世界天然气重心移动与空间集聚特征研究

方叶兵，王礼茂，杨　艳，2，牟初夫，2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049；3.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽芜湖241003）

世界天然气重心移动与空间集聚特征研究

方叶兵1，2，3，王礼茂1，杨艳1，2，牟初夫1，2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049；3.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽芜湖241003）

利用重心移动模型，结合空间集聚分析方法，从移动重心和集聚中心两个角度分析1980年-2014年以来世界天然气储量、消费量和生产量的重心移动轨迹、空间集聚特征。研究发现：（1）自1980年以来世界天然气探明储量重心呈现东偏北移动趋势，由北非向中东地区移动，储量重心和储量中心都在地理空间上接近于中东和前苏联地区；生产重心由大西洋西岸转移到西欧和地中海，生产重心与生产中心偏差较大；天然气消费重心由大西洋西岸向西欧和地中海移动。由于非OECD国家消费比重增高，导致消费重心与消费中心空间差异较大。（2）世界天然气消费重心与生产重心密切相关，空间重叠性较高，而探明储量与生产重心、消费重心之间变动具有较高的一致性，探明储量对消费和生产的重心移动影响较大。（3）天然气储量、消费和生产具有较高的寡占型特点，2000年后空间集聚从高到低依次为储量、生产和消费，主要国家间的规模差距在缩小。（4）重心移动模型与空间集聚方法相结合，在刻画天然气虚拟重心和实际集聚中心互为补充，有较好的效果。

天然气；重心移动；空间重叠性；空间集聚

1　引言

作为一种重要清洁能源，天然气将是2035年前世界增长最快和最清洁的化石燃料，对其需求增量是煤炭和石油的总和，页岩气的大规模开发有望使世界能源格局进入天然气时代［1］。随着我国化石能源消费结构转型，国际能源机构（IEA）预测我国在2035年天然气需求量将提高到5450亿立方米，是2011年的四倍以上［2］。《BP2035世界能源展望》预测我国2035年天然气对外进口依赖将超过40%［1］，天然气安全供应将成为中国经济持续发展所面临的重要挑战。2011年，世界天然气年均消费增长24%，作为燃料和原料天然气的排放更低、用途更加广发，在非常规油气资源开发的驱动下，未来天然气将成为需求增长最快的主要燃料［3］，世界有望步入天然气时代。

世界油气资源在全球层面上表现为明显的空间不平衡性［4］，国内外学者主要从供需格局［5］、能源地缘政治格局［6］、能源安全［7］等进行研究，对世界油气能源在储量、生产和消费三者之间的空间移动和空间集聚关系进行分析和比较尚显薄弱。在对油气资源空间格局进行定量分析主要有两类方法，一类是自然裂点法、箱线图、集中度、空间聚类、标准差椭圆、位序-规模分布等方法分析油气在空间上的规模等级体系［5，8］，然而这种规模等级体系并不能进一步刻画和分析其在地理空间上格局变化；另一类是重心移动、阿隆索模型等方法分析油气空间移动和流动格局［9］，可较好地刻画资源在历史时期的空间移动过程，但重心移动只是呈现虚拟的几何和规模的重心，而非现实中的资源在空间上的集聚中心。因此，在方法上需要将天然气移动重心与天然气的现实空间集聚中心进行综合，从移动重心和集聚中心两个方面揭示世界天然气的空间移动格局演变。

因此，本文采用重心移动模型与空间集聚分析方法的相结合的方法，从移动重心和集聚重心的角度着力改进能源空间格局传统分析方法，进而揭示全球天然气长时间序列的重心变动轨迹和空间集聚特征，剖析世界天然气储量、生产量和消费量三者之间的格局演化和相互关系，探讨影响全球天然气空间格局变动的影响因素。

2　方法与数据来源

2.1方法

2.1.1重心模型美国学者Hilgard第一次将重心模型引入并研究美国人口问题，该模型简单易用并准确地揭示了美国人口空间分布［10］。随后该方法被用于人口、产业、资源、旅游、政治、经济等地理空间分布研究［11-16］。

式中：Eij表示在y年i国家的天然气消费量、探明储量或生产量；（xi，yi）为国家的空间几何重心坐标；（xij，yij）为世界天然气重心坐标。

2.1.2重心移动方向模型重心移动方向模型可用两点间反正切函数表示。

式中：θm-k为移动方向，θ∈［-π，π］；（xk，yk）、（xm，ym）分别为两个不同年份的天然气地理坐标，k≤m；一般以正东为0°，逆时针转至180°为负值，反之为正值。

2.1.3重心移动距离模型

式中：dm-k为m、k两个年际间天然气重心移动的距离。ρ为地理坐标经纬度转化为平面距离的系数。2.1.4集中度指数学界反映产业、资源在空间的集聚或不平衡性的测量方法主要有集中度指数（CRn）、赫芬达尔指数、熵指数、空间基尼系数和EG集聚指数等。集中度指数可以较好地分析前八位国家天然气资源储量、消费量和产量在空间上的集聚程度。

式中：N＞M；CRM为天然气规模最大的M个国家的集中程度；M为天然气规模最大的国家数；N表示选择的具有一定天然气规模的国家样本数。通常M=4或8，即表示天然气规模最大的前4个国家或前8个国家的集中程度。美国经济学家贝恩和日本通产省对集中度的划分标准：CRR≥70%为极高寡占型；［40%，70%）为低集中寡占型；［20%，40%）为低集中竞争型；CRR＜20%为分散竞争型［17］。

2.1.5首位度首位度通常衡量区域城镇规模序列中的第一位城市的优势性，广泛应用于城市的人口、经济和旅游等规模分布［18-19］，在此反映天然气储量、产量、消费量规模分布的集中度。

式中：P为首位度；p1和p2分别为天然气规模第一和第二大国家。P＞2表明结构失衡、过度集中的趋势；P≤2表示结构正常、集中适当。

2.2数据来源

1980-2014年天然气探明储量、生产量、消费量等数据主要来源于《BP世界能源统计》及BP公司官网（www.bp.com）提供的历史数据。此外，BP数据中一些少数国家由于在探明储量、生产量、消费量等数据的数值比较小，在统计公布时各时间序列上没有被BP统计数据库列上或笼统地被归到其他地区中，因此缺失的数据来源于美国EIA官网（www.eia.com）。

3　结果与分析

3.1重心移动格局分析

3.1.1探明储量重心移动轨迹、方向和速度天然气探明储量重心及其移动位置主要在北非和中东地区，呈现以伊朗、利比亚为主要重心点、“北非-中东”为重心的空间移动格局。1）重心点变动轨迹。1980-1990年，主要活动分布在北非的利比亚（图1），约占整个重心点总数的37.5%。1990-2014年，天然气探明储量重心主要集中于中东伊朗，约占整个重心点总数的62.5%。2）重心移动方向和移动速度。呈现“东南-东北-东南—西南-东北”的“东向北进”移动格局，且不同时间段的移动速度也有快有慢（表1）。

图1　天然气探明储量重心移动（1980-2014）

表1　世界天然气探明储量重心移动方向及移动距离（1980-2014）

3.1.2天然气生产重心及其空间移动

1）生产重心及其移动位置主要在西欧和地中海地区（图2），呈现以“大西洋西岸-西欧-地中海”的重心移动格局。2）重心移动方向上，呈现“东北-东南—西南-东南-西南”的“东向南移”移动格局；生产重心移动速度经历了“快-慢-快-慢”的特点（表2）。

表2　世界天然气生产重心移动方向及移动距离（1980-2014）

图2　天然气生产重心移动轨迹（1980-2014）

3.1.3天然气消费重心空间移动消费重心及其移动位置主要西欧和地中海地区，呈现以“大西洋-西欧-地中海”的重心移动格局。1）重心点变动趋势上（图3），1980-1990年，天然气消费重心主要集中于大西洋，约占整个重心点总数的12.5%。1990-2014年，天然气消费重心主要集中于西欧，约占整个重心点总数的54.5%。2）重心移动方向上，呈现“东北-东南-西南-东南”的“东向南移”移动格局。3）消费重心移动速度经历了“快-慢-快-慢”的特点（表3）。

图3　天然气消费重心移动轨迹（1980-2014）

表3　世界天然气消费重心移动方向及移动距离（1980-2014）

3.2天然气重心的空间耦合

为了进一步测度天然气资源在探明储量、生产重心和消费重心之间的空间耦合联系，本文采用空间重叠性和变动一致性两个指标，分析各重心系统在1980-2014年期间的距离变动和角度变动。

空间重叠性用两者之间的距离表示，距离越近则表明二者之间的重叠性越高。结果表明：1）天然气消费重心和生产重心的重叠性最高，在1980-2014年的34年期间，两者的重心重叠性变化不大，始终稳定在123-628Km，这表明全球天然气消费与生产重心始终密切相关（图4）。自1995年以来，全球天然气消费重心与生产重心的空间距离不断减小，重叠性不断提高，至2014年减小到123km，二者重心的重叠性超过了所有的重心间的重叠性。2）生产重心-储量重心与消费重心-储量重心的空间重叠性过程相似，并在空间重叠性上趋向于距离缩短，但在2005年后基本稳定在3288Km左右，天然气储量重心对天然气消费重心和天然气生产重心的空间移动影响较大。3）生产重心、消费重心远离储量重心，但基本稳定在一定幅度范围内。1985年以来消费重心、生产重心与储量重心的变动幅度高度相似，距离基本稳定在2400-3900km之间，但消费-储量重心距离大于生产-储量重心距离。

图4　各时期天然气各重心之间的空间距离

各重心之间的变动一致性，以某一时点的重心之间产生移动的矢量夹角φ来表示，φ取值范围在0°～180°之间，一般用φ的余弦值作为变动一致性指数C。C值越大则表示两者之间的变动一致性越大，当C=1时，表示完全同向；C=-1时，表示完全反向［9］。

式中，△X和△Y分别表示两个时间点的经度和纬度变化量。运用式（6），计算天然气产、消、储等重心间变动的一致性指数，计算结果如图5。整体看，除消费重心与生产重心在1980年等于-1外，其它重心之间的变动一致性指数均高于0，并在1990年后各重心的变动一致性指数越来越趋向于1，最后在2005年后各重心间变动一致性近乎重叠。消费重心与生产重心的变动一致性指数由1980年的-1上升到1985年的1，并以C=1的值一直保持，说明1985年后全球天然气消费重心和生产重心稳定的高度变动一致性。在与探明储量重心有关的消费和生产重心，虽然变动一致性指数大小虽略有不同，但变动都具有较高的一致性，这反映出消费重心和生产重心受探明储量重心的影响较大，说明探明储量是全球天然气资源流动的重要驱动力。在1990年后变动一致性指数C逐渐缩小差距，越来越趋向于1，2005年后，这种变动一致性近乎重叠。

图5　天然气消费重心、生产重心、储量重心的一致性指数

3.3天然气的空间集聚特征

3.3.1储量分布的空间特征天然气储量分布具有显著的非均衡性特点，正向极高寡占型演化，但国家间储量差距正趋于缩小。从集中度系数（图6）来看，1980年以CRR的波动范围是在0.43-0.74之间。这表明34年来世界天然气探明储量由低集中寡占型向极高寡占型趋势发展。1980年占据全世界前4位的国家主要是伊朗、美国、沙特阿拉伯和卡特尔。2014年，占据世界天然气储量最多的4个国家为世界油气心脏地带的伊朗、俄罗斯、卡塔尔和土库曼斯坦仅4国的探明储量占世界天然气份额的74%，常规天然气探明储量呈现极高寡占型特点。天然气储量首位度由1980年的2.5下降到2014年的1.0（图7）。这表明世界常规天然气储量虽然越来越趋向于较少的几个主要天然气大国，但大国之间的储量差距呈现缩小趋势，规模位序结构趋于适中。

图6　天然气储量、消费量和生产量集中度指数

3.3.2生产量分布的空间特征天然气生产以寡占型为主，北美、前苏联、中东是天然气生产的主要地区。CRR主要在0.59-0.75之间波动，天然气生产在1980至2014年间经历了上升和下降期，1995年后，随着前苏联和中东地区的生产扩大，天然气重心向东移动，生产集中度有所下降。1980年前8位生产大国分别为：美国、荷兰、加拿大、英国、罗马利亚、墨西哥、挪威和德国。2014年前8位生产大国分别为：美国、俄罗斯、卡塔尔、伊朗、加拿大、中国、挪威和沙特。生产量首位度由1980年的7.2下降到2014年的1.2，世界主要生产量大国间差距在缩小，天然气生产呈现多极化。

图7　天然气储量、消费量和生产量首位度（1980-2014）

3.3.3消费量分布的空间特征天然气消费也呈现低集中寡占型的特点，非OECD（经合组织）国家日趋成为天然气消费主要国家，北美、东亚、前苏联和中东是主要消费地区。CRR主要在0.54-0.71之间波动，除了1985年表现为极高寡占型特点外其它几个时间节点，世界天然气消费主要以低集中寡占型为主。1980年占据全世界消费规模前8位的国家依次为美国、德国、加拿大、英国、罗马利亚、荷兰、法国和意大利。随着欧洲发达国家的非化石能源比例上升、能效的提高，OECD国家天然气消费量下降，亚洲经济及新兴经济体的高速增长，而俄罗斯、中国、伊朗、沙特等非OECD国家的天然气消费量增长较快。2014年前8位消费大国依次为美国、俄罗斯、中国、伊朗、日本、沙特、加拿大、墨西哥。消费量首位度由1980年的9.8下降到2014年的1.9，规模位序结构趋于合理适中，世界天然气消费多极化，但主要集中地区为北美、东亚、前苏联和中东。

3.3.4空间综合特征2000年后储量集中度指数一直高于生产量和消费量的集中度指数，国家间的规模差距正在缩小，但仍属高度集中态势。1）世界天然气格局在2000年后整体上趋于储量集中上升期，储量越来越趋向于前苏联和中东地区的少数几个国家。2）生产和消费的集中度指数渐渐趋于下降，非OECD国家成为天然气生产和消费多极化的重要力量。3）世界天然气储量、消费量和生产量的首位度趋于降低，基本稳定在2以内。这表明世界天然气消费规模、储量规模和生产规模进入了结构正常、集中适当的规模结构和集中程度。

4　结论与讨论

（1）1980-2014年，世界天然气探明储量重心由北非移动至中东，生产重心由大西洋西岸向东南移动至西欧和地中海，消费重心由大西洋西岸移动至西欧和地中海；探明储量、生产和消费的重心移动方向均以向东移动为主，储量重心移动向东偏北5.46°、生产重心移动东偏南3.66°、消费重心移动向东偏南3.95°；天然气储量、生产和消费的重心移动速度由快转慢，年均移动距离依次为97.94Km、179Km和164.06Km，储量、生产和消费等三个重心在东西方向上的年均移动速度都大于南北方向上的年均移动速度，速度比值分别为9倍、11倍和10倍。相比较而言，探明储量重心和储量中心在空间上都较为接近，而天然气生产、消费的重心与生产、消费的中心在空间上相聚较远。

（2）世界天然气消费重心与生产重心密切相关，在空间上重叠性较高；而探明储量与生产重心、消费重心之间变动具有较高的一致性，探明储量对消费和生产的重心移动影响较大。全球天然气资源80%集中于俄罗斯、中东和中亚地区，深深地影响着世界天然气生产、消费和贸易。随着非常规油气资源丰富的美洲对非常规油气的开采和出口，美洲在未来将改变世界天然气贸易格局。

（3）天然气储量、消费、生产都具有较高的寡占型特点，高度集中在少数几个国家，2000年后天然气空间集聚程度高低依次为：储量、生产量和消费量。首位度下降则表明大国间差距正在缩小，呈现多极化趋势。

（4）重心移动方法在反映长时间序列的区域格局变动上可以准确地刻画天然气在空间上方向、距离、速度等移动轨迹，也可直观的呈现天然气储量、生产、消费的重心地理位置以及三者之间的移动角度和空间上的重叠关系。但重心移动模型所表达的重心点只是虚拟重心，与天然气空间集聚的中心可能并不一致，因此需要运用集中度和首位度来反映天然气的实际空间集聚中心的变化。从上述研究看，重心移动模型与空间集聚互为补充，可较好地刻画和剖析世界天然气空间格局演变趋势。

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［责任编辑：余义兵］

K902

A

1674-1102（2016）03-0073-05

10.13420/j.cnki.jczu.2016.03.0018

2016-03-21

国家自然科学基金青年项目（41301127）；教育部人文社会科学青年基金项目（13YJCZH037）。

方叶兵（1978-），男，安徽芜湖人，中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生，研究方向为能源地理及能源地缘政治。