孫旭東，許 璐，賈旭璠，張 博

(1.中國礦業(yè)大學(北京)管理學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.中國包裝和食品機械有限公司，北京 100083)

中美煤炭生產和消費重心演變軌跡分析

孫旭東1,2，許 璐3，賈旭璠1，張 博1,2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)管理學院，北京100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083；3.中國包裝和食品機械有限公司，北京100083)

基于2001～2015年煤炭生產量和消費量的歷史數(shù)據，構建重心模型研究了中美煤炭生產和消費重心的演變軌跡，并對兩國煤炭生產和消費重心的移動距離、移動速度和經緯坐標變化等演變特征進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)：在研究期內中美兩國的煤炭生產和消費重心整體的移動趨勢具有相似性，均呈現(xiàn)西北方向的演變，且空間移動明顯，中美煤炭生產重心分別累計移動了421.84km和264.15km，消費重心分別累計移動了208.71km和302.61km；在移動速度方面，中國煤炭生產重心平均移動速度為30.13km/a，遠快于美國的18.88km/a，煤炭消費重心的移動情況相反，中國僅14.91km/a，美國高達21.61km/a。此外，2014年以來中國煤炭的生產重心移動速度放緩，并且“西進北移”趨勢消失。

美國；中國；煤炭生產；煤炭消費；重心軌跡

根據2017版《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》報告數(shù)據顯示，中國和美國是世界上煤炭生產、消費的第一和第二大國，隨著煤炭燃燒造成的二氧化硫、氮氧化物等污染氣體和二氧化碳溫室氣體排放問題的突顯，繼中國之后美國的煤炭問題也成為了全球關注的焦點。此外，美國和中國的煤炭資源稟賦具有相似性，煤炭儲備總量上美國位居世界第一位、中國第三位，兩國煤炭資源分布廣泛并均呈現(xiàn)“西多東少”的情況，其中美國西部地區(qū)約占全美煤炭資源總量55%[1]，中國西部晉陜蒙寧甘新地區(qū)約占全國煤炭資源總量80%[2]。因此，分析美國的煤炭生產消費問題，有助于中國煤炭問題的研究，可為制訂煤炭發(fā)展戰(zhàn)略服務[3-4]。

近年來，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，區(qū)域間分工不斷深化，能源生產與最終消費在地球空間上的分異趨勢不斷擴大[5]。中美兩國地域廣闊，煤炭生產和消費的空間變化對兩國能源產業(yè)布局和能源發(fā)展戰(zhàn)略等會產生重大影響[4]。目前，許多學者利用重心模型來研究煤炭資源生產消費空間格局的演變問題。重心模型是類似平均、加權的定量方法，是通過集成空間信息研究發(fā)展規(guī)律演變的有效方法，可將時間、空間與生產、消費等經濟信息相結合實現(xiàn)對區(qū)域經濟、資源消費、污染排放等空間格局和演變軌跡問題的研究[6-7]。目前，煤炭生產消費重心的研究主要是對中國的研究，如呂濤等[8]和劉滿芝等[9]分別對中國1997～2009和2003～2010年煤炭生產和消費的重心軌跡演變問題進行了研究；李剛等[10]和崇璇等[11]利用截至2012年底數(shù)據分析了中國煤炭消費的重心變化。鑒于國內缺少美國煤炭生產消費重心問題的研究及研究數(shù)據的時效性，本文擬基于2001～2015年中美兩國煤炭生產和消費歷史數(shù)據，建立重心模型來分析中美煤炭生產和消費重心的演變規(guī)律。

1 基于經緯度坐標的煤炭生產和消費重心模型與數(shù)據來源

1.1 構建中美煤炭生產和消費重心模型

本文研究中美煤炭生產和消費的重心空間演變軌跡采用重心模型[6-9]，具體步驟如下所述。

1)計算重心坐標。以地圖的經緯度坐標為基礎，則重心的經緯度可表示為式(1)和式(2)。

式中：Cit為t年度i地區(qū)的煤炭生產量或消費量；Xi和Yi為經度和緯度坐標。

2)計算移動距離。根據球面距離計算公式，不同年度間重心移動距離表示為式(3)，式中參數(shù)at和bt分別表示為式(4)和式(5)。

式中：at和bt分別表示不同年生產或消費重心的緯度差和經度差；π為圓周率；R為地球半徑。重心移動距離以km為單位。

3) 計算重心移動方向。不同年份煤炭生產或消費重心的移動角度表示為式(6)。

式中：ωkt=arctan[(Yk-Yt)/(Xk-Xt)]，若0°<θkt<90°，則重心移動為東北方向；若90°<θkt<180°，則為西北方向；-180°<θkt<-90°，則為西南方向；當-90°<θkt<0°，則為東南方向。

4) 比較重心在經度、緯度上的移動速度。根據不同年度的重心移動角度來度量，記經度、緯度方向移動速度比較系數(shù)k(簡稱經緯度移動系數(shù))，見式(7)。

式中，若k>1，表示重心在緯度上的移動速度大于經度的移動速度；而k<1，則表示與之相反；k=1，則表示速度相等。

1.2 數(shù)據來源與處理

本文研究所用的數(shù)據來源于中美權威機構發(fā)布的各地區(qū)(州)的煤炭生產量和消費量數(shù)據，中國數(shù)據來源于歷年的《中國能源統(tǒng)計年鑒》，美國數(shù)據來自美國能源信息署(EIA)官方網站[1]。根據數(shù)據的可獲取情況和對比研究的需要，選取了2001～2015年的煤炭生產量和消費量數(shù)據。地理坐標數(shù)據選取中美各地區(qū)(中國30個省(區(qū)，市)，不包括西藏、香港、澳門和臺灣；美國51個州)省會或首府所在地的地理坐標作為各地區(qū)原始的經緯度地理坐標。

2 美國煤炭生產和消費重心軌跡演變分析

2.1 美國煤炭生產重心軌跡

圖1給出了美國煤炭生產重心在經緯度的演變軌跡，整體上向西北方向移動，局部出現(xiàn)不規(guī)則運動，呈現(xiàn)類似“Ω”狀。2001～2015年美國煤炭生產重心演變見表1，根據表1，計算得到美國煤炭生產重心2001～2015年間煤炭生產重心累計移動了264.15 km，平均移動速度18.88 km/a，美國煤炭生產重心持續(xù)移動明顯。從產量與重心移動關系上看，2013年美國煤炭產量8.91億t達到1993年以來的最低水平，較2012年下降3.17%，2011年下降10.16%，2015年產量再次下降，產量8.96億t，較2014年下降10.22%[1]，盡管2011～2015年期間美國煤炭產量不斷波動且呈現(xiàn)出下降趨勢，其煤炭生產重心西北向移動仍然十分明顯，移動速度23.56 km/a也高于研究期平均移動速度。

表1 2001～2015年美國煤炭生產重心演變特征

經緯方向移動方面，經向累計移動2.01°，緯向累計移動0.41°，其中經緯度移動系數(shù)k<1有10年，占比71.43%，說明美國煤炭生產重心在經度上的移動速度大于在緯度上的移動速度，生產重心的總體趨勢不斷西移，美國煤炭生產出現(xiàn)“由東向西”演變的過程，2001～2003年、2005～2009年和2011～2015年間最為顯著，西移主要原因是美國煤炭資源稟賦以及《清潔空氣法(修正案》的實施，加快了西部煤炭資源的開發(fā)，2015年西部懷俄明州煤炭產量達到3.76億t，約占全國煤炭總產量的41.96%。從整個研究期看，美國煤炭生產重心總體西北移動趨勢明顯，主要受西部懷俄明州、蒙大拿州煤炭資源開采的拉動，此外，傳統(tǒng)產煤主要地區(qū)西弗吉尼亞州和賓夕法尼亞州、伊利諾伊州和肯塔基州等地區(qū)的煤炭產量也是美國煤炭生產重心經度上移動的影響主要因素，例如2014年西弗吉尼亞州、賓夕法尼亞州和伊利諾伊州共增產3 248萬t，分別較2013年增產了22.56%、24.33%和9.67%，占全美增產量的30.38%。

2.2 美國煤炭消費重心軌跡

圖2 2001～2015年美國煤炭消費重心的演變軌跡

美國煤炭消費重心軌跡總體呈現(xiàn)倒“Ω”型趨勢(圖2)，2001～2015年間重心累計移動302.61 km，平均移動速度為21.61 km/a，其移動距離和速度均高于美國煤炭生產重心的移動。美國煤炭消費量由于受到石油、天然氣等其它能源市場價格的影響，近15年美國能源結構中煤炭比例在區(qū)間19%～23%不斷波動，造成美國各地區(qū)消費的波動較大。例如：2010年受到頁巖氣開發(fā)的影響，煤炭消費量連續(xù)3年呈下降趨勢，2012年美國煤炭消費量已降至8.06億t，為自1989年以來最低水平；隨著天然氣價格的季節(jié)性增長，2013年美國煤炭消費量較2012年增加3.97%[1]。整體上，美國煤炭消費重心變化受市場價格波動的影響大，軌跡前期出現(xiàn)無規(guī)則變化，中后期西移趨勢明顯。

2001～2015年美國煤炭消費重心演變見表2，根據表2，美國煤炭消費重心經向累計移動1.20°，緯向累計移動0.18°，不同于移動距離和移動速度，消費重心變化幅度小于煤炭生產重心的變化幅度，移動趨勢的波動性大。消費重心在經緯度移動的系數(shù)k<1有10年，占71.43%，顯示美國煤炭消費重心“西進北移”的過程中西進趨勢明顯，說明2006年以來美國西部地區(qū)煤炭的大規(guī)模開采，隨著美國西部懷俄明州的煤炭產量不斷增長，拉動了周邊地區(qū)的煤炭消費，如德克薩斯州、密蘇里州和伊利諾伊州。2001～2010年,，由于各州的煤炭消費量呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，美國煤炭消費重心呈現(xiàn)不規(guī)則的低速運動，9年間移動距離為142.27 km，不足研究期移動距離的50%，其移動速度為15.81 km/a也遠低于研究期平均移動速度。2011～2015年間美國消費重心共移動了119.19 km，平均移動速度為29.80 km/a，基本呈現(xiàn)西北方向移動趨勢，其中2014年出現(xiàn)不規(guī)則變化主要是由于傳統(tǒng)煤炭消費中東部地區(qū)煤炭消費量劇增產生的，如：德克薩斯州2014年較2013年增加900萬t。從總體變化來看，美國煤炭消費趨勢，一是向煤炭消費大省移動，如向美國主要的煤炭消費州德克薩斯州、密蘇里州、新墨西哥州等移動；二是向西部產煤地區(qū)移動，如向懷俄明州、蒙大拿州等地區(qū)移動。

表2 2001～2015年美國煤炭消費重心演變特征

3 中國煤炭生產和消費重心軌跡演變分析

3.1 中國煤炭生產重心軌跡

根據圖3，2001～2015年間中國煤炭生產重心軌跡整體呈現(xiàn)出“S”型，西北方向移動明顯，總共移動421.84 km，移動速度為30.13 km/a，移動距離和移動速度均高于美國。2005～2013年，中國煤炭生產重心隨著產量逐年不斷增加西北移動趨勢顯著。

圖3 2001～2015年中國煤炭生產重心演變軌跡

2001～2015年中國煤炭生產重心演變見表3，根據表3，在經緯度變化方面，中國煤炭生產重心經度方向移動-2.21°，緯向移動1.31°，經緯度移動系數(shù)k<1有8年，占57.14%，即重心在經度上的移動速度大于緯度，與美國相似中國煤炭生產重心向西演變的趨勢強于北移。2001～2005年間中國煤炭生產重心移動了197.38 km，移動速度為49.34 km/a，并出現(xiàn)由西北轉向西南方向移動，其主要原因是期間國家加大了對西南地區(qū)的煤炭開采[8]。2005～2013年中國煤炭生產重心開始向西北移動，8年間共移動199.69 km，移動速度為24.96 km/a，主要受晉陜蒙等西部地區(qū)煤炭資源開發(fā)的影響，例如在2013年僅晉陜蒙三省煤炭產量達24.73億t，占當年全國總產量的61.98%[2]。在產能過剩和環(huán)境倒逼約束的雙重壓力下，中國煤炭產量自2013年(39.94億t)達到歷年最高后開始出現(xiàn)下降，中國煤炭生產重心西北移動趨勢減弱，在小范圍區(qū)域內形成了局部收斂，說明中國煤炭生產格局在趨于穩(wěn)定?？傮w上，中國煤炭生產重心軌跡主要受晉陜蒙寧甘新等主產煤地區(qū)產量變化影響，隨著上述地區(qū)產量近年來趨于穩(wěn)定，煤炭生產重心的移動也趨于收斂。與美國相比，最近幾年在距離和速度上中國煤炭生產重心的移動都明顯弱于美國。

表3 2001～2015年中國煤炭生產重心演變特征

3.2 中國煤炭消費重心軌跡

從總體變化趨勢來看，中國煤炭消費重心軌跡大致呈現(xiàn)“W”型，主要在西南和西北兩個方向的移動(圖4)。中國煤炭消費重心2001～2015年間累計移動208.71 km，平均移動速度為14.91 km/a，相對于美國煤炭消費重心的演變較為平穩(wěn)。研究期內中國煤炭價格在中前期價格不斷上漲而后期持續(xù)低迷，根據圖4未發(fā)現(xiàn)中國煤炭消費重心移動與煤炭價格波動有顯著的相關性，說明煤炭資源在中國各地區(qū)能源消費結構中的主體地位短期內無法改變，中國煤炭消費重心移動受市場價格變化較美國弱。

2001～2015年中國煤炭消費重心演變見表4，從表4看到2001～2015年間中國煤炭消費重心經向移動-1.13°，緯向移動0.24°，煤炭消費重心經緯度移動系數(shù)k>1的有10年，占71.43%，重心在緯度上的移動速度大于在經度上的移動速度，不同于美國。2001～2010年間緯度上消費重心南移，該時間南方經濟明顯發(fā)展快于北方，煤炭消耗大[8]；而2010年以后開始向北移動，主要受北部地區(qū)經濟的發(fā)展，比如內蒙古、山東、山西、河北和河南等省(區(qū))煤炭消費的大幅度增長。而經度上，煤炭消費重心西移，中國煤炭消費重心向西移動的驅動是國家開始實施了西部大開發(fā)戰(zhàn)略，東部高耗煤產業(yè)逐步轉向西部煤炭資源地[4]?？傮w上，經濟發(fā)展拉動煤炭消費(顯著相關[9])，煤炭消費重心向西北移動體現(xiàn)了經濟重心的移動變化。

圖4 2001～2015年中國煤炭消費重心演變軌跡

表4 2001～2015年中國煤炭消費重心演變特征

4 結 論

1) 2001～2015年美國煤炭生產和消費重心整體上均呈“西進北移”的趨勢。美國煤炭生產重心累計移動了264.15 km，平均移動速度18.88 km/a，經緯度變化為94.52°W→96.53°W、39.55°N→39.96°N；消費重心累計移動了302.61 km，平均移動速度為21.61 km/a，經緯度變化為90.50°W→91.61°W、37.81°N→37.99°N。

2) 研究期內中國煤炭生產與消費重心整體上亦呈“西進北移”的趨勢。中國煤炭生產重心2001～2015年間累計移動421.84 km，平均移動速度30.13 km/a，經緯度變化為113.83°E→111.06°E、35.79°N→37.08°N；消費重心累計移動208.71 km，平均移動速度為14.91 km/a，經緯度變化為114.66°E→113.53°E、34.94°N→35.18°N。

3) 中美煤炭生產與消費重心在移動軌跡、收斂性和移動速度方面存在差異性。中美煤炭生產重心軌跡分別為“S”型和“Ω”狀、而消費重心則分別為“W”型和倒“Ω”型；在煤炭生產重心趨勢變化方面，近兩年中國煤炭生產重心西北移動趨勢已減弱并形成局部收斂，而美國當前正呈現(xiàn)向西北方向快速移動趨勢；移動速度上，研究期內中國的生產重心平均移動快于美國，而消費重心移動平均速度慢于美國，并且中國煤炭生產重心移動快于中國消費重心，而美國相反。

基于中美煤炭生產與消費演變的整體相似特征和局部差異性，通過中美對比進行參照分析有利于研究兩國的區(qū)域能源經濟、能源產業(yè)布局和能源政策優(yōu)化等問題，特別是對于我國的西部煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略、區(qū)域間煤炭資源消費和發(fā)展煤炭清潔高效利用產業(yè)等問題的研究具有重要的指導價值。

[1] Energy Information Administration.All Coal Data Repots [EB/OL].https://www.eia.gov/coal/data.php.

[2] 國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司.中國能源統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2016.

[3] 彭蘇萍,張博,王佟,等.煤炭資源與水資源[M].北京:科學出版社,2014.

[4] 彭蘇萍,張博,王佟.煤炭資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2015.

[5] 韋韜,彭水軍.基于多區(qū)域投入產出模型的國際貿易隱含能源及碳排放轉移研究[J].資源科學,2017,39(1):94-104.

[6] 鮑超,李秋穎,梁廣林.1985～2010年中國城市的空間格局與重心演變軌跡[J].城市發(fā)展研究,2015,22(5):36-44.

[7] 李名升,張建輝,張殷俊.近10年中國大氣 PM10污染時空格局演變[J].地理學報,2013,68(11):1504- 1512.

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[9] 劉滿芝,馬艷艷,周梅華,等.中國煤炭供需與經濟的重心演變軌跡研究[J].中國管理科學,2012(20):820-826.

[10] 李剛,徐匯,盧晨剛,等.我國煤炭消費與二氧化硫排放重心偏移與擬合分析[J].煤炭經濟研究,2015,35(8):23-28.

[11] 崇璇,趙迪斐,范瀟瀟,等.我國煤炭消費重心演變軌跡研究[J].煤炭經濟研究,2015,35(5):48-52.

ResearchontheevolvementtrackofcoalproductiongravitycenterandconsumptiongravitycenterbetweenChinaandtheUnitedStates

SUN Xudong1,2,XU Lu3,JIA Xufan1,ZHANG Bo1,2

(1.School of Management,China University of Mining & Technology (Beijing),Beijing100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing100083,China;3.China Packaging and Food Machinery Co., Ltd.,Beijing100083, China)

Based on historical data of coal production and consumption from2001to2015,the gravity model was built to study the evolvement track and the spatial variation of China-U.S.coal production and consumption gravity center，the evolution characteristics of coal production and consumption gravity center in two countries are analyzed by the movement,velocity and the change of the longitude and latitude coordinate.The study found that the movement track of China-U.S has high similarity in the study period,the overall change track is “northwestward” and the changes are obvious,their movement distances of production gravity center are accumulative421.84km and264.15km respectively,the one of consumption gravity center are accumulative208.71km and302.61km respectively.Differences,the average moving speed of Chinese coal production center (30.13km/a) is faster than the United States (18.88km/a),and the change of coal consumption center is just the contrary,China is only14.91km/a,the USA is as high as21.61km/a.In addition,Chinese coal production center has slowed down and the trend of northwestward has disappeared since2014.

the United States;China;coal production;coal consumption;gravity track

F407.21

A

1004-4051(2017)12-0054-06

2017-09-08責任編輯劉艷敏

國家自然科學基金項目資助(編號：L1624054；71403270)；中國工程院咨詢項目資助(編號：2015-XZ-35-03-01；2016-ZD-14-05)

孫旭東(1983-)，男，博士，中國礦業(yè)大學(北京)管理科學與工程專業(yè)，講師，主要從事煤炭資源與宏觀政策研究工作，E-mailsunxudong@cumtb.edu.cn。