世界天然氣重心移動與空間集聚特征研究

方葉兵，王禮茂，楊　艷，2，牟初夫，2

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049；3.安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽蕪湖241003）

世界天然氣重心移動與空間集聚特征研究

方葉兵1，2，3，王禮茂1，楊艷1，2，牟初夫1，2

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049；3.安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽蕪湖241003）

利用重心移動模型，結合空間集聚分析方法，從移動重心和集聚中心兩個角度分析1980年-2014年以來世界天然氣儲量、消費量和生產(chǎn)量的重心移動軌跡、空間集聚特征。研究發(fā)現(xiàn)：（1）自1980年以來世界天然氣探明儲量重心呈現(xiàn)東偏北移動趨勢，由北非向中東地區(qū)移動，儲量重心和儲量中心都在地理空間上接近于中東和前蘇聯(lián)地區(qū)；生產(chǎn)重心由大西洋西岸轉(zhuǎn)移到西歐和地中海，生產(chǎn)重心與生產(chǎn)中心偏差較大；天然氣消費重心由大西洋西岸向西歐和地中海移動。由于非OECD國家消費比重增高，導致消費重心與消費中心空間差異較大。（2）世界天然氣消費重心與生產(chǎn)重心密切相關，空間重疊性較高，而探明儲量與生產(chǎn)重心、消費重心之間變動具有較高的一致性，探明儲量對消費和生產(chǎn)的重心移動影響較大。（3）天然氣儲量、消費和生產(chǎn)具有較高的寡占型特點，2000年后空間集聚從高到低依次為儲量、生產(chǎn)和消費，主要國家間的規(guī)模差距在縮小。（4）重心移動模型與空間集聚方法相結合，在刻畫天然氣虛擬重心和實際集聚中心互為補充，有較好的效果。

天然氣；重心移動；空間重疊性；空間集聚

1　引言

作為一種重要清潔能源，天然氣將是2035年前世界增長最快和最清潔的化石燃料，對其需求增量是煤炭和石油的總和，頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)有望使世界能源格局進入天然氣時代［1］。隨著我國化石能源消費結構轉(zhuǎn)型，國際能源機構（IEA）預測我國在2035年天然氣需求量將提高到5450億立方米，是2011年的四倍以上［2］。《BP2035世界能源展望》預測我國2035年天然氣對外進口依賴將超過40%［1］，天然氣安全供應將成為中國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)。2011年，世界天然氣年均消費增長24%，作為燃料和原料天然氣的排放更低、用途更加廣發(fā)，在非常規(guī)油氣資源開發(fā)的驅(qū)動下，未來天然氣將成為需求增長最快的主要燃料［3］，世界有望步入天然氣時代。

世界油氣資源在全球?qū)用嫔媳憩F(xiàn)為明顯的空間不平衡性［4］，國內(nèi)外學者主要從供需格局［5］、能源地緣政治格局［6］、能源安全［7］等進行研究，對世界油氣能源在儲量、生產(chǎn)和消費三者之間的空間移動和空間集聚關系進行分析和比較尚顯薄弱。在對油氣資源空間格局進行定量分析主要有兩類方法，一類是自然裂點法、箱線圖、集中度、空間聚類、標準差橢圓、位序-規(guī)模分布等方法分析油氣在空間上的規(guī)模等級體系［5，8］，然而這種規(guī)模等級體系并不能進一步刻畫和分析其在地理空間上格局變化；另一類是重心移動、阿隆索模型等方法分析油氣空間移動和流動格局［9］，可較好地刻畫資源在歷史時期的空間移動過程，但重心移動只是呈現(xiàn)虛擬的幾何和規(guī)模的重心，而非現(xiàn)實中的資源在空間上的集聚中心。因此，在方法上需要將天然氣移動重心與天然氣的現(xiàn)實空間集聚中心進行綜合，從移動重心和集聚中心兩個方面揭示世界天然氣的空間移動格局演變。

因此，本文采用重心移動模型與空間集聚分析方法的相結合的方法，從移動重心和集聚重心的角度著力改進能源空間格局傳統(tǒng)分析方法，進而揭示全球天然氣長時間序列的重心變動軌跡和空間集聚特征，剖析世界天然氣儲量、生產(chǎn)量和消費量三者之間的格局演化和相互關系，探討影響全球天然氣空間格局變動的影響因素。

2　方法與數(shù)據(jù)來源

2.1方法

2.1.1重心模型美國學者Hilgard第一次將重心模型引入并研究美國人口問題，該模型簡單易用并準確地揭示了美國人口空間分布［10］。隨后該方法被用于人口、產(chǎn)業(yè)、資源、旅游、政治、經(jīng)濟等地理空間分布研究［11-16］。

式中：Eij表示在y年i國家的天然氣消費量、探明儲量或生產(chǎn)量；（xi，yi）為國家的空間幾何重心坐標；（xij，yij）為世界天然氣重心坐標。

2.1.2重心移動方向模型重心移動方向模型可用兩點間反正切函數(shù)表示。

式中：θm-k為移動方向，θ∈［-π，π］；（xk，yk）、（xm，ym）分別為兩個不同年份的天然氣地理坐標，k≤m；一般以正東為0°，逆時針轉(zhuǎn)至180°為負值，反之為正值。

2.1.3重心移動距離模型

式中：dm-k為m、k兩個年際間天然氣重心移動的距離。ρ為地理坐標經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為平面距離的系數(shù)。2.1.4集中度指數(shù)學界反映產(chǎn)業(yè)、資源在空間的集聚或不平衡性的測量方法主要有集中度指數(shù)（CRn）、赫芬達爾指數(shù)、熵指數(shù)、空間基尼系數(shù)和EG集聚指數(shù)等。集中度指數(shù)可以較好地分析前八位國家天然氣資源儲量、消費量和產(chǎn)量在空間上的集聚程度。

式中：N＞M；CRM為天然氣規(guī)模最大的M個國家的集中程度；M為天然氣規(guī)模最大的國家數(shù)；N表示選擇的具有一定天然氣規(guī)模的國家樣本數(shù)。通常M=4或8，即表示天然氣規(guī)模最大的前4個國家或前8個國家的集中程度。美國經(jīng)濟學家貝恩和日本通產(chǎn)省對集中度的劃分標準：CRR≥70%為極高寡占型；［40%，70%）為低集中寡占型；［20%，40%）為低集中競爭型；CRR＜20%為分散競爭型［17］。

2.1.5首位度首位度通常衡量區(qū)域城鎮(zhèn)規(guī)模序列中的第一位城市的優(yōu)勢性，廣泛應用于城市的人口、經(jīng)濟和旅游等規(guī)模分布［18-19］，在此反映天然氣儲量、產(chǎn)量、消費量規(guī)模分布的集中度。

式中：P為首位度；p1和p2分別為天然氣規(guī)模第一和第二大國家。P＞2表明結構失衡、過度集中的趨勢；P≤2表示結構正常、集中適當。

2.2數(shù)據(jù)來源

1980-2014年天然氣探明儲量、生產(chǎn)量、消費量等數(shù)據(jù)主要來源于《BP世界能源統(tǒng)計》及BP公司官網(wǎng)（www.bp.com）提供的歷史數(shù)據(jù)。此外，BP數(shù)據(jù)中一些少數(shù)國家由于在探明儲量、生產(chǎn)量、消費量等數(shù)據(jù)的數(shù)值比較小，在統(tǒng)計公布時各時間序列上沒有被BP統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫列上或籠統(tǒng)地被歸到其他地區(qū)中，因此缺失的數(shù)據(jù)來源于美國EIA官網(wǎng)（www.eia.com）。

3　結果與分析

3.1重心移動格局分析

3.1.1探明儲量重心移動軌跡、方向和速度天然氣探明儲量重心及其移動位置主要在北非和中東地區(qū)，呈現(xiàn)以伊朗、利比亞為主要重心點、“北非-中東”為重心的空間移動格局。1）重心點變動軌跡。1980-1990年，主要活動分布在北非的利比亞（圖1），約占整個重心點總數(shù)的37.5%。1990-2014年，天然氣探明儲量重心主要集中于中東伊朗，約占整個重心點總數(shù)的62.5%。2）重心移動方向和移動速度。呈現(xiàn)“東南-東北-東南—西南-東北”的“東向北進”移動格局，且不同時間段的移動速度也有快有慢（表1）。

圖1　天然氣探明儲量重心移動（1980-2014）

表1　世界天然氣探明儲量重心移動方向及移動距離（1980-2014）

3.1.2天然氣生產(chǎn)重心及其空間移動

1）生產(chǎn)重心及其移動位置主要在西歐和地中海地區(qū)（圖2），呈現(xiàn)以“大西洋西岸-西歐-地中海”的重心移動格局。2）重心移動方向上，呈現(xiàn)“東北-東南—西南-東南-西南”的“東向南移”移動格局；生產(chǎn)重心移動速度經(jīng)歷了“快-慢-快-慢”的特點（表2）。

表2　世界天然氣生產(chǎn)重心移動方向及移動距離（1980-2014）

圖2　天然氣生產(chǎn)重心移動軌跡（1980-2014）

3.1.3天然氣消費重心空間移動消費重心及其移動位置主要西歐和地中海地區(qū)，呈現(xiàn)以“大西洋-西歐-地中海”的重心移動格局。1）重心點變動趨勢上（圖3），1980-1990年，天然氣消費重心主要集中于大西洋，約占整個重心點總數(shù)的12.5%。1990-2014年，天然氣消費重心主要集中于西歐，約占整個重心點總數(shù)的54.5%。2）重心移動方向上，呈現(xiàn)“東北-東南-西南-東南”的“東向南移”移動格局。3）消費重心移動速度經(jīng)歷了“快-慢-快-慢”的特點（表3）。

圖3　天然氣消費重心移動軌跡（1980-2014）

表3　世界天然氣消費重心移動方向及移動距離（1980-2014）

3.2天然氣重心的空間耦合

為了進一步測度天然氣資源在探明儲量、生產(chǎn)重心和消費重心之間的空間耦合聯(lián)系，本文采用空間重疊性和變動一致性兩個指標，分析各重心系統(tǒng)在1980-2014年期間的距離變動和角度變動。

空間重疊性用兩者之間的距離表示，距離越近則表明二者之間的重疊性越高。結果表明：1）天然氣消費重心和生產(chǎn)重心的重疊性最高，在1980-2014年的34年期間，兩者的重心重疊性變化不大，始終穩(wěn)定在123-628Km，這表明全球天然氣消費與生產(chǎn)重心始終密切相關（圖4）。自1995年以來，全球天然氣消費重心與生產(chǎn)重心的空間距離不斷減小，重疊性不斷提高，至2014年減小到123km，二者重心的重疊性超過了所有的重心間的重疊性。2）生產(chǎn)重心-儲量重心與消費重心-儲量重心的空間重疊性過程相似，并在空間重疊性上趨向于距離縮短，但在2005年后基本穩(wěn)定在3288Km左右，天然氣儲量重心對天然氣消費重心和天然氣生產(chǎn)重心的空間移動影響較大。3）生產(chǎn)重心、消費重心遠離儲量重心，但基本穩(wěn)定在一定幅度范圍內(nèi)。1985年以來消費重心、生產(chǎn)重心與儲量重心的變動幅度高度相似，距離基本穩(wěn)定在2400-3900km之間，但消費-儲量重心距離大于生產(chǎn)-儲量重心距離。

圖4　各時期天然氣各重心之間的空間距離

各重心之間的變動一致性，以某一時點的重心之間產(chǎn)生移動的矢量夾角φ來表示，φ取值范圍在0°～180°之間，一般用φ的余弦值作為變動一致性指數(shù)C。C值越大則表示兩者之間的變動一致性越大，當C=1時，表示完全同向；C=-1時，表示完全反向［9］。

式中，△X和△Y分別表示兩個時間點的經(jīng)度和緯度變化量。運用式（6），計算天然氣產(chǎn)、消、儲等重心間變動的一致性指數(shù)，計算結果如圖5。整體看，除消費重心與生產(chǎn)重心在1980年等于-1外，其它重心之間的變動一致性指數(shù)均高于0，并在1990年后各重心的變動一致性指數(shù)越來越趨向于1，最后在2005年后各重心間變動一致性近乎重疊。消費重心與生產(chǎn)重心的變動一致性指數(shù)由1980年的-1上升到1985年的1，并以C=1的值一直保持，說明1985年后全球天然氣消費重心和生產(chǎn)重心穩(wěn)定的高度變動一致性。在與探明儲量重心有關的消費和生產(chǎn)重心，雖然變動一致性指數(shù)大小雖略有不同，但變動都具有較高的一致性，這反映出消費重心和生產(chǎn)重心受探明儲量重心的影響較大，說明探明儲量是全球天然氣資源流動的重要驅(qū)動力。在1990年后變動一致性指數(shù)C逐漸縮小差距，越來越趨向于1，2005年后，這種變動一致性近乎重疊。

圖5　天然氣消費重心、生產(chǎn)重心、儲量重心的一致性指數(shù)

3.3天然氣的空間集聚特征

3.3.1儲量分布的空間特征天然氣儲量分布具有顯著的非均衡性特點，正向極高寡占型演化，但國家間儲量差距正趨于縮小。從集中度系數(shù)（圖6）來看，1980年以CRR的波動范圍是在0.43-0.74之間。這表明34年來世界天然氣探明儲量由低集中寡占型向極高寡占型趨勢發(fā)展。1980年占據(jù)全世界前4位的國家主要是伊朗、美國、沙特阿拉伯和卡特爾。2014年，占據(jù)世界天然氣儲量最多的4個國家為世界油氣心臟地帶的伊朗、俄羅斯、卡塔爾和土庫曼斯坦僅4國的探明儲量占世界天然氣份額的74%，常規(guī)天然氣探明儲量呈現(xiàn)極高寡占型特點。天然氣儲量首位度由1980年的2.5下降到2014年的1.0（圖7）。這表明世界常規(guī)天然氣儲量雖然越來越趨向于較少的幾個主要天然氣大國，但大國之間的儲量差距呈現(xiàn)縮小趨勢，規(guī)模位序結構趨于適中。

圖6　天然氣儲量、消費量和生產(chǎn)量集中度指數(shù)

3.3.2生產(chǎn)量分布的空間特征天然氣生產(chǎn)以寡占型為主，北美、前蘇聯(lián)、中東是天然氣生產(chǎn)的主要地區(qū)。CRR主要在0.59-0.75之間波動，天然氣生產(chǎn)在1980至2014年間經(jīng)歷了上升和下降期，1995年后，隨著前蘇聯(lián)和中東地區(qū)的生產(chǎn)擴大，天然氣重心向東移動，生產(chǎn)集中度有所下降。1980年前8位生產(chǎn)大國分別為：美國、荷蘭、加拿大、英國、羅馬利亞、墨西哥、挪威和德國。2014年前8位生產(chǎn)大國分別為：美國、俄羅斯、卡塔爾、伊朗、加拿大、中國、挪威和沙特。生產(chǎn)量首位度由1980年的7.2下降到2014年的1.2，世界主要生產(chǎn)量大國間差距在縮小，天然氣生產(chǎn)呈現(xiàn)多極化。

圖7　天然氣儲量、消費量和生產(chǎn)量首位度（1980-2014）

3.3.3消費量分布的空間特征天然氣消費也呈現(xiàn)低集中寡占型的特點，非OECD（經(jīng)合組織）國家日趨成為天然氣消費主要國家，北美、東亞、前蘇聯(lián)和中東是主要消費地區(qū)。CRR主要在0.54-0.71之間波動，除了1985年表現(xiàn)為極高寡占型特點外其它幾個時間節(jié)點，世界天然氣消費主要以低集中寡占型為主。1980年占據(jù)全世界消費規(guī)模前8位的國家依次為美國、德國、加拿大、英國、羅馬利亞、荷蘭、法國和意大利。隨著歐洲發(fā)達國家的非化石能源比例上升、能效的提高，OECD國家天然氣消費量下降，亞洲經(jīng)濟及新興經(jīng)濟體的高速增長，而俄羅斯、中國、伊朗、沙特等非OECD國家的天然氣消費量增長較快。2014年前8位消費大國依次為美國、俄羅斯、中國、伊朗、日本、沙特、加拿大、墨西哥。消費量首位度由1980年的9.8下降到2014年的1.9，規(guī)模位序結構趨于合理適中，世界天然氣消費多極化，但主要集中地區(qū)為北美、東亞、前蘇聯(lián)和中東。

3.3.4空間綜合特征2000年后儲量集中度指數(shù)一直高于生產(chǎn)量和消費量的集中度指數(shù)，國家間的規(guī)模差距正在縮小，但仍屬高度集中態(tài)勢。1）世界天然氣格局在2000年后整體上趨于儲量集中上升期，儲量越來越趨向于前蘇聯(lián)和中東地區(qū)的少數(shù)幾個國家。2）生產(chǎn)和消費的集中度指數(shù)漸漸趨于下降，非OECD國家成為天然氣生產(chǎn)和消費多極化的重要力量。3）世界天然氣儲量、消費量和生產(chǎn)量的首位度趨于降低，基本穩(wěn)定在2以內(nèi)。這表明世界天然氣消費規(guī)模、儲量規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模進入了結構正常、集中適當?shù)囊?guī)模結構和集中程度。

4　結論與討論

（1）1980-2014年，世界天然氣探明儲量重心由北非移動至中東，生產(chǎn)重心由大西洋西岸向東南移動至西歐和地中海，消費重心由大西洋西岸移動至西歐和地中海；探明儲量、生產(chǎn)和消費的重心移動方向均以向東移動為主，儲量重心移動向東偏北5.46°、生產(chǎn)重心移動東偏南3.66°、消費重心移動向東偏南3.95°；天然氣儲量、生產(chǎn)和消費的重心移動速度由快轉(zhuǎn)慢，年均移動距離依次為97.94Km、179Km和164.06Km，儲量、生產(chǎn)和消費等三個重心在東西方向上的年均移動速度都大于南北方向上的年均移動速度，速度比值分別為9倍、11倍和10倍。相比較而言，探明儲量重心和儲量中心在空間上都較為接近，而天然氣生產(chǎn)、消費的重心與生產(chǎn)、消費的中心在空間上相聚較遠。

（2）世界天然氣消費重心與生產(chǎn)重心密切相關，在空間上重疊性較高；而探明儲量與生產(chǎn)重心、消費重心之間變動具有較高的一致性，探明儲量對消費和生產(chǎn)的重心移動影響較大。全球天然氣資源80%集中于俄羅斯、中東和中亞地區(qū)，深深地影響著世界天然氣生產(chǎn)、消費和貿(mào)易。隨著非常規(guī)油氣資源豐富的美洲對非常規(guī)油氣的開采和出口，美洲在未來將改變世界天然氣貿(mào)易格局。

（3）天然氣儲量、消費、生產(chǎn)都具有較高的寡占型特點，高度集中在少數(shù)幾個國家，2000年后天然氣空間集聚程度高低依次為：儲量、生產(chǎn)量和消費量。首位度下降則表明大國間差距正在縮小，呈現(xiàn)多極化趨勢。

（4）重心移動方法在反映長時間序列的區(qū)域格局變動上可以準確地刻畫天然氣在空間上方向、距離、速度等移動軌跡，也可直觀的呈現(xiàn)天然氣儲量、生產(chǎn)、消費的重心地理位置以及三者之間的移動角度和空間上的重疊關系。但重心移動模型所表達的重心點只是虛擬重心，與天然氣空間集聚的中心可能并不一致，因此需要運用集中度和首位度來反映天然氣的實際空間集聚中心的變化。從上述研究看，重心移動模型與空間集聚互為補充，可較好地刻畫和剖析世界天然氣空間格局演變趨勢。

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［責任編輯：余義兵］

K902

A

1674-1102（2016）03-0073-05

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0018

2016-03-21

國家自然科學基金青年項目（41301127）；教育部人文社會科學青年基金項目（13YJCZH037）。

方葉兵（1978-），男，安徽蕪湖人，中國科學院地理科學與資源研究所博士研究生，研究方向為能源地理及能源地緣政治。