基于重心模型的湖南省霧霾時空分布特征及其驅(qū)動機制分析

李春紅，王 鵬，張楚楚，劉 娟，李 招

衡陽師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，湖南 衡陽 421002

自2013年以來，我國大范圍持續(xù)霧霾天氣頻發(fā)，不少地區(qū)的霧霾天數(shù)接連創(chuàng)下歷史記錄。由此，霧霾成為公眾關(guān)注的熱點，政府開始將霧霾列為環(huán)境治理的重點，學(xué)者們對霧霾的研究也不斷加強[1]。例如，王亞等[2]通過統(tǒng)計分析湖南省1971—2016年霧霾天氣的時空分布特征，得出了湖南省大霧天氣的年發(fā)生天數(shù)在前期變化較為平穩(wěn)，后期先降再升，而霾天氣的年發(fā)生天數(shù)在前期稍有下降，后期迅速上升的結(jié)論。蔡雯穎等[3]通過分析福建省2016—2018年P(guān)M2.5濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬了污染重心的移動軌跡，得出了省內(nèi)東部污染較西部重的結(jié)論。對比霧霾相關(guān)的各種研究方法，發(fā)現(xiàn)相比描述性分析，重心模型能更直觀地表達霧霾污染的差異。國外學(xué)者對“重心”的研究起步較早，最初是美國經(jīng)濟學(xué)家WALKER將其應(yīng)用于社會問題研究[4]。GRTHER等[5]用“重心”的概念解釋了貿(mào)易交往中的污染轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。而國內(nèi)學(xué)者在社會問題上對“重心”的應(yīng)用則可追溯到20世紀70年代，但主要應(yīng)用于人口、經(jīng)濟研究。李儀俊[6]利用重心模型揭示了中國的人口重心及其移動軌跡。喬谷陽等[7]提出，2003—2013年，河南省經(jīng)濟重心在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展政策的影響下小幅移動，“三廢”重心則向經(jīng)濟重心兩側(cè)移動。

湖南省作為長江經(jīng)濟帶的重要組成部分，正處在加快“3+5”城市群建設(shè)的重要時期。伴隨著城市群的建設(shè)，各類環(huán)境問題的發(fā)生風(fēng)險不容忽視。針對湖南省大氣污染形成機制、影響及控制途徑的研究在2010年后開始得到重視，但研究對象多為長沙、株洲和湘潭等重點城市，針對湖南全省的霧霾污染研究依舊偏少。此外，研究內(nèi)容也僅以PM2.5濃度來衡量某一地區(qū)的霧霾污染狀況，評價指標相對單一。鑒于此，本文嘗試利用空氣質(zhì)量監(jiān)測中的6種污染物數(shù)據(jù)，綜合計算湖南省2015—2020年霧霾污染指數(shù)[8]，以此衡量全省霧霾污染程度，并利用重心模型探討湖南省2015—2020年霧霾污染的時空分布特征，以期為湖南省空氣質(zhì)量控制和預(yù)測提供參考。

1 研究區(qū)域概況

改革開放以來，工業(yè)在湖南省國民經(jīng)濟中已經(jīng)占據(jù)非常重要的位置，湖南省整體工業(yè)實力不斷增強，但由此引發(fā)的環(huán)境污染也日趨嚴重。2013年，湖南省遭遇了有史以來最嚴重的空氣污染。隨后，相關(guān)部門采取了一系列措施，不斷加強大氣污染防治。經(jīng)過一系列努力，湖南省整體空氣質(zhì)量逐步好轉(zhuǎn)(圖1)。《2020年湖南省生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，2020年全省14個主要城市的空氣質(zhì)量平均優(yōu)良天數(shù)比例為91.7%，相比2015年提高了13.8%。

圖1 2015—2020年湖南省年平均空氣污染天數(shù)Fig.1 Average number of pollution days inHunan Province from 2015 to 2020

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)6種主要大氣污染物(PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3和CO)監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺。自然氣象數(shù)據(jù)來自2015—2020年《湖南省統(tǒng)計年鑒》。年際霧霾污染指數(shù)是指湖南省各市州某一年度的霧霾污染指數(shù)總量；季節(jié)霧霾污染指數(shù)是指湖南省各市州一年中某一季節(jié)的霧霾污染指數(shù)總量。

2.2 研究方法

2.2.1 霧霾污染指數(shù)

綜合考量PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3和CO 6種主要污染物的污染情況，對造成污染的6種污染物進行成對比較[9-11]，再對其結(jié)果進行賦值、排序，用以確定各污染物的權(quán)重，并以數(shù)值的形式表示霧霾污染的程度，即霧霾污染指數(shù)[8]。霧霾污染指數(shù)用Xi表示，計算公式如下：

(1)

式中：n為污染物種類數(shù)；Ci為污染物i的濃度值；Wi為污染物i的權(quán)重值，其中PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3、CO對應(yīng)的權(quán)重值分別為0.35、0.26、0.15、0.15、0.02、0.07[8]。

2.2.2 重心模型

研究區(qū)域的某一特定屬性值在空間平面上達到平衡的位置，即為“重心”[3]。霧霾污染重心的變動能夠反映出研究區(qū)域內(nèi)不同時間的污染物空間分布差異及運動軌跡。假設(shè)湖南省各市州是一個質(zhì)地均勻的平面，用經(jīng)緯度來表示各市州的地理位置。根據(jù)重心模型中的相關(guān)公式，可得出湖南省各市州基于霧霾污染指數(shù)的重心位置。具體公式如下：

Xt=∑Ctixi/∑Cti

(2)

Yt=∑Ctiyi/∑Cti

(3)

式中：Xt、Yt分別為第t年霧霾污染重心的經(jīng)緯度坐標；Cti為i市州的霧霾污染指數(shù)；xi、yi分別為i市州所在地的經(jīng)緯度坐標。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 霧霾污染的年際變化特征

從表1可知，2015—2020年湖南省各市州的霧霾污染指數(shù)總體呈波動下降趨勢，大部分市州的年際霧霾污染指數(shù)最高值出現(xiàn)在2016年，最低值出現(xiàn)在2020年。2016年峰值的出現(xiàn)與各市州的空氣質(zhì)量變化有著密切聯(lián)系。根據(jù)原湖南省環(huán)境保護廳《2016年12月全省14個市州城市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況及排名》，與2015年同期相比，湖南省14個主要城市的環(huán)境空氣質(zhì)量平均優(yōu)良天數(shù)比例中，僅益陽市提升了8%，其余城市均有不同程度的下降；輕度及以上污染天數(shù)的比例超過了54%；影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物是PM2.5和PM10，其月均濃度與2015年同期相比分別上升了23.4%和26.6%。

表1 湖南省各市州年際霧霾污染指數(shù)(2015—2020年)Table 1 The total annual haze pollution index of each city in Hunan Province (2015-2020)

在湖南省2018—2020年藍天保衛(wèi)戰(zhàn)行動計劃的推動下，全省環(huán)境空氣質(zhì)量得到持續(xù)改善，但隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展、城市建設(shè)的不斷加快、移動源的不斷增多，加之氣候因素的多變，降霾過程必然存在著一定程度的波動。數(shù)據(jù)表明，湖南省各市州空氣質(zhì)量整體呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢。因此，應(yīng)進一步加強落實《湖南省“十四五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，全力推進污染防治攻堅，確保到2025年基本消除重度及以上污染天數(shù)。

3.2 霧霾污染重心的季節(jié)變化特征

2015—2020年，湖南省4個季節(jié)的污染重心皆位于婁底市。從季節(jié)平均狀況來看，春季污染重心(27.762°N，111.901°E)、夏季污染重心(27.752°N，111.896°E)、冬季污染重心(27.763°N，111.892°E)均位于婁底市幾何重心的北部，僅秋季污染重心(27.714°N，111.895°E)位置偏南。從東西方向來看，相對于冬季污染重心，春季污染重心向東偏移明顯。其中，東部的長沙市因PM2.5濃度較大而對春季污染重心的東向偏移貢獻較大。從南北方向來看，春季至秋季，污染重心向南偏移明顯，這是因為位于南部的永州市和郴州市的PM2.5、PM10濃度有大幅度上升，且高于其他市州；冬季，污染重心向北偏移明顯，這是由于位于北部的岳陽市和常德市的PM10濃度多次出現(xiàn)全年最高值。

從圖2能更清晰地看出每一年的霧霾污染重心逐月位移路線。2015年各月份的霧霾污染重心皆在婁底市，且在6月北移明顯，其余月份變動較小。2016—2017年各月份污染重心相對于2015年均往東偏移，多個月份的污染重心出現(xiàn)在湘潭市。2018—2020年各月份污染重心較2017年均向西移動，重心皆在婁底市，并逐漸趨向于城市幾何中心。總體來說，湖南省霧霾污染的分布格局呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。2015—2020年各月份霧霾污染重心的變動情況說明，湖南省霧霾污染的空間分布不平衡，以東西向差異為主。

注：圖中數(shù)字代表月份。圖2 湖南省霧霾污染重心逐月變動情況(2015—2020年)Fig.2 Month change of haze pollution center in Hunan Province (2015-2020)

3.3 霧霾污染的空間變化及變動趨勢

根據(jù)重心計算方法，選取2015—2020年湖南省各市州霧霾污染數(shù)據(jù)，計算得到該6年的湖南省霧霾污染重心(表2和圖3)。

表2 湖南省霧霾污染重心(2015—2020年)Table 2 The center of haze pollutionin Hunan Province (2015-2020)

注：底圖為“湖南省標準地圖示意地圖版1∶600萬2”，下載自湖南省自然資源廳標準地圖服務(wù)欄目(https://hunan.tianditu.gov.cn/TDTHN/tjxz/index.html)，審圖號為湘S(2020)037號，下載日期為2022-04-08。圖3 湖南省各市州污染空間差異(2015—2020年)Fig.3 Spatial difference of pollution in Hunan Province (2015-2020)

從表2和圖3可以看出，2015—2020年湖南省霧霾污染重心均在婁底市。2016年霧霾污染重心較2015年向東南方向偏移了4.773 km，表明湖南省東南部污染嚴重。這是因為郴州市2016年CO年均濃度值為1.23 mg/m3，高于長沙市(0.96 mg/m3)。2017年和2018年污染重心較2016年向西南方向分別偏移了1.776 km和4.440 km。2017年的重心變動是由于邵陽市和永州市PM2.5年均濃度值分別上升為57.58 μg/m3和45.08 μg/m3，其中邵陽市高于長沙市(51.92 μg/m3)。2018年的重心變動是因為懷化市PM10年均濃度值高達68.25 μg/m3，高于長沙市(56.58 μg/m3)、株洲市(65.75 μg/m3)和湘潭市(63.50 μg/m3)。2019年污染重心較2018年向東南方向偏移了5.772 km，是因為郴州市SO2年均濃度值為10.75 μg/m3，遠高于長株潭城市群。2020年張家界市PM10年均濃度值達43 μg/m3，導(dǎo)致污染重心向西北方向偏移。

3.4 霧霾污染的驅(qū)動因素

本文選取了平均氣溫、平均降水量、森林覆蓋率、綜合能源消耗量、地區(qū)生產(chǎn)總值、交通運輸和郵政業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)率、人口數(shù)量8項影響因素，進行雙變量相關(guān)分析(表3)。結(jié)果顯示，僅有6項因素對霧霾污染有所影響。相關(guān)系數(shù)為正值的因素由大到小依次是綜合能源消耗量、地區(qū)生產(chǎn)總值、人口數(shù)量、交通運輸和郵政業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)率，表明以上因素是導(dǎo)致霧霾發(fā)生的主要因子。森林覆蓋率的相關(guān)系數(shù)為負值，說明其是抑制霧霾發(fā)生的主要因子。

表3 基于雙變量分析的各因素與霧霾污染指數(shù)的顯著性水平Table 3 Significance level of each factor and haze pollution index based on bivariate analysis

氣溫和降水數(shù)據(jù)選取2015—2020年湖南省14個城市各自的月均值。兩者都未通過相關(guān)性檢測，但并不能說明氣溫和降水量與霧霾污染不存在相關(guān)性。如賈秋蘭等[12]、楊興川等[13]、高煜中等[14]基于氣象要素觀測數(shù)據(jù)，采用相關(guān)性分析，分別探討了邢臺地區(qū)PM2.5和PM10、京津冀地區(qū)PM2.5、哈爾濱市多項污染物，與氣壓、氣溫、相對濕度等氣象因素的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氣象因素與空氣質(zhì)量存在明顯的相關(guān)性，氣溫、降水與霧霾污染均呈負相關(guān)，對霧霾污染存在抑制作用。南方地區(qū)較北方地區(qū)降水豐富，湖南省各市州降水量差異較小，而氣候?qū)F霾污染的影響極為復(fù)雜，對其開展分析需要基于長期且具體的觀測數(shù)據(jù)。

森林覆蓋率與霧霾污染的相關(guān)系數(shù)為-0.251，說明森林覆蓋率提高會抑制當?shù)氐撵F霾污染。森林作為“空氣調(diào)節(jié)器”，不僅對維持全球生態(tài)平衡有重要作用，還可以對顆粒物產(chǎn)生抑制作用。一方面，森林里較高的空氣濕度會使顆粒物沉降加快；另一方面，植物葉面還對PM10等物質(zhì)有吸附作用。2020年湖南省森林覆蓋率已達到59.9%，這對改善湖南省空氣質(zhì)量有積極作用。

綜合能源消耗量與霧霾污染指數(shù)的相關(guān)性最顯著。能源消耗量越高，當?shù)禺a(chǎn)生的污染物就越多，空氣質(zhì)量就越差。自2001年以來，湖南省能源消費一直以原煤為主，且占比都在58%以上。原煤燃燒是PM2.5的主要來源之一，因此,大量燃燒原煤會加劇大氣污染程度。

地區(qū)生產(chǎn)總值和人口數(shù)量與霧霾污染的相關(guān)系數(shù)皆為0.275，與霧霾污染呈正相關(guān)，表明當?shù)貐^(qū)生產(chǎn)總值和人口數(shù)量增加時，該區(qū)域的空氣質(zhì)量會變差。通常，人口數(shù)量越多，地區(qū)經(jīng)濟活動越頻繁，能源消耗量就越大，空氣質(zhì)量就越差。《湖南省第七次全國人口普查公報》顯示，與2010年第六次全國人口普查結(jié)果相比，湖南省常住人口增加了744 102人，增長了1.13%。人口增加意味著更多的能源消耗，從而加重了對大氣環(huán)境的污染程度。

交通運輸和郵政業(yè)生產(chǎn)總值與霧霾污染具有較強的相關(guān)性。交通運輸和郵政業(yè)作為一個城市國民經(jīng)濟的重要組成部分，對當?shù)丨h(huán)境有著重要影響，尤其是汽車在交通運輸過程中排放的NOx、CO等都是大氣污染物的主要成分。

目前，已有許多學(xué)者針對城鎮(zhèn)化與霧霾污染的關(guān)系開展了相關(guān)研究，但還未得出統(tǒng)一的結(jié)論。從表3可知，城鎮(zhèn)率與霧霾污染存在著明顯的相關(guān)性。城鎮(zhèn)率上升時，當?shù)氐撵F霾污染程度會加重，這與仇怡等[15]的研究結(jié)論一致。這是由于湖南省作為中部省份之一，全省城鎮(zhèn)化水平參差不齊，仍處于粗放型經(jīng)濟發(fā)展階段，部分地區(qū)片面追求經(jīng)濟發(fā)展的速度，過度開采資源，且人們對生態(tài)環(huán)境的保護意識仍舊相對薄弱，從而加重了環(huán)境污染的程度。

4 結(jié)論

1)在年際變化方面，2015—2020年湖南省各市州的霧霾污染指數(shù)總體呈波動下降趨勢，其中大部分市州的年際霧霾污染指數(shù)最高值出現(xiàn)在2016年。

2)在季節(jié)變化方面，由春季至秋季，湖南省霧霾污染重心向西南方向偏移；而在冬季，污染重心向西北方向偏移。

3)霧霾污染驅(qū)動因素分析發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫和年均降水量與霧霾污染不存在相關(guān)性，綜合能源消耗量、地區(qū)生產(chǎn)總值、交通運輸和郵政業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)率、人口數(shù)量5個因素與霧霾污染存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，森林覆蓋率與霧霾污染呈顯著負相關(guān)。