（蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)，甘肅 蘭州 730030）

1 研究目的及意義

2020年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告指出，接下來(lái)一年要打好藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)階段性目標(biāo)。提高生態(tài)環(huán)境治理成效，突出依法、科學(xué)、精準(zhǔn)治污，深化重點(diǎn)地區(qū)大氣污染治理攻堅(jiān)。隨著我國(guó)大氣區(qū)域性復(fù)合型污染特征日益明顯，區(qū)域性大氣灰霾頻繁發(fā)生，區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重威脅群眾健康，影響環(huán)境安全。建立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，顯得尤為迫切。研究空氣質(zhì)量空間分布規(guī)律和影響因素，對(duì)于預(yù)防空氣污染問(wèn)題具有重要意義，空氣污染問(wèn)題已經(jīng)從單一城市問(wèn)題上升到了區(qū)域性問(wèn)題。建立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，合理的區(qū)域劃分顯得尤為重要，但是目前針對(duì)空氣質(zhì)量的全國(guó)性區(qū)域劃分研究很少，大多數(shù)都是根據(jù)特定行政區(qū)劃分作為研究對(duì)象，并沒(méi)有真正意義上全國(guó)性區(qū)域劃分的研究；目前大多數(shù)研究對(duì)空氣質(zhì)量的影響因素忽視區(qū)域因素，但是每座城市會(huì)因?yàn)槠涮厥獾牡乩砦恢茫诖髿馕廴緜魉途W(wǎng)絡(luò)等多種因素的作用下或多或少的受到周邊城市的影響，在這種影響下，空氣污染問(wèn)題已經(jīng)從單一城市問(wèn)題上升到了區(qū)域性問(wèn)題。研究空氣質(zhì)量的影響因素是一個(gè)多維問(wèn)題，會(huì)受到多方面因素的影響，比如不同地區(qū)因自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的差別，其空氣質(zhì)量狀況的表現(xiàn)和特征也會(huì)存在很大的區(qū)別。

因此，本文首提出利用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃模型和系統(tǒng)聚類(lèi)相結(jié)合，將我國(guó)不同城市空氣質(zhì)量指數(shù)變動(dòng)趨勢(shì)及數(shù)值水平相似性強(qiáng)的地區(qū)聚為一類(lèi)，即認(rèn)為類(lèi)內(nèi)城市間空氣質(zhì)量指數(shù)和其變化趨勢(shì)相近，并對(duì)我國(guó)存在大氣污染聯(lián)動(dòng)性的城市進(jìn)行有效分割。一方面為治理方式由城市的“單打獨(dú)斗”轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域的“聯(lián)防聯(lián)控”提供區(qū)域劃分的依據(jù)；另一方面，為職能部門(mén)制定政策提供相應(yīng)的理論依據(jù)，做到因地制宜。

2 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述

美國(guó)地理學(xué)家Tobler提出的地理學(xué)第一定律，所有的事物在空間上都是具有聯(lián)系的，聯(lián)系程度與距離有關(guān)，距離越近聯(lián)系越緊密。這也是最初的空間自相關(guān)理論的形成，即觀察對(duì)象在空間上與相鄰單元的觀察對(duì)象存在空間上的聯(lián)系，包括高值-高值聚集，低值-低值聚集。張琪敏等以北京、青島等十座具有代表性的城市作為重點(diǎn)研究對(duì)象，利用2004年各城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)研究其空氣污染狀況和污染特征差異，用描述統(tǒng)計(jì)的方法研究了大氣污染現(xiàn)狀，最終結(jié)論表明大氣污染輸送網(wǎng)路與地理位置、地形有關(guān)[1]。劉曉紅結(jié)合空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，對(duì)我國(guó)城市霧霾污染時(shí)空分異、動(dòng)態(tài)演化與影響機(jī)制進(jìn)行探究后發(fā)現(xiàn)，全國(guó)和各區(qū)域霧霾污染時(shí)空特征顯著，空間集聚性強(qiáng)霧霾污染存在顯著的空間正自相關(guān)，霧霾污染區(qū)域一體化態(tài)勢(shì)明顯[2]。龔鵬鵬通過(guò)對(duì)北京市空氣污染的空間統(tǒng)計(jì)分析，揭示了北京市與周邊各省的空氣污染的自相關(guān)性和北京市空氣污染的自相關(guān)性，相鄰城市之間的空氣質(zhì)量指數(shù)在空間上有明顯的聚集效應(yīng)，北京市受保定市、石家莊市污染比較嚴(yán)重[3]。以上研究證明，每座城市會(huì)因?yàn)槠涮厥獾牡乩砦恢茫诖髿馕廴緜魉途W(wǎng)絡(luò)等多種因素的作用下或多或少的受到周邊城市的影響，在這種影響下，空氣污染問(wèn)題已經(jīng)從單一城市問(wèn)題上升到了區(qū)域性問(wèn)題。

賀冉冉等人基于時(shí)間序列模型發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部城市群存在2個(gè)值得重視的高空間自相關(guān)區(qū)域：京津冀和長(zhǎng)三角地區(qū)[4]。賀祥和南國(guó)衛(wèi)等人基于灰色關(guān)聯(lián)模型發(fā)現(xiàn)江蘇省呈沿海低、內(nèi)陸高，南部高、北部低，陜西省呈“北高南低”的空間分布特征?？追宓热死每諝馕廴局笖?shù)（API）對(duì)2001年—2015年我國(guó)119個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量進(jìn)行研究后也證明了這一觀點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方地區(qū)多年API日值平均狀況高于南方地區(qū)，東部沿海地區(qū)高于西部?jī)?nèi)陸地區(qū)[5]。劉永偉等人基于GIS技術(shù)探究了全國(guó)和珠三角空氣質(zhì)量的時(shí)空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)我國(guó)空氣污染具有明顯的季節(jié)變化特征和空間集聚特征[6]。

以上研究表明，空氣質(zhì)量指數(shù)空間聚集性顯著，總體表現(xiàn)出“東重西輕、北重南輕”格局，因而有必要研究空間聚集性的具體表現(xiàn)，根據(jù)空氣污染指數(shù)的種種特征將我國(guó)劃分為幾大區(qū)域。

3 研究?jī)?nèi)容

運(yùn)用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法計(jì)算任意兩座城市的空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)間序列變化趨勢(shì)及數(shù)值水平的相似性，以該算法計(jì)算結(jié)果作為城市間系統(tǒng)聚類(lèi)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，將空氣質(zhì)量指數(shù)變化相似性強(qiáng)的聚為一類(lèi)，將我國(guó)劃分為幾大區(qū)域，即認(rèn)為類(lèi)內(nèi)城市之間區(qū)域流動(dòng)性對(duì)空氣質(zhì)量影響相同。

4 區(qū)域劃分

空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index）是我國(guó)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將監(jiān)測(cè)到的6項(xiàng)污染物濃度用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)，指數(shù)越好代表空氣質(zhì)量越好，并將AQI級(jí)別分為六級(jí)來(lái)表示其嚴(yán)重程度。

本文基于城市間大氣污染會(huì)相互傳輸?shù)恼J(rèn)識(shí)下，認(rèn)為AQI趨勢(shì)變化相同城市同時(shí)地理距離較近的幾個(gè)城市大氣污染物相互傳播的可能性較大，將這些城市分為一類(lèi)。希望通過(guò)對(duì)AQI的變化趨勢(shì)和城市間地理距離聚類(lèi)研究，為我國(guó)大氣污染治理方式由城市的“單打獨(dú)斗”轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域的“聯(lián)防聯(lián)控”提供區(qū)域劃分的依據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

AQI數(shù)據(jù)是從中國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)站爬取的環(huán)境監(jiān)測(cè)總站劃列的169個(gè)城市污染物濃度的小時(shí)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)起止時(shí)間為2018年1月1日—2018年12月31日。按照《環(huán)境空氣治理標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）：日均AQI為24小時(shí)AQI檢測(cè)值的算術(shù)平均。

經(jīng)緯度數(shù)據(jù)從中國(guó)城市經(jīng)緯度查詢網(wǎng)站爬取獲得。

4.1.1 動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃

AQI變化趨勢(shì)就在大氣污染傳送網(wǎng)絡(luò)的影響下，可能會(huì)出現(xiàn)趨勢(shì)非當(dāng)期相關(guān)，而是表現(xiàn)出滯后的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃（Dynamic Time Warping，DTW）算法可用于衡量時(shí)間序列的相似性，解決變化趨勢(shì)非當(dāng)期相關(guān)的問(wèn)題。DTW采用滿足一定條件的時(shí)間序列輸入樣本和參考的時(shí)間序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解兩者匹配時(shí)累計(jì)距離最小所對(duì)應(yīng)的規(guī)劃函數(shù)。

4.1.2 系統(tǒng)聚類(lèi)

系統(tǒng)聚類(lèi)是將距離相近的樣本先聚類(lèi)一類(lèi)，樣本距離遠(yuǎn)的后聚為一類(lèi)，如此反復(fù)進(jìn)行下去，直到每個(gè)樣本聚到適合的類(lèi)別中。假設(shè)有n個(gè)樣本，首先將n個(gè)樣本各自分為一類(lèi)；第二步，選取合適的距離度量，并將類(lèi)間距離最近的兩個(gè)樣本合并為一類(lèi)，其他樣本仍各自一類(lèi)，此時(shí)有n-1個(gè)類(lèi)別；第三步，再將距離最近的兩個(gè)樣本合并為一類(lèi)，此時(shí)有n-2個(gè)類(lèi)別；如此反復(fù)進(jìn)行下去，直到n個(gè)類(lèi)別變成一個(gè)大類(lèi)為止。

在進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)前，首先要定義類(lèi)間距離。類(lèi)間距的初次計(jì)算通常采用歐氏距離：

本文在聚類(lèi)時(shí)不僅參考兩城市間空氣質(zhì)量AQI指數(shù)的DTW距離，同時(shí)，還將兩城市間的地理距離作為聚類(lèi)的另一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。地理距離指標(biāo)的加入使得聚類(lèi)結(jié)果可行性增強(qiáng)，由于距離的限制，使得聚類(lèi)所得各類(lèi)別內(nèi)部的城市間具有大氣污染相互影響可能的概率變大。最終，本文在系統(tǒng)聚類(lèi)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)化后的任意兩城市間 DTW 距離和地理距離分別按照0.5、0.5的比重進(jìn)行加權(quán)，將所得數(shù)值作為聚類(lèi)的依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)。

4.2 空氣質(zhì)量區(qū)域劃分研究

本文首先計(jì)算城市間空氣污染指數(shù)的DTW距離矩陣與城市間的地理距離矩陣，將兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)作為聚類(lèi)依據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)。

表1

根據(jù)聚類(lèi)的結(jié)果，本文將169個(gè)城市分為7個(gè)不同的城市群，其中拉薩和烏魯木齊被單列出來(lái)，不能很好的代表區(qū)域，故將其剔除。

（1）長(zhǎng)江流域地區(qū)，長(zhǎng)江流域地區(qū)，降雨量大且風(fēng)力作用旺盛，有效抑制地面揚(yáng)塵發(fā)生并有助于大氣污染物的擴(kuò)散、稀釋和沉降，改善空氣質(zhì)量。

（2）京津冀地區(qū)，值得注意的是，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站將亳州、淮北、宿州、徐州劃分為長(zhǎng)江三角區(qū)域，但是根據(jù)本文的聚類(lèi)結(jié)果，亳州、淮北、宿州和徐州AQI變化趨勢(shì)與京津冀地區(qū)更為相近。這四個(gè)城市同時(shí)也位于秦嶺-淮河線以北區(qū)域，此線是我國(guó)重要的地理分界線，此分界線南北城市氣候差異顯著。

（3）川渝地區(qū)，地處丘陵、盆地的相對(duì)封閉自然條件，常年多靜風(fēng)和微風(fēng)，空氣濕度相對(duì)較大，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，且該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)聚集，人口集中。

（4）珠江三角地區(qū)，三面環(huán)山一面環(huán)海，以及受嶺南獨(dú)特的氣候條件影響，形成了相對(duì)封閉的區(qū)域。污染程度最輕，城市氣候適宜、地形特殊，部分地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)相對(duì)不強(qiáng)烈，因此它們的大氣環(huán)境優(yōu)良。

4.3 結(jié)論與討論

城市空氣污染表現(xiàn)出“東重西輕，北中南輕”的空間格局區(qū)域城市空氣污染的總程度和分布結(jié)構(gòu)具備明顯的分異特征