基于時(shí)空分布特征的霾與區(qū)域經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)性分析

楊月巧，孔 鋒，劉京會(huì)，李海君

(1. 防災(zāi)科技學(xué)院 應(yīng)急管理學(xué)院，河北 三河 065201；2. 清華大學(xué) 公共管理學(xué)院應(yīng)急管理基地，北京 海淀 100084)

霾形成有天然的因素[1-3]，更是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物。Renchang Yan等證明了工業(yè)和城市化的快速發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的霾問題[4]；在此基礎(chǔ)上，郭俊華等人研究認(rèn)為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)失衡形成了霧霾天氣[5]。茹少峰，雷振宇把經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式分為粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展和集約型經(jīng)濟(jì)，只有粗放型經(jīng)濟(jì)才產(chǎn)生霾污染[6]。持此觀點(diǎn)的還有吳振磊和朱楠，他們也認(rèn)為霧霾天氣的頻發(fā)與我國(guó)傳統(tǒng)粗放型的城市化方式緊密相關(guān)[7]。馬國(guó)順和趙倩持不同觀點(diǎn)，他們認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的汽車尾氣、工廠制造、冬季取暖等才是霾產(chǎn)生的原因[8]。而石慶玲等的研究則說明中國(guó)霧霾高發(fā)可能還將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，解決霧霾問題，政府的作用不可或缺，特別是地方政府的作用[9]。部分學(xué)者則把研究重點(diǎn)放在霾對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響。吳春燕和王雪峰認(rèn)為霾直接影響植物的光合作用，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量的下降，從而對(duì)農(nóng)業(yè)造成影響[10]；劉星河發(fā)現(xiàn)重污染天氣會(huì)導(dǎo)致公共壓力的加大，從而增加企業(yè)的融資成本，使企業(yè)發(fā)展受阻[11]。學(xué)者們甚至利用不同的模型計(jì)算出霾造成的經(jīng)濟(jì)損失。王桂芝等運(yùn)用投入產(chǎn)出模型，估算2013年霾給北京市交通運(yùn)輸業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)造成的產(chǎn)能損失[12]。姜綿峰等人計(jì)算出上海市PM2.5的健康經(jīng)濟(jì)損失預(yù)計(jì)2020年損失值達(dá)到261.85億元[13]。以上研究假定霾是一個(gè)固定的狀態(tài)，在霾與經(jīng)濟(jì)的相關(guān)性研究中，霾的量不變化，而只有經(jīng)濟(jì)的量在發(fā)生變化。事實(shí)上，霾的污染是處于不斷動(dòng)態(tài)變化過程中，通過對(duì)霾的時(shí)空格局變化過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析得出的結(jié)論更有利于界定二者的相關(guān)性。

1 相關(guān)文獻(xiàn)回顧

本文采用中國(guó)氣象局提供的霾日數(shù)數(shù)據(jù)來源于“霧霾專題數(shù)據(jù)集(V1.0)”。該數(shù)據(jù)集制作過程中，應(yīng)用氣候界限值或通話值檢查、內(nèi)部一致性檢查和空間一致檢查3類方法，進(jìn)行質(zhì)量控制，質(zhì)量良好，各要素項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)有率均在98%以上，數(shù)據(jù)正確率均接近100%。

本論文研究的時(shí)間區(qū)間確定為1996-2012年，其依據(jù)以下兩個(gè)方面：PM2.5是衡量霾污染程度的重要指標(biāo)。該指標(biāo)是1997年美國(guó)首次提出，因此選用1996年作為研究的起始時(shí)間。我國(guó)是2012年底開始統(tǒng)計(jì)PM2.5的值。這個(gè)期間是中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的階段，也是霧霾影響日趨嚴(yán)重的階段。因此選取1996-2012年作為研究階段可以有效判斷二者關(guān)聯(lián)性。

2 霾長(zhǎng)期氣候態(tài)時(shí)空格局分析

根據(jù)“霧霾專題數(shù)據(jù)集(V1.0)”提供的數(shù)據(jù)，所研究區(qū)域內(nèi)國(guó)家級(jí)地面氣象站在1996-2012年不同歷時(shí)的年總霾日數(shù)進(jìn)行時(shí)空格局分析。

2.1 時(shí)間序列分析

從時(shí)間序列來看，在長(zhǎng)期氣候態(tài)上，1996-2012年持續(xù)了7 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的12.67 %，而持續(xù)6 d及以下的年總霾日數(shù)占總霾日數(shù)的87.33 %，持續(xù)3 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的44%，持續(xù)2 d及以上的年總霾日數(shù)僅占總霾日數(shù)的56%。在年際變化上，1996-2012年不同歷時(shí)霾日數(shù)具有明顯的變動(dòng)。如圖1所示。

圖1 所研究區(qū)域內(nèi)不同年份霾日數(shù)總和時(shí)間序列變化圖(1996-2012)

圖2顯示的是所研究區(qū)域在1996-2012年間GDP年際變化趨勢(shì)。通過圖2顯示，GDP的變化是逐年遞增的。

圖2 所研究區(qū)域內(nèi)不同城市不同年份GDP變化圖(1996-2012年)

通過圖1和圖2的對(duì)比分析可知，所研究區(qū)域的年霾日數(shù)總和時(shí)間序列變化和GDP變化趨勢(shì)并不一致，因此兩者之間無法判斷相關(guān)性。

2.2 空間分布格局分析

從空間分布格局來看從1996-2012年從持續(xù)1 d及以上的年總霾日數(shù)到持續(xù)12 d及以上的年總霾日數(shù)，其長(zhǎng)期氣候態(tài)均值高值范圍依次縮小，如圖3和圖4所示。通過圖3和4所顯示的空間分布格局可以明顯地看出霾空間分布大致可以分成以下四類。

Ⅰ類霾空間：從圖3和圖4可以看出從1996到2012年間這類區(qū)域一直是霾污染狀態(tài)，因此其特征是長(zhǎng)期性霾污染。

Ⅱ類霾空間：從圖3和圖4可以看這類區(qū)域雖然持續(xù)時(shí)間短，但是20年來經(jīng)常性、反復(fù)性發(fā)生霾污染，因此其特征是間歇性霾污染。

Ⅲ類霾空間：以某一年為分界線，該年之前整個(gè)區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)過霾，該年以后才出現(xiàn)的霾，因此其特征是新出現(xiàn)霾污染。

Ⅳ類霾空間：從1996到2012年間從來沒有發(fā)生霾污染，其特征是無霾污染。

3 不同區(qū)域霾與經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)分析

霾與經(jīng)濟(jì)相關(guān)性分析其中霾利用的是霾日數(shù)和霾次數(shù)作為研究指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)采用GDP增長(zhǎng)率作為研究指標(biāo)。

霾日數(shù)和霾次數(shù)是霾最直觀的表象，GDP是反映一個(gè)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和程度的重要指標(biāo)之一，但是GDP總量指標(biāo)無法直觀顯示經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度，用GDP比上一年增長(zhǎng)的百分比作為研究指標(biāo)。因此選擇不同霾空間所在區(qū)域的霾日數(shù)、霾次數(shù)與GDP增長(zhǎng)率進(jìn)行相關(guān)性研究，從而得出關(guān)聯(lián)性。

3.1 散點(diǎn)圖分析

將表1中的數(shù)據(jù)以散點(diǎn)圖表示出來如圖5所示。

通過圖5可知：

(1)霾次數(shù)(蘭色點(diǎn))：Ⅰ類區(qū)域呈波動(dòng)狀態(tài)，1996年到1998年是第一個(gè)峰值，10年后，在2006和2007又一次達(dá)到峰值；Ⅱ類區(qū)域特點(diǎn)是波動(dòng)上升，沒有明顯的峰值，呈現(xiàn)得是在2000～2003年區(qū)間較高，經(jīng)過2004～2006年短暫下降后，又在2007年、2008年上升，2009年、2010年回落，然后就一直保持攀升狀態(tài)；Ⅲ類區(qū)域在2007年之前幾乎沒有霾現(xiàn)象，2008年霾發(fā)展迅速，在2009年略有回落之后，就一直保持增高；Ⅳ類區(qū)域沒有霾現(xiàn)象。

圖3 持續(xù)7 d以下霾日數(shù)空間格局(1996-2012)

圖4 持續(xù)7 d以上(包括7 d)霾日數(shù)空間格局(1996-2012)

圖5 霾發(fā)生次數(shù)、日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率散點(diǎn)圖(1996-2012)

(2)霾日數(shù)(桔色點(diǎn))：Ⅰ類區(qū)域的霾日數(shù)與霾次數(shù)保持相似的形狀，只是在峰值時(shí)，桔色點(diǎn)比蘭色點(diǎn)位置更高，說明在每次霾污染時(shí)霾日數(shù)較長(zhǎng)；Ⅱ類區(qū)域的桔色點(diǎn)比蘭色點(diǎn)位置相近，霾日數(shù)與霾次數(shù)保持相似的形狀。與Ⅰ類區(qū)域不同的是，二者位置相近，說明每次發(fā)生霾污染時(shí)持續(xù)的時(shí)間比Ⅰ類區(qū)域短；Ⅲ類區(qū)域霾日數(shù)與霾次數(shù)保持相似的形狀，與Ⅰ類區(qū)域相似的是：在峰值時(shí)，桔色點(diǎn)比蘭色點(diǎn)位置更高，說明在發(fā)生每次發(fā)生時(shí)霾日數(shù)較長(zhǎng)。

(3)GDP增長(zhǎng)率(綠色點(diǎn))：四個(gè)城市增長(zhǎng)幅度略有變化，但是幅度不大，沒有霾次數(shù)和日數(shù)那樣大幅度的波動(dòng)。

通過對(duì)各散點(diǎn)的分析，可得出如下結(jié)論：

(1)霾次數(shù)和霾日數(shù)對(duì)比分析，四個(gè)城市變化趨勢(shì)都相近。因此，各城市的霾次數(shù)和日數(shù)之間具有相關(guān)。

(2)霾次數(shù)和與GDP對(duì)比分析，Ⅰ類區(qū)域較為散亂、無法從圖中直接發(fā)現(xiàn)相關(guān)性。Ⅱ類區(qū)域、Ⅲ類區(qū)域在霾次數(shù)較低時(shí)，GDP增長(zhǎng)值較高，而霾次數(shù)上升時(shí)，GDP變化率在下降；Ⅳ類區(qū)域縣，因?yàn)轹泊螖?shù)均為0，GDP的變化率略有變化，因此，完全不相關(guān)。

表1 霾發(fā)生次數(shù)、日數(shù)和GDP增長(zhǎng)率匯總表(1996-2012)

表2 GDP增長(zhǎng)率、霾次數(shù)、霾日數(shù)的相關(guān)性表

注：*為在0.05級(jí)別(單尾)，相關(guān)性顯著；**為在0.01級(jí)別(單尾)，相關(guān)性顯著。

3.2 相關(guān)性分析

判斷霾次數(shù)、霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率的相關(guān)性分析，其中GDP增長(zhǎng)率只有一個(gè)變量，而霾次數(shù)和霾日數(shù)是兩個(gè)變量。測(cè)量一個(gè)變量與其他多個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度指標(biāo)是利用復(fù)相關(guān)系數(shù)。為了測(cè)定一個(gè)變量y與其他多個(gè)變量x1，x2，…，xk之間的相關(guān)系數(shù)，可構(gòu)造一個(gè)關(guān)于x1，x2，…，xk的線性組合。通過計(jì)算該線性組合與y之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)作為變量y與x1，x2，…，xk之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)。具體計(jì)算過程如下。

用y與x1，x2，…，xk作回歸，得：

(1)

將表1中Ⅰ類區(qū)域、Ⅱ類區(qū)域和Ⅲ類區(qū)域的值輸入SPSS23軟件，結(jié)果如表2-表4所示。

通過表2分析可知

(1)Ⅰ類區(qū)域的霾次數(shù)與GDP、霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率之間表現(xiàn)為弱相關(guān)。

(2)Ⅱ類區(qū)域的霾次數(shù)與GDP、霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率之間表現(xiàn)為極強(qiáng)相關(guān)。并且霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率的相關(guān)程度要大于霾次數(shù)與GDP增長(zhǎng)率的相關(guān)程度。即霾發(fā)生的日數(shù)比次數(shù)對(duì)Ⅱ類區(qū)域的GDP增長(zhǎng)率影響更大。

(3)Ⅲ類區(qū)域的霾次數(shù)與GDP、霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率之間表現(xiàn)為極強(qiáng)相關(guān)。并且霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率的相關(guān)程度略大于霾次數(shù)與GDP增長(zhǎng)率的相關(guān)程度。即霾發(fā)生的日數(shù)對(duì)Ⅲ類區(qū)域的GDP增長(zhǎng)率的影響程度略大于次數(shù)的影響程度。

由于Ⅱ類和Ⅲ類區(qū)域霾次數(shù)與GDP、霾日數(shù)與GDP之間表現(xiàn)為極強(qiáng)相關(guān)，因此需要進(jìn)一步判斷相關(guān)系數(shù)。

通過表3和表4可知：Ⅱ類區(qū)域復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.929，Ⅲ類區(qū)域復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.931，這兩個(gè)區(qū)域的擬合程度較好，并且回歸模型的概率為0，小于顯著性水平0.01，線性關(guān)系成立。說明Ⅱ類區(qū)域和Ⅲ類區(qū)域兩個(gè)城市霾次數(shù)、霾日數(shù)與GDP線性相關(guān)。

表3 相關(guān)分析模型匯總

表4 相關(guān)分析ANOVA

4 研究結(jié)論與建議

(1)霾時(shí)空格局分布特征可以明顯地看出霾空間分布大致可以分成以下四類。Ⅰ類霾空間：這類區(qū)域在1996～2012年期間一直是霾污染狀態(tài)，因此其特征是長(zhǎng)期性霾污染。Ⅱ類霾空間：這類區(qū)域雖然持續(xù)時(shí)間短，但是20年來經(jīng)常性、反復(fù)性發(fā)生霾污染，因此其特征是間歇性霾污染。Ⅲ類霾空間：以某一年為分界線，該年之前整個(gè)區(qū)域幾乎沒有出現(xiàn)過霾，該年以后才出現(xiàn)的霾，因此其特征是新出現(xiàn)霾污染。Ⅳ類霾空間：從來沒有發(fā)生霾污染，其特征是無霾污染。

(2)散點(diǎn)圖和相關(guān)性分析結(jié)果說明不同霾空間與GDP增長(zhǎng)率相關(guān)程度不同。因此在治理時(shí)不同區(qū)域要采取不同的治霾措施。Ⅰ類區(qū)域霾次數(shù)、霾日數(shù)和GDP增長(zhǎng)率之間沒有明顯的線性關(guān)系，說明Ⅰ類區(qū)域市的霾污染產(chǎn)生原因不僅僅是經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的，具有多方面原因，要探討霾污染產(chǎn)生的各方面因素，采用多種手段，從多個(gè)方向入手解決霾污染問題，因此需要全方位的進(jìn)行治理。Ⅱ類區(qū)域和Ⅲ類區(qū)域霾次數(shù)、霾日數(shù)與GDP增長(zhǎng)率呈線性相關(guān)，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展不合理造成霾污染，要治理霾就需要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。Ⅳ類區(qū)域近20年沒有出現(xiàn)過霾，因此要經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中要注重不能造成新的污染。