基于結構方程模型的全國區域霧霾水平評價研究

洪 宇

（安徽財經大學 統計與數學學院，安徽 蚌埠 233030）

引言

目前，國際社會對于霧霾的形成原因還沒有一個統一的認識。盡管我國提倡生態文明建設和環境保護，出臺大氣防治污染條例和環境保護政策，但是近年來霧霾污染仍頻繁發生，霧霾污染所造成的影響已經嚴重影響到我國居民的生活起居以及道路交通，霧霾污染問題在我國政府和社會各界廣受關注。

霧霾的形成原因是多方面的、復雜的，地區之間所受到的污染程度問題也不盡相同。研究霧霾污染的視角有很多，但是研究者普遍站在環境的角度進行分析。霧霾污染固然可以通過測定大氣廢氣以及顆粒物濃度來衡量其發生水平，但歸根結底仍是地區經濟發展、居民生活過程中排出的垃圾廢氣所造成的。我們需要明確這一點，方能追其本質，優化產業結構、提高能源效率、合理利用資源，以改善我國地區空氣質量水平，為政府部門治理霧霾污染制定政策提供科學依據。

一、文獻綜述

目前，國內外學者對霧霾污染的產生原因以及嚴重程度進行了探究。

霧霾是“霧”和“霾”的統稱，通常指的是一種污染性天氣，通常是人類社會活動在特定的自然條件下反應產生的。王躍思（2014）認為，霧霾污染的產生分為兩個來源：一次來源主要是由于居民生活、工業生產等直接排放到空氣中的顆粒物；二次來源主要是因人類活動所排放的氣態污染物，如氮氧化物、二氧化硫等，在大氣中通過復雜的化學反應產生的顆粒物所導致的。孟曉艷（2014）認為，隨著氣溫變暖、空氣濕度增加、顆粒物濃度提高、風速較小等原因形成霧霾天氣。因此，我國政府根據研究結果，由通過使用大氣中PM2.5濃度對霧霾污染水平進行測度，進一步使用空氣質量指數體系對霧霾污染水平加以衡量。

霧霾污染對居民生活產生了巨大的負面影響，對霧霾的測度尤為必要，為此，國內外專家通過不同的角度對霧霾污染水平進行測度。Ram（2012）根據冬季印度恒河平原區域大氣中因社會生產和道路交通所產生的二次無機氣溶膠和黑炭含量反映霧霾污染水平。Doumbia（2012）根據非洲中西部大氣中因工業生產釋放的黑炭含量反映霧霾污染水平。于興娜（2012）根據氣溶膠的光學特性量化了霧霾污染的水平。王立平（2016）依據政策、經濟、人口三個方面綜合反映地區霧霾污染水平。韓琭（2017）通過構建霧霾災害風險指數測度了我國省會城市的霧霾污染水平。但是，上述研究沒有考慮到影響霧霾污染水平的路徑依賴性和變量之間的內生性，以及不可測變量的測度問題。因此，研究需結合變量間內生性及評價模型的潛在因素全面考慮。

二、指標體系構建

為了適應我國霧霾污染分析的實際需要，結合我國國情建立一套科學的指標體系十分必要。但是在評價霧霾污染程度的過程中，霧霾造成的影響程度因素不僅包括可測的指標，還包括不可測指標，需要用到潛在變量指標和觀測變量指標對模型綜合評價，因此在建立霧霾污染指標體系的過程中必須遵從科學性、系統性、可比性、可操作性原則。

綜上所述，建立霧霾污染程度指標體系，結果見表1。

由表1知，我國霧霾污染程度指標的構建應綜合考慮地區發展情況、居民生活因素以及空氣污染因素。其中，“空氣污染”作為最直接影響霧霾污染的形成原因，因此把空氣污染作為直接影響潛在指標，可由“二氧化硫”、“氮氧化物”、“煙（粉）塵”的排放量三個可測指標綜合反映；而“地區發展”和“居民生活”作為間接形成霧霾污染的原因，因此把這兩種因素作為間接影響潛在指標，可分別由“地區生產總值”、“第二產業增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數量”、“地區人口”六個可測指標綜合反映。

表1 霧霾污染程度結構方程模型指標

因此，我國霧霾污染水平的構成因子應由上述指標所組成的指標體系進行分析研究得出。

三、分析方法

結構方程模型又可稱為SEM（Structure Equation Modeling）模型，其本質在于運用廣義線性方程來表示潛變量以及顯變量之間因果關系的統計方法。它主要是利用路徑分析來研究兩種變量之間的關系和結構并探究變量間最優化路徑問題，以及因子分析方法的降維技術和變量測量問題。其中，顯變量又可稱為可測變量，往往表示分析對象的客觀本質因素；潛變量又可稱為不可測變量，由于社會經濟生活中有許多指標不可以被量化，但又客觀存在，我們根據這些性質引入潛變量的概念，對不可測指標變量具體化，表示分析對象的潛在因素，符合現實經濟社會研究的客觀性，提高實際分析中的準確性和全面性。

結構方程模型的優勢在于，狹義的線性方程需要在單一的時點條件下研究單一變量對因變量關系程度，在分析過程中變量不能存在不可測的條件因素。結構方程模型引入了潛變量和顯變量的概念，能夠對不可測變量模型進行分析；并且能夠研究兩組或兩組以上的自變量與多組因變量之間的結構關系，克服了傳統線性方程模型的缺點，非常適合對霧霾污染這種多方面、復雜的自然現象進行探究和分析。分析步驟如下。

（一）明確分析對象

理解分析對象的影響因素并確定變量之間的因果關系，根據分析對象的性質提出先驗假設條件，并建立合理的結構方程模型指標體系。對指標體系進行效度分析，如果指標間的相關程度過大，則不能結構方程模型擬合，需要重新選取分析指標。

（二）對模型進行設定

明確潛變量和顯變量，并根據潛變量和顯變量之間的因果關系，或兩種變量的內部關系，用矩陣方程表示或路徑圖的方式繪制出來。

（三）對模型進行擬合

根據設定后的結構方程模型，估計模型中的參數，模型擬合的目標是使模型中潛變量的協方差與顯變量的協方差距離最小。

（四）對模型進行評價

根據各個參數的估計結果，得出模型擬合程度和各個路徑的系數。對分析對象結合結構方程模型結果進行解釋并綜合評價，提出政策建議。

四、實證分析

（一）模型設定

根據結構方程模型選取變量并設定假定條件。

1.“地區發展”、“居民生活”和“空氣污染”是結構方程模型的潛在變量。其中，“地區發展”和“居民生活”是造成霧霾污染的內生潛變量，二者之間相互影響，并共同影響“空氣污染”，因此后者是結構方程模型的外生潛變量。

2.“地區生產總值”、“第二產業增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數量”、“地區人口”、“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”排放量九個指標是結構方程模型的觀察變量。其中，“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”是外生顯變量，直接決定著霧霾污染的污染程度，而其他六個觀察變量是結構方程的內生顯變量，間接影響著霧霾污染的發生程度。

3.根據模型的每一個潛在變量和觀察變量增加殘差項，為標準化測量，設置路徑系數1。結合實際研究的需要，霧霾污染評價指標體系對于不同的評價目的的評價結果是不同的，因此，在實證分析中研究霧霾污染評價結果會隨著指標體系建立的不同而變化，我們需根據實際需要制定不同的評價目的提取有價值的信息。為此，我們把霧霾污染結構方程模型指標體系進行分組，評價目的分別為“地區發展對霧霾污染的影響”、“居民生活對霧霾污染的影響”、“綜合影響”三個方面，對應著相應的顯變量、潛變量指標，結果見表2。

表2 霧霾污染評價目的

根據上述假定以及評價目的，建立如下模型分析霧霾污染水平：

其中，式（1）表示霧霾污染水平外生變量的測量方程，x是“二氧化硫”、“氮氧化物”和“煙（粉）塵”組成的顯變量集合，ξ表示“空氣質量”向量集，Λx表示x在ξ上的因子載荷矩陣，δ是外生變量測量方程的誤差；式（2）表示霧霾污染水平內生變量的測量方程，y是“地區生產總值”、“第二產業增加值”、“城市面積”、“居民電力消費量”、“民用汽車數量”、“地區人口”組成的顯變量集合，η表示“地區發展”、“居民生活”組成的向量集，Λy表示y在η上的因子載荷矩陣，ε是內生變量測量方程的誤差；式（3）描述了結構方程模型中的內生潛變量和外生潛變量間的因果關系，根據上述條件，B是表示內生潛變量η之間相互影響的關系矩陣，而Γ是表示外生潛變量ξ對內生潛變量η影響的關系矩陣，ζ表示方程不能夠解釋的部分。

（二）樣本來源

本文數據來源于《中國年統計年鑒—2017》，全國共31個省份的2016年數據，數據真實有效。

（三）結論分析

1．地區發展對霧霾污染影響。綜上所述，構建地區發展對霧霾污染影響結構方程模型，結果如圖1所示。

圖1 地區發展對霧霾污染影響結構方程模型

地區發展影響空氣污染的標準化路徑系數為0．73，影響程度較大且影響方向為正，符合結構方程模型的假定條件（1），即地區發展是地區霧霾污染的影響因素之一。而地區生產總值、第二產業增加值、城市面積影響地區發展的路徑系數分別為 0．98、1．00、0．73，影響力都較大，符合結構方程模型假定條件（2），即地區生產總值、第二產業增加值、城市面積都是影響地區霧霾污染的影響因素。表3為地區發展對霧霾污染影響結構方程的參數估計。

表3 地區發展對霧霾污染影響結構方程參數估計

以上結果說明，地區生產總值、第二產業增加值、城市面積盡管會對一個地區的經濟社會起著促進作用，但同樣會給地區帶來環境污染。

2．居民生活對霧霾污染影響。構建居民生活對霧霾污染影響結構方程模型，結果如圖2所示。

圖2 居民生活對霧霾污染影響結構方程模型

根據模型修正指數對模型進行優化，最優模型結果如圖。居民生活影響空氣污染的標準化路徑系數為0．83，影響程度較大且影響方向為正，符合結構方程模型的假定條件（1），即居民生活是地區霧霾污染的影響因素之一。而居民電力消費量、民用汽車數量、地區人口影響居民生活的路徑系數分別為 0．95、0．99、0．91，影響力都較大，符合結構方程模型假定條件（2），即居民電力消費量、民用汽車數量、地區人口都是影響地區霧霾污染的影響因素。表4為居民生活對霧霾污染影響結構方程的參數估計。

表4 居民生活對霧霾污染影響結構方程參數估計

以上結果說明，居民電力消費量、民用汽車數量、地區人口是一個地區經濟社會繁榮的重要標志，但同樣會給地區帶來環境污染。

圖3 綜合影響結構方程模型

3．綜合影響。為了考慮到地區發展和居民生活之間可能會相互影響，因此需構建綜合影響結構方程模型，對霧霾影響因素綜合分析，結果如圖3所示。地反映了構成霧霾影響因素綜合情況。地區發展影響空氣污染的標準化路徑系數為0．67，居民生活影響空氣污染的標準化路徑系數為0．86，影響程度較大且影響方向為正，符合結構方程模型的假定條件（1）。而間接影響因素的路徑系數都在0．7以上，影響力都較大，符合結構方程模型假定條件（2）。表5為地區發展、居民生活對霧霾污染綜合影響結構方程的參數估計。

綜合（一）和（二）結論，地區發展規模和居民生活中都可能造成霧霾污染，同時也考慮到二者之間可能互相影響，并有可能產生副產物共同作用于霧霾污染。因此，對于霧霾污染的復雜性和多放面性，我們考慮霧霾影響程度的測度問題時，需要綜合地區發展以及居民生活兩個方面。

（四）霧霾水平綜合評分

根據結構方程模型擬合結果，可以對我國全國各省霧霾污染狀況進行建模，結果如下：

根據模型修正指數對模型進行優化，最優模型結果很好

其中，上式方程是各組評價目的所對應的霧霾污染評價綜合指數，是各顯變量的權重系數，是各潛變量的權重系數。

對數據進行標準化，根據結構方程模型擬合結果，并結合霧霾污染水平綜合評價目的，為了得到霧霾水平評價標準，我們可以通過專家評分法，對地區生產總值、第二產業增加值、城市面積、居民電力消費量、民用汽車數量、地區人口、二氧化硫、氮氧化物和煙（粉）塵九個分量按照輕度污染、中度污染、重度污染三個評價標準進行標準化分值：

表5 綜合影響結構方程參數估計

輕度污染—中度污染：（0．5，-1．5，-0．5，0．0，-0．5，0．5，-1．5，-1．5，-1．5）

中 度 污 染—重 度 污 染 ：（0．5，1．0，0．5，0．0，1．5，1．0，1．0，1．0，1．0）

其中，評分以0．0為中間程度，正向為程度越大，反之越小。

綜上所述，根據結構方程評價模型，并結合各組變量的權重歸一化結果，分別計算地區發展、居民生活和綜合影響對霧霾污染水平的評分，并對三種評分結果進行平均得到最終評分結果和全國各省霧霾污染水平綜合排名。參照全國各省份空氣質量達到及大于2級的天數進行排序，將結構方程模型對全國各省霧霾污染水平綜合排名與實際空氣質量水平進行對比。根據霧霾污染水平結構方程評價標準和各組的權重系數，計算得到輕度污染—中度污染的界定標準為-0．22，中度污染—重度污染的界定標準為0．29，進一步對霧霾污染水平進行分組，結果見表6。

表6 全國各省霧霾污染水平綜合評分和污染程度

續表

（五）我國區域霧霾空間分布特征

根據全國各省霧霾污染水平綜合評分和霧霾污染程度結果，并按照輕度污染、中度污染以及重度污染三種霧霾污染程度，對我國各省份霧霾污染水平的分布狀況做出了矢量圖，結果如圖4所示。

五、結論和建議

圖4 全國各省霧霾污染水平分布圖

根據結構方程模型假定條件，并結合實際研究需要，本文分別通過地區發展對霧霾污染的影響、居民生活對霧霾污染的影響和綜合影響三個評價目的，對全國各省的霧霾污染現狀進行了研究和分析，現基于上述結構方程模型的結果，對我國各省霧霾污染水平現狀做出總結，并提出建議：

結構方程模型結果顯示，地區發展和居民生活對霧霾污染的影響都是正向的，說明地區發展規模和居民生活中產生的環境污染都會造成霧霾污染程度加深。

結合實際，居民生活過程中產生的垃圾廢氣等會對環境造成破壞，進而形成霧霾污染。居民生活造成霧霾污染主要分為三個方面：（1）民居的用電需求越高，對地區的發電水平要求也相對越高，而我國各地區發電站仍以火力發電為主，大量的電力需求將會對大氣造成嚴重的污染。因此，各地區需要對居民宣傳節能環保意識，推廣使用耗電量較小的家用電器，同時各地區政府應減少公共設施用電的預算。（2）隨著我國居民生活質量不斷提升，民用汽車的使用量也在不斷增加，不僅造成了城市交通負擔，也造成了嚴重的霧霾污染。因此，各地區應建議居民選擇乘使公共車輛，選擇步行或騎行單車，減少私家車的使用，增強居民的減排意識。（3）隨著大量的人口涌入經濟較為發達的地區，不僅產生了大量的社會問題，同時給地區的環境造成了較大的負擔。因此，我國大力支持發展我國西北部地區，提高該地區人員待遇，吸引外來人員，使我國地區人口均衡發展。

路徑分析結果顯示，居民生活造成的霧霾污染相較于地區發展所造成的霧霾污染更加嚴重，這說明了：（1）發展規模較為發達的地區，可能會更注意環境的保護，對霧霾污染的防治工作做得更加充分。因此，各地區要在保護環境的前提下發展經濟，進一步將環境問題當作是地區發展的重要標準。（2）相比地區整體規模，產業結構可能會是造成霧霾污染的重要因素，因此一些以第二產業為主導地位省份的霧霾污染水平相對較高。因此，霧霾污染水平較高的省份應合理優化產業結構，縮減第二產業增加值，或制定節能減排政策。（3）隨著房價不斷上漲，各地區地產商盲目增加建筑面積，盡管使得經濟高速發展，城市化得到進一步加強，但造成了嚴重的環境污染。因此，各地區應合理規劃城市建筑面積，優先植樹，增加地區森林覆蓋面積，減少對綠色植物的破壞。

全國霧霾污染水平分布狀況顯示，我國重度霧霾的省份有河南、陜西、河北、山東、四川，這五個省份主要集中在我國的中部地區。這些省份的共同點一般都是第二產業所占比重較大、人口密度比較稠密、城鎮化發展比較迅速，所造成的霧霾污染程度也就相對較高。因此，我國中部地區需要依托現有基礎，優化產業結構，要以核心技術研發為著力點推進工業化和城鎮化，努力發展循環經濟，提高資源節約和綜合利用水平，降低霧霾水平，做到生態、經濟齊頭并進發展。

經濟發展與生態發展并不是矛盾的，全國各地區應在盡量減少生態環境破壞的前提下謀求發展，在確保生態壞境的基礎上檢驗地區發展水平。因此，各地區要加大科技研發的投入力度，以核心技術研發為著力點，努力發展循環經濟。先進的科學技術是發展經濟同時也是降低霧霾水平的有效手段。