中国作为世界上人口最多的发展中国家，能源和环境已不仅仅只关系到国家本身的可持续发展，还对全球的能源格局和地球环境产生重要影响。近年来，中国大陆以京津冀为代表，中东部出现严重雾霾天气，大气质量整体下降趋势明显，大气质量也得到公众前所未有的关心和关注，同时也给政府部门带来巨大的环境管理压力。在这样背景下研究中国大陆化石能源消耗对大气质量影响具有重要的现实和应用意义。　　本研究充分考虑中国大陆化石能源消耗（以下简称能源消耗）和大气质量的区域差异，引入遥感和GIS技术优势，从省级尺度和区域尺度两个空间尺度，基于统计分析、泰尔指数分析方法、引入地理信息科学的时空轨迹数据聚类方法等从能源消耗总量、能源消耗结构、能源效率对能源消耗时空特征进行了分析，并选取了痕量气体中SO2、 NO2，颗粒物中PM2.5浓度数据，构建中国大气质量指标，运用统计分析方法、空间分布相关分析方法等从年际、月度两个时间尺度分析了三大因子的空间分布规律。通过空间分布相关分析方法分析两大类指标之间空间分布的相关性;运用灰色相关分析法分析两大类指标之间的相关程度，以及指标之间相关序;同时分析能源消耗与大气质量之间的格兰杰因果关系。最后运用灰色GM模型、面板数据模型的构建，依据国家能源规划设定情景，进行情景分析和预测，探讨不同情景下，三大大气质量因子变化。　　结果表明:　　(1)我国化石能源消耗时空特征中国化石能源消耗总量以及能源效率自80年代以来呈现快速增长趋势。中国能源消耗结构和世界能源消耗结构都存在着较大差异，虽然国内煤消耗占比下降趋势明显，但占比仍然较重。中国能源消耗无论在总量规模还是在结构上都存在明显差异，相关能源政策的制定和节能工作的展开都需要针对差异实行区别对待。中国30个省区的人均能源效率都呈增长趋势，但各自增长速度和幅度有明显差别，产业结构高级化水平会影响能源效率的发展。　　(2)我国大气质量时空特征中国PM2.5、SO2、NO2空间分布与人口分布、地形特征有着密切的关系，胡焕庸线成为中国大气质量空间分布的东西界限。2007年前后是PM2.5浓度增长的拐点。虽然拐点出现，但并没有形成高值区域快速下降的趋势。大部分中国省市的SO2浓度呈现下降趋势。大部分省市SO2浓度在月均尺度上，表现出了“U”型特征。大部分中国省市的NO2浓度呈上升趋势，但上升趋势没有PM2.5浓度上升趋势明显。整体来看，中国NO2浓度的高值点位于2011年左右，符合相关政策背景。NO2浓度的月际变化几乎都呈现了“U”型特征。　　(3)化石能源消耗与大气质量相关分析及预测PM2.5、SO2、NO2空间分布与煤炭消耗总量、能源消耗总量都呈现出正相关性，尤其与煤炭消耗总量呈现明显正相关。仅NO2空间分布与石油消耗空间分布呈现正相关性。通过灰色关联分析，大气质量与能源消耗总量指标存在着明显的正相关性，与能源宏观效率呈现明显的负相关性。PM2.5、NO2浓度较高的区域，受能源消耗种类的影响，呈现“北煤南油”以及“东油西煤”的规律。大气质量因子浓度与能源消耗总量指标的相关性大于与能源效率指标的相关性。在能源消耗规模相近的情况下，煤炭占比高的省市，大气质量因子浓度相对较高的概率更大;在能源消耗规模相近且煤炭占比相似的情况下，石油占比越高，PM2.5和NO2浓度相应更高;大气质量与能源消耗总量指标的关系要远远大于与能源消耗种类占比的相关性。大气质量因子和能源消耗总量指标、能源效率指标存在长期的均衡关系。能源消耗总量指标和能源宏观效率是大气质量因子的单向格兰杰原因。　　面板数据模型显示，PM2.5、SO2、NO2与单位面积能源消耗总量、单位面积煤炭消耗总量和单位面积石油消耗总量指标呈现正相关，与能源宏观效率呈现负相关。三种情景的对比表明，依据能源十三五规划提出的目标，调整能源消耗指标，对大气质量因子浓度的降低能够起到明显的积极作用。　　对比目标情景与2013年大气质量因子浓度，结合回归模型系数分析得出虽然控制煤炭消耗比例，提高天然气消耗比重，提高能源效率都能够对降低PM2.5、SO2、 NO2浓度起到积极作用，但在未来能源消耗结构中，大幅提高可替代能源的比例，降低一次能源消耗总量，才是提高我国大气质量的关键因素。