基于重心模型的湖南省雾霾时空分布特征及其驱动机制分析

2022-09-02李春红张楚楚

中国环境监测 2022年4期

李春红，王鹏，张楚楚，刘娟，李招

衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南衡阳 421002

自2013年以来，我国大范围持续雾霾天气频发，不少地区的雾霾天数接连创下历史记录。由此，雾霾成为公众关注的热点，政府开始将雾霾列为环境治理的重点，学者们对雾霾的研究也不断加强[1]。例如，王亚等[2]通过统计分析湖南省1971—2016年雾霾天气的时空分布特征，得出了湖南省大雾天气的年发生天数在前期变化较为平稳，后期先降再升，而霾天气的年发生天数在前期稍有下降，后期迅速上升的结论。蔡雯颖等[3]通过分析福建省2016—2018年PM2.5浓度监测数据，模拟了污染重心的移动轨迹，得出了省内东部污染较西部重的结论。对比雾霾相关的各种研究方法，发现相比描述性分析，重心模型能更直观地表达雾霾污染的差异。国外学者对“重心”的研究起步较早，最初是美国经济学家WALKER将其应用于社会问题研究[4]。GRTHER等[5]用“重心”的概念解释了贸易交往中的污染转移现象。而国内学者在社会问题上对“重心”的应用则可追溯到20世纪70年代，但主要应用于人口、经济研究。李仪俊[6]利用重心模型揭示了中国的人口重心及其移动轨迹。乔谷阳等[7]提出，2003—2013年，河南省经济重心在区域经济发展政策的影响下小幅移动，“三废”重心则向经济重心两侧移动。

湖南省作为长江经济带的重要组成部分，正处在加快“3+5”城市群建设的重要时期。伴随着城市群的建设，各类环境问题的发生风险不容忽视。针对湖南省大气污染形成机制、影响及控制途径的研究在2010年后开始得到重视，但研究对象多为长沙、株洲和湘潭等重点城市，针对湖南全省的雾霾污染研究依旧偏少。此外，研究内容也仅以PM2.5浓度来衡量某一地区的雾霾污染状况，评价指标相对单一。鉴于此，本文尝试利用空气质量监测中的6种污染物数据，综合计算湖南省2015—2020年雾霾污染指数[8]，以此衡量全省雾霾污染程度，并利用重心模型探讨湖南省2015—2020年雾霾污染的时空分布特征，以期为湖南省空气质量控制和预测提供参考。

1 研究区域概况

改革开放以来，工业在湖南省国民经济中已经占据非常重要的位置，湖南省整体工业实力不断增强，但由此引发的环境污染也日趋严重。2013年，湖南省遭遇了有史以来最严重的空气污染。随后，相关部门采取了一系列措施，不断加强大气污染防治。经过一系列努力，湖南省整体空气质量逐步好转(图1)。《2020年湖南省生态环境状况公报》显示，2020年全省14个主要城市的空气质量平均优良天数比例为91.7%，相比2015年提高了13.8%。

图1 2015—2020年湖南省年平均空气污染天数Fig.1 Average number of pollution days inHunan Province from 2015 to 2020

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究区6种主要大气污染物(PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3和CO)监测数据均来源于中国空气质量在线监测分析平台。自然气象数据来自2015—2020年《湖南省统计年鉴》。年际雾霾污染指数是指湖南省各市州某一年度的雾霾污染指数总量；季节雾霾污染指数是指湖南省各市州一年中某一季节的雾霾污染指数总量。

2.2 研究方法

2.2.1 雾霾污染指数

综合考量PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3和CO 6种主要污染物的污染情况，对造成污染的6种污染物进行成对比较[9-11]，再对其结果进行赋值、排序，用以确定各污染物的权重，并以数值的形式表示雾霾污染的程度，即雾霾污染指数[8]。雾霾污染指数用Xi表示，计算公式如下：

(1)

式中：n为污染物种类数；Ci为污染物i的浓度值；Wi为污染物i的权重值，其中PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3、CO对应的权重值分别为0.35、0.26、0.15、0.15、0.02、0.07[8]。

2.2.2 重心模型

研究区域的某一特定属性值在空间平面上达到平衡的位置，即为“重心”[3]。雾霾污染重心的变动能够反映出研究区域内不同时间的污染物空间分布差异及运动轨迹。假设湖南省各市州是一个质地均匀的平面，用经纬度来表示各市州的地理位置。根据重心模型中的相关公式，可得出湖南省各市州基于雾霾污染指数的重心位置。具体公式如下：

Xt=∑Ctixi/∑Cti

(2)

Yt=∑Ctiyi/∑Cti

(3)

式中：Xt、Yt分别为第t年雾霾污染重心的经纬度坐标；Cti为i市州的雾霾污染指数；xi、yi分别为i市州所在地的经纬度坐标。

3 结果分析与讨论

3.1 雾霾污染的年际变化特征

从表1可知，2015—2020年湖南省各市州的雾霾污染指数总体呈波动下降趋势，大部分市州的年际雾霾污染指数最高值出现在2016年，最低值出现在2020年。2016年峰值的出现与各市州的空气质量变化有着密切联系。根据原湖南省环境保护厅《2016年12月全省14个市州城市环境空气质量状况及排名》，与2015年同期相比，湖南省14个主要城市的环境空气质量平均优良天数比例中，仅益阳市提升了8%，其余城市均有不同程度的下降；轻度及以上污染天数的比例超过了54%；影响城市环境空气质量的主要污染物是PM2.5和PM10，其月均浓度与2015年同期相比分别上升了23.4%和26.6%。

表1 湖南省各市州年际雾霾污染指数(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年蓝天保卫战行动计划的推动下，全省环境空气质量得到持续改善，但随着经济的不断发展、城市建设的不断加快、移动源的不断增多，加之气候因素的多变，降霾过程必然存在着一定程度的波动。数据表明，湖南省各市州空气质量整体呈逐年好转趋势。因此，应进一步加强落实《湖南省“十四五”生态环境保护规划》，全力推进污染防治攻坚，确保到2025年基本消除重度及以上污染天数。

3.2 雾霾污染重心的季节变化特征

2015—2020年，湖南省4个季节的污染重心皆位于娄底市。从季节平均状况来看，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)均位于娄底市几何重心的北部，仅秋季污染重心(27.714°N，111.895°E)位置偏南。从东西方向来看，相对于冬季污染重心，春季污染重心向东偏移明显。其中，东部的长沙市因PM2.5浓度较大而对春季污染重心的东向偏移贡献较大。从南北方向来看，春季至秋季，污染重心向南偏移明显，这是因为位于南部的永州市和郴州市的PM2.5、PM10浓度有大幅度上升，且高于其他市州；冬季，污染重心向北偏移明显，这是由于位于北部的岳阳市和常德市的PM10浓度多次出现全年最高值。

从图2能更清晰地看出每一年的雾霾污染重心逐月位移路线。2015年各月份的雾霾污染重心皆在娄底市，且在6月北移明显，其余月份变动较小。2016—2017年各月份污染重心相对于2015年均往东偏移，多个月份的污染重心出现在湘潭市。2018—2020年各月份污染重心较2017年均向西移动，重心皆在娄底市，并逐渐趋向于城市几何中心。总体来说，湖南省雾霾污染的分布格局呈现出明显的季节变化。2015—2020年各月份雾霾污染重心的变动情况说明，湖南省雾霾污染的空间分布不平衡，以东西向差异为主。

注：图中数字代表月份。图2 湖南省雾霾污染重心逐月变动情况(2015—2020年)Fig.2 Month change of haze pollution center in Hunan Province (2015-2020)

3.3 雾霾污染的空间变化及变动趋势

根据重心计算方法，选取2015—2020年湖南省各市州雾霾污染数据，计算得到该6年的湖南省雾霾污染重心(表2和图3)。

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

注：底图为“湖南省标准地图示意地图版1∶600万2”，下载自湖南省自然资源厅标准地图服务栏目(https://hunan.tianditu.gov.cn/TDTHN/tjxz/index.html)，审图号为湘S(2020)037号，下载日期为2022-04-08。图3 湖南省各市州污染空间差异(2015—2020年)Fig.3 Spatial difference of pollution in Hunan Province (2015-2020)

从表2和图3可以看出，2015—2020年湖南省雾霾污染重心均在娄底市。2016年雾霾污染重心较2015年向东南方向偏移了4.773 km，表明湖南省东南部污染严重。这是因为郴州市2016年CO年均浓度值为1.23 mg/m3，高于长沙市(0.96 mg/m3)。2017年和2018年污染重心较2016年向西南方向分别偏移了1.776 km和4.440 km。2017年的重心变动是由于邵阳市和永州市PM2.5年均浓度值分别上升为57.58 μg/m3和45.08 μg/m3，其中邵阳市高于长沙市(51.92 μg/m3)。2018年的重心变动是因为怀化市PM10年均浓度值高达68.25 μg/m3，高于长沙市(56.58 μg/m3)、株洲市(65.75 μg/m3)和湘潭市(63.50 μg/m3)。2019年污染重心较2018年向东南方向偏移了5.772 km，是因为郴州市SO2年均浓度值为10.75 μg/m3，远高于长株潭城市群。2020年张家界市PM10年均浓度值达43 μg/m3，导致污染重心向西北方向偏移。

3.4 雾霾污染的驱动因素

本文选取了平均气温、平均降水量、森林覆盖率、综合能源消耗量、地区生产总值、交通运输和邮政业生产总值、城镇率、人口数量8项影响因素，进行双变量相关分析(表3)。结果显示，仅有6项因素对雾霾污染有所影响。相关系数为正值的因素由大到小依次是综合能源消耗量、地区生产总值、人口数量、交通运输和邮政业生产总值、城镇率，表明以上因素是导致雾霾发生的主要因子。森林覆盖率的相关系数为负值，说明其是抑制雾霾发生的主要因子。

表3 基于双变量分析的各因素与雾霾污染指数的显著性水平Table 3 Significance level of each factor and haze pollution index based on bivariate analysis

气温和降水数据选取2015—2020年湖南省14个城市各自的月均值。两者都未通过相关性检测，但并不能说明气温和降水量与雾霾污染不存在相关性。如贾秋兰等[12]、杨兴川等[13]、高煜中等[14]基于气象要素观测数据，采用相关性分析，分别探讨了邢台地区PM2.5和PM10、京津冀地区PM2.5、哈尔滨市多项污染物，与气压、气温、相对湿度等气象因素的相关性，发现气象因素与空气质量存在明显的相关性，气温、降水与雾霾污染均呈负相关，对雾霾污染存在抑制作用。南方地区较北方地区降水丰富，湖南省各市州降水量差异较小，而气候对雾霾污染的影响极为复杂，对其开展分析需要基于长期且具体的观测数据。

森林覆盖率与雾霾污染的相关系数为-0.251，说明森林覆盖率提高会抑制当地的雾霾污染。森林作为“空气调节器”，不仅对维持全球生态平衡有重要作用，还可以对颗粒物产生抑制作用。一方面，森林里较高的空气湿度会使颗粒物沉降加快；另一方面，植物叶面还对PM10等物质有吸附作用。2020年湖南省森林覆盖率已达到59.9%，这对改善湖南省空气质量有积极作用。

综合能源消耗量与雾霾污染指数的相关性最显著。能源消耗量越高，当地产生的污染物就越多，空气质量就越差。自2001年以来，湖南省能源消费一直以原煤为主，且占比都在58%以上。原煤燃烧是PM2.5的主要来源之一，因此,大量燃烧原煤会加剧大气污染程度。

地区生产总值和人口数量与雾霾污染的相关系数皆为0.275，与雾霾污染呈正相关，表明当地区生产总值和人口数量增加时，该区域的空气质量会变差。通常，人口数量越多，地区经济活动越频繁，能源消耗量就越大，空气质量就越差。《湖南省第七次全国人口普查公报》显示，与2010年第六次全国人口普查结果相比，湖南省常住人口增加了744 102人，增长了1.13%。人口增加意味着更多的能源消耗，从而加重了对大气环境的污染程度。

交通运输和邮政业生产总值与雾霾污染具有较强的相关性。交通运输和邮政业作为一个城市国民经济的重要组成部分，对当地环境有着重要影响，尤其是汽车在交通运输过程中排放的NOx、CO等都是大气污染物的主要成分。

目前，已有许多学者针对城镇化与雾霾污染的关系开展了相关研究，但还未得出统一的结论。从表3可知，城镇率与雾霾污染存在着明显的相关性。城镇率上升时，当地的雾霾污染程度会加重，这与仇怡等[15]的研究结论一致。这是由于湖南省作为中部省份之一，全省城镇化水平参差不齐，仍处于粗放型经济发展阶段，部分地区片面追求经济发展的速度，过度开采资源，且人们对生态环境的保护意识仍旧相对薄弱，从而加重了环境污染的程度。