序列的關聯度

表6 污染來源地對受影響城市空氣質量的影響因素的改變

五、結論

1.珠三角地區的空氣質量分布：時間上，2002～2011年空氣質量有所好轉，具有顯著的季節性特征，冬季空氣質量較差，夏季空氣質量較好；空間上呈現出空氣污染以廣州為中心向四周圍遞減的分布模式，并且存在城市間空氣質量的相互影響效應，位于珠三角中部的廣州和佛山對東、南部的深圳和珠海空氣質量影響較大。

2.2002～2011年，肇慶、珠海和惠州空氣質量有下降的趨勢，其中惠州空氣質量下降的幅度最大；其他城市空氣質量有所上升，東莞空氣質量改善得最明顯，其次為廣州。

3.從城市內部影響因素來看，珠三角大部分城市的空氣質量受工業SO2排放量、人均綠地面積和城鎮房屋施工面積的影響；從城市外部影響因素來看，影響污染地空氣質量的許多因子會對受影響城市的空氣質量產生更大程度的影響。佛山的工業SO2排放量、機動車數量和人均綠地面積，廣州的人均綠地面積和機動車數量，深圳的人均綠地面積和城鎮房屋施工面積，是引起受影響城市的空氣質量變化的主要因素。

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