大氣環(huán)境資源指數(shù)及其實(shí)證檢驗(yàn)

蔡銀寅

（南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究院，南京 210044）

0 引言

大氣污染不全是一個(gè)技術(shù)問題，而更多是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題[1]。大氣污染的社會(huì)成本主要體現(xiàn)在人類健康，以及對動(dòng)植物和資產(chǎn)的不可忽略的損害方面[2-3]。人在污染空氣中的暴露時(shí)間和暴露濃度是造成健康損害的兩個(gè)重要變量[4-8]，這兩個(gè)變量也是衡量大氣污染程度的核心指標(biāo)[3]。近來的研究表明，污染的空氣不僅影響人類的健康，也會(huì)對資產(chǎn)價(jià)格、勞動(dòng)生產(chǎn)率以及人力資本造成顯著的影響[9-11]。這意味著，大氣污染的研究視角，正在從重污染天氣向全時(shí)性污染擴(kuò)展。

空氣中污染物的濃度和持續(xù)時(shí)間主要取決于兩個(gè)因素：一是污染物排放強(qiáng)度；二是排放時(shí)的天氣條件[12-15]。中國自2013年實(shí)施大規(guī)模減排策略以來，已在大氣污染治理方面取得顯著的可觀測性成效[16-20]。尤其在一些重大活動(dòng)中使用緊急減排策略取得了突出成績，更堅(jiān)定了對減排策略的信心[21-23]。然而，2020年1—2月開始席卷全國的新冠疫情，客觀上實(shí)現(xiàn)了最大限度的減排，但期間經(jīng)歷的兩次重污染天氣，動(dòng)搖了對減排策略的信心[24-27]。事實(shí)上，無論從短期還是長期看，天氣條件對空氣質(zhì)量的影響都不可忽略[28-35]。一場快變的天氣過程對空氣質(zhì)量的影響往往要比緊急減排的作用大得多[36]。

現(xiàn)實(shí)中，短期的天氣變化無疑是復(fù)雜的、系統(tǒng)的、難以捉摸的，但長期的氣候特征卻具有一定的穩(wěn)定性。研究表明，氣象氣候特征、自然地理?xiàng)l件（地形地貌）對空氣質(zhì)量具有長期且穩(wěn)定的影響[37-40]。在微觀層面，城市結(jié)構(gòu)、建筑格局等也會(huì)對空氣質(zhì)量產(chǎn)生長期的顯著影響[38,41-42]，空氣質(zhì)量與氣象因子在時(shí)間序列上的相關(guān)性也十分明顯[43]。

環(huán)境是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要資源投入，污染程度則體現(xiàn)了這種投入的社會(huì)成本。大氣環(huán)境的異質(zhì)性會(huì)對大氣污染程度產(chǎn)生顯著影響，從而具備了資源的基本特征。目前，對大氣環(huán)境異質(zhì)性的描述，多集中在大氣環(huán)境容量和氣象與排放協(xié)同效應(yīng)方面[44-48]，而對大氣環(huán)境特征的資源性強(qiáng)調(diào)不多。因此，尋求獨(dú)立衡量大氣環(huán)境特征與空氣質(zhì)量相關(guān)聯(lián)系的一般性指標(biāo)，對大氣環(huán)境資源進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，顯得很有必要。

污染物排放是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的副產(chǎn)品，從經(jīng)濟(jì)投入角度看，大氣環(huán)境資源可以看作是對環(huán)保技術(shù)的成本替代。通常情況，減排的方式有兩種：一是減少排放活動(dòng)，減少污染物排放的絕對量；二是采用環(huán)保技術(shù)，降低污染物向大氣環(huán)境的釋放比例。但是，這兩種方式都會(huì)帶來機(jī)會(huì)成本。同時(shí)，大氣污染之所以重要，原因是會(huì)對暴露其中的人、動(dòng)植物和資產(chǎn)產(chǎn)生不可忽略的損失。也就是說，無論是減排的機(jī)會(huì)成本，還是污染的損失，都是人類的主觀判斷，而并非客觀實(shí)際，但是與二者緊密相連的物理要素卻是客觀存在的，即空氣中污染物的濃度和持續(xù)時(shí)間。大氣環(huán)境能夠通過自身的作用改變空氣中污染物的濃度和持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而具備了資源性，而這種作用的強(qiáng)弱則體現(xiàn)了大氣環(huán)境資源的多寡。本質(zhì)上，大氣環(huán)境資源的作用與環(huán)保技術(shù)的作用是一致的，都是在既定生產(chǎn)條件下降低污染程度。

1 基本假設(shè)

基于以上認(rèn)識(shí)，結(jié)合對大氣污染經(jīng)濟(jì)后果的理解，對大氣環(huán)境資源（AER）的量化思路提出如下假設(shè)。

1）無限稀釋假設(shè)。污染物進(jìn)入開放的大氣環(huán)境之后，處于不受約束擴(kuò)散狀態(tài)，被無限稀釋。這一點(diǎn)與早期（19世紀(jì)中期）的污染物擴(kuò)散模型相一致[12-15]，也與后來（20世紀(jì)60年代以后）的實(shí)證模型相一致[45-47]。20世紀(jì)50—70年代，也有氣象學(xué)者將大氣環(huán)境的擴(kuò)散能力直接描述為空氣資源，只是這種說法后面并未得到大范圍的應(yīng)用[13-15]。隨著中國大氣污染問題的不斷凸顯，氣象與大氣污染的協(xié)同問題再次成為研究熱點(diǎn)，氣象擴(kuò)散條件成為解釋重污染天氣的重要外部條件。因此，大氣環(huán)境資源的量化，首要考慮氣象的擴(kuò)散條件。對于特定的大氣污染物來說，擴(kuò)散過程也即稀釋過程，擴(kuò)散時(shí)間越長、速度越快，則污染物濃度越低。

2）自然凈化假設(shè)。大氣成分長期趨于穩(wěn)定，具有排異作用，最終將污染物清除出大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自然凈化。大氣的自然凈化作用，是大氣環(huán)境成為一種資源的根本原因[38,49]。大氣自然凈化作用，不斷制造清潔空氣，降低背景濃度，使無限稀釋假定變得有意義。

3）超近地面假設(shè)。大氣污染重點(diǎn)關(guān)注超近地面（100 m以下）大氣環(huán)境中污染物的濃度和持續(xù)時(shí)間，這是人群、動(dòng)植物和資產(chǎn)存在的主要空間。這個(gè)假設(shè)將高空、遠(yuǎn)離人群的大氣環(huán)境分割開，只截取大氣污染經(jīng)濟(jì)后果中最核心的部分，從而限定了空氣質(zhì)量的空間范圍。

4）多因歸一假設(shè)。地形、大氣密度、逆溫、云量等特殊因素對超近地面大氣污染的影響通過對其氣象條件的影響實(shí)現(xiàn)，即超近地面氣象條件變化能夠完全反映特殊因素的影響，無須再重復(fù)考慮空間范圍內(nèi)其他的條件作為宏觀背景[50]。

5）背景濃度假設(shè)。污染物進(jìn)入大氣環(huán)境后的無限稀釋過程，不受背景濃度的約束。同時(shí)，污染物傳輸也只影響背景濃度，相當(dāng)于改變了大氣的本底濃度。由于大氣環(huán)境資源的多寡主要取決于大氣環(huán)境的氣象特征，如風(fēng)速、氣溫等，可以認(rèn)為污染物的區(qū)域性傳輸，并不影響本地大氣環(huán)境資源的多寡，雖然污染物傳輸會(huì)影響空氣質(zhì)量實(shí)測值，但只相當(dāng)于增加了背景濃度，而不影響大氣環(huán)境資源的量。也就是說，大氣環(huán)境資源與背景濃度無關(guān)，與污染物的區(qū)域傳輸無關(guān)，與大氣是否處于污染狀態(tài)無關(guān)。大氣環(huán)境資源只衡量大氣處理污染物的潛在能力。

5個(gè)假設(shè)存在如下內(nèi)在邏輯：首先，稀釋作用是污染物進(jìn)入大氣環(huán)境后的一個(gè)過程，這個(gè)過程是影響空氣污染程度的直接因素，沒有這個(gè)過程，也就沒有所謂的大氣污染，這是第一個(gè)假設(shè)的含義。其次，污染物最終還是需要從大氣中出來，回到地面、水體或者遠(yuǎn)離近地面，從而恢復(fù)近地面大氣成分的穩(wěn)定性，這是第二個(gè)假設(shè)的含義。只有這樣，污染物擴(kuò)散的過程才會(huì)循環(huán)發(fā)生，也即第二假設(shè)是第一假設(shè)的基礎(chǔ)。第三假設(shè)是針對大氣污染的經(jīng)濟(jì)屬性而設(shè)的，近地面大氣污染的影響才是真實(shí)的，這是一個(gè)價(jià)值判斷問題，沒有這個(gè)價(jià)值判斷，大氣污染就是純物理過程。因此，第三假設(shè)是大氣污染問題從物理過程向經(jīng)濟(jì)影響的過渡假設(shè)。第四假設(shè)是為了解決重復(fù)考慮復(fù)雜因素的問題所做的簡單歸一，方便應(yīng)用。第五假設(shè)則是為了區(qū)分當(dāng)前大氣污染與氣象耦合因素研究方法中的區(qū)域輸出輸入模式，將復(fù)雜過程簡化為背景濃度變量，方便大氣環(huán)境資源指數(shù)（AERI ）的量化分析。

整體而言，5個(gè)假設(shè)是從機(jī)理到應(yīng)用的一個(gè)遞進(jìn)過程，尤其在中間加入了從物理過程到經(jīng)濟(jì)過程的過渡，從而實(shí)現(xiàn)AERI的實(shí)用性，以便融合氣象學(xué)、環(huán)境學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法，分析具體的大氣污染問題，突出氣象經(jīng)濟(jì)視角。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

大氣環(huán)境資源是大氣活動(dòng)對污染物濃度作用能力的綜合反應(yīng)，是一個(gè)作用潛勢，不能直接觀測。同時(shí)，大氣環(huán)境資源也不容易直接計(jì)算。因此，構(gòu)建一個(gè)衡量其大小的無量綱的指數(shù)方程，然后再通過代入氣象數(shù)據(jù)對指數(shù)賦值，可以得到一種間接的解決方案。

2.1 大氣環(huán)境資源指數(shù)

根據(jù)上述5 個(gè)假設(shè)，構(gòu)建大氣環(huán)境資源指數(shù)（AERI）模型。

1）不受約束的熱運(yùn)動(dòng)。污染物進(jìn)入開放性大氣環(huán)境后，進(jìn)行無規(guī)律的熱運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度符合麥克斯韋速度分布函數(shù)，即：

式中，v為氣體分子的運(yùn)動(dòng)速率（m/s），k為玻爾茲曼常數(shù)，m為分子的質(zhì)量（kg），T為氣體溫度（K），由此可知污染物在大氣中擴(kuò)散的基礎(chǔ)速率vT（m/s）與氣溫的方根成正比，即氣溫越高，污染物熱力運(yùn)動(dòng)的速率越大。值得注意的是，這里僅指污染物相對于大氣環(huán)境的分子運(yùn)動(dòng)，由于污染物相對于大氣來說，比例較小，所以忽略了污染物本身的動(dòng)量守恒和熱量守恒。

2）動(dòng)力運(yùn)動(dòng)。污染進(jìn)入大氣環(huán)境后，被大氣本身脅迫做動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，假定動(dòng)力運(yùn)動(dòng)速率vP（m/s）是風(fēng)速F（m/s）的函數(shù)，即，風(fēng)速越大，污染物動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的速率越大。

在上述2 個(gè)條件下，給出大氣環(huán)境資源指數(shù)（AERI）的一般公式如下：

3）降水。由于較強(qiáng)的降水過程往往伴隨著較大的風(fēng)速，而較小的降水，對于污染物的凈化作用又比較有限。簡單實(shí)用起見，AERI公式不再考慮降水因素。

對于AERI的含義可以有兩種理解：一是理解為污染物進(jìn)入大氣環(huán)境后的運(yùn)動(dòng)速度，不同的大氣特征，污染物的運(yùn)動(dòng)速度不同，運(yùn)動(dòng)速度越快，意味著大氣環(huán)境資源越多；二是理解為不同大氣狀態(tài)下污染物單位時(shí)間內(nèi)所能填充的大氣空間，空間越大，意味著大氣環(huán)境資源越多，污染物相當(dāng)于溶質(zhì)，大氣空間相當(dāng)于溶劑，溶質(zhì)不變，溶劑越多，污染物濃度就越低。實(shí)際應(yīng)用中，如果污染物排放強(qiáng)度不變，根據(jù)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算的AERI值越大，則空氣中的污染物濃度就會(huì)越低、持續(xù)時(shí)間越短，也即大氣污染越輕。

根據(jù)上述理解，AERI具有幾個(gè)特征：第一，AERI是一個(gè)基于大氣物理特性的簡化指數(shù)方程，只考慮風(fēng)速和氣溫，旨在反映本地大氣環(huán)境的異質(zhì)性特征對空氣質(zhì)量的客觀影響，它不考慮污染物排放的實(shí)際情況，獨(dú)立于污染物排放和空氣質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)情況，只表征大氣環(huán)境特征作為一種資源的潛力；第二，AERI值做了截尾處理，結(jié)果為0～100的實(shí)數(shù)，無量綱，只反映某時(shí)某地大氣環(huán)境資源的多寡，是一個(gè)序數(shù)概念，AERI值越大，意味著相同排放強(qiáng)度下，大氣污染程度越低；第三，宏觀上，AERI值可以客觀反映一個(gè)地方的大氣環(huán)境資源量的多寡，以及大氣環(huán)境資源的時(shí)間分布，易于計(jì)算和操作；第四，微觀上，AERI值是衡量大氣環(huán)境資源的基礎(chǔ)方程，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)賦予AERI實(shí)值，如本地AERI值在特定排放情況下對應(yīng)的污染物濃度，用于指導(dǎo)錯(cuò)峰生產(chǎn)和污染物排放的空間調(diào)整。

2.2 數(shù)據(jù)選擇

本研究選用以下數(shù)據(jù)，對AERI進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)。

1）氣象數(shù)據(jù)：氣象數(shù)據(jù)來自中國地面氣象數(shù)據(jù)對應(yīng)氣象站點(diǎn)逐小時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2015年1月1日00時(shí)—2020年12月31日23時(shí)（北京時(shí)，下同）。

2）空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)：空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)（http://www.cnemc.cn/sssj/）中的城市監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)（1436個(gè)站點(diǎn)），空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)包括CO、SO2、PM2.5、PM10、NO2、O3這6種污染物的逐小時(shí)濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2015年1月1日00時(shí)—2020年12月31日23時(shí)。

3）經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：各個(gè)城市經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和SO2排放量數(shù)據(jù)來源于2016—2020年《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 大氣環(huán)境資源指數(shù)的實(shí)證檢驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)策略

對于AERI的檢驗(yàn)要注意3個(gè)問題：

1）AERI是一個(gè)無量綱的指數(shù)。AERI值越大，對于固定強(qiáng)度的污染物排放來說，在大氣中產(chǎn)生的污染物濃度就越低。注意，這里主要指新增的污染物排放，也就是說，污染物排放在大氣中產(chǎn)生的污染物濃度高低，與排放時(shí)的AERI值直接相關(guān)。

2）大氣環(huán)境對大氣中的存量污染物也有無限稀釋作用，即大氣環(huán)境不斷地在降低大氣污染物的背景濃度。AERI值越大，污染物背景濃度降低的速度就越快，即單位時(shí)間背景濃度下降的就越多。

3）大氣中污染物的濃度，即空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，是新增污染物排放與背景濃度疊加的結(jié)果。

因此，利用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)對AERI進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，其策略如下：

1）污染物排放規(guī)律主要由生產(chǎn)規(guī)律、生活規(guī)律決定，假定大部分時(shí)段污染物排放強(qiáng)度只有較小的波動(dòng)。基于這種假定，大部分時(shí)段空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與AERI值應(yīng)該呈現(xiàn)相反的變化趨勢，即AERI值升高，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)變?。ㄎ廴疚餄舛冉档停?，AERI值下降，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)變大（污染物濃度升高）。檢驗(yàn)的首要任務(wù)是驗(yàn)證這個(gè)規(guī)律，這是AERI是否具有應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。

2）少數(shù)時(shí)段，污染物排放可能會(huì)出現(xiàn)極端情況，如秋收時(shí)節(jié)大規(guī)模焚燒秸稈（雖被禁止，但仍然存在）、集中供暖的初始階段（初始階段排放強(qiáng)度較高）、短時(shí)的沙塵天氣等，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)AERI值上升與空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)變大（污染物濃度升高）同向變化的情況。對于這種情況要具體分析，不能因此否定AERI的適用性。

3）由于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是背景濃度與新增排放濃度的疊加結(jié)果，空氣中污染物濃度的積累和稀釋都需要一個(gè)過程，同時(shí)污染物排放也不可能像假定的那樣一直處于小幅波動(dòng)，因此在回歸分析中，AERI的系數(shù)是否顯著為負(fù)是第一重要的，而擬合優(yōu)度則是次要的。

4）AERI是一個(gè)無量綱的實(shí)數(shù)，取值范圍為0～100，在回歸分析中，AERI前面系數(shù)的含義是AERI變動(dòng)1個(gè)單位，引起的空氣質(zhì)量的變化量，代表某地空氣質(zhì)量對大氣環(huán)境資源的敏感性。不同城市間AERI值的回歸系數(shù)是可以比較的，具有實(shí)際意義。

基于以上策略，選取2020年北京、上海、廣州等10個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行波形檢驗(yàn)、分段統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和回歸檢驗(yàn)。

3.2 大氣環(huán)境資源指數(shù)的波形檢驗(yàn)

根據(jù)公式（2），使用2020年北京、上海、廣州3個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算2020年1月1日—12月31日全年逐小時(shí)的AERI值，然后選取3個(gè)城市對應(yīng)時(shí)段的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)畫時(shí)間序列變化波形圖。

圖1為2020年北京市3種污染物（SO2、PM2.5和PM10）濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和AERI值逐小時(shí)變化曲線（曲線上點(diǎn)的間隔為6 h）?？梢钥闯觯珹ERI值與3種污染物濃度和AQI呈現(xiàn)明顯的負(fù)向變化關(guān)系，尤其在空氣質(zhì)量的突變點(diǎn)，AERI基本上都處于低值，而在空氣質(zhì)量較好的時(shí)段，AERI整體處于高值區(qū)。注意，2020年4—5月間，北京市出現(xiàn)了幾次沙塵天氣，因此圖1中出現(xiàn)了AERI值較大時(shí)PM10也比較大的情況。這種情況在實(shí)際中，一般作為異常值處理，不計(jì)入大氣污染范疇?？梢钥闯?，即使在沙塵天氣時(shí)，AERI值與PM2.5和SO2的負(fù)相關(guān)性依然十分明顯。

圖1 2020年北京市主要空氣質(zhì)量指標(biāo)與AERI值變化趨勢Fig.1 Trends of main air quality indexes and AERI in Beijing in 2020

AERI值與空氣質(zhì)量的負(fù)向變化關(guān)系，在實(shí)際的空氣質(zhì)量預(yù)警中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。一方面，當(dāng)AERI降低時(shí)，污染物濃度具有上升趨勢。在污染物排放強(qiáng)度波動(dòng)不大的情況下，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析空氣質(zhì)量惡化時(shí)的AERI條件，尋找預(yù)警條件，結(jié)合氣象觀測計(jì)算實(shí)時(shí)的AERI數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的便捷預(yù)警。另一方面，結(jié)合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，如果未來一段時(shí)間內(nèi)，AERI值長時(shí)間處于較小的狀態(tài)，則空氣質(zhì)量將會(huì)有惡化的風(fēng)險(xiǎn)，需要提醒采取相應(yīng)的管理措施。從圖1來看，在6 h尺度上，如果使用AERI值對北京市進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)測和管控，策略上是可行的。

圖2給出了2020年上海市3種污染物濃度（SO2、PM2.5和PM10）、空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和AERI值每隔6 h的變化曲線，大致情況與北京市相似。直觀上，上海市空氣質(zhì)量與AERI值的負(fù)相關(guān)性沒有北京市明顯，尤其在SO2方面，同向變化的比例較高。這主要源于兩個(gè)方面：一是上海市的空氣濕度長年較高，二次污染物生成比例較大；二是上海市的污染物排放強(qiáng)度時(shí)間波動(dòng)性較大，空氣質(zhì)量整體較好。

圖2 2020年上海市主要空氣質(zhì)量指標(biāo)與AERI值變化趨勢Fig.2 Trends of main air quality indexes and AERI in Shanghai in 2020

氣象條件是影響空氣質(zhì)量的外在條件，由于受污染物排放強(qiáng)度及波動(dòng)的干擾，不同城市空氣質(zhì)量與AERI值的變化形態(tài)并非完全一致。將變化的氣象條件看作一種資源，可以從宏觀和微觀兩個(gè)層面解釋氣象氣候特征與大氣污染結(jié)果的關(guān)系。北京市和上海市的污染物排放強(qiáng)度不同，氣候特征也不同，但空氣質(zhì)量與AERI值的變化趨勢卻是一致的，這一點(diǎn)說明了AERI的可用性。

繼續(xù)考察更低緯度的重要城市廣州，結(jié)果如圖3所示。廣州市的情況與北京市比較一致，空氣質(zhì)量與AERI值的變化趨勢負(fù)相關(guān)性十分明顯，說明當(dāng)污染物排放強(qiáng)度和氣候特征都存在較大差異時(shí)，AERI值與空氣質(zhì)量的變化規(guī)律并未有本質(zhì)改變，AERI具有南北適用性。

圖3 2020年廣州市主要空氣質(zhì)量指標(biāo)與AERI值變化趨勢Fig.3 Trends of main air quality indexes and AERI in Guangzhou in 2020

從以上分析可以大致看出，假定污染物排放強(qiáng)度具有一定的穩(wěn)定性，在時(shí)間序列上，AERI值與空氣質(zhì)量的相關(guān)性較高，用AERI值反映大氣環(huán)境資源具有一定的意義。

3.3 AQI與AERI值的分段統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證這一規(guī)律，對2020年南昌、合肥、南京、武漢、西安這5個(gè)城市的AQI數(shù)據(jù)和AERI值進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 2020年5個(gè)城市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）與AERI值統(tǒng)計(jì)Table 1 Air Quality Index (AQI) and AERI values of five cities in 2020

根據(jù)國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012），當(dāng)50≤AQI≤100時(shí)，空氣狀態(tài)為良，當(dāng)AQI＞100時(shí)，空氣進(jìn)入污染狀態(tài)。由表1可知，首先，AQI的均值越高，對應(yīng)AERI的均值越低，這個(gè)規(guī)律在5個(gè)城市都是存在的；其次，不同城市之間，AQI與AERI值在不同區(qū)間的關(guān)系有顯著差別，大氣環(huán)境資源相對豐富的城市，如南京、合肥2個(gè)市，AQI值變化與AERI值變化的區(qū)間關(guān)系相對平緩，而大氣環(huán)境資源相對匱乏的城市，如西安、武漢2個(gè)市，AQI值變化與AERI值變化的區(qū)間關(guān)系相對突出，大氣環(huán)境資源減少是導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化的主要因素；再次，在不考慮排放強(qiáng)度的情況下，大氣環(huán)境資源匱乏的城市，污染時(shí)間明顯較長，如西安和武漢2個(gè)市，尤其西安比較突出。值得注意的是，隨著全球氣溫不斷升高，中國大部分地區(qū)的年平均風(fēng)速也在下降，使AERI值降低，即大氣環(huán)境資源量在減少[51]。對于大氣環(huán)境資源本身就比較匱乏的地區(qū)來說，氣候變化可能會(huì)進(jìn)一步加重大氣污染，成為氣候變暖的又一個(gè)重要損失。表1的統(tǒng)計(jì)不僅反映了AERI與空氣質(zhì)量的關(guān)系，也反映了大氣環(huán)境資源的空間分布。

3.4 時(shí)間序列回歸檢驗(yàn)

為更全面地分析AERI與空氣質(zhì)量之間的關(guān)系，將研究對象擴(kuò)大到10個(gè)城市，使用時(shí)間序列分析模型，對10個(gè)城市2020年的AERI值和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸模型如為：

式中，Apt表示t時(shí)刻的空氣質(zhì)量各要素，為被解釋變量，如SO2、PM2.5濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；β0為常數(shù)項(xiàng)；β1為回歸系數(shù)；AERIt為t時(shí)刻的大氣環(huán)境資源指數(shù)，為自變量；εt是隨機(jī)誤差項(xiàng)。結(jié)果如表2所示。

表2 2020年重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量與AERI值回歸結(jié)果Table 2 Results of air quality and AERI with regression analysis in important cities

除上海市的SO2以外，各城市空氣質(zhì)量與AERI值的負(fù)相關(guān)關(guān)系均顯著。注意，β1為回歸系數(shù)，不是相關(guān)系數(shù)，其含義是當(dāng)AERI值變化1個(gè)單位時(shí)，污染物濃度的變化情況。β1的大小，在一定程度反映了空氣質(zhì)量與大氣環(huán)境資源的反饋敏感程度。在反饋敏感程度方面，不同城市，以及同一城市不同污染物之間存在顯著差別。蘭州市的反饋敏感度整體與西安市接近，而武漢市低于鄭州市，高于長沙市。同時(shí)，各個(gè)城市的SO2對AERI的反饋敏感程度相對較低，這主要是因?yàn)榭諝赓|(zhì)量與AERI的反饋敏感程度不僅與AERI有關(guān)，同時(shí)還與污染物排放強(qiáng)度有關(guān)。在表2所列的城市中，SO2反饋比較敏感的城市為沈陽市和蘭州市，說明這兩個(gè)城市的SO2排放強(qiáng)度相對較大。

整體而言，在大氣環(huán)境資源相對匱乏的城市，污染物濃度對AERI的反饋相對敏感，成都、西安、鄭州、沈陽等市與廣州、長沙和上海等市相比，相差約1～2倍。這意味著，在大氣污染防治工作中，不僅要考慮污染物排放的強(qiáng)度問題，也應(yīng)該考慮大氣環(huán)境資源的問題，尤其是在大氣環(huán)境資源相對匱乏的城市，污染物排放控制顯得更有價(jià)值。

值得注意的是，在時(shí)間序列上，AERI值與空氣質(zhì)量各指標(biāo)的負(fù)相關(guān)性只能說明使用AERI值衡量大氣環(huán)境資源量在趨勢上是合理的，并不能反映更多的信息。因?yàn)樵诤唵蔚臅r(shí)間序列回歸中，相當(dāng)于假定污染物排放強(qiáng)度是一個(gè)定值，并忽略其強(qiáng)度的絕對值。事實(shí)上，無論是排放強(qiáng)度的絕對值，還是排放強(qiáng)度的時(shí)間波動(dòng)，都不能夠完全忽略。

3.5 面板數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)AERI的適用性，使用面板數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸方程設(shè)定如下：

式中，AERI可以看作是和污染物排放強(qiáng)度一樣的變量，反映的是大氣環(huán)境資源的投入。APit是樣本i在時(shí)間t的空氣質(zhì)量指標(biāo)，為被解釋變量，具體如SO2、PM2.5濃度或AQI值，這里用樣本城市的污染物年平均濃度來代表；β0為常數(shù)項(xiàng)；β1和β2為回歸系數(shù)；PEit為樣本i在時(shí)刻t的污染物排放控制變量；AERIit為對應(yīng)時(shí)刻的大氣環(huán)境資源指數(shù)，是自變量；εit為誤差項(xiàng)；δi為個(gè)體虛擬變量，當(dāng)采用個(gè)體固定效應(yīng)模型回歸時(shí)賦值。

控制變量PEit用城市第二產(chǎn)業(yè)占比作為代表。一方面，第二產(chǎn)業(yè)占比反映了一個(gè)城市的工業(yè)化水平，而工業(yè)化水平與污染物排放具有很強(qiáng)的相關(guān)性，尤其與工業(yè)SO2、工業(yè)煙塵和氮氧化物的排放高度相關(guān)；另一方面，第二產(chǎn)業(yè)占比也反映了一個(gè)城市的工業(yè)集中水平，第二產(chǎn)業(yè)占比越高，意味著工業(yè)相對集中，污染物排放強(qiáng)度也會(huì)較高。因此，用第二產(chǎn)業(yè)占比代表一個(gè)城市的污染物排放強(qiáng)度，具有一定的合理性。

應(yīng)用上述面板回歸方程，可以分析3個(gè)問題：第一，大氣環(huán)境資源在空間上存在較大差異時(shí)，大氣環(huán)境資源對大氣污染程度的影響是否同樣顯著；第二，大樣本截面數(shù)據(jù)下，與污染物排放相比，大氣環(huán)境資源投入對大氣污染的實(shí)際影響有多大；第三，對于特定的污染物，可以大致判斷其對大氣環(huán)境資源的消耗程度。

由于一些城市在個(gè)別年份的數(shù)據(jù)缺失，這里共選擇151個(gè)樣本城市2015—2019年的數(shù)據(jù)組成面板，基本涵蓋了中國大陸東部地區(qū)、南部地區(qū)、西南地區(qū)、中部地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)，能夠反映空間差異性。

回歸結(jié)果如表3所示，使用兩種模型進(jìn)行估計(jì)，通過Hausman檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被解釋變量除SO2外，其他均支持固定效應(yīng)模型。結(jié)果表明，當(dāng)考慮污染物排放強(qiáng)度時(shí)，AERI與空氣質(zhì)量各指標(biāo)的負(fù)相關(guān)關(guān)系也均顯著。這說明，在空間上，AERI的差異性同樣是影響空氣質(zhì)量的重要因素，AERI同樣具有空間適用性。從回歸結(jié)果看，無論是AERI與空氣質(zhì)量各指標(biāo)的單項(xiàng)回歸，即不加入控制變量（假定污染物排放強(qiáng)度的影響為定值），還是加入第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重控制變量，AERI與空氣質(zhì)量各指標(biāo)的負(fù)相關(guān)關(guān)系均顯著。從邊際反饋的敏感度看，AERI對空氣質(zhì)量各個(gè)指標(biāo)的負(fù)向影響，大致為污染物排放強(qiáng)度正向影響的50%左右，這一點(diǎn)與現(xiàn)有的研究結(jié)論基本一致[16]。這一結(jié)論的含義是，對于樣本城市來說，想要維持現(xiàn)有的空氣質(zhì)量，第二產(chǎn)業(yè)占比每增加1個(gè)單位，需要投入2個(gè)單位的大氣環(huán)境資源；反過來說，如果因?yàn)闅夂蜃兓纫蛩?，這些城市的大氣環(huán)境資源量減少1個(gè)單位，想要維持現(xiàn)有的空氣質(zhì)量，第二產(chǎn)業(yè)占比就必須減少0.5個(gè)單位，即必須控制工業(yè)排放。類似地，如果某個(gè)年度某個(gè)城市的大氣環(huán)境資源增加了1個(gè)單位，保持工業(yè)排放不變的情況下，這個(gè)城市的空氣質(zhì)量會(huì)變好，相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)比重下降了0.5個(gè)單位。

表3 大氣環(huán)境資源指數(shù)與空氣質(zhì)量主要變量的回歸分析（151個(gè)城市面板數(shù)據(jù)）Table 3 Regression analysis of AERI and major variables of air quality (panel data of 151 cities)

同時(shí)，為進(jìn)一步確定污染物排放強(qiáng)度，選擇具體的污染物排放量作為自變量進(jìn)行回歸?！吨袊鞘薪y(tǒng)計(jì)年鑒》給出了各個(gè)城市歷年的工業(yè)SO2排放量，相對準(zhǔn)確地反映了每個(gè)城市工業(yè)SO2的年度排放強(qiáng)度。在空氣質(zhì)量各指標(biāo)中，SO2的年平均濃度作為被解釋變量，可以進(jìn)一步檢驗(yàn)AERI的適用性，回歸結(jié)果如表4所示。

表4 AERI與SO2的回歸分析結(jié)果（151城市面板數(shù)據(jù)）Table 4 Regression analysis of AERI and SO2 (panel data of 151 cities)

用AERI、第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重、SO2年排放量作為自變量解釋SO2年平均濃度的變化，從表4可以看出，AERI的負(fù)相關(guān)性仍然顯著。相對而言，SO2年平均濃度變化對AERI的反饋敏感度較高，大致與第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重相當(dāng)，而對SO2年排放量的反饋敏感度較低。SO2年排放量的系數(shù)較小主要源于兩個(gè)因素：一是SO2的統(tǒng)計(jì)單位為t，量級(jí)相差較大；二是由于近10年對SO2排放的大幅度削減，SO2從超重污染水平進(jìn)入了中度和輕度污染水平，減排的邊際效果減弱。

考慮到AERI的多寡在時(shí)間分布上的影響，為進(jìn)一步分析SO2排放量對大氣環(huán)境資源的消耗情況，表4還給出了AERI值的年10%、25%和50%分位數(shù)的回歸系數(shù)。結(jié)果顯示，樣本城市對AERI值的年25%分位數(shù)具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且固定效應(yīng)模型的回歸系數(shù)與AERI的年平均值非常接近。從氣候特征來看，一個(gè)城市AERI值特定分位數(shù)值越高，說明該城市AERI值的低值占比越少，對應(yīng)于現(xiàn)實(shí)情況，即該城市的極端不利氣象條件越少。面板數(shù)據(jù)回歸結(jié)果顯示，AERI值的年25%分位數(shù)回歸系數(shù)顯著說明大部分樣本城市，SO2的排放強(qiáng)度大致在AERI值的年25%分位數(shù)處，即從平均排放強(qiáng)度角度考慮，全年有25%左右的時(shí)間，這些城市的SO2排放強(qiáng)度超過大氣環(huán)境資源量，造成污染。這一點(diǎn)與現(xiàn)有的估計(jì)也比較一致，中國大部分城市的工業(yè)SO2排放仍然有較大的減排任務(wù)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)大氣環(huán)境影響空氣質(zhì)量的內(nèi)在機(jī)理，結(jié)合大氣污染的經(jīng)濟(jì)后果，提出量化大氣環(huán)境資源的思路和基本假定，給出衡量大氣環(huán)境資源多寡的兩參數(shù)指數(shù)方程，初步實(shí)現(xiàn)了對大氣環(huán)境資源的量化統(tǒng)計(jì)，并利用2020年北京、上海、廣州等10個(gè)城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和地面氣象觀測數(shù)據(jù)對大氣環(huán)境資源指數(shù)的適用性進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)，對2015—2019年中國151個(gè)城市的地面氣象觀測數(shù)據(jù)、城市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、城市經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、城市污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出以下主要結(jié)論。

1）大氣環(huán)境的異質(zhì)性（包括天氣過程、氣候特征和自然地理?xiàng)l件）能夠?qū)諝赓|(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，使其具備資源特征。經(jīng)濟(jì)上，可以將大氣環(huán)境資源看作是對環(huán)保投入的成本替代，就像風(fēng)力、水電一樣，是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的投入品，擴(kuò)大了氣象技術(shù)的應(yīng)用范圍[52]。

2）從檢驗(yàn)結(jié)果看，大氣環(huán)境資源指數(shù)AERI可以作為表征大氣環(huán)境資源多寡的一個(gè)變量。AERI只有氣溫和風(fēng)速兩個(gè)參數(shù)，易于計(jì)算，可以通過實(shí)際觀測獲取，也可以進(jìn)行預(yù)報(bào)，成本較低，實(shí)用性強(qiáng)。一方面，它客觀反映了一個(gè)地方不同時(shí)間的大氣環(huán)境特征對空氣質(zhì)量的影響潛力，以實(shí)測的AERI為依據(jù)，可以評(píng)估城市大氣污染治理的績效，也可以利用AERI預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，進(jìn)行污染物排放的時(shí)間調(diào)控，提高錯(cuò)峰生產(chǎn)的效率；另一方面，AERI可以用于比較不同地區(qū)、不同地形、不同年份大氣環(huán)境資源的多寡，分析污染物排放影響的空間差異，為產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃提供依據(jù)。

3）應(yīng)用AERI進(jìn)行的綜合分析結(jié)果表明：樣本城市的大氣環(huán)境資源對空氣質(zhì)量的邊際影響大致與工業(yè)排放的50%相當(dāng)，SO2排放對大氣環(huán)境資源的消耗大致在25%分位數(shù)水平，仍存在不小的減排壓力；大氣環(huán)境資源相對匱乏的城市，污染物濃度對大氣環(huán)境資源變化的邊際反饋更敏感，如成都、西安、鄭州、沈陽等市與廣州、長沙和上海等市相比，相差約1～2倍；對于大氣環(huán)境資源匱乏的城市來說，減排的邊際效應(yīng)更強(qiáng)。

4）AERI還存在一些待解決的問題。首先，AERI是無量綱的指數(shù)，只能反映大氣環(huán)境資源的多寡，并無量的意義；其次，AERI未考慮空氣濕度的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對濕度的影響進(jìn)行補(bǔ)充評(píng)估；第三，對于特殊的天氣情況，如強(qiáng)降雨、逆溫等，AERI的反映不夠全面，需要具體分析。

污染物排放是大氣污染的內(nèi)因，長期看來，采取更先進(jìn)的技術(shù)控制排放是需要不斷努力的方向，但作為一種經(jīng)濟(jì)選擇，在合適的發(fā)展階段，充分利用大氣環(huán)境資源也是需要認(rèn)真思考的問題[13]。目前對于中國來說，經(jīng)過近10年的減排努力，污染物排放被大幅度壓縮，繼續(xù)減排的壓力越來越大，這種形勢下，充分利用大氣環(huán)境資源進(jìn)行時(shí)空調(diào)控也可以作為權(quán)宜之計(jì)，與減少排放并舉。