研究背景与意义

大气污染防治是实现碳达峰碳中和的有力支撑,也是保障公众健康的重要途径

健康威胁

PM2.5能够吸附有毒有害物质,进入人体肺部甚至血液,是威胁人居环境和居民健康的首要污染物

发展挑战

长期粗放式发展模式引发严重生态问题和环境污染,尤其是大气污染问题日益突出

政策目标

到2030年,全国所有城市的空气质量要达到国家二级标准,PM2.5年均浓度限值为35 μg/m³

研究区域概况

长江经济带三大国家级城市群的空间分布与特征

研究区位置与高程示意图

长江三角洲城市群

包括江浙沪3个重要沿海省市,是经济发展的重要引擎、长江经济带的引领者

长江中游城市群

以武汉为核心城市,包括湖北、湖南和江西三省,承东启西连接南北

成渝城市群

以成都、重庆为中心,是西部大开发的重要平台,是长江经济带的战略支撑

研究方法与技术路线

多方法融合的PM2.5时空演变分析框架

PM2.5时空演变及其影响因素时空异质性分析流程

空间自相关分析

通过全局和局部莫兰指数量化PM2.5的空间分布模式和聚集特征

参数最优地理探测器

识别和量化影响PM2.5浓度的关键因素,确定最优离散化方式

MGTWR模型

多尺度时空地理加权回归,同时考虑时空异质性和多尺度效应

时空异质性分析

探究PM2.5影响因素的时空变化规律和异质性特征

PM2.5时间演变特征

2012-2022年三大城市群PM2.5浓度变化趋势

年均变化趋势

倒"U"型变化

以2013年为拐点,PM2.5浓度先上升后不断下降,2014-2015年下降幅度最大

长江中游城市群

平均浓度43.37 μg/m³,降幅约50.38%

成渝城市群

平均浓度42.06 μg/m³,2020-2021年出现反弹

长江三角洲城市群

平均浓度42.05 μg/m³,整体改善明显

季节变化规律

季节性周期

"冬高夏低、春秋居中"的季节性变化规律

冬季
最高
春季
中等
夏季
最低
秋季
中等

月均变化

月均PM2.5浓度表现为"U"型起伏,大部分区域降至50 μg/m³以下

改善程度

各季节空气质量均得到大幅提升,尤其以冬季改善明显

空间自相关分析

PM2.5浓度的空间聚集模式与分布特征

全局空间自相关

整体特征

三大城市群年均PM2.5在整体上呈现显著的空间正相关

莫兰指数

Moran's I > 0,表明PM2.5浓度存在空间聚集现象

差异性

单个城市群的空间自相关性存在差异

局部空间自相关

高-高聚集区

主要分布在长江三角洲城市群和长江中游城市群的西北部,少数分布在成渝城市群川南地区的泸州和自贡

低-低聚集区

主要分布在长江经济带东南沿海和江西省

低-高异常区

仅位于湖北宜昌

影响因素分析

PM2.5空间分异的关键驱动因素识别

影响因素的来源与介绍

因素类型 探测因素 因素类型 探测因素
社会经济 道路密度 km/km² 城市交通设施的覆盖程度
人均GDP 人/元 城市经济发展和生活水平
人口密度 人/km² 城市人口分布状况
第二产业占比 % 城市工业化水平
夜间灯光指数 城市化水平
规模以上工业数量 城市企业发展状况
自然气象 年均风速 m/s 城市自然状况
坡度 地形特征
NDVI 植被覆盖状况
年均气温 气候条件
年均降水量 mm 气候条件

第二产业占比

最大影响

对PM2.5空间分异的影响最大,工业化程度是主要驱动因素

NDVI

次要影响

植被覆盖度对PM2.5浓度具有显著的抑制作用

人均GDP

第三影响

经济发展水平与PM2.5浓度呈现复杂的非线性关系

MGTWR模型分析结果

多尺度时空地理加权回归模型的优越性与回归系数分析

模型精度对比

MGTWR优势

在拟合PM2.5方面表现出优于其他空间回归模型的精度

多尺度考虑

同时考虑了长时间序列和多尺度分析,赋予每个变量最优的空间带宽和时间带宽

时空异质性

能够有效捕捉不同变量之间的时空尺度差异

回归系数特征

抑制因素

人均GDP(主导因素)、年均降水量、NDVI、规模以上工业数量

促进因素

第二产业占比(正相关)、年均气温、人口密度

双向作用

年均风速和坡度的影响强度相对较弱,具有两个方向的作用效果

时空异质性特征

影响因素作用效果的时空变化规律

空间异质性

区域差异

不同城市群的影响因素作用强度存在显著差异

梯度变化

从东部到西部,经济因素的影响逐渐减弱

局部特征

地形和气象因素在山区和平原地区作用效果不同

时间异质性

阶段性变化

2013年前后影响因素的作用效果发生明显转变

政策效应

环保政策实施后,工业因素的负面影响逐渐减弱

趋势演变

经济发展与环境保护的协调性不断提升

研究结论与创新

MGTWR方法的优势与研究发现

方法创新

  • MGTWR方法同时考虑长时间序列和多尺度分析
  • 为探索PM2.5的驱动机制提供了新的分析视角
  • 能够有效处理时空异质性和多尺度效应

主要发现

  • PM2.5浓度呈倒"U"型变化,空气质量明显改善
  • 第二产业占比是最重要的影响因素
  • 影响因素存在显著的时空异质性特征
"本研究揭示了长江经济带三大城市群PM2.5的时空演变规律及其影响因素的异质性特征,为区域大气污染防治和环境管理提供了科学依据。"
— 研究意义

政策启示与应用前景

基于研究结果的政策建议与实践指导

产业结构优化

调整第二产业结构,推动传统工业转型升级,发展清洁生产技术

生态环境保护

加强植被恢复和生态建设,提高NDVI覆盖率,发挥生态系统的净化功能

区域协同治理

基于时空异质性特征,制定差异化的区域大气污染防治策略