湖南省城市雾霾污染特征及影响因素分析

谭秉霖，欧阳强

（1.长沙理工大学 经济与管理学院，湖南 长沙 410076；2.中国联合网络通信有限公司长沙市分公司，湖南 长沙 410137）

当前，我国城市经济发展已步入新常态。在此背景下，城市建设取得了显著成就，但同时城市面临的环境问题也日益突出，其中雾霾污染就是典型表现[1-2]。环保部门监测通报指出，近年来我国约有1/4 的国土面积经常遭遇雾霾的影响，雾霾影响到6 亿人的生活与工作，近50 个城市遭遇严重雾霾。雾霾发生期间，空气中有毒的可吸入颗粒物质随着呼吸道进入人体，导致呼吸道疾病及各类心血管疾病甚至诱发癌症，严重危害城市居民身体健康；雾霾天气，空气能见度降低，导致城市交通阻塞甚至重大交通事故的频繁发生，造成城市经济损失及人员伤亡，进而影响城市整体形象。因此，在探究雾霾污染特征与影响机理基础上，科学制定雾霾治理对策已成为城市可持续发展面临的重大问题之一。20 世纪末城市雾霾研究引起了学术界的充分关注，国内外学者从雾霾污染时空特征、雾霾成因以及雾霾治理开展了许多研究，取得了大量研究成果。Nehzat 早在1999 年研究提出PM2.5、 PM10等可吸入颗粒物污染呈现季节差异[3]。Quinn 等以北美、亚洲以及印度的雾霾为对象，研究得出工业和汽车排放、生物质燃烧和灰尘是雾霾产生的重要因素[4]。孔锋等利用中国气象局的雾霾数据，统计分析1961-2015 年中国的霾日时空演变特征，得出中国不同历时年总霾日数呈现出明显的增加趋势[5]。史军等以华东地区的山东省、江苏省、安徽省、浙江省、江西省、福建省和上海市等7 个省级单位为研究区域，利用华东449 个气象站点1961-2007 年的雾、霾数据，分析得出华东霾日数在全年及四季呈现出逐渐增多的年际变化特征[6]。王咏梅等利用1961-2012 年山西逐日天气现象、能见度、相对湿度和日平均气温资料，研究得出山西省霾、烟幕日数高值区出现在以大同、太原、临汾为中心线的带状区域[7]。王美霞利用2001—2012 年中国省级面板数据，分析得出中国雾霾污染呈现出显著的集聚特征和空间溢出效应，且溢出效应与空间地理距离呈现倒 “U” 型关系[8]。综观现有雾霾特征研究大多从气象角度入手，研究区域集中在京津冀地区、长三角以及珠三角等经济高度发达的大城市[9-11]。雾霾污染形成受到区域经济发展以及自然条件的共同影响，不同区域其雾霾形成的影响因素不同，其时空特征各异，雾霾防控治理也要因地制宜采取相应的措施。近年来，我国中部地区经济发展迅速，城市化进程较快，城市雾霾问题也凸显出来，因此，加强中部地区城市雾霾研究已迫在眉睫。

湖南省地处中国中南部，其地理环境不同于京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区。近年来，随着经济的发展与城镇化的进程，湖南省城市雾霾频频出现，城市雾霾治理已成为湖南省城市可持续发展面临的重大问题之一。因此，在分析湖南省城市雾霾污染特征及驱动因素的基础上，探究其城市雾霾安全防控对策，对湖南省制定城市防灾减灾体系、节能环保乃至城市发展战略具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究数据有大气状况数据、城市气象数据以及经济发展数据。大气状况数据包括空气质量指 数（简 称AQI） 以 及PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3共6 种物质逐日浓度，这些数据主要来自环境监测部门以及天气后报共享网站（http://www.tianqihoubao.com/aqi/）。鉴于环境监测部门目前设立的监测点在地级城市，故本研究的城市主要有长沙、株洲、湘潭、衡阳、岳阳、邵阳、益阳、郴州、永州、怀化、常德、娄底、张家界、吉首共14 个城市。考虑到数据的可取性，城市气象因素主要选取了气温、气压、风力、相对湿度及降水5 个变量，数据来源于各个地级市气象局。城市经济发展数据主要选取能源消耗、车辆总数、工业产值、建筑业产值、烟尘排放量5 个变量，数据来自《2018 年中国城市统计年鉴》以及各地级城市国民经济和社会发展统计公报。

1.2 雾霾污染指数计算

为了研究雾霾污染特征与其影响因素之间的相关性，必须确定雾霾污染指数。尽管学术界高度重视雾霾污染的研究，但雾霾污染指数一直处在探索之中。雾霾实际上就是一种严重的大气污染，反映了大气质量状况[12]，故本研究用空气质量指数作为雾霾污染的基础数据，用公式（1）计算雾霾污染指数。

公式（1）中HPI ：雾霾污染指数，其数值越大，污染越严重； AQIt：在t 时刻的空气质量指数；T ：研究时间段，例如计算1 月份的雾霾污染指数，则T =31 天，计算一年的雾霾污染指数，则T =366 天。

1.3 相关性分析

雾霾污染形成的影响因素有气象因子与城市发展因子[13]，用雾霾污染指数作为因变量，气象数据与城市发展数据也就是相关分析中的自变量。首先，将收集的数据利用EXECI 软件建立 “湖南省城市雾霾污染相关性分析数据库” ，借助SPSS软 件 的 统 计 分 析 功 能 求 出PM2.5、 PM10、 SO2、CO、NO2、O3共6 种物质的月平均浓度、年平均浓度以及全省的平均浓度；其次，利用公式（2）计算雾霾污染指数与其影响因素的相关系数(r )，再运用SPSS 的相关分析功能与GIS 空间技术研究湖南省城市雾霾污染的时空特征及其相关性，进而确定湖南省城市雾霾污染形成的主要驱动因素。

公式（2）中， r ：代表雾霾污染指数与影响因素的关系系数，如果r 正值，则说明雾霾污染与影响因素呈正相关，反之呈负相关，且数值越大，表明相关程度越大； Xi：代表影响因素数值；:统计时间内影响因素的平均值；Yj：雾霾污染指数；：统计时间内雾霾污染指数的平均值。

2 结果分析

2.1 雾霾污染时空特征

2.1.1 时间变化特征

借助EXECI 软件建立的 “湖南省雾霾污染相关分析数据库” ，利用公式（1）计算得出14 个城市各月雾霾污染指数（图1）以及四季雾霾污染指数（表1）。由图1 看出，湖南省城市雾霾污染指数逐月变化大致呈 “U” 型，1 月份雾霾污染指数最大，说明1 月是湖南省城市雾霾污染最严重的时期，从2 月开始雾霾污染逐月减轻，直到7 月雾霾指数达到最小，表明7 月是一年中雾霾污染最轻的时段。从8 月开始雾霾污染开始加重，直到12 月雾霾指数达到一年中的次高值。由表1 看出，冬季是雾霾污染严重的季节，夏季是雾霾污染较轻的季节。总的变化趋势是春末夏初雾霾污染减轻，秋末冬初雾霾污染加重，全年以7 月份雾霾污染最轻，1 月份雾霾污染最严重。

图1 2017 年湖南省城市雾霾污染指数月平均值

表1 2017 年湖南省城市雾霾污染指数（HPI）年均值及季节平均值(单位:ug/m3)

2.1.2 空间分布特征

由表1 看出雾霾污染指数年平均最大值为77.8 ug/m3，最大值的城市是长沙，湘潭雾霾污染指数值位居第二，雾霾污染指数最小的城市是吉首（HPI=58.0 ug/m3）。全省雾霾污染指数平均值为69.8 ug/m3。为了直观地表示雾霾污染的空间分布，以全省平均值为划分标准，高于平均值的城市定为重污染区，低于平均值为轻污染区。借助GIS 空间技术得到湖南省城市雾霾污染空间分布如图2 所示。由图2 看出，湖南省城市雾霾重污染区分布在东部平原带与中部的衡卲盆地区，西部山区与南部山区雾霾污染相对较轻。

图2 湖南省城市雾霾污染空间分布

2.2 雾霾污染与影响因素的相关性分析

2.2.1 雾霾污染与大气成分的相关性

大气中的颗粒成分与有毒气体是雾霾污染的主要物质，直接决定着雾霾污染程度。运用公式（2）与SPSS 软件对雾霾污染指数与大气中PM2.5、PM10、SO2等6 种物质成分进行相关性分析，其结果如表2 所示。由表2 看出14 个城市雾霾污染指数与PM2.5、PM10的相关系数较大（均大于0.89），说明城市雾霾主要的污染物是PM2.5与PM10两种物质。由表2 还可看出长沙、株洲、湘潭、常德、邵阳、岳阳、衡阳7 个重污染城市中PM2.5对雾霾污染指数存在最大的相关系数，故PM2.5是影响7 个城市雾霾污染指数升高的直接原因，反映了PM2.5是雾霾重污染的 “元凶” ，这与其他研究结果一致[14-15]。SO2、NO2、CO 与雾霾污染指数的相关性也较大，不同物质在不同城市雾霾污染影响作用存在明显差异，其中SO2对衡阳、怀化雾霾污染影响较大，而在岳阳、张家界相关性较小。由此可见衡阳、怀化要防控SO2污染。 O3对雾霾污染影响较小，且大多呈负相关，即O3有减轻城市雾霾污染的效应。

表2 雾霾污染指数与大气中6 种物质成分相关分析（N=366）

2.2.2 雾霾污染与气象因素的相关性

雾霾污染程度与气象条件密切相关。影响雾霾污染的集聚与扩散的主要气象因子有气温、气压、风速、湿度、降水等。不同的气象因子与同一个城市雾霾污染指数的相关系数不同，同一个气象因子对不同的城市雾霾污染指数的影响存在差异（表3）。

表3 雾霾污染指数与气象因素相关分析（N=366）

（1）雾霾污染与气温的相关性。由表3 看出，气温与城市雾霾污染指数呈负相关，即气温升高时，雾霾污染减轻。每年春季气温升高，大气层结不稳定，热力对流加强，大气中PM2.5、PM10、SO2等物质四处扩散，难以集聚，使得雾霾污染降低。秋末气温逐渐降低，尤其是冬季冷空气活动频繁，大气层结稳定，对流运动很弱，各种污染物在近地面集聚，使得冬季成为雾霾污染最严重的时段。气温对雾霾污染指数相关系数最大值的城市是湘潭，表明气温对湘潭雾霾污染起了一定的减弱效应。

（2）雾霾污染与气压的相关性。气压对雾霾污染物的集聚与扩散的影响较为复杂，不仅与气压高低有关，更重要的是温压场空间结构决定着大气的运动，进而影响污染物的浓度。从表3 可见，有些城市雾霾污染指数与气压呈正相关，即气压对雾霾污染起着加重的作用，如岳阳、常德、益阳等。这些城市主要位于洞庭湖平原区，其地势低平，当地面气压较高时，并不能加强空气的对流作用，尤其是冬季这些城市气压高实际上是周围冷空气下沉的结果，从而污染物不能被抬升到高空向远处扩散，使得城市雾霾污染更严重。怀化、张家界、郴州等一些城市气压与雾霾污染指数呈负相关，即气压对雾霾污染起了正效应。这些城市大多是地势较高，当地面被低压控制时，其气层不稳定，加之地形的抬升，大气对流运动增强，污染物扩散迅速，其浓度就降低。

（3）雾霾污染与风速的相关性。湖南省城市雾霾污染指数与风速呈负相关（表3）。当风速越大，大气在水平方向上扩散越强，从而使得城市内部大气污染成分的浓度降低，削弱雾霾污染程度。风速对雾霾污染指数相关系数最大的城市是郴州，郴州地处湘南山区，冬季风力较大，使得郴州成为湖南省雾霾污染较轻的城市之一。

（4）雾霾污染与湿度、降水量的相关性。从气象学角度来说，雾霾是大气中的水汽凝结物，其形成需要有较大的相对湿度，但湿度越大时，对污染物也有一定的稀释作用，因此，湿度与雾霾污染指数的相关性存在不确定。由表3 看出，有些城市湿度与雾霾污染指数呈正相关，有些呈负相关，但大多数相关系数较小。降水量与雾霾污染指数呈负相关，即降水可以缓解雾霾污染。

2.2.3 雾霾污染与经济因素的相关性

雾霾污染是城市化进程中面临的环境问题，城市经济发展因素是诱发雾霾污染的重要原因之一。从大气物质成分与雾霾污染相关性系数得出湖南省雾霾污染物主要是PM2.5与PM10。对PM2.5与PM10进行源调查与研究，发现污染源主要有机动车辆流动排放源，工业点源，建筑项目面源以及居民能源消费源等。因此，本研究选取机动车辆数量、工业总值、烟尘排放量、房屋施工与竣工面积、建筑业总产值、居民生活能源消费量等作为经济因素，并对其与雾霾污染指数（HPI）进行相关性分析（表4）。

表4 雾霾污染指数与经济因素的相关性分析

（1）雾霾污染与机动车辆的相关性。由表4 看出，机动车辆数量与雾霾污染指数呈明显的正相关，其相关系数在经济因素排序第一，说明随着城市经济发展及居民收入的提高，机动车辆排放的尾气是雾霾污染物的第一来源。近几年来，经济水平较高的长沙、湘潭、衡阳、岳阳、常德等，其私家车快速增加[16]，排放大量废气，从而加剧了雾霾污染。

（2）雾霾污染与工业的相关性。雾霾污染指数与工业产值以及烟尘排放量呈正相关。相关系数分别为0.543、0.612。城市产业结构以工业为主，工业生产过程中消耗较多能源，排放大量废气，废气中含有较多的颗粒物质及有毒气体，成为雾霾污染物的另一重要来源。以重工业为主的邵阳、湘潭、衡阳、株洲、岳阳等城市，其雾霾污染物的主要贡献者是火力发电、钢铁、冶金、机械制造等部门。省会城市长沙尽管以高新技术产业为主，但其在橘子洲头每周一次的烟花活动产生了大量烟尘，其雾霾污染物的主要贡献者是鞭炮企业及烟花燃放。

（3）雾霾污染与建筑业的相关性。建筑项目施工过程中无论是建筑物的拆除还是建筑物的新建，都会造成大量的扬尘，因此建筑业也是PM10、PM2.5等污染物的主要来源之一。湖南省城市雾霾污染与建筑业产值呈正相关，相关系数为0.454，与房屋施工面积的相关系数为0.456，与房屋竣工面积的相关系数是0.517，但未通过0.05 的检验。

（4）雾霾污染与能源消费的相关性。由于数据的限制，在此仅研究规模以上的工业企业能源消费、居民生活能耗量与雾霾污染的相关性。从表4 看出，能源消费与雾霾污染的相关性不大。这是由于湖南省一直推行节能工程，降低了能源消耗量[17]。

3 结论与建议

本文以空气质量指数（AQI）为基础数据，通过构建雾霾污染指数模型计算了湖南省14 个地级城市逐日、逐月、四季以及全年的雾霾污染指数（HPI）。运用SPSS 与GIS 软件分析了HPI 与气象因素、城市发展经济因素的相关性。结果表明城市雾霾污染具有明显的时空差异特征，城市发展为雾霾形成提供了物质条件，即经济因素是雾霾污染形成的直接原因，而气象因素是是雾霾污染物集聚、转移与扩散的驱动力，不同的气象条件下，雾霾污染程度不同。

（1）城市雾霾污染时空差异明显。14 个城市雾霾污染指数月变化大致呈 “U” 型，1 月雾霾污染最严重，7 月雾霾污染很弱。冬季雾霾污染严重，夏季雾霾污染轻微。总体呈现春末夏初雾霾污染逐渐降低，秋末冬初雾霾逐步加强。这一特征与气象因素的相关性最大。雾霾最严重的城市是长沙，最轻的城市是吉首。地处东部与北部平原地带以及衡邵盆地的城市属于重度雾霾污染区，位于南部山地、西部山地的城市属于轻度雾霾污染区。这样的空间分布特征主要受到各个城市经济发展因素尤其是工业部门的影响，加之气象因素、地形的驱动。

（2） 城市雾霾污染与大气物质成分密切相关。14 个城市雾霾污染指数与PM2.5、PM10的相关系数在0.9 以上，表明城市雾霾的主要污染物是PM2.5与PM10。SO2、NO2、CO 与雾霾污染指数的相关性也较大，尤其是衡阳、怀化雾霾污染指数与SO2的相关性系数在0.7 以上，说明这两个城市燃煤中的硫化物污染严重。

（3）城市雾霾污染与气象因素密切相关。气温、风速、降水与雾霾污染呈负相关。气温较高的夏季成为一年当中雾霾污染最小的时段。风速对雾霾污染起着削弱作用，这种效益尤其是在南部山区的郴州、永州更为明显，使得郴州、永州雾霾污染相对偏轻。

（4）城市雾霾污染与经济因素息息相关。从经济因素与雾霾污染指数的相关系数来看，机动车辆在雾霾污染形成中影响最大，其次是烟尘排放，而规模以上的工业能源消耗及居民生活能耗对雾霾污染形成的贡献不大，说明湖南省推行的节能工程在减弱雾霾污染中发挥了一定的效益。

（5）基于影响雾霾污染形成的主要经济因素是机动车辆与烟尘排放，因此倡导绿色出行与降低烟尘排放量是防控雾霾污染的首要途径。绿色出行是指既节约能源、提高能效、减少污染、又有益于身体健康、兼顾效率的出行方式[18]。具体来说就是多乘坐公共汽车、地铁等公共交通工具，合作乘车，环保驾车，或者步行、骑自行车等。在私家车不断增多的状况下，城市居民要经常做到有车而不开车、少开车，非常不容易。这就需要采取多种方式进行绿色出行宣传。如发起绿色出行倡议书活动，利用电视台、报刊、橱窗等宣传绿色出行对城市环境的重要意义，宣讲绿色出行的基本常识。只有不断地宣传绿色出行，才能促使人们自觉选择绿色出行方式，减少车辆带来的尾气污染。烟尘主要来自小型工业企业与建筑工地。因此城市政府着力抓好清洁生产，做强循环经济。管理部门要引导一些中小企业不断改进设计，使用清洁的能源和原料，采用先进的工艺技术与设备，从源头削减污染，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放。对于建筑扬尘要加强对建筑工地的监督与检查，引导建筑人员规范作业。