中美煤炭生产和消费重心演变轨迹分析

孙旭东，许 璐，贾旭璠，张 博

(1.中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.中国包装和食品机械有限公司，北京 100083)

中美煤炭生产和消费重心演变轨迹分析

孙旭东1,2，许 璐3，贾旭璠1，张 博1,2

(1.中国矿业大学(北京)管理学院，北京100083；2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；3.中国包装和食品机械有限公司，北京100083)

基于2001～2015年煤炭生产量和消费量的历史数据，构建重心模型研究了中美煤炭生产和消费重心的演变轨迹，并对两国煤炭生产和消费重心的移动距离、移动速度和经纬坐标变化等演变特征进行了分析。研究发现：在研究期内中美两国的煤炭生产和消费重心整体的移动趋势具有相似性，均呈现西北方向的演变，且空间移动明显，中美煤炭生产重心分别累计移动了421.84km和264.15km，消费重心分别累计移动了208.71km和302.61km；在移动速度方面，中国煤炭生产重心平均移动速度为30.13km/a，远快于美国的18.88km/a，煤炭消费重心的移动情况相反，中国仅14.91km/a，美国高达21.61km/a。此外，2014年以来中国煤炭的生产重心移动速度放缓，并且“西进北移”趋势消失。

美国；中国；煤炭生产；煤炭消费；重心轨迹

根据2017版《BP世界能源统计年鉴》报告数据显示，中国和美国是世界上煤炭生产、消费的第一和第二大国，随着煤炭燃烧造成的二氧化硫、氮氧化物等污染气体和二氧化碳温室气体排放问题的突显，继中国之后美国的煤炭问题也成为了全球关注的焦点。此外，美国和中国的煤炭资源禀赋具有相似性，煤炭储备总量上美国位居世界第一位、中国第三位，两国煤炭资源分布广泛并均呈现“西多东少”的情况，其中美国西部地区约占全美煤炭资源总量55%[1]，中国西部晋陕蒙宁甘新地区约占全国煤炭资源总量80%[2]。因此，分析美国的煤炭生产消费问题，有助于中国煤炭问题的研究，可为制订煤炭发展战略服务[3-4]。

近年来，随着工业化和城镇化的迅速发展，区域间分工不断深化，能源生产与最终消费在地球空间上的分异趋势不断扩大[5]。中美两国地域广阔，煤炭生产和消费的空间变化对两国能源产业布局和能源发展战略等会产生重大影响[4]。目前，许多学者利用重心模型来研究煤炭资源生产消费空间格局的演变问题。重心模型是类似平均、加权的定量方法，是通过集成空间信息研究发展规律演变的有效方法，可将时间、空间与生产、消费等经济信息相结合实现对区域经济、资源消费、污染排放等空间格局和演变轨迹问题的研究[6-7]。目前，煤炭生产消费重心的研究主要是对中国的研究，如吕涛等[8]和刘满芝等[9]分别对中国1997～2009和2003～2010年煤炭生产和消费的重心轨迹演变问题进行了研究；李刚等[10]和崇璇等[11]利用截至2012年底数据分析了中国煤炭消费的重心变化。鉴于国内缺少美国煤炭生产消费重心问题的研究及研究数据的时效性，本文拟基于2001～2015年中美两国煤炭生产和消费历史数据，建立重心模型来分析中美煤炭生产和消费重心的演变规律。

1 基于经纬度坐标的煤炭生产和消费重心模型与数据来源

1.1 构建中美煤炭生产和消费重心模型

本文研究中美煤炭生产和消费的重心空间演变轨迹采用重心模型[6-9]，具体步骤如下所述。

1)计算重心坐标。以地图的经纬度坐标为基础，则重心的经纬度可表示为式(1)和式(2)。

式中：Cit为t年度i地区的煤炭生产量或消费量；Xi和Yi为经度和纬度坐标。

2)计算移动距离。根据球面距离计算公式，不同年度间重心移动距离表示为式(3)，式中参数at和bt分别表示为式(4)和式(5)。

式中：at和bt分别表示不同年生产或消费重心的纬度差和经度差；π为圆周率；R为地球半径。重心移动距离以km为单位。

3) 计算重心移动方向。不同年份煤炭生产或消费重心的移动角度表示为式(6)。

式中：ωkt=arctan[(Yk-Yt)/(Xk-Xt)]，若0°<θkt<90°，则重心移动为东北方向；若90°<θkt<180°，则为西北方向；-180°<θkt<-90°，则为西南方向；当-90°<θkt<0°，则为东南方向。

4) 比较重心在经度、纬度上的移动速度。根据不同年度的重心移动角度来度量，记经度、纬度方向移动速度比较系数k(简称经纬度移动系数)，见式(7)。

式中，若k>1，表示重心在纬度上的移动速度大于经度的移动速度；而k<1，则表示与之相反；k=1，则表示速度相等。

1.2 数据来源与处理

本文研究所用的数据来源于中美权威机构发布的各地区(州)的煤炭生产量和消费量数据，中国数据来源于历年的《中国能源统计年鉴》，美国数据来自美国能源信息署(EIA)官方网站[1]。根据数据的可获取情况和对比研究的需要，选取了2001～2015年的煤炭生产量和消费量数据。地理坐标数据选取中美各地区(中国30个省(区，市)，不包括西藏、香港、澳门和台湾；美国51个州)省会或首府所在地的地理坐标作为各地区原始的经纬度地理坐标。

2 美国煤炭生产和消费重心轨迹演变分析

2.1 美国煤炭生产重心轨迹

图1给出了美国煤炭生产重心在经纬度的演变轨迹，整体上向西北方向移动，局部出现不规则运动，呈现类似“Ω”状。2001～2015年美国煤炭生产重心演变见表1，根据表1，计算得到美国煤炭生产重心2001～2015年间煤炭生产重心累计移动了264.15 km，平均移动速度18.88 km/a，美国煤炭生产重心持续移动明显。从产量与重心移动关系上看，2013年美国煤炭产量8.91亿t达到1993年以来的最低水平，较2012年下降3.17%，2011年下降10.16%，2015年产量再次下降，产量8.96亿t，较2014年下降10.22%[1]，尽管2011～2015年期间美国煤炭产量不断波动且呈现出下降趋势，其煤炭生产重心西北向移动仍然十分明显，移动速度23.56 km/a也高于研究期平均移动速度。

表1 2001～2015年美国煤炭生产重心演变特征

经纬方向移动方面，经向累计移动2.01°，纬向累计移动0.41°，其中经纬度移动系数k<1有10年，占比71.43%，说明美国煤炭生产重心在经度上的移动速度大于在纬度上的移动速度，生产重心的总体趋势不断西移，美国煤炭生产出现“由东向西”演变的过程，2001～2003年、2005～2009年和2011～2015年间最为显著，西移主要原因是美国煤炭资源禀赋以及《清洁空气法(修正案》的实施，加快了西部煤炭资源的开发，2015年西部怀俄明州煤炭产量达到3.76亿t，约占全国煤炭总产量的41.96%。从整个研究期看，美国煤炭生产重心总体西北移动趋势明显，主要受西部怀俄明州、蒙大拿州煤炭资源开采的拉动，此外，传统产煤主要地区西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州、伊利诺伊州和肯塔基州等地区的煤炭产量也是美国煤炭生产重心经度上移动的影响主要因素，例如2014年西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和伊利诺伊州共增产3 248万t，分别较2013年增产了22.56%、24.33%和9.67%，占全美增产量的30.38%。

2.2 美国煤炭消费重心轨迹

图2 2001～2015年美国煤炭消费重心的演变轨迹

美国煤炭消费重心轨迹总体呈现倒“Ω”型趋势(图2)，2001～2015年间重心累计移动302.61 km，平均移动速度为21.61 km/a，其移动距离和速度均高于美国煤炭生产重心的移动。美国煤炭消费量由于受到石油、天然气等其它能源市场价格的影响，近15年美国能源结构中煤炭比例在区间19%～23%不断波动，造成美国各地区消费的波动较大。例如：2010年受到页岩气开发的影响，煤炭消费量连续3年呈下降趋势，2012年美国煤炭消费量已降至8.06亿t，为自1989年以来最低水平；随着天然气价格的季节性增长，2013年美国煤炭消费量较2012年增加3.97%[1]。整体上，美国煤炭消费重心变化受市场价格波动的影响大，轨迹前期出现无规则变化，中后期西移趋势明显。

2001～2015年美国煤炭消费重心演变见表2，根据表2，美国煤炭消费重心经向累计移动1.20°，纬向累计移动0.18°，不同于移动距离和移动速度，消费重心变化幅度小于煤炭生产重心的变化幅度，移动趋势的波动性大。消费重心在经纬度移动的系数k<1有10年，占71.43%，显示美国煤炭消费重心“西进北移”的过程中西进趋势明显，说明2006年以来美国西部地区煤炭的大规模开采，随着美国西部怀俄明州的煤炭产量不断增长，拉动了周边地区的煤炭消费，如德克萨斯州、密苏里州和伊利诺伊州。2001～2010年,，由于各州的煤炭消费量呈现不规则的变化，美国煤炭消费重心呈现不规则的低速运动，9年间移动距离为142.27 km，不足研究期移动距离的50%，其移动速度为15.81 km/a也远低于研究期平均移动速度。2011～2015年间美国消费重心共移动了119.19 km，平均移动速度为29.80 km/a，基本呈现西北方向移动趋势，其中2014年出现不规则变化主要是由于传统煤炭消费中东部地区煤炭消费量剧增产生的，如：德克萨斯州2014年较2013年增加900万t。从总体变化来看，美国煤炭消费趋势，一是向煤炭消费大省移动，如向美国主要的煤炭消费州德克萨斯州、密苏里州、新墨西哥州等移动；二是向西部产煤地区移动，如向怀俄明州、蒙大拿州等地区移动。

表2 2001～2015年美国煤炭消费重心演变特征

3 中国煤炭生产和消费重心轨迹演变分析

3.1 中国煤炭生产重心轨迹

根据图3，2001～2015年间中国煤炭生产重心轨迹整体呈现出“S”型，西北方向移动明显，总共移动421.84 km，移动速度为30.13 km/a，移动距离和移动速度均高于美国。2005～2013年，中国煤炭生产重心随着产量逐年不断增加西北移动趋势显著。

图3 2001～2015年中国煤炭生产重心演变轨迹

2001～2015年中国煤炭生产重心演变见表3，根据表3，在经纬度变化方面，中国煤炭生产重心经度方向移动-2.21°，纬向移动1.31°，经纬度移动系数k<1有8年，占57.14%，即重心在经度上的移动速度大于纬度，与美国相似中国煤炭生产重心向西演变的趋势强于北移。2001～2005年间中国煤炭生产重心移动了197.38 km，移动速度为49.34 km/a，并出现由西北转向西南方向移动，其主要原因是期间国家加大了对西南地区的煤炭开采[8]。2005～2013年中国煤炭生产重心开始向西北移动，8年间共移动199.69 km，移动速度为24.96 km/a，主要受晋陕蒙等西部地区煤炭资源开发的影响，例如在2013年仅晋陕蒙三省煤炭产量达24.73亿t，占当年全国总产量的61.98%[2]。在产能过剩和环境倒逼约束的双重压力下，中国煤炭产量自2013年(39.94亿t)达到历年最高后开始出现下降，中国煤炭生产重心西北移动趋势减弱，在小范围区域内形成了局部收敛，说明中国煤炭生产格局在趋于稳定。总体上，中国煤炭生产重心轨迹主要受晋陕蒙宁甘新等主产煤地区产量变化影响，随着上述地区产量近年来趋于稳定，煤炭生产重心的移动也趋于收敛。与美国相比，最近几年在距离和速度上中国煤炭生产重心的移动都明显弱于美国。

表3 2001～2015年中国煤炭生产重心演变特征

3.2 中国煤炭消费重心轨迹

从总体变化趋势来看，中国煤炭消费重心轨迹大致呈现“W”型，主要在西南和西北两个方向的移动(图4)。中国煤炭消费重心2001～2015年间累计移动208.71 km，平均移动速度为14.91 km/a，相对于美国煤炭消费重心的演变较为平稳。研究期内中国煤炭价格在中前期价格不断上涨而后期持续低迷，根据图4未发现中国煤炭消费重心移动与煤炭价格波动有显著的相关性，说明煤炭资源在中国各地区能源消费结构中的主体地位短期内无法改变，中国煤炭消费重心移动受市场价格变化较美国弱。

2001～2015年中国煤炭消费重心演变见表4，从表4看到2001～2015年间中国煤炭消费重心经向移动-1.13°，纬向移动0.24°，煤炭消费重心经纬度移动系数k>1的有10年，占71.43%，重心在纬度上的移动速度大于在经度上的移动速度，不同于美国。2001～2010年间纬度上消费重心南移，该时间南方经济明显发展快于北方，煤炭消耗大[8]；而2010年以后开始向北移动，主要受北部地区经济的发展，比如内蒙古、山东、山西、河北和河南等省(区)煤炭消费的大幅度增长。而经度上，煤炭消费重心西移，中国煤炭消费重心向西移动的驱动是国家开始实施了西部大开发战略，东部高耗煤产业逐步转向西部煤炭资源地[4]。总体上，经济发展拉动煤炭消费(显著相关[9])，煤炭消费重心向西北移动体现了经济重心的移动变化。

图4 2001～2015年中国煤炭消费重心演变轨迹

表4 2001～2015年中国煤炭消费重心演变特征

4 结 论

1) 2001～2015年美国煤炭生产和消费重心整体上均呈“西进北移”的趋势。美国煤炭生产重心累计移动了264.15 km，平均移动速度18.88 km/a，经纬度变化为94.52°W→96.53°W、39.55°N→39.96°N；消费重心累计移动了302.61 km，平均移动速度为21.61 km/a，经纬度变化为90.50°W→91.61°W、37.81°N→37.99°N。

2) 研究期内中国煤炭生产与消费重心整体上亦呈“西进北移”的趋势。中国煤炭生产重心2001～2015年间累计移动421.84 km，平均移动速度30.13 km/a，经纬度变化为113.83°E→111.06°E、35.79°N→37.08°N；消费重心累计移动208.71 km，平均移动速度为14.91 km/a，经纬度变化为114.66°E→113.53°E、34.94°N→35.18°N。

3) 中美煤炭生产与消费重心在移动轨迹、收敛性和移动速度方面存在差异性。中美煤炭生产重心轨迹分别为“S”型和“Ω”状、而消费重心则分别为“W”型和倒“Ω”型；在煤炭生产重心趋势变化方面，近两年中国煤炭生产重心西北移动趋势已减弱并形成局部收敛，而美国当前正呈现向西北方向快速移动趋势；移动速度上，研究期内中国的生产重心平均移动快于美国，而消费重心移动平均速度慢于美国，并且中国煤炭生产重心移动快于中国消费重心，而美国相反。

基于中美煤炭生产与消费演变的整体相似特征和局部差异性，通过中美对比进行参照分析有利于研究两国的区域能源经济、能源产业布局和能源政策优化等问题，特别是对于我国的西部煤炭资源开发战略、区域间煤炭资源消费和发展煤炭清洁高效利用产业等问题的研究具有重要的指导价值。

[1] Energy Information Administration.All Coal Data Repots [EB/OL].https://www.eia.gov/coal/data.php.

[2] 国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2016.

[3] 彭苏萍,张博,王佟,等.煤炭资源与水资源[M].北京:科学出版社,2014.

[4] 彭苏萍,张博,王佟.煤炭资源可持续发展战略研究[M].北京:煤炭工业出版社,2015.

[5] 韦韬,彭水军.基于多区域投入产出模型的国际贸易隐含能源及碳排放转移研究[J].资源科学,2017,39(1):94-104.

[6] 鲍超,李秋颖,梁广林.1985～2010年中国城市的空间格局与重心演变轨迹[J].城市发展研究,2015,22(5):36-44.

[7] 李名升,张建辉,张殷俊.近10年中国大气 PM10污染时空格局演变[J].地理学报,2013,68(11):1504- 1512.

[8] 吕涛,张华.我国煤炭生产重心与消费重心演变轨迹研究[J].资源开发与市场,2012,28(5):396-400.

[9] 刘满芝,马艳艳,周梅华,等.中国煤炭供需与经济的重心演变轨迹研究[J].中国管理科学,2012(20):820-826.

[10] 李刚,徐汇,卢晨刚,等.我国煤炭消费与二氧化硫排放重心偏移与拟合分析[J].煤炭经济研究,2015,35(8):23-28.

[11] 崇璇,赵迪斐,范潇潇,等.我国煤炭消费重心演变轨迹研究[J].煤炭经济研究,2015,35(5):48-52.

ResearchontheevolvementtrackofcoalproductiongravitycenterandconsumptiongravitycenterbetweenChinaandtheUnitedStates

SUN Xudong1,2,XU Lu3,JIA Xufan1,ZHANG Bo1,2

(1.School of Management,China University of Mining & Technology (Beijing),Beijing100083,China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing100083,China;3.China Packaging and Food Machinery Co., Ltd.,Beijing100083, China)

Based on historical data of coal production and consumption from2001to2015,the gravity model was built to study the evolvement track and the spatial variation of China-U.S.coal production and consumption gravity center，the evolution characteristics of coal production and consumption gravity center in two countries are analyzed by the movement,velocity and the change of the longitude and latitude coordinate.The study found that the movement track of China-U.S has high similarity in the study period,the overall change track is “northwestward” and the changes are obvious,their movement distances of production gravity center are accumulative421.84km and264.15km respectively,the one of consumption gravity center are accumulative208.71km and302.61km respectively.Differences,the average moving speed of Chinese coal production center (30.13km/a) is faster than the United States (18.88km/a),and the change of coal consumption center is just the contrary,China is only14.91km/a,the USA is as high as21.61km/a.In addition,Chinese coal production center has slowed down and the trend of northwestward has disappeared since2014.

the United States;China;coal production;coal consumption;gravity track

F407.21

A

1004-4051(2017)12-0054-06

2017-09-08责任编辑刘艳敏

国家自然科学基金项目资助(编号：L1624054；71403270)；中国工程院咨询项目资助(编号：2015-XZ-35-03-01；2016-ZD-14-05)

孙旭东(1983-)，男，博士，中国矿业大学(北京)管理科学与工程专业，讲师，主要从事煤炭资源与宏观政策研究工作，E-mailsunxudong@cumtb.edu.cn。