城市化与时空格局演变及其影响因素的研究进展

      1 引言

      改革开放以来、尤其是2000年以来，中国经历了快速的城市化过程。2017年，中国城市化率达到58.52%，城市常住人口达8.13亿；预计到2030年，中国城市化水平将达到65%。虽然中国城市化水平与世界发达国家尚有差距，但其城市化的发展速度却远高于世界平均水平(Zhu et al，2011；Bai et al，2014)。这种短期快速的城市化在改善我们的物质生活的同时，也因其产生剧烈人为活动而导致严重的环境污染，尤其是近年来出现了以细颗粒物()为首要污染物的城市与区域空气污染问题(Chan et al，2008；Han et al，2014)。

      是指近地表空气中粒径≤2.5 μm的颗粒物，相比于传统的氮氧化物和硫氧化物，它能够较长时间地悬浮于空气中，降低大气能见度，形成日常认识中的“霾”(Hyslop，2009；Pope et al，2012)。随着人民群众对美好生活的需求和对空气污染问题的关注日益增长，对霾的认识也从史书中的粗浅记载上升到科学系统的认知。中国历史上最早对“霾”的认识始于甲骨文和《说文解字》，认为霾就是“风雨土也”。而对霾的成因的认识则归因于强风和干燥的下垫面，这可追溯到《甘州·祈雪文》中记载的长期不雪与霾的相互关系：“一月不雪兮，绿意早凋。两月不雪兮，沙飞尘走。三月不雪兮，雾霾障重。四月不雪兮，斯民生愁。”。古人局限于上述粗浅的认识，对霾的治理也更多地求助于神灵：“元六年(1340年)腊月，雾锁大都，多日不见日光，都门隐于风霾间；风霾蔽都城数日，帝恐天神之怒，遣礼部焚香祭天，祈神灵驱风霾而散”。近代，随着科技的进步，对霾的本质认识不断深化，发现霾是自然源与人为源排放的一次颗粒物，在特定的气象流场与大气边界层结构下，通过一系列物理与化学过程形成二次颗粒物并具有消光效应而导致的(Huang et al，2014)。作为致霾的主要污染物，会对人群的健康产生显著的负面影响，尤其是导致心脑血管系统的疾病，并诱发癌变等(Lim et al，2012)。同时，相比于传统空气污染物的去除难度更大，传统的空气净化设备主要针对花粉、宠物毛等易对人群产生不适的小范围、小剂量的致敏物质进行净化，而对于高浓度的城市与区域性污染，净化器和日常的口罩防护所起到的作用也仅是杯水车薪。目前中国虽在污染治理方面取得了一些进展，但与日本等发达国家相比依旧存在显著的差距(McNeill，2000)(表1)。中国在空气污染的治理方面相比发达国家也存在新的特点，即中国快速的经济、社会发展与城市化并行的复合效应对大气环境造成不同程度的影响。

      

      此前的研究注重独立地进行空气污染或者城市化的研究。针对空气污染物的研究，由早期的硫氧化物(如)、氮氧化物(如)、总悬浮颗粒物(TSP)等常规的污染物的研究逐步深入到和臭氧()等新污染物，并从关注单一污染向复合空气污染转变(Han，Zhou，Pickettl，2018)。而针对城市化的研究，更多地关注于城市的空间格局时空动态变化及其驱动因素。虽然有些研究将生态和环境质量等作为定量依据说明城市化的生态环境效应，但尚未直接提出城市化产生的主要生态环境问题，更没有开展深入细致的空间格局特征与影响因素的多尺度研究(陈利顶等，2016；周伟奇等，2017)。可以说，国内外关于城市化与空气污染物的耦合关系的研究均较为少见。而实际上，系统地解析城市化与空气污染的关系，将有助于探索环境友好的城市化模式、评估城市对周边生态系统的影响、制定城市发展的总体规划等。在此背景下，笔者在国家自然科学基金青年基金项目资助下，以遥感数据为主要数据源，以遥感信息反演、特征提取和GIS空间分析为技术手段，结合典型气象、环境和地面调查数据，从以下3个方面对城市化与空气污染的相互关系开展研究：①中国浓度的时空分异格局；②中国城市污染对其周边区域影响的时空分异格局特征；③全球、区域、城市和局地多尺度城市化与污染的关联。在以上3个方面取得的一系列进展，逐步加深了污染的研究，从空间格局分析逐步深入到健康影响、社会经济驱动等相关方向，并推动了部分复合问题的研究与解析(表2)。本文在上述基金项目研究的基础上，梳理国内外相关研究的成果，总结城市化与空气污染相互关系研究的进展，以供该方向开展更为深入细致的研究，拓展城市与景观生态学的理论体系，了解城市化与城市空气质量的影响关系，解析不同城市发展阶段所面临的城市空气质量问题，为可持续、环境友好的城市发展之路提供科学的参考。