王亞輝孟萬忠趙 麗郝小剛
(太原師范學(xué)院歷史地理與環(huán)境變遷研究所,山西晉中 030619)
山西省是以煤炭為主要資源的省份,加之其特殊的地理環(huán)境,導(dǎo)致霧霾天氣頻繁發(fā)生,空氣污染問題嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程。對(duì)霧霾的分布特征及其影響因素進(jìn)行分析不僅能為霧霾污染的防止與治理提供有效的建議,且對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定起到重要的作用。不同區(qū)域霧霾天氣的發(fā)生特征及其形成原因不盡相同,對(duì)山西省霧霾時(shí)空分布特征及其影響因素分析具有重要意義。
對(duì)霧霾的研究始于20世紀(jì)七八十年代,這時(shí)期對(duì)霧霾問題的研究集中在對(duì)霧、霾概念的界定上[1-2]。到21世紀(jì),對(duì)霧霾問題的研究,集中在如何辨認(rèn)霧霾天氣和霧霾天氣可見度的問題上[3-5]。近些年來,對(duì)霧霾的研究從對(duì)其基本概念的鑒定與分析,轉(zhuǎn)向了實(shí)證分析。張生玲[6]等基于全國228個(gè)以上城市的12個(gè)月均AQI數(shù)據(jù),對(duì)霧霾的季節(jié)分布特征、空間分布特征和影響霧霾的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行了探討。馬曉倩等[7]等基于2013年12月至2014年11月京津冀地區(qū)PM2.5數(shù)據(jù),對(duì)京津冀地區(qū)霧霾時(shí)空分布特征及其與不同的自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)要素的相關(guān)性進(jìn)行了分析。王立平等[8]從經(jīng)濟(jì)、人口、政策角度選取出社會(huì)經(jīng)濟(jì)變量對(duì)中國霧霾的空間相關(guān)性及其影響因素進(jìn)行研究。
山西省屬于華北地區(qū)霧霾天氣頻繁發(fā)生的省份之一,以往對(duì)該地區(qū)霧霾的研究集中在定性研究上以及對(duì)其長時(shí)間段變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[9-10],對(duì)其影響因素的探討較少。本文對(duì)山西省霧霾時(shí)空分布特征及影響因素進(jìn)行分析,以期對(duì)山西省霧霾防治提供一定的參考。
山西省位于東經(jīng) 110°14′~114°33′,北緯 34°34′~40°44′之間,包括大同、忻州、陽泉、長治、晉中、臨汾、運(yùn)城、朔州、太原、晉城、呂梁11個(gè)地級(jí)市。全省面積15.67萬km2,人口3681.6萬。屬于溫帶大陸性氣候,年均溫度8.8℃,年均降水量500mm[11]。省內(nèi)主要以原煤、粗鋼、焦炭等資源的生產(chǎn)加工為主,環(huán)境污染問題嚴(yán)重。
AQI值是定量描述空氣質(zhì)量的指數(shù),能綜合反映霧霾污染水平。因此本文選擇AQI數(shù)值來反映山西省11個(gè)地級(jí)市霧霾污染水平。文中所選取11個(gè)地級(jí)市2015年12月—2016年11月AQI數(shù)據(jù)來源于環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心[12]。對(duì)山西省霧霾影響因素進(jìn)行分析所選取的指標(biāo)中,指標(biāo) X1來源于地理空間數(shù)據(jù)云[13];X2、X3、X4、X5、X6來源于中國氣象局國家氣候中心[14];其它指標(biāo)來源于山西省統(tǒng)計(jì)年鑒[15]。
文中采用spss主成分分析和多元線性回歸分析對(duì)所選取的20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,以此探究山西省霧霾污染影響因素。
1.2.1 主成分分析
主成分分析法在保證不損失原來指標(biāo)所反應(yīng)出來的信息的前提下,盡可能的提取相關(guān)性較高的幾個(gè)因子。本文所選的模型如下:設(shè)X1,X2,…,Xn是n個(gè)隨機(jī)變量指標(biāo),它們之間不是毫無關(guān)聯(lián)的,而是其中有可能有著一定的關(guān)聯(lián)[16]。采用正交因子模型,使得X1,X2,…,Xn可以用它們的線性組合表示:
其中 E1,E2,… Em為共有的因子;aij為因子載荷;ε1,ε2,…,εp是單個(gè)變量特有的因子。
1.2.2 多元線性回歸分析
多元線性回歸分析是根據(jù)所選取的多個(gè)自變量來預(yù)測(cè)一個(gè)因變量,探討自變量和應(yīng)變量之間的關(guān)系。其中,Y表示因變量,B0表示常數(shù)項(xiàng),F(xiàn)1、F2、Fn表示自變量,B1、B2、Bn是 Y 對(duì) F1、F2、Fn的回歸系數(shù)[17]。表達(dá)公式如下:
根據(jù)2015年12月到2016年11月山西省AQI數(shù)值得出,在時(shí)間分布上,2015年12月、2016年1~2月是AQI值較高的時(shí)期,表明這一時(shí)期霧霾最嚴(yán)重。2016年3~4月是AQI值較低的時(shí)期,表明這一時(shí)期霧霾最輕。從整體時(shí)間序列上來看,總趨勢(shì)為初冬AQI值開始呈上升趨勢(shì),到春季AQI值開始呈下降趨勢(shì),夏季AQI值相對(duì)春、秋季高。霧霾具有明顯的季節(jié)性特征,冬季為污染嚴(yán)重的季節(jié),春、秋季為污染較輕的季節(jié),夏季為霧霾相對(duì)高發(fā)的季節(jié)。
圖1 山西省各市AQI月平均值Fig.1 The AQI monthly average value of cites in Shanxi Province
統(tǒng)計(jì)2015年12月到2016年11月山西省各個(gè)地級(jí)市月均AQI值,得出山西省霧霾空間分布圖(圖2),并與月份相結(jié)合,從時(shí)間分布和空間分布相結(jié)合的角度對(duì)山西省霧霾分布特征進(jìn)行分析。由圖2可見,全省霧霾整體空間分布上,晉南地區(qū)AQI值較其它地區(qū)較高,這一地區(qū)霧霾最嚴(yán)重;其次晉中地區(qū)的太原市AQI值相較其它地區(qū)較高,霧霾相對(duì)較嚴(yán)重;晉北地區(qū)AQI值較低,霧霾發(fā)生狀況相對(duì)較低,空氣質(zhì)量相對(duì)較好。將時(shí)間和空間相結(jié)合得出,11~12月霧霾從全省大部分地區(qū)的輕度污染開始逐步擴(kuò)大到全省范圍,覆蓋到全省各個(gè)市,其中臨汾市為霧霾發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)。從2~4月霧霾污染狀況逐漸減輕,空間發(fā)生范圍也迅速減小。
圖2 山西省各市AQI月平均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of AQI monthly average value of cites in Shanxi Province
霧霾的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。為了明確山西省霧霾的影響因素,文中選取20個(gè)影響霧霾發(fā)生的指標(biāo),對(duì)影響山西省霧霾分布的影響因素做定量分析。具體選取的指標(biāo)見表1。
表1 指標(biāo)體系Tab.1 Index system
2.3.1 主成分分析
運(yùn)用spss軟件對(duì)所選取的20個(gè)影響霧霾發(fā)生的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,通過主成分分析對(duì)選取變量進(jìn)行提取分析,得出主成分的特征值和累積方差值(表2)。
表2 主成分分析解釋的總方差Tab.2 The total variance of the principal component analysis
根據(jù)主成分分析所提取的特征值和累積方差,主成分累計(jì)方差應(yīng)大于85%且特征值≥1[18]。根據(jù)表2得出,第1個(gè)主成分的提取平方和載入的方差的貢獻(xiàn)率為38.843%,第2個(gè)為66.543%、第 3個(gè)為 78.819%,第 4個(gè)為87.004%,所提取出的第4個(gè)的主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到87.004%,滿足累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的要求;因此可用所選取的20個(gè)指標(biāo)對(duì)霧霾分布影響因素進(jìn)行分析。第4個(gè)主成分的特征值為1.837,大于1,所以提取出的4個(gè)主成分可以代表所取20個(gè)指標(biāo)的主要趨勢(shì),因此可以根據(jù)這4個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行計(jì)算與分析。
通過主成分分析正交旋轉(zhuǎn)得出所提取的20個(gè)指標(biāo)4個(gè)主成分矩陣(表3)。
根據(jù)表3得出:主成分1在人均GDP、綠地面積、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值等指標(biāo)上占比較大,代表了當(dāng)?shù)厣钏?;主成?在年均氣溫、年均降水量、氣壓、相對(duì)濕度指標(biāo)上占比較大,代表當(dāng)?shù)刈匀粭l件;主成分3在常住人口數(shù)量、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、機(jī)械設(shè)備年末總數(shù)等指標(biāo)上占比較大,代表當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平;主成分4在第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、原煤產(chǎn)量、工業(yè)單位個(gè)數(shù)、焦炭產(chǎn)量等指標(biāo)上占比較大,代表當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展水平。
表3 主成分分析成分矩陣Tab.3 Principal component analysis matrix
2.3.2 多元線性回歸分析
通過主成分分析將影響霧霾分布的20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維得到4個(gè)新的變量,現(xiàn)假定多元線性回歸的方程為:
其中,Y 表示 AQI數(shù)值;B0為常數(shù)項(xiàng);F1、F2、F3、F4為通過主成分分析降維的4個(gè)變量;F1代表當(dāng)?shù)厣钏?;F2代表當(dāng)?shù)刈匀粭l件;F3代表了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平;F4代表當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展水平。將通過降維得到的4個(gè)新的變量進(jìn)行多元線性回歸分析,得出所選取指標(biāo)的自變量和因變量之間的回歸關(guān)系(表4)。
表4 多元線性回歸分析參數(shù)Tab.4 Multivariate linear regression analysis parameters
根據(jù)表4多元線性回歸分析參數(shù),得出回歸方程中調(diào)整 R2=0.866,Durbin-Watson=2.022,F(xiàn)=17.215,P=0.000。方程整體檢驗(yàn)結(jié)果表明,用該多元線性回歸方程來判斷霧霾分布影響因素是可行的[19]。其中第2主成分和第3主成分的sig值都小于0.05,得出第2和第3自變量與因變量之間線性關(guān)系顯著,對(duì)AQI值是有效的。因此得出線性回歸方程:
表4中,B0的sig<0.05具備顯著性特征,因此將常數(shù)項(xiàng)保留。F2為第2主成分得分分值,F(xiàn)3為第3主成分得分分值。根據(jù)多元線性回歸方程得出,第2主成分和第3主成分與AQI值之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在其它因素不發(fā)生變化的情況下,隨著第2主成分和第3主成分得分系數(shù)的增加,AQI值會(huì)隨之增加。為具體分析不同因素對(duì)山西省霧霾影響程度,根據(jù)第2主成分和第3主成分的得分系數(shù)(表5)計(jì)算出其所選取20個(gè)指標(biāo)的關(guān)系表達(dá)式,得出公式 F2和F3。
表5 成分得分系數(shù)矩陣Tab.5 Component score coefficient matrix
將F2、F3帶入回歸方程 Y=111.571+9.718F2+9.002F3中,得到 AQI值與選取的20個(gè)變量指標(biāo)的多元線性回歸方程。
根據(jù)AQI值與20個(gè)指標(biāo)多元線性回歸方程得出:海拔高度、年均氣溫、相對(duì)濕度、年均降水量、年均風(fēng)速、綠地面積與AQI值之間存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系,表明隨著這些因素對(duì)霧霾的發(fā)生起著正效應(yīng)。海拔高的地方,AQI值相對(duì)低,霧霾相對(duì)較輕;溫度越高,空氣中熱流對(duì)流明顯,污染物易向高空抬升,易擴(kuò)散,不易形成霧霾天氣[20];夏季和秋季降水量多,空氣濕度較高,AQI值相對(duì)較低,霧霾相對(duì)較輕;風(fēng)力越大,能夠使污染物快速擴(kuò)散,不易形成霧霾;城市中綠地面積越大,可對(duì)空氣起到凈化作用,降低霧霾發(fā)生概率。產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、常住人口數(shù)量、人均GDP、原煤產(chǎn)量、鋼材產(chǎn)量、工業(yè)單位數(shù)、焦炭產(chǎn)量、機(jī)械設(shè)備年末總數(shù)、供氣總量、氣壓、出租汽車數(shù)量、公共汽車數(shù)量與AQI值之間存在正相關(guān)關(guān)系,表明隨著這些因素對(duì)霧霾的發(fā)生起著負(fù)效應(yīng)。隨著產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人口數(shù)量、汽車數(shù)量等指標(biāo)的增長,霧霾加重。其中鋼材產(chǎn)量、原煤產(chǎn)量、工業(yè)單位數(shù)量等指標(biāo)與AQI值正相關(guān)系數(shù)較高??梢姡I(yè)的發(fā)展是山西省霧霾污染形成的重要因素。
利用主成分分析、多元線性回歸分析,以2015年12月—2016年11月AQI數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)山西省霧霾時(shí)空分布特征及影響因素進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:
(1)霧霾污染具有明顯的季節(jié)性特征,冬季為霧霾污染嚴(yán)重的季節(jié),春、秋季為污染較較輕的季節(jié),夏季為霧霾污染相對(duì)高發(fā)的季節(jié)。
(2)晉南地區(qū)AQI值較其它地區(qū)較高,這一地區(qū)霧霾污染最嚴(yán)重;其次晉中地區(qū)的太原市AQI值相較其它地區(qū)較高,霧霾相對(duì)較嚴(yán)重;晉北地區(qū)AQI值較低,霧霾發(fā)生狀況相對(duì)較低,空氣質(zhì)量相對(duì)較好。
(3)山西省霧霾形成和自然要素密切相關(guān)。自然要素中年均氣溫、年均降水量、相對(duì)濕度、年均風(fēng)速與AQI值之間存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系,氣壓與AQI值之間存在正相關(guān)的關(guān)系。霧霾的形成受社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)影響較大,與原煤產(chǎn)量、鋼材產(chǎn)量、工業(yè)單位數(shù)、焦炭產(chǎn)量等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素正相關(guān)系數(shù)較高,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是影響山西省霧霾發(fā)生的根本原因。
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