楊賀 劉金平

摘 要：近年來，以臭氧、大氣顆粒物（PM2.5和PM10）等為特征的區(qū)域復合型污染日益突出，體現(xiàn)出大氣污染的空間維度特征。在總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于區(qū)域復合型大氣污染研究基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)研究區(qū)域復合型大氣污染的時空擴散特征、來源解析的研究框架：利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間自相關(guān)模型，提出我國多個大氣重度污染集聚區(qū)域在不同季節(jié)不同時間的首要擴散污染源，并應制定合理的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控政策。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；污染源；空間自相關(guān)；區(qū)域分異；聯(lián)防聯(lián)控

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.06.086

1 引言

當前我國大氣環(huán)境形勢十分嚴峻，區(qū)域內(nèi)空氣重污染現(xiàn)象、大范圍同時出現(xiàn)的頻次日益增多，嚴重制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，威脅人民群眾身體健康，給現(xiàn)行環(huán)境管理模式帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于大氣污染物傳輸并不遵守行政邊界，而是在空間上擴散遷移并呈現(xiàn)出區(qū)域性，城市間大氣污染相互影響越來越顯著，尤其是在工業(yè)化和城市化水平較高的城市群較明顯。大氣污染的控制不能僅局限于單獨的地區(qū)，而應該打破行政區(qū)劃的界限。在我國大氣污染日益加劇的今天，如何界定大氣環(huán)境功能區(qū)域的動態(tài)時空范圍和確定區(qū)域大氣污染物的首要來源就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的分析方法建立在城市之間的大氣污染物相互獨立不相關(guān)的前提假設，并缺乏考慮空間維度特征，空氣污染傳播受到風速、溫度、濕度等多重因素影響，致使大氣污染的空間維度特征常常被環(huán)境學家和生態(tài)學家所忽略，所以得出的各種結(jié)果和推論也缺乏應有的解釋力。因此，綜合環(huán)境統(tǒng)計學、地理科學和大氣科學等多學科理論，利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間自相關(guān)模型，添加時間滯后系數(shù)，更準確地測算大氣污染的溢出邊界和遷移路徑，揭示空間擴散規(guī)律和動態(tài)演變過程，為防治區(qū)域復合型大氣污染問題和促進區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢

近些年來，在國際上對大氣污染物來源及排放的時空變異研究比較活躍。主要有：采用多種空氣污染物的綜合評判的方法，給出了一種新的空氣污染指數(shù)（API）體系，并將此空氣污染指數(shù)（API）與美國環(huán)保局的污染標準指數(shù)（PSI）進行了對比（Neha Khanna，2000）；通過聚類分析的方法對雅典周圍8個地區(qū)的可吸入顆粒物濃度進行分析，發(fā)現(xiàn)離城區(qū)較遠的4個地區(qū)的空氣污染物主要來自其周圍的重污染地區(qū)，并且以二次氣溶膠為主，然而離城區(qū)較近的4個地區(qū)的空氣污染物主要來自城市燃料燃燒、汽車尾氣以及一次氣溶膠（G.Grivasa，2007）；運用多元線性回歸模型計算一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和細顆粒物等濃度的時空變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)土耳其安卡拉地區(qū)空氣質(zhì)量取決于當?shù)貧庀鬆顩r，而非大氣污染所致（Genc，2010）；對于發(fā)展中國家城市（加納首都阿克拉）進行的大氣污染顆粒物來源分析得出，PM2.5數(shù)值與燒柴灶、熏魚、垃圾焚燒等具有顯著相關(guān)性（Rooney，2012）；以意大利北部地區(qū)為例，證實大氣污染模擬更適合使用空間非線性模型，而并非具有全局平均意義的線性模型（Carnevale，2012）。

我國學者針對我國大氣污染的空間特征和防治方面的研究，主要有以下幾方面：利用空間自相關(guān)分析方法對江蘇省13個省轄市化學耗氧量（COD）、二氧化硫（SO2）和總懸浮顆粒物（TSP）排放量（趙小風，2009），重慶市TSP、SO2和二氧化氮（NO2）質(zhì)量濃度（韓貴鋒，2006），北京市空氣污染指數(shù)（胡芳芳，2010）進行研究；利用時間序列分析的方法，對成都市城區(qū)2001-2005年的大氣污染指數(shù)（API）建立基于時間序列的自回歸滑動平均模型（ARMA），來模擬實測的空氣污染指數(shù)，從而得出成都市空氣污染狀況具有季節(jié)變化規(guī)律（柴微濤，2007）；利用空間計量經(jīng)濟模型分析我國經(jīng)濟增長與污染物排放的空間關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展水平、人口密度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與SO2、COD排放之間具有高度相關(guān)關(guān)系（Li， Q 2014）。

總體上看，新興的空間統(tǒng)計學方法為大氣污染的空間相關(guān)分析提供了新的思路，具有較大的應用潛力。前人研究確定了大氣污染排放的全局空間相關(guān)性，得出了不同空氣污染源對地區(qū)空氣質(zhì)量具有空間差異性等結(jié)論。但是，（1）由于缺乏對大氣污染擴散邊界和遷移路徑的規(guī)律性和動態(tài)演變過程分析，導致大氣污染的空間關(guān)聯(lián)效應失真；（2）對于大氣污染物來源分析模型使用普通的空間權(quán)重方法，并沒有體現(xiàn)大氣污染的時空擴散異質(zhì)性特征，這些都會降低大氣污染空間溢出特征分析和區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控政策制定的準確性。因此，在我國大氣污染現(xiàn)狀和生態(tài)文明建設背景下，面對區(qū)域協(xié)同防治實踐中遇到的問題，以大氣環(huán)境功能區(qū)域為單元，深入研究大氣污染的時空范圍、擴散特征和首要污染源，使區(qū)域內(nèi)的省市共同規(guī)劃與實施大氣污染防治方案，通過協(xié)調(diào)努力最終達到改善區(qū)域空氣質(zhì)量、有效遏制復合型大氣污染的目的。

3 研究方向解析

針對我國當前現(xiàn)狀，以解決大氣污染區(qū)域協(xié)同防治為目標，從大氣污染的時空溢出關(guān)聯(lián)性、溢出邊界和遷移路徑以及污染源解析這三個研究內(nèi)容循序漸進地深入分析。

3.1 區(qū)域復合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論與方法研究

界定區(qū)域復合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的內(nèi)涵等理論基礎(chǔ)，剖析造成區(qū)域復合型大氣污染的因素，以及實施大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的技術(shù)與方法。（1）區(qū)域復合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控及相關(guān)概念的界定，重點闡釋大氣污染治理突破行政區(qū)域界限的必要性和區(qū)域大氣污染聯(lián)合防治的正外部性。（2）從氣象、地理、工業(yè)布局、移動污染排放等方面，解釋造成區(qū)域復合型大氣污染的原因，以及這些影響因素之間的關(guān)聯(lián)性分析。（3）區(qū)域復合型大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論基礎(chǔ)，包括空氣流動理論、區(qū)域公共品理論、大氣污染控制理論、空間統(tǒng)計學理論和空間自相關(guān)理論等。（4）實施大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的技術(shù)與方法，有針對區(qū)域邊界劃分的擴展斷裂點模型和空間滯后模型，還有揭示區(qū)域大氣污染源的空間非嵌套地理加權(quán)回歸方法，和區(qū)域大氣污染物總量控制方法等。

3.2 區(qū)域復合型大氣污染的時空擴散特征

研究區(qū)域大氣污染的時空擴散特征，首先要有完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作保證，建立一個基于Time-GIS的時空關(guān)系矢量數(shù)據(jù)庫，包括我國113個（重點環(huán)境保護和國家環(huán)保模范）城市的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和主要大氣污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2等）數(shù)據(jù)，以日、周、季度為時間序列；其次，需要驗證我國城市大氣污染是否存在時空擴散關(guān)聯(lián)性，得出我國大氣污染集聚區(qū)的分布范圍以及隨時間季節(jié)的變化特征；再者，一個城市的大氣污染程度取決于本地固定污染源、區(qū)域移動污染源以及區(qū)域固定污染源的時空擴散等多方面的影響。在大氣污染的時空溢出關(guān)聯(lián)性研究基礎(chǔ)之上，利用空間非嵌套方法優(yōu)化大氣污染的空間相關(guān)權(quán)重矩陣，并在空間回歸模型中添加時間滯后系數(shù)，從而更準確地測算大氣污染的溢出邊界和遷移路徑，揭示空間擴散特征和動態(tài)演變過程，由此確立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控集聚區(qū)的范圍邊界。

3.3 區(qū)域復合型大氣污染物來源解析

通過上述研究可以確定城市大氣污染擴散范圍，以及受周邊城市的空氣污染程度，由此驗證了我國城市大氣污染的時空擴散特征。如何建立有效的回歸計量模型，模擬各種大氣污染源的區(qū)域空氣污染過程，并從回歸結(jié)果中得出我國多個地區(qū)的大氣污染源解析結(jié)果。內(nèi)容包括兩方面：

（1）大氣污染源解析的空間統(tǒng)計方法研究。傳統(tǒng)大氣污染物來源解析的回歸計量模型，是建立在城市之間的空氣污染物相互獨立不相關(guān)的前提假設，忽略了大氣污染的空間擴撒特性，得出的各種結(jié)果和推論缺乏應有的解釋力。因此，通過建立大氣污染的時間序列地理加權(quán)回歸模型，以表達空間上的關(guān)聯(lián)性、復雜性和變異性。

（2）分析各污染源類型對大氣污染程度在時間和空間上的差異性，揭示和驗證我國不同地區(qū)大氣污染物來源存在空間異質(zhì)性。找出我國多個大氣重度污染集聚區(qū)域在不同季節(jié)不同時間的首要擴散污染源，為制定科學合理的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控策略提供支撐。

3.4 區(qū)域復合型大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控策略

總結(jié)區(qū)域復合型大氣污染的時空擴散特征和來源解析，結(jié)合國內(nèi)外大氣污染防治的典型案例，設計我國大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控對策。

（1）國外大氣污染防治典型案例分析。國外大氣污染區(qū)域協(xié)同防治措施的成熟和廣泛應用為我國的大氣污染治理提供了堅實的理論平臺和可供參考的實踐基礎(chǔ)。首先對國外大氣污染源類型和防治措施進行梳理和辨析，其次對以英國、美國、日本、法國和德國為代表的發(fā)達國家大氣污染區(qū)域協(xié)同防治的情況進行歸納，從中提煉出國外發(fā)展戰(zhàn)略、解決問題的思路及實施步驟。

（2）國內(nèi)大氣污染防治典型案例分析?？偨Y(jié)和歸納近年來針對奧運會、世博會和亞運會等重大國際型活動，各城市及地區(qū)采取的大氣污染防治措施。

總結(jié)上述研究，結(jié)合我國生態(tài)文明建設和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型期實情，針對區(qū)域性復合型大氣污染問題的環(huán)境管理模式，給出我國大氣污染聯(lián)防聯(lián)控管理措施。包括我國重點城市大氣污染物來源解析；大氣污染擴散程度高的城市名單及空氣環(huán)境治理方案；易于受周邊城市大氣污染的城市名單及其空氣環(huán)境治理方案。

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