珠三角城市空气质量的时空变化特征及影响因素

◎ 李 婕 滕 丽

珠三角是我国最发达的经济区域之一，处于工业化、城市化快速发展时期。在珠三角经济发展取得举世瞩目成绩的同时，也产生了大量的环境问题，其中空气质量问题是主要环境问题。据广东省环境状况公报显示，2000年全省空气污染较重的10个地级市有7个在珠三角。由于全省70%的火电装机容量和发电量聚集在珠三角，二氧化硫、氮氧化物等致酸雨物质排放量巨大，珠三角成为了全球三大酸雨区域之一[1]。面对如此严峻的城市空气质量问题，政府进行了大量的污染减排工作。随着时间的推移，珠三角城市空气质量又在不断的发生着变化。

本文采用2002～2011年珠三角9城市空气污染指数表征城市空气质量，运用空间统计分析方法描述珠三角地区的空气质量时空分布特征，采用Granger因果检验法探究珠三角地区城市间空气质量溢出特征，并结合灰色关联分析法分析珠三角空气质量的影响因素，为珠三角地区城市空气质量的改善和科学决策提供进一步的支持。

一、相关研究综述

城市空气污染是一个复杂的现象，空气污染程度影响着城市空气质量。城市空气污染是在城市的生产和生活中，向自然界排放的各种空气污染物超过了自然环境的自净能力，给人类的身体、生产和生活带来危害。关于珠三角城市空气质量的时空分布特征及城市间空气质量的影响效应，许多学者进行了研究。

在珠三角城市空气质量的时空分布方面，刘俊、袁鸾[2]对2006年10月珠三角地区一次大范围灰霾天气下珠三角地区空气污染在空间分布上的特征进行研究，指出珠三角空气污染的区域性特征比较明显，其中佛山-广州-东莞一带是珠三角的污染核心区。黄晓英、李娟[3]对粤港珠江三角洲区域2007年环境空气质量空间分布与时间变化进行了分析和探讨，指出珠海、香港、深圳空气质量较好，东莞、佛山空气质量最差。付春、梁桂雄[4]对珠江三角洲城市群2001年冬季典型空气污染过程和原因进行分析，指出广州、佛山、南海、香港、澳门、深圳、珠海、顺德等城市空气污染变化有很强的同步性，但各有特点；地区空气污染受天气过程影响，城市污染因地理位置和经济条件而各有特点。胡晓宇[5]认为冬季受偏北风的影响，广佛一带空气污染会减轻，但却加重了下风向的江门、珠海和中山等城市的污染；夏季，偏南风会减轻广佛东莞一带空气污染的程度，但由于广州、佛山部分地区的局地环流容易形成此地区的污染集聚区，造成局部重污染。张宝春[6]对珠三角地区城市空气质量时空特征进行了研究，表明珠三角区域污染高值中心由东莞西部逐步向佛山中部转移，珠三角的肇庆南部、佛山中部、中山北部以及广州的南沙等区域空气质量变化幅度较大，惠州、深圳、香港等地区的空气质量较好，也较稳定。

在珠三角城市间空气质量影响效应方面，王淑兰[7]分析了珠三角地区城市之间大气污染物相互输送的特点和规律，指出珠江三角洲城市间污染相互作用显著，其中广州是最典型的与周边发生显著相互作用的城市之一。胡晓宇[8]对珠江三角洲地区2006年10月的大气PM10污染进行模拟研究，指出珠江三角洲地区已形成PM10区域性污染的格局，城市间输送已成为造成珠三角地区PM10污染的重要因素。陈焕生[9]分析了亚运时段珠三角各城市的源排放对广州市污染物浓度贡献，指出东莞对广州地区大气污染物的贡献最大，NO2、SO2、PM10的日贡献率分别高达19.3%、40.25%、48.7%。王芳、程水源[10]研究了跨区域输送对广州市颗粒物污染的贡献，认为源自周边城市的污染输送与广州的颗粒物污染密切相关，区域污染输送对广州市颗粒物污染的影响显著。杨柳林[11]通过建立“四维通量法”研究广州周边地区PM10、O3对广州空气质量的影响。邱军、范绍佳[12]分析了2006年7月珠江三角洲两次重空气污染过程与气象条件的关系后认为：水平输送和垂直扩散的共同作用决定着珠江三角洲区域空气污染的时空分布。

以上对珠三角城市空气质量的研究，都采用动力学模型，对某一短时段的空气质量分布及原因进行研究，时间跨度较小。动力学模型适合研究短期内的某个特殊的天气状况，但城市空气质量问题却是一个长期而连续的过程，因此有必要对其进行一个长期的观察与研究。本文从统计学的角度，以城市为单位来研究珠三角2002～2011年城市空气质量问题，为珠三角实行城市空气质量管制提供政策参考。

二、珠三角空气质量数据来源

空气污染指数（Air Pollution Index，简称API）是一种反应和评价城市空气质量好坏的数量尺度，是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，并分级表征空气污染程度和空气质量状况（表1），适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势[13]。

目前，珠三角地区已经建立城市空气质量常规监测站的站点数达到了62个，这62个监测站点均具备二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、可吸收颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）6种污染物的监测能力。广东环境保护公众网发布监测数据的17个监测站点遍布珠三角各市，包括广州、深圳、珠海、中山、佛山、肇庆、香港等城市，主要是粤港珠三角区域空气质量监测网16个子站中位于珠三角的12个监测子站。

本文所采用的主要数据为广东省环境信息综合发布平台公布的2002～2011年空气环境质量中的珠三角9城市的API日报数据；由于珠三角 9个城市在这10年的首要污染物为PM10。其中广州首要污染物为PM10的天数占总天数的比例75.32%，其余8个城市全部均在80%以上，所以通过API指数换算PM10浓度来反映空气质量有较好的代表性。

三、珠三角空气质量的时空分布模式

（一）年度空气质量分布情况

从整体看，10年来珠三角PM10浓度在波动中总体呈下降趋势（图1），只在2003年和2007年出现了两个较高点，API总体下降说明随着经济的发展和科技水平的提高，珠三角整体空气质量有所改善，空气质量等级为优的城市数量也在缓慢增长。

表1 空气质量分级

图1 珠三角9城市2002～2011年空气质量时间分布

从城市间看，广州、东莞、佛山的年均API值在9个城市中较高，但有缓慢下降的趋势；珠海、惠州和肇庆的年平均API值虽然较低，尤其是珠海的空气质量等级在十年中全为优，但年均API却是在缓慢上升，惠州的年均API缓慢上升中在2003年和2007年出现了两个高点，肇庆2002～2007年的年均API呈上升的趋势，2008、2009年迅速下降，2010～2011年又呈上升趋于平稳的趋势。

分析2002～2011年珠三角9城市API增长率（图2），发现肇庆、珠海、惠州的API变化率为正值，表示十年里空气质量呈现出下降的趋势，其中惠州空气质量下降得幅度最大。广州、佛山、中山、江门、东莞和深圳的API变化率为负值，表示十年里空气质量得到改善，其中东莞空气质量改善得最明显，其次为广州。

图2 2002～2011年珠三角9城市API增长率

（二）季度空气质量分布情况

从整体来看，珠三角空气质量存在典型的季节性特征（图3）。季度平均API值曲线呈“U”形，第二季度有明显的下降趋势，第三季度下降的幅度较小，比较平缓，第四季度又明显地上升。一季度和四季度的API相对要高，空气质量较差，而二、三季度的API要低一些，空气质量为优。这是因为珠三角夏季雨水多，加之偏南季候风为珠三角地区带来了较洁净的海洋性气流。

从城市间来看，广州、佛山和东莞的API高于其他六个城市，尤其是在二三季度，广州在一、三、四季度中都为API最高的城市。珠海的API在任何季度都要比其他城市低，特别是在二三季度，城市空气质量明显比其他8个城市好很多。季度空气质量呈现出以广州为中心向四周围好转的空间分布模式（图4）。

图3 珠三角地区季度空气质量时间分布

图4 珠三角季度空气质量空间分布

（三）月度空气质量分布情况

珠三角城市空气质量不仅存在典型的季节特征，还存在显著的月度变化特征（图5）。月均API值曲线呈“V”字形，且以7月为中心轴，两边大致对称。API值从一月开始递减，通常在7月达到最低值，之后API值又开始逐月递增。五、六、七、八月的API值小于50，空气质量为优，其余月份的API都大于50，空气质量较差。说明冬季空气质量较差，夏季空气质量较好，春、秋两季属于过渡期。

图5 珠三角地区月度空气质量时间分布

从城市间来看，广州、东莞、佛山的API相对于其他城市较高，即空气质量相对较差，尤其是六、七、八月份的月均API在50以上，而其他6个城市的月均API均在50以下，空气质量达到等级优。珠海、惠州和肇庆的API较低，即空气质量相对较好，尤其是珠海，一年八个月的月均API都达到了等级优。由此，珠三角月度空气质量空间分布与季度空气质量的空间分布相一致，亦呈现出了以广州为中心，向四周围的城市逐渐转好的趋势（图6）。

（四）珠三角9城市间空气质量的空间溢出特征

1.检验方法

由于空气污染具有空间扩散的特征，因此珠三角9个城市间的空气质量可能具有相互影响。为了检验这种城市间的相互作用，拟采用格兰杰（Granger）因果关系检验。该检验的基本原理是：如果x是引起y的变化原因，则在关于y的过去值的回归中，添加x的过去值，应该能显著增加回归的解释能力。此时，称x为y的Granger原因。如果添加x的滞后变量后，没有显著增加模型的解释能力，则x不是y的Granger原因。格兰杰因果检验的前提是时间序列必须具有平稳性，否则可能会出现虚假回归问题。因此在进行格兰杰因果检验之前首先应对各指标时间序列的平稳性进行单位根检验。

2.检验结果及分析

图6 珠三角月度空气质量空间分布

首先对珠三角9个城市2002～2011年的年均API数据进行平稳性检验，结果显示，东莞和惠州的年均API数据具有平稳性；佛山、广州、江门、深圳和珠海在进行一阶差分后平稳，为一阶单整序列；肇庆和中山在二阶差分后平稳，为二阶单整序列。在平稳性检验的基础上，对通过平稳性检验的城市、同阶单整且通过协整检验的城市进行格兰杰因果检验，检验结果见表2。

结合F检验值和P值，从表2知道，佛山空气质量是广州和深圳的格兰杰原因，广州空气质量是深圳的格兰杰原因，深圳空气质量是珠海的格兰杰原因。空气质量受影响的广州和深圳位于佛山的东部和东南部，深圳也位于广州的东南部。珠三角位于广东省中南部，背靠南岭山脉，东、北、西三面环山不利于空气污染物的输送和扩散。十年来，佛山和广州的空气污染指数都居整个珠三角的前列，空气质量较差，且位于珠三角地区的中心地带，大量的污染物会向周围城市扩散（当风力不大，风向不明显时），因此会引起珠三角地区其他城市的空气质量的变化。珠三角冬季盛行偏北风，加之冬季整个珠三角地区的API都偏高，明显高于夏季，强烈的西北风导致中部的佛山和广州的污染气体会随着风向向东南部的深圳扩散。珠海处于珠三角南部沿海地区，冬季盛行的偏北风会夹带来深圳等地的污染物，因此会受到珠三角其他城市的空气污染的影响。

四、珠三角城市空气质量影响因素分析

随着珠三角地区城市化进程的加速，城市规模不断扩张，工业的集聚、人口规模的壮大、交通运输业的发展和废气的排放等众多因素，直接或间接地影响到城市空气的质量。如何确定影响珠三角地区城市空气质量的主要因素，并及时、恰当地加以控制，对改善珠三角城市空气质量具有重大的意义。

表2 格兰杰因果检验结果

（一）分析方法

城市空气质量受经济、社会和生态等众多因素的影响，是一个复杂的现象，具有灰色系统的特征，因此本文选用灰色关联分析法对珠三角9个城市空气质量的影响因素进行分析。灰色关联分析主要通过对系统数据序列的几何关系进行比较来分析系统中各个因素间的关联程度，其基本思想为：先确定目标序列和比较序列之间的关联系数；在此基础上，结合相对重要性权重，计算各序列和目标序列的关联度。如果目标序列和比较序列关联度较大，则认为两者的相对变化基本一致；反之，则认为两者变化差异较大。

据有关研究认为道路建设、旧城改造、住宅建设施工、汽车排放、工业排放等会对地区PM10浓度产生影响。在珠三角这些因素的作用如何则需要开展进一步的关联度分析。设城市的PM10浓度为目标序列Y，并从经济、社会、生态三方面选取对珠三角城市空气质量影响较大的8个因素作为比较序列Xi（表3）。

（二）关联度计算结果与分析

1.各市空气质量的影响因素分析

通过计算珠三角各城市的空气质量影响因素与其PM10浓度的关联度，结果（表4）显示：与广州PM10浓度关联度较高的前三个因素分别为烟尘排放量、工业SO2排放量和人均绿地面积；与深圳、珠海、佛山和中山PM10浓度关联度较高的前三位因素，和广州基本一致，只是顺序或其中一个因素略有不同；与惠州和肇庆PM10浓度值关联度较高的前三个因素共同有城镇房屋施工面积和社会从业人员数，此外惠州的机动车拥有量和肇庆的工业SO2排放量与PM10浓度关联度亦高；烟尘排放量位于东莞和江门PM10浓度关联度较高的前三，东莞的工业SO2排放量和城镇房屋施工面积与其PM10浓度关联度亦较高，江门的社会从业人员数和机动车拥有量与其PM10浓度关联度亦较高。

表3 目标序列和比较序列

以上分别分析了9个城市的空气质量影响因素，工业SO2排放量、人均绿地面积和城镇房屋施工面积是影响大部分城市空气质量的主要原因。说明减少工业SO2的排放总量和城镇房屋施工面积，同时提高人均绿地面积将有助于改善大部分城市的空气质量。

2.城市之间空气质量的影响因素

据表2，10年中年均空气质量存在影响的城市共有4对，为了找出污染地的哪些因素对受影响城市的空气质量产生影响，本文计算影响污染地空气质量的因子与受影响城市的PM10浓度之间的关联度（表5），结合表4，显示：佛山的工业SO2排放量、人均绿地面积和机动车数量与广州PM10浓度关联度较大，其中工业SO2排放量与广州PM10的关联度要大于与其本身PM10浓度的关联度；佛山的工业SO2排放量、城镇房屋施工面积和机动车数量与深圳的PM10浓度关联度较大，其中城镇房屋施工面积和机动车数量与深圳PM10浓度的关联度大于与佛山本地PM10浓度的关联度；广州的人均绿地面积、机动车数量和烟尘排放量与深圳PM10浓度的关联度较大，其中机动车数量与烟尘排放量与深圳的PM10浓度的关联度大于与其本身PM10浓度的关联度；深圳的人均绿地面积、城镇房屋施工面积和工业SO2排放量与珠海的PM10浓度关联度较大，其中城镇房屋施工面积与珠海的PM10浓度的关联度大于与其本身PM10浓度的关联度。

表4 每个城市目标序列与比较序列的关联度

从以上分析知道，影响污染地空气质量的许多因子会对受影响城市的空气质量产生更大程度的影响（表6），这除了受风向的影响，还因为污染地城市为了减少本城市的空气污染，提高空气质量，往往把污染源转移到该城市的边界区域，因此会形成对周边城市空气质量更大的影响。对此，珠三角城市空气质量要想得到改善，就需要城市与城市之间合作，从本源上降低污染，提高空气质量，而不是城市间相互转嫁污染。

表5 存在格兰杰因果关系的城市间目标序列与比较序列的关联度

表6 污染来源地对受影响城市空气质量的影响因素的改变

五、结论

1.珠三角地区的空气质量分布：时间上，2002～2011年空气质量有所好转，具有显著的季节性特征，冬季空气质量较差，夏季空气质量较好；空间上呈现出空气污染以广州为中心向四周围递减的分布模式，并且存在城市间空气质量的相互影响效应，位于珠三角中部的广州和佛山对东、南部的深圳和珠海空气质量影响较大。

2.2002～2011年，肇庆、珠海和惠州空气质量有下降的趋势，其中惠州空气质量下降的幅度最大；其他城市空气质量有所上升，东莞空气质量改善得最明显，其次为广州。

3.从城市内部影响因素来看，珠三角大部分城市的空气质量受工业SO2排放量、人均绿地面积和城镇房屋施工面积的影响；从城市外部影响因素来看，影响污染地空气质量的许多因子会对受影响城市的空气质量产生更大程度的影响。佛山的工业SO2排放量、机动车数量和人均绿地面积，广州的人均绿地面积和机动车数量，深圳的人均绿地面积和城镇房屋施工面积，是引起受影响城市的空气质量变化的主要因素。

[1]钟奇振. 珠三角遭环境短板[J]. 环境,2004,10:10-11.

[2]刘俊,袁鸾,刘衍君等.珠江三角洲一次大范围灰霾天气下的空气污染特征分析[J].环境科学导刊,2009,28(4):78-82.

[3]黄晓英,李娟.基于污染损害指数的环境空气质量评价与分析[J].环境保护与循环经济,2009,29(6):26-28,33.

[4]符春,梁桂雄.珠江三角洲城市群空气污染实例分析[J].湖南环境生物职业技术学院学报,2006,12(4):372-376.

[5]胡晓宇.珠江三角洲区域大气污染及城市间相互影响的模式研究[D].北京大学,2011.

[6]张宝春,陈彦军,李伟铿,陈慧明,罗家海. 基于GIS的珠三角区域空气质量时空特征研究[J]. 生态环境学报,2011,04:600-605.

[7]王淑兰,张远航,钟流举等.珠江三角洲城市间空气污染的相互影响[J].中国环境科学,2005,25(2):133-137.

[8]胡晓宇,李云鹏,李金凤等.珠江三角洲城市群PM10的相互影响研究[J].北京大学学报(自然科学版),2011,47(3):519-524.

[9]陈焕盛,王自发,吴其重等.亚运时段广州大气污染物来源数值模拟研究[C].//第十七届中国大气环境科学与技术大会暨中国环境科学学会大气环境分会2010年学术年会论文集.2010:148-149.

[10]王芳,程水源.周边城市对广州市颗粒物污染影响研究[C].//中国环境科学学会2012学术年会论文集.2012:2039-2044.

[11]杨柳林,王雪梅,陈巧俊等.区域间大气污染物相互影响研究的新方法探讨[J].环境科学学报,2012,32(3):528-536.

[12]邱军,范绍佳,王宝民等.珠江三角洲夏季空气污染与气象条件关系研究[A]. 中国气象学会.中国气象学会2007年年会大气成分观测、研究与预报分会场论文集[C].中国气象学会:,2007:5.

[13]刘培桐.环境学概论[M].北京:高等教育出版社,2001.