大气污染全球不平等的时空格局与演进趋势

刘华军 吉元梦

摘要 掌握大气污染全球不平等的时空格局及演进趋势对解决全球不平等问题具有重要意义。文章以PM2.5浓度表征大气污染程度，基于地理位置和收入水平分组，选取192个国家2 529个省级行政区，运用二阶段嵌套Theil指数和Kernel密度估计等方法，从时空分布格局、时空差异格局及分布动态演进三个层面揭示大气污染全球不平等的时空格局与演进趋势。结果表明：①1998—2016年，全球大气污染呈加重态势，大致体现为“亚洲污染程度最重、大洋洲污染程度最轻，中等收入地区污染程度最重、高收入地区污染程度最轻”的空间非均衡特征。②大气污染全球差异比较稳定，Theil指数围绕0.3上下波动。国家间差异是大气污染全球差异的主要来源，其贡献率超过50%。③按地理位置分组，亚洲大气污染的分布形态始终为单峰分布，非洲两极分化程度逐渐弱化，欧洲、北美洲、南美洲和大洋洲两极分化程度增强，梯度效应愈加显著;按收入水平分组，低收入地区极化程度有所减弱，中等收入地区单极化趋势加强，高收入地区大气污染由多峰分布向双峰演变，俱乐部收敛特征更加明显。基于对大气污染全球不平等现状的认识，作者提出三点启示：①各国应认清大气污染全球不平等的客观事实，彼此尊重发展模式和发展阶段。②各国可以根据自身情况打造大气污染区域联防联控机制，同时加强国家间在大气污染治理经验、人才及技术等方面的交流与合作。③在联合国框架下，世界各国应秉持人类命运共同體理念，互联互通、团结协作，携手共建以“大气污染治理”为主题的人类命运共同体。

关键词 大气污染;PM2.5浓度;时空格局;全球不平等;人类命运共同体

中图分类号 X51  文献标识码 A  文章编号 1002-2104（2021）06-0039-06  DOI：10.12062/cpre.20201217

“促进所有人良好健康和福祉”是联合国《2030可持续发展议程》中确定的第三个可持续发展目标。目前，大气污染是导致疾病和死亡的最大的风险之一。作为大气污染的主要污染物，细颗粒物（简称“PM2.5”，下同）长期以来严重地威胁着人类的生命健康安全。然而，大气污染问题并非一国独有，世界各国都不同程度地曾经经历或正在经历着大气污染的侵袭。大气污染是人类社会面临的共同挑战，逐渐成为社会正义和全球不平等问题的核心。因此，研究大气污染全球不平等的时空格局及演进趋势不仅有利于各国认清大气污染国家内和国家间的差异，而且对加强国家间大气污染合作治理，重建可持续发展的全球伙伴关系具有重要意义。

1 文献综述

目前，世界主要有三所机构、一个组织研究全球大气污染问题。一是伯克利地球（Berkeley Earth）（伯克利地球网址：http：//berkeleyearth.org/）。该机构是美国一个独立的非政府科研组织，专注于环境数据科学，自2014年4月起，从全球数千个地面监测站点获取全球国家及城市的PM2.5时间序列数据。二是哥伦比亚大学国际地球科学信息网络中心（国际地球科学信息网络中心网址：https：//beta.sedac.ciesin.columbia.edu/data/set/sdei-global-annual-gwr-pm2-5-modis-misr-seawifs-aod）。基于卫星遥感监测，该机构结合美国航空航天局中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）、多角度成像光谱辐射计（MISR）和海洋观测宽视场传感器（SeaWiFS）等多种卫星仪器的AOD检索，对外公布了全球 PM2.5浓度年均值的栅格数据。在此基础上，三是加拿大达尔豪斯大学大气成分分析团队Van Donkelaar等[1-3]结合地球化学传输模型 GEOS-CHEM 和地理加权回归模型，对哥伦比亚发布的PM2.5浓度数据进行了校正。四是世界卫生组织（WHO）。通过汇集世界各国政府、公司及个人地面监测站提供的PM2.5实时数据，采用可视化分析，WHO每年发布《世界空气质量报告》[4]，致力于提高人们对全球大气污染的空间格局的认识。尽管上述机构已经分析了全球大气污染的空间分布特征，却没有进一步考察全球大气污染的差异来源及演进趋势。此外，纵观国内研究，现有文献的研究范围局限于中国国家层面以及地区层面，对于全球视角下大气污染问题的探究仍是空白。

2 样本数据

相比地面监测的PM2.5浓度数据，卫星监测数据的监测范围更广，监测时间跨度更久，具有更好的空间连续性[5]，故文章选用哥伦比亚公布的PM2.5浓度年度栅格卫星数据，并借助ArcGIS技术进一步提取。根据数据的可得性，文章选取192个国家2 529个省级行政区作为研究样本，并进行分组分析。第一，按地理位置划分为亚洲、欧洲、非洲、北美洲、南美洲和大洋洲，分别包括46、44、53、23、12和14个主权国家。文章未考虑南极洲的大气污染，原因是南极洲无常住人口、数据缺乏。第二，根据世界银行的划分标准，分为高收入（国民人均收入大于12 055美元）、中等收入（国民人均收入在3 896～12 055美元）、低收入（国民人均收入小于3 896美元）地区，分别包含59、103和30个主权国家。

3 大气污染的时空分布格局

3.1 总体分布特征

作者按地理位置和收入水平分组，绘制1998—2016年平均PM2.5浓度（图1）。样本考察期内，全球平均PM2.5浓度先下降后增长。1998—2001年，全球平均PM2.5浓度由10.72 μg/m3下降到10.38 μg/m3，大气污染程度处于小幅度下降阶段。2001—2016年，全球平均PM2.5浓度持续上升到11.51 μg/m3，表明全球大气污染在此期间呈加重态势。

如图1（a）所示，样本考察期内，亚洲平均PM2.5浓度得到快速增长，成为大气污染最严重的大洲，可能因为亚洲大多为发展中国家，经济处于牺牲环境质量的发展阶段。1998—2007年，欧洲环境治理见效，平均PM2.5浓度持续下降，低于全球平均水平，2008—2016年围绕11 μg/m3波动变化。南美洲平均PM2.5浓度由1998年的5.03μg/m3上升到2010年的6.65 μg/m3，而后稳定在5.7 μg/m3左右，低于全球水平。非洲和北美洲平均PM2.5浓度低于全球平均水平，呈现“北美洲围绕6.5 μg/m3、非洲围绕9 μg/m3波动变化”的特征。大洋洲地理位置相对独立，大气环境受其他地区影响较小，平均PM2.5浓度呈现微小的增长态势，但要注意大气污染继续加重的可能。

如图1（b）所示，1998年，高收入地区平均PM2.5浓度最高，其次是中等收入地区，低收入地区浓度最低。 1998—2001年，各收入组平均PM2.5浓度均下降，中等收入地区下降幅度最小，成为大气污染最严重的地区。2001—2016年中等收入地区平均PM2.5浓度持续上升，始终是大气污染最严重的地区。高收入地区PM2.5浓度由2001年的10.52 μg/m3波动下降至2016年的9.57 μg/m3，成为大气污染最轻的地区。低收入地区则体现为波动上升态势，2013年大气污染程度超过高收入地区。

3.2 空间重心移动特征及标准差椭圆分析

文章选取1998、2004、2010、2016年4个特征时点，使用标准差椭圆方法，以重心、转角θ、x轴标准差及 y轴标准差等参数考察全球大气污染的空间分布特征（表1）。具体计算公式参见刘华军等[6]。

从重心分布来看，重心在29.98°～41.78°E、22.87°～24.52°N间变动，说明东半球大气污染程度要高于西半球地区，北半球大气污染程度要高于南半球。从重心移动轨迹来看，1998—2004年，大气污染分布重心的移动距离和速度最大，以108.82 km/a的速度向东南方向移动652.91 km，重心由埃及新河谷省移动到红海西海岸。与2004年相比，2010年分布重心移动速度最慢，重心移动至沙特阿拉伯麦地那区。2016年分布重心移动距离的速度有所增加，最终移动至沙特阿拉伯的麦加区。

从转角θ来看，转角呈“缩小再扩大”特征，转角变动很小，总体看来，大气污染的全球空间分布呈现东—西格局，分布格局基本保持稳定态势。从半轴长度来看，长半轴长度由1998年的8 235 km缩小至2016年的7 720 km，短半轴长度由2 991 km缩小至2 957 km，椭圆面积逐渐收缩，这说明大气污染在东—西方向、南—北方向上均出现空间集聚现象，与其他地区的大气污染差异逐渐增大。

4 大气污染的时空差异格局

作者依据Shorrocks[7]、Akita[8]采用的方法，以省级行政区作为基本空间单元构建大气污染二阶段嵌套Theil指数，识别大气污染在地区间差异、地区内国家间差异和地区内国家内差异，从而揭示全球大气污染空间差异的主要来源（图2、表2）。

图2显示，样本考察期内，大气污染的全球总体空间差异呈波动变化特征。Theil指数围绕0.30波动，波动幅度控制在0.08左右。由此看来，大气污染的全球总体空间差异未出现下降向好的发展趋势，可能是因为PM2.5浓度较高、大气污染较重的地区对大气污染没有足够的重视，也可能采取了大气污染的治理措施，但污染未得到有效的改善。

结合表2，样本考察期内，国家间Theil指数始终对总体Theil指数的贡献最高，是大气污染全球总体空间差异最主要的来源。按地理位置分组，国家间Theil指数变化较平缓，基本稳定在0.10～0.14之间，对总体Theil指数的贡献率约44%～52%。按收入水平分组，国家间Theil指数在0.17～0.24之间波动，对总体的贡献率超过三分之二，且与全球Theil指数有相同的变化趋势，这说明国家间差异成为主导因素，影响着全球总体空间差异的走向。

大洲间和国家内差异对总体空间差异的贡献也不容忽视。按地理位置分组，样本考察期内，国家内与大洲间Theil指数大致相当。国家内Theil指数基本稳定在0.06，但贡献率由1998年的29.93%下降到2016年的25.09%。大洲间Theil指数波动上升，2006年之后成为大气污染全球总体空间差异的第二来源。按收入水平分组，国家内部差异较稳定，是大气污染全球空间差异的第二来源。收入组间差异表现为微小上升，但贡献率始终未达到1%，成为总体差异的最小来源。

根据Theil指数的大小，将Theil指数划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等级，等级越高则差异越大。图3描述了1998年和2016年大气污染的国家内差异。总体来看，全球大多数国家的国内差异处于Ⅰ级和Ⅱ级水平，国家内差异相对较小。少数国家的国家内差异处在较高水平，具体来看，1998年，位于南美洲的巴西和阿根廷、非洲的纳米比亚和南非及阿拉伯半岛的也门的国内差异为Ⅲ级水平。大气污染国内差异Ⅳ级水平在全球主要有三处分布，其中菲律宾、马来西亚和印度尼西亚等东南亚国家覆盖范围最广，其次是位于南美洲北部的委内瑞拉，最后一处为南美洲西海岸的智利。这些国家都有一个明显的特征，除智利为高收入国家外均为中等收入国家。

与1998年相比，委内瑞拉国内差异由Ⅳ级降为Ⅲ级;巴西和阿根廷国内差异由Ⅲ级降为Ⅱ级;美国、哥伦比亚、秘鲁和玻利维亚等美洲国家、阿尔及利亚、乍得和索马里等非洲国家国内差异由Ⅱ级降为Ⅰ级，这些国家对大气污染较重的地区采取了污染治理的有效措施。俄罗斯、哈萨克斯坦、蒙古、加拿大及部分非洲国家国内差异一直处于Ⅰ级水平，国内差异保持在较低水平。相反，纳米比亚、南非及东南亚国家国内差异仍处于Ⅲ级、Ⅳ級水平，国内差异依旧很大，这些国家应重点关注国家内大气污染的差异，加强区域之间的联防联控。

5 大气污染的分布动态演进

作者采用高斯核函数报告了全球总体、地理位置分组及收入水平分组下大气污染的分布位置、态势、延展性、极化程度（限于篇幅，作者未给出全球及各地区PM2.5浓度的Kernel核密度图，如有需要请向作者索取），具体公式参见杨骞等[9]。

全球总体PM2.5 浓度始终呈现典型的单峰分布，主峰呈现“右移—左移”的变化，存在狭长的右拖尾现象，表明全球大部分省级行政区的大气质量在经过一段时间的恶化后，污染程度下降，表现出向好发展趋势。波峰极为陡峭，高度上升、宽度缩小，说明全球大气污染存在很强的收敛性，但少数省级行政区的污染程度远高于整体污染水平。

從分布位置来看，按地理位置分组，亚洲、非洲、南美洲及大洋洲主峰位置表现为右移，表明这些地区大气污染水平处于上升状态，大气质量变差。欧洲和北美洲表现为左移，这些地区大气污染程度得到缓解;按收入水平分组，低收入地区主峰先左移后右移，这些地区大气质量在短暂缓解之后又出现加重态势。相反，中等收入地区主峰沿 “右移—左移”的路径变化，地区内大气污染水平表现为先上升后下降的过程。高收入地区表现为左移，表明地区内大气质量不断向好发展。

从分布形态来看，按地理位置分组，亚洲、非洲、北美洲和南美洲的主峰均表现为高度提升、宽度缩小，意味着这些地区省级行政区大气污染水平收敛性增强。虽然欧洲峰值也在上升但宽度扩大，说明欧洲整体上大气污染收敛性增强，但与少数省级行政区的绝对差异拉大。大洋洲主峰的高度下降、宽度扩大，说明大洋洲大气污染的绝对差异增大。按收入水平分组，各收入水平地区均表现为主峰高度提升、宽度缩小，意味着收入水平内部收敛性增强，地区内绝对差异减小。

从极化趋势特征来看，按地理位置分组，亚洲始终呈现典型的单峰分布，欧洲、北美洲和南美洲分布由不明显双峰向双峰演变，而大洋洲由多峰向双峰演变，说明这些地区大气污染具有一定的梯度效应，两极分化逐渐加强。非洲侧峰逐渐消失，呈现不明显的双峰向单峰转变的特征，表明地区内空间非均衡状况缓解。按收入水平分组，低收入地区由不明显的双峰向单峰转变，说明地区内两级分化格局逐渐弱化、消失。中等收入地区表现为单峰分布，单极化特征显著。高收入地区由多峰向双峰演变，说明这些地区大气污染两极分化程度及梯度效应均加强。

从分布延展性来看，按地理位置分组，亚洲、非洲和南美洲表现为右拖尾延展拓宽，说明这些地区中某些省级行政区大气污染程度极为严重，远高于整体水平。北美洲右拖尾延展收敛，即地区内某些大气污染较严重的省份大气污染程度逐渐下降。按收入水平划分，中等收入及低收入地区右拖尾延展拓宽，说明这两个地区内某些省级行政区大气污染程度与整体水平差距较大，需要特别关注。高收入地区右拖尾延展收敛，表明地区内大气污染严重的省级行政区污染治理有效。

6 结论与启示

作者依据1996—2016年全球2 529个省级行政区的PM2.5浓度数据，基于地理位置分组和收入水平分组，借助二阶段嵌套Theil指数、Kernel密度估计等方法，对大气污染的全球时空分布格局、空间差异格局及分布动态演进展开了深入分析。结论如下：

（1）从分布格局来看，全球大气污染存在明显的空间非均衡特征。亚洲是大气污染最严重的大洲，特别是南亚、东南亚国家，如孟加拉国、印度、泰国和老挝。大洋洲大气污染程度最低，是大气质量最好的大洲。从收入水平来看，中等收入地区PM2.5浓度逐渐上升，是大气污染程度最高的地区。高收入地区PM2.5浓度得到下降，是目前大气污染程度最低的地区。

（2）从差异格局来看，大气污染的全球总体空间差异较稳定。国家间差异是全球大气污染全球差异最主要的空间来源。其次是国家内差异。大多数国家的国家内差异处于较低水平，但纳米比亚、南非及东南亚地区国家的国内差异保持在较高水平，这些国家下一步应重点关注国内污染的差异。

（3）不同空间大气污染分布动态演进存在较大差异。按地理位置分组，亚洲呈现典型的单峰分布，大气污染收敛性很强。欧洲、北美洲和南美洲地区大气污染形成“俱乐部收敛”的两极分化格局。非洲呈不明显双峰向单峰分布转变，两极分化现象得到缓解。大洋洲两极分化特征加强。按收入水平分组，低收入地区呈现不明显双峰向单峰分布转变，极化特征逐渐弱化、消失。中等收入地区单极化趋势显著，并伴有极长的右拖尾特征，存在少部分高污染地区。高收入地区呈多峰向双峰变化的分布特征，梯度效应更为明显。

基于对大气污染全球不平等现状的认识，提出三点启示。①清楚地认识到大气污染全球空间非均衡的客观事实。一方面，因所处发展阶段不同，发达国家大气污染状况一般要优于发展中国家，不能强求发展中国家的大气质量在短时间内赶上发达国家。②首先要缩小国家内差异，加快实现国家大气质量区域平衡发展。进一步要缩小国家间差异，在各国对大气污染问题的应对能力不尽相同背景下，要坚持共担但有区别的责任原则。大气污染治理较落后的国家应吸取成熟国的经验，积极发展清洁生产。大气污染治理较先进的国家应树立责任意识，加大对高污染国家在资金、技术和能力建设等方面的支持。③全球人民生活在同一片蓝天下，同呼吸、共命运，没有哪个国家能独立应对人类面临的挑战[10]。因此，面对大气污染的全球不平等，我们呼吁，世界各国应积极地开展大气污染治理的合作与交流，开创互利共赢的大气污染全球治理新局面，形成各尽所能的全球大气污染治理新体系，在联合国框架下，携手共建以大气污染治理为主题的人类命运共同体。

参考文献

[1]VAN DONKELAAR A， MARTIN R V， PARK R J. Estimating ground-level PM2.5 using aerosol optical depth determined from satellite remote sensing[J]. Journal of geophysical research： atmospheres， 2006， 111（D21）.

[2]VAN DONKELAA R A， MARTIN R V， BRAUER M， et al. Global estimates of ambient fine particulate matter concentrations from satellite-based aerosol optical depth： development and application[J]. Environmental health perspectives， 2010， 118（6）：847-855.

[3]VAN DONKELAAR A， MARTIN R V， BRAUER M， et al. Use of satellite observations for long-term exposure assessment of global concentrations of fine particulate matter[J]. Environmental health perspectives， 2015， 123（2）： 135-143.

[4]World Health Organization. 2019 world air quality report[R]. Geneva： WHO， 2019.

[5]BECHLE M J， MILLET D B， MARSHALL J D. Does urban form affect urban NO2 satellite-based evidence for more than 1 200 cities[J]. Environmental science & technology， 2017， 51（21）： 12707-12716.

[6]刘华军， 王耀辉， 雷名雨. 中国战略性新兴产业的空间集聚及其演变[J]. 数量经济技术经济研究， 2019， 36（7）： 99-116.

[7]SHORROCKS A F. The class of additively decomposable inequality measures[J]. Econometrica， 1980， 48（3）： 613-625.

[8]AKITA T. Decomposing regional income inequality in China and Indonesia using two-stage nested Theil decomposition method[J]. The annals of regional science， 2003， 37（1）： 55-77.

[9]杨骞， 刘鑫鹏， 王珏. 中国战略性新兴产业创新效率的测度及其分布动态[J]. 广东财经大学学报， 2020， 35（2）： 20-34.

[10]习近平. 决胜全面建成小康社会，夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利[N].人民日报，2017-10-28（001）.

Spatial-temporal patterns and evolution trend

of global air pollution inequality

LIU Huajun JI Yuanmeng

（School of Economics， Shandong University of Finance and Economics， Jinan Shandong 250014， China）

Abstract It is of great significance to understand the spatial-temporal patterns and evolution trend of global air pollution inequality. The PM2.5 concentration was used to characterize the degree of air pollution. Based on geographical location and income level， 2，529 provincial administrative regions in 192 countries were selected. The two-stage nested Theil index and Kernel density estimation were used to reveal the spatial-temporal pattern and evolution trend of global air pollution inequality from three aspects： spatial-temporal distribution pattern， spatial-temporal difference pattern and distribution dynamic evolution. The results showed that： ① From 1998 to 2016， the global air pollution showed a trend of aggravation， showing the spatial imbalance characteristics of ‘the most polluted being in Asia， the least polluted in Oceania， the most polluted in middle-income areas， and the least polluted in high-income areas. ② The differences of air pollution were relatively stable globally， and the Theil index fluctuated around 0.3. The differences between countries were the main source of air pollution differences globally， and their contribution rate was more than 50%. ③ According to geographical location， the distribution pattern of air pollution in Asia was always unimodal， the degree of polarization in Africa was gradually weakening， and the polarization degree in Europe， North America， South America and Oceania was enhanced， and the gradient effect was more significant. According to the income level， the polarization degree of low-income areas was weakened， the trend of single polarization in middle-income areas was strengthened， and air pollution in high-income areas changed from multi-peak distribution to bimodal distribution， and the club convergence was more obvious. Based on the understanding of the status quo of global inequality in air pollution， we put forward the following suggestions to improve global air quality： ① Countries should recognize the objective facts of global inequality in air pollution and respect each others development model and stage. ② Countries can build regional joint prevention and control mechanisms of air pollution according to their own situation， and strengthen the exchange and cooperation in air pollution control experience， talents and technology. ③ Under the framework of the United Nations， all countries in the world should uphold the concept of a community of shared future for mankind， and work together to build such a community with the theme of air pollution control.

Key words air pollution; PM2.5 concentration; temporal and spatial pattern; global inequality; community of shared future for mankind

（責任编辑：于 杰）

收稿日期：2020-09-28  修回日期：2020-12-20

作者简介：刘华军，博士，教授，博导，主要研究方向为资源环境经济。E-mail：huajun99382@163.com。

基金项目：教育部人文社会科学研究项目“中国大范围雾霾污染的空间动态关联效应及防控政策优化研究”（批准号：17YJA790054）;山东省自然科学基金“京津冀及周边地区‘2+26城市雾霾污染的空间动态交互影响及其驱动因素研究”（批准号：ZR2019MG007），“空间关联视角下山东省雾霾污染的社会经济影响因素及防控政策优化研究”（批准号：ZR2018MG010）;山东省高等学校青创科技支持计划“雾霾污染的全球交互影响网络及协同治理战略研究”（批准号：2020RWE001）。