基于灰色關(guān)聯(lián)分析的西安市氣溫與人口變化關(guān)系研究

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的西安市氣溫與人口變化關(guān)系研究

1中國城市化進(jìn)程對氣候變化的影響20世紀(jì)80年代后，世界氣候變化問題變得越來越突出。在國際社會中，這一問題經(jīng)常被納入議程。全球政府間氣候?qū)ｉT委員會第四次評估報告指出:全球氣候正在變暖,人類活動的因素超過其他氣候因素,是全球氣候變暖的主要原因。以往關(guān)于人類活動與氣候變化研究一般只關(guān)注城市化與氣候變化的關(guān)系:如Jones評估了城市化對大陸氣溫序列的影響;ChungU的研究認(rèn)為,城市化和工業(yè)化是造成韓國50多年間平均氣溫升高的主要因素;周淑貞研究了上海城市發(fā)展對氣溫的影響;趙宗慈研究了近39年中國的氣溫變化和城市化的影響;任國玉等研究了中國地面近50年、100年和1000年氣溫序列,發(fā)現(xiàn)城市化因素對中國地面平均氣溫記錄有顯著影響;車慧正等研究了近50年西安氣候演變趨勢和城市化對西安局地氣候影響;唐國利等研究了近44年南京溫度變化特征,通過不同類型城市間溫度變化的差異反映了城市化影響的復(fù)雜性;馬明敏研究發(fā)現(xiàn),城市化進(jìn)程對平均氣溫、風(fēng)速的影響比對相對濕度、降水量的影響更顯著和直接;崔林麗等分析了長江三角洲城市化增溫率及其貢獻(xiàn)率。但是,很少有人關(guān)注人口與氣候變化的關(guān)系。Karl對美國城市和鄉(xiāng)村觀測站進(jìn)行了全面比較,發(fā)現(xiàn)城市增溫和人口之間存在明顯的非線性關(guān)系。聯(lián)合國出版的《2009年世界人口報告》系統(tǒng)闡述了人口與氣候變化的關(guān)系,標(biāo)志著人口首次被納入到全球氣候變化的合作框架之中。近年來,受國際社會的影響,我國開始注重人口、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題。蔣耒文和考斯頓基于對中國兩個典型區(qū)域的研究表明,在研究人口—環(huán)境關(guān)系時有必要考察人口內(nèi)部在生產(chǎn)和消費(fèi)行為方面的差異程度;魏一鳴等的實(shí)證研究發(fā)現(xiàn),人口對二氧化碳排放量的影響很大;蔣耒文研究了人口變動對氣候變化的影響,指出人口變動與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)變動等都是人類影響氣候變化的決定因素。數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析、方差分析、主成分分析等都是用來進(jìn)行系統(tǒng)分析的方法,這些方法一般要求大量數(shù)據(jù),且要求各因素數(shù)據(jù)與系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)之間呈線性關(guān)系,灰色關(guān)聯(lián)分析方法彌補(bǔ)了這一缺憾。本文以西安市為例,通過計算人口結(jié)構(gòu)指標(biāo)與氣溫的關(guān)聯(lián)度,為西安市制定減緩氣候變化政策和措施提供理論依據(jù)。2研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法2.1長安原園西安市位于黃河流域的關(guān)中盆地中部,秦嶺北麓,地跨渭河南北兩岸,界于107°40′—109°49′E、33°39′—34°45′N,地勢南高北低,相差懸殊,秦嶺山地與渭河平原是西安地貌的主體。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫟募撅L(fēng)氣候區(qū),雨量適中,四季分明,年均溫13.3℃,年降水量507.7—719.8mm。西安市地處我國西北生態(tài)環(huán)境脆弱地帶,對全球變化十分敏感。西安是中國歷史上建都朝代最多、歷時最長的城市,被譽(yù)為中華文化的“天然歷史博物館”,是世界四大古都之一。西安如今是世界著名的歷史文化名城和國際旅游城市,是我國重要的科研、高等教育、國防科技工業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地,也是新歐亞大陸橋中國段隴海蘭新地帶最大的中心城市。西安現(xiàn)轄9區(qū)4縣,2010年總?cè)丝?83萬人。本文氣候指標(biāo)選取年均溫,數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站和《西安市統(tǒng)計年鑒》,人口資料來源于《西安市統(tǒng)計年鑒》。2.2關(guān)聯(lián)度的確定運(yùn)用Excel軟件通過線性擬合分析西安市氣溫變化特征及西安市總?cè)丝诘淖兓卣?運(yùn)用SPSS軟件通過二次項(xiàng)擬合分析西安市氣溫變化與人口變化關(guān)系,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析,排序各人口結(jié)構(gòu)對氣溫的影響程度?；疑P(guān)聯(lián)分析是我國著名學(xué)者鄧聚龍教授1982年提出的灰色系統(tǒng)理論(GreyTheory)中的一種系統(tǒng)分析法。其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近,相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大,反之就越小。初值化處理:X′i=Xi(k)/xi(1),(i=0,1,2,…,5;k=1,2,…,20)(1)構(gòu)建各因子與氣溫的關(guān)聯(lián)度:γoi=1nnΣj=1γoi(k)(2)γ0i(k)構(gòu)建各因子與氣溫的關(guān)聯(lián)度:γoi=1nΣj=1nγoi(k)(2)γ0i(k)為因子xi(k)對x0(j)的關(guān)聯(lián)系數(shù),且γoi(k)=minimink|x′o(k)-x′i(k)|+ζmaximaxk|x′o(k)-x′i(k)||x′o(k)-x′i(k)|+ζmaximaxj|x′o(k)-x′i(k)|(3)式中,ζ為分辨系數(shù),且ζ∈(0,1)。該模型滿足:①規(guī)范性。0<γoi(k)≤1,γoi(k)=1?Xo=Xi。②整體性。對于Xi,Xj∈X={Xs|s=0,1,…,m:m≥2},有γoi(k)≠j。③偶對稱性。對于Xi,Xj∈X,有γij=γji?X=[Xi,Xj]。④接近性。|xo(k)-xi(k)|越小,γoi越大。3分析了西安氣候變化與人口變化的時間特征3.1生長和增溫分析利用1951—2010年的年均溫,對年均溫用最小二乘法做線性趨勢分析,得出年均溫線性趨勢方程為:y=0.0397x+12.558(R2=0.594)(4)由公式(1)可知,年均溫的增溫趨勢約為0.397℃/10a,其增溫趨勢與全國同期氣溫變化趨勢相一致且略高于全國0.22℃/10a的變化速率。運(yùn)用趨勢線法和距平法對西安市年均溫進(jìn)行變化特征分析,結(jié)果見見圖1。西安市平均氣溫整體上升趨勢非常顯著,距平變化率為0.392℃/10a。增溫主要從20世紀(jì)80年代中后期開始,80年代中期之前氣溫在小范圍內(nèi)上下波動,之后一直呈上升趨勢,且增溫幅度越來越大。1994年以前氣溫變化以負(fù)距平為主,之后主要以正距平為主。這表明西安市氣溫變化同全球氣溫變化趨勢基本一致,具有趨暖特征。3.2正確處理線性趨勢與年際變化的關(guān)系利用西安市1991—2010年人口數(shù)據(jù),得出西安市人口年際變化圖,然后用最小二乘法做線性趨勢分析(圖2)。從圖2可見,西安市總?cè)丝诔食掷m(xù)增長狀態(tài),平均每年以9萬多人次的速度迅猛增加。綜上所述,近20年來,西安市年平均氣溫與總?cè)丝诰试鲩L趨勢。氣溫呈不規(guī)則增長,期間有下降現(xiàn)象;人口基本呈直線增長趨勢,其變化關(guān)系見圖3。4中共合肥市可達(dá)溫關(guān)系擬合分析借助SPSS軟件系統(tǒng),采用一次、二次和三次項(xiàng)模式對西安市1991—2010年的年平均溫與總?cè)丝谥g的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行模擬和相關(guān)檢驗(yàn),并以最佳的擬合方程為依據(jù)進(jìn)行分析,最終得出模擬方程和曲線(表1和圖4)。從擬合方程和曲線不難看出,西安市總?cè)丝谂c年均溫之間的關(guān)系呈顯著的二次多項(xiàng)式,擬合優(yōu)度R2大于0.65,擬合方程通過0.05水平檢驗(yàn)。方程中各變量T值顯著,說明擬合的方程有效,表明氣溫與人口規(guī)模之間不是簡單的線性關(guān)系。4.1以家庭為單位的人口結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)活動人口對氣候的影響主要是通過其生產(chǎn)、消費(fèi)行為體現(xiàn)出來的,而與生產(chǎn)、消費(fèi)行為密切相關(guān)的人口因素不僅包括人口總量,還包括人口結(jié)構(gòu)。在各類人口年齡結(jié)構(gòu)中,就業(yè)人口(一般為18—60周歲)在生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域中最為活躍,所以選取就業(yè)人數(shù)為年齡結(jié)構(gòu)指標(biāo);在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中,第二產(chǎn)業(yè)對環(huán)境影響較大,所以選取第二產(chǎn)業(yè)人數(shù)為人口產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)指標(biāo);在人口消費(fèi)活動中,以家庭為單位的消費(fèi)活動占人口消費(fèi)的大部分,所以以家庭戶數(shù)為人口家庭規(guī)模結(jié)構(gòu)指標(biāo);由于城鄉(xiāng)人口生活方式和消費(fèi)水平不同,所以選取城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)和農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)為人口消費(fèi)結(jié)構(gòu)指標(biāo)。各指標(biāo)數(shù)見表2,各指標(biāo)與氣溫的變化見圖5。4.2經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總年齡由于灰色關(guān)聯(lián)的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密,重點(diǎn)研究正相關(guān)關(guān)系。由圖5可知,氣溫值為增長序列,恩格爾系數(shù)為衰減系列,其余人口指標(biāo)為增長序列,需將恩格爾系數(shù)通過倒數(shù)化算子作用轉(zhuǎn)化為正相關(guān)序列,取氣溫值為X0、勞動人數(shù)為X1、第二產(chǎn)業(yè)人數(shù)為X2、總家庭戶數(shù)為X3、城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)倒數(shù)為X4、農(nóng)村居民恩格爾系數(shù)倒數(shù)為X5,帶入公式(1)進(jìn)行初值化處理。在分析過程中,盡管涉及多因子之間的關(guān)聯(lián)度分析,ξ值也取0.5,確保γ0i值的絕對意義。將ξ=0.5及根據(jù)公式(1)得出的帶入公式(2)、(3),得到每個因子對氣溫X0的關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見表3。排序關(guān)聯(lián)度,得γ02>γ03>γ05>γ01>γ04?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)均大于0.5,表明上述因子對年均溫的關(guān)聯(lián)度都很高,對氣溫的影響程度較強(qiáng),但各因子與氣溫之間的關(guān)聯(lián)度存在明顯差異。其中,第二產(chǎn)業(yè)人口數(shù)與氣溫變化的關(guān)聯(lián)度最高,關(guān)聯(lián)度為0.82。其原因是第二產(chǎn)業(yè)為高耗能產(chǎn)業(yè),人口數(shù)量在一定程度上反映了一個國家或地區(qū)的工業(yè)化程度。該產(chǎn)業(yè)人口的規(guī)模越大,說明工業(yè)化程度越高。因?yàn)楣I(yè)是影響環(huán)境的重要組成部分,故該變量也間接地反映了第二產(chǎn)業(yè)對當(dāng)?shù)貧鉁氐挠绊?。西安?990年第二產(chǎn)業(yè)人口為106.74萬人,到2010年末增加到145.4萬人,增幅為36.2%。因此,西安市在發(fā)展過程中應(yīng)注重提高人口素質(zhì),在城市化建設(shè)中應(yīng)注重優(yōu)化人口結(jié)構(gòu),提高勞動力素質(zhì),為提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展節(jié)能環(huán)保的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)做準(zhǔn)備。總家庭戶數(shù)對氣溫的關(guān)聯(lián)度次之,關(guān)聯(lián)度僅為0.73。1991—2010年,西安家庭戶數(shù)由158.5萬戶增加到226.71萬戶,增幅達(dá)43%;而人口由615.48萬人增加到782.76萬人,增幅為27.2%。家庭戶數(shù)的增幅遠(yuǎn)大于西安市總?cè)丝诘脑龇?這是由于家庭規(guī)模逐漸減縮所致。隨著家庭規(guī)模的減縮,通常伴隨著較低的生育率和較高的經(jīng)濟(jì)增長,可顯著增加溫室氣體排放的總量。由于以家庭為主體的生活活動包含了許多具有共享性質(zhì)的消費(fèi)品與消費(fèi)服務(wù),戶均人口數(shù)的減少即意味著家庭消費(fèi)的規(guī)模效應(yīng)減弱,實(shí)際上導(dǎo)致了人均消費(fèi)支出的增加。因?yàn)榧彝ゴ蟛糠止潭ǖ哪茉聪M(fèi)并不是取決于家庭成員數(shù),而是取決于房屋的實(shí)際大小和擁有交通工具的數(shù)量。同時,在人口總量穩(wěn)定增長的情況下,家庭規(guī)模縮小導(dǎo)致家庭戶總量以更快的速度增加,使以家庭戶為主體的消費(fèi)需求增長超過以個人為主體的消費(fèi)需求。因此,家庭規(guī)?？s小直接推動了居民消費(fèi)規(guī)模的擴(kuò)張,進(jìn)而影響當(dāng)?shù)貧鉁亍＞蜆I(yè)人口數(shù)與氣溫的關(guān)聯(lián)度為0.6361。就業(yè)人口的年齡一般為18—60周歲,非就業(yè)人口數(shù)只是其中一小部分,所以就業(yè)人口數(shù)就代表了該階段勞動年齡人口數(shù)。人口個體在生命歷程不同階段的家庭構(gòu)成、收入水平和消費(fèi)取向不斷變化,因此具有不同的消費(fèi)模式。因?yàn)椴煌挲g群體消費(fèi)模式的差別,人口年齡結(jié)構(gòu)的變化將導(dǎo)致總體能源使用和溫室氣體排放的轉(zhuǎn)變。西安市就業(yè)人口數(shù)1991年為400.01萬人,以每年10.55萬人增加。在生產(chǎn)領(lǐng)域,勞動年齡人口絕對數(shù)及其所占人口比重的持續(xù)增長為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了豐富的勞動力資源,由此產(chǎn)生的“人口紅利”無疑是經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的主要動因之一。而就業(yè)人口數(shù)對氣溫的灰色關(guān)聯(lián)度相對較小,這主要是由于近年來西安市的技術(shù)進(jìn)步率逐漸增加,各種能源的利用率大幅度提高,在一定程度上緩解了生產(chǎn)活動對氣溫的影響。恩格爾系數(shù)對氣溫影響相對較小,且農(nóng)村恩格爾系數(shù)對氣溫的關(guān)聯(lián)度高于城鎮(zhèn)居民恩格爾系數(shù)對氣溫的關(guān)聯(lián)度。恩格爾系數(shù)反映了居民的消費(fèi)結(jié)構(gòu),在一定程度上反映了居民的收入水平。在不同收入水平下,居民的生活方式和消費(fèi)方式不同。由關(guān)聯(lián)度排序可知,相對于城鎮(zhèn)居民,農(nóng)村居民的恩格爾系數(shù)對氣溫的影響較大,主要是由于近20年來農(nóng)村的生活水平有了大幅度提高,生活方式發(fā)生了重大改變,生活用電器數(shù)量大量增加,因此對氣溫的影響較大。隨著農(nóng)村居民的收入水平繼續(xù)增加,當(dāng)收入結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定增長狀態(tài)時,對氣溫的影響程度將會相應(yīng)下降。城鎮(zhèn)居民生活水平雖然也有提高,但恩格爾系數(shù)相對農(nóng)村居民來說下降幅度小,家用電器處于穩(wěn)定增長狀態(tài)。此外,由于天然氣、太陽能等清潔能源的使用,減緩了城市居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)對氣溫的影響,再加上城市居民消費(fèi)還沒有達(dá)到大規(guī)模、大范圍消費(fèi)高碳產(chǎn)品的生活方式階段。因此,在現(xiàn)階段應(yīng)逐步引導(dǎo)居民消費(fèi)模式向可持續(xù)消費(fèi)方向發(fā)展,防止過度消費(fèi)的爆發(fā)性增長。同時,也要注重提高人們的環(huán)保意識、節(jié)約意識,引導(dǎo)正確的生活方式,如在家庭中推廣使用節(jié)能燈和節(jié)能電器,拒絕使用一次性塑料袋,選乘公交車等環(huán)保生活方式。5灰色關(guān)聯(lián)度的計算西安市近60年的氣溫變化趨勢同全球相一致,有變暖的趨勢,而西安市總?cè)丝谝恢碧幱诔掷m(xù)增長狀態(tài)。但是,氣溫與人口規(guī)模之間不是簡單