各類污染物對(duì)北京空氣質(zhì)量的影響分析

1、摘要當(dāng)前，北京市的空氣污染問題已經(jīng)非常嚴(yán)峻。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和空氣質(zhì)量的異常變化，社會(huì)所遭受的經(jīng)濟(jì)損失和人類遭受的健康損失越來越大，因此為了防治大氣污染，改善和提高北京市大氣環(huán)境質(zhì)量，提高市民對(duì)環(huán)境滿意度，構(gòu)建生態(tài)文明社會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，本文首先從歷史環(huán)境數(shù)據(jù)出發(fā)，通過對(duì)北京市AQI指數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，篩選空氣等級(jí)、計(jì)算藍(lán)天數(shù)比例，發(fā)現(xiàn)北京市空氣質(zhì)量存在嚴(yán)重污染的情況。再次，以AQI指數(shù)為因變量，污染物PM2.5，PM10,CO,NO2,SO2等的濃度為自變量做多元線性回歸分析，找出它們之間的線性關(guān)系，最后對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。之后對(duì)AQI指數(shù)做了主成分分析，找出影響北京AQI指數(shù)的

2、主要因素為PM2.5，并對(duì)其進(jìn)行了影響分析。PM2.5的影響分析，本文做出社會(huì)生產(chǎn)對(duì)PM2.5濃度的相關(guān)分析，找出影響PM2.5的主要社會(huì)因素，還通過抽取少量樣本，調(diào)研樣本中日期對(duì)應(yīng)的天氣狀況，通過利用灰色關(guān)聯(lián)分析模型，找出了PM2.5與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度，及其氣象因子的排序。最后通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)性提出改善措施。關(guān)鍵詞：AQI指數(shù)；多元線性回歸分析；主成分分析；污染物；PM2.5目 錄1前言32空氣質(zhì)量指數(shù)AQI42.1AQI等級(jí)區(qū)分及計(jì)算公式42.2AQI指數(shù)的簡(jiǎn)單分析53線性回歸分析63.1回歸模型63.2多元線性回歸方程求解73.3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)83.4預(yù)測(cè)94主成分分析

3、104.1主成分分析的基本思想104.2主成分?jǐn)?shù)據(jù)分析105PM2.5的影響分析125.1PM2.5與社會(huì)因素的相關(guān)分析125.2PM2.5與灰色關(guān)聯(lián)分析125.3PM2.5灰色關(guān)聯(lián)度136建議15結(jié)論16參考文獻(xiàn)171前言目前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展時(shí)期，但是仍面臨諸多難以解決的問題，這些問題嚴(yán)重威脅了我國(guó)構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)。其中最主要的問題之一，環(huán)境問題不但影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重?fù)p害。根據(jù)世界銀行、中科院和環(huán)?？偩值臏y(cè)算，我國(guó)每年因環(huán)境污染所造成的損失就占 GDP 高達(dá) 10，僅北京一個(gè)城市，每年因環(huán)境污染所造成的損失就高達(dá) 116億元之多。其中，當(dāng)屬大氣污染對(duì)北京造成

4、的經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重，占總污染所造成經(jīng)濟(jì)損失的 81.75%。因此，大氣污染問題值得社會(huì)和政府廣泛關(guān)注?？傮w回顧北京市歷史空氣質(zhì)量，從該年北京市環(huán)保局首次發(fā)布的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)中顯示，AQI空氣質(zhì)量可以用差到極致來形容。2013年全年，北京市空氣質(zhì)量達(dá)到一級(jí)的天數(shù)僅有 41 天，占全年總天數(shù)的 11.2%；二級(jí)良天數(shù)總共 135 天；三級(jí)輕度污染為84 天；四級(jí)中度污染總計(jì) 47 天。值得注意的是，五級(jí)重度污染和六級(jí)嚴(yán)重污染分別高達(dá) 45 天和 13 天，占全年總天數(shù)的 15.9%。如果僅僅合計(jì)一級(jí)和二級(jí)天數(shù)，那么優(yōu)良天數(shù)總計(jì) 176 天，還未達(dá)到全年總天數(shù)的一半。同時(shí)，重污染天數(shù)情況也不容樂觀。幾

5、乎每隔六七天，就會(huì)出現(xiàn)一次嚴(yán)重污染天氣。用 PM2.5 的濃度數(shù)據(jù)分析，2013 年，PM2.5 平均濃度為 89.5g/m³，根據(jù)國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn) 35g/m³，2013 年的 PM2.5 濃度水平超標(biāo)了近 1.5 倍。 從 2007 年開始，首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)院開始對(duì)北京市居民生態(tài)環(huán)境感知度和滿意度（主要是指居民對(duì)人類生存所依賴的最基本要素空氣、水、噪聲等的滿意程度）進(jìn)行調(diào)查，并用生存環(huán)境指數(shù)來表示?？v向?qū)Ρ葟?2007 年到 2013 年的數(shù)發(fā)現(xiàn)，08、09 兩年居民對(duì)于環(huán)境的滿意度呈上升趨勢(shì)。究其原因，08 年北京舉辦奧運(yùn)會(huì)，所以環(huán)境有所改善。然而從 09 年開始，

6、指數(shù)一路向下，尤其是 2013 年數(shù)據(jù)達(dá)到最低點(diǎn)，可以看出居民對(duì)目前生態(tài)環(huán)境的擔(dān)憂。2空氣質(zhì)量指數(shù)AQI2.1AQI等級(jí)區(qū)分及計(jì)算公式-在過去 15 年中，北京市將空氣污染指數(shù)(API)作為評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。自2012 年根據(jù)新出臺(tái)的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）的相關(guān)規(guī)定，空氣質(zhì)量指數(shù)（英文全稱為 Air Quality Index，簡(jiǎn)稱 AQI)）替代 API 成為定量描述空氣質(zhì)量狀況、評(píng)價(jià)北京市空氣質(zhì)量的最新標(biāo)準(zhǔn)。與 API 一樣，它也將數(shù)值 0500 分成 6 個(gè)等級(jí)。其對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)，級(jí)別，表示的顏色和對(duì)健康的影響見表 2.1。表2.1 空氣質(zhì)

7、量指數(shù)- 空氣質(zhì)量指數(shù)按公式： （2.1）其中：I = 空氣質(zhì)量指數(shù)，即AQI，輸出值；C = 污染物濃度，輸入值；Clow= 小于或等于C的濃度限值，常量；Chigh= 大于或等于C的濃度限值，常量；Ilow= 對(duì)應(yīng)于Clow的指數(shù)限值，常量；Ihigh= 對(duì)應(yīng)于Chigh的指數(shù)限值，常量。2.2AQI指數(shù)的簡(jiǎn)單分析（1）簡(jiǎn)單描述分析通過Excel統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)AQI指數(shù)進(jìn)行描述性分析，我們可得出AQI指數(shù)的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)規(guī)律，如圖2.1。圖2.1AQI指數(shù)分布圖從上圖可以看出北京空氣質(zhì)量大體情況，污染最為嚴(yán)重的為春冬兩季，這一原因可能是與北方天氣有關(guān)，春天北京沙塵暴嚴(yán)重，冬天北方天氣較冷，燒煤取暖產(chǎn)

8、生大量污染物，東西環(huán)境凈化能力較弱。而夏秋季節(jié)，由于降雨問題，使得空氣污染物隨雨水降落。（2）各空氣質(zhì)量等級(jí)及藍(lán)天數(shù)的簡(jiǎn)單描述我們通過Excel表格對(duì)各個(gè)等級(jí)進(jìn)行篩選得出，如表2.3。表2.2 各等級(jí)天數(shù)AQI指數(shù)等級(jí)優(yōu)良輕度污染中度污染重度污染嚴(yán)重污染天數(shù)8416795742338從上表我們可以得出優(yōu)的天數(shù)有84天，良的167天等各等級(jí)天數(shù)狀況，國(guó)家規(guī)定的今后五年地級(jí)市及以上城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)比率超過80的目標(biāo)，上表中可計(jì)算出藍(lán)天數(shù)有251天，所占比例為0.523，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家的規(guī)定，因此我們有理由說明北京的空氣污染極其嚴(yán)重。因此我們對(duì)北京市空氣質(zhì)量進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析。3線性回歸分析3.

9、1回歸模型對(duì)回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，我們進(jìn)行的是假設(shè)檢驗(yàn)，首先：假設(shè)：的系數(shù)全為0 的系數(shù)不全為0數(shù)據(jù)總的波動(dòng)用總偏差平方和表示： （3.2）引起不同的原因主要有三個(gè)因素y隨提取溫度A，液料比B，提取時(shí)間C的影響，從而每個(gè)觀測(cè)值與每個(gè)回歸值是不同的，其波動(dòng)用回歸平方和表示： （3.3）其二是其他一切因素，包括隨機(jī)誤差、各因素度y的非線性影響等，這樣在得到回歸值以后，y的觀測(cè)值與回歸值之間還有差距，這可用殘差平方和表示： （3.4）可得出F作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：服從F（m，n-m-1） （3.5）3.2多元線性回歸方程求解根據(jù)本文我們假設(shè)PM2.5的濃度為x1，PM10的濃度為x2，CO的濃度為x3，N

10、O2的濃度為x4，SO2的濃度為x5。在根據(jù)數(shù)據(jù)求出各個(gè)系數(shù)及常數(shù)時(shí)，我們可以根據(jù)最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，可以利用spss軟件進(jìn)行回歸方程的求解，其求解步驟如下：（1） 將數(shù)據(jù)輸入spss統(tǒng)計(jì)軟件中，AQI為因變量，PM2.5,PM10,CO,NO2,SO2等污染物作為因變量：表3.1 研究數(shù)據(jù) 點(diǎn)擊“分析”“回歸”“線性”，選入因變量，自變量，如圖所示：（2） 統(tǒng)計(jì)量選擇估計(jì)，模型擬合，估計(jì)，描述性，點(diǎn)擊繼續(xù)：圖3.1 回歸步驟點(diǎn)擊“確定”可得出：通過spss做出的多元線性回歸的系數(shù)表如下表表3.2 回歸系數(shù)a模型非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)tSig.B標(biāo)準(zhǔn) 誤差試用版1(常量)32.4961.9941

11、6.300.000PM2.5.875.029.78029.861.000PM10.335.024.32814.037.000CO2.1952.386.026.920.358NO2-.469.063-.152-7.504.000SO2-.091.060-.027-1.503.134a. 因變量: AQI指數(shù) 給出了回歸模型中各項(xiàng)的偏回歸系數(shù)和各自標(biāo)準(zhǔn)差, 以及對(duì)各參數(shù)是否等于零的t 檢驗(yàn)結(jié)果。常數(shù)項(xiàng)回歸系數(shù)為 , 的系數(shù)為 ，的估計(jì)表明x2，x3，x4，x5不變的條件下，x1每增加一個(gè)單位，因變量y增加0.875個(gè)單位。的系數(shù)為,的估計(jì)表明x1，x3，x4，x5不變的條件下，x2每增加一個(gè)單位，

12、因變量y增加0.335個(gè)單位，的系數(shù)為。的估計(jì)表明x1，x2，x4，x5不變的條件下，x3每增加一個(gè)單位，因變量y增加2.195個(gè)單位。的系數(shù)為 的估計(jì)表明x1，x2，x3，x5不變的條件下，x4每增加一個(gè)單位，因變量y減少-0.469個(gè)單位，的系數(shù)為 的估計(jì)表明x1，x2，x3，x4不變的條件下，x5每增加一個(gè)單位，因變量y減少-0.091個(gè)單位。sig值分別為0.000、0 .000 、0 .000 、0 .358、0.000、0.134 。按=0 .05 顯著性水平。x1，x2，x4變量比較顯著。從上表可以得出回歸方程：3.3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)通過spss軟件的操作，可從spss中輸出

13、：表3.3 回歸檢驗(yàn)?zāi)Ｐ推椒胶蚫f均方FSig.1回歸2646340.1685529268.0341943.261.000a殘差129371.337475272.361總計(jì)2775711.505480a. 預(yù)測(cè)變量: (常量), SO2, PM10, NO2, PM2.5, CO。b. 因變量: AQI指數(shù)如上表所示，方差分析表，即模型中所有的自變量的回歸系數(shù)等于0的F檢驗(yàn)結(jié)果。回歸平方和SRR=2646340.168，參差平方和SSE=129371.337，總偏差平方和SST=2775711.505，對(duì)應(yīng)自由度分別為5,475,480，回歸均方差MSR=529268.034，殘差均方MSE=

14、272.361，檢驗(yàn)P=0.000<0.05,說明至少有一個(gè)自變量的回歸系數(shù)不為0，所建立的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此模型檢驗(yàn)是顯著的。我們所求的回歸方程也是顯著的，因此回歸方程有意義。3.4預(yù)測(cè)當(dāng)所得回歸方程顯著時(shí)，我們就可以用它進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制?？紤]點(diǎn)（）處的y0的預(yù)測(cè)問題?？勺C明，當(dāng)n比較大，而且 分別比較接近 的情況下，近似地有，控制預(yù)測(cè)： （3.6） （3.7）由于因表明x1，x2，x3，x4，x5來預(yù)測(cè)AQI指數(shù)時(shí)，平均預(yù)測(cè)誤差為16.31，而當(dāng)x1=124，x2=160，x3=2.23，x4=63，x5=50，的置信度為0.95的置信區(qū)間為：，即。因此這時(shí)的空氣質(zhì)量應(yīng)為輕度

15、污染與中度污染之間。4主成分分析4.1主成分分析的基本思想主成分分析是設(shè)法將原來眾多具有一定相關(guān)性（比如P個(gè)指標(biāo)），重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)。通常數(shù)學(xué)上的處理就是將原來P個(gè)指標(biāo)作線性組合，作為新的綜合指標(biāo)。最經(jīng)典的做法就是用1F（選取的第一個(gè)線性組合，即第一個(gè)綜合指標(biāo)）的方差來表達(dá)，即)(1FVar越大，表示1F包含的信息越多。因此在所有的線性組合中選取的1F應(yīng)該是方差最大的，故稱1F為第一主成分。如果第一主成分不足以代表原來P個(gè)指標(biāo)的信息，再考慮選取2F即選第二個(gè)線性組合，為了有效地反映原來信息，1F已有的信息就不需要再出現(xiàn)再2F中，用數(shù)學(xué)語言表達(dá)就是要求0),(

16、21=FFCor,則稱2F為第二主成分，依此類推可以構(gòu)造出第三、第四，第P個(gè)主成分。4.2主成分?jǐn)?shù)據(jù)分析將大氣污染物PM2.5,PM10,CO,SO2,NO2做主成分分析，各主成分分析的方差貢獻(xiàn)率如表4.1。表4.1 解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的 %累積 %合計(jì)方差的 %累積 %13.99479.88679.8863.99479.88679.8862.57311.45891.3433.2274.54595.8884.1372.73398.6215.0691.379100.000提取方法：主成份分析。 如表4.1，我們從中提取出一個(gè)主成分，該主成分為PM2.5，它對(duì)總方差的

17、貢獻(xiàn)率為79.886%，因此我們進(jìn)一步對(duì)該主成分驗(yàn)證。我們根據(jù)數(shù)據(jù)的特征，我們做出的主成分碎石圖如圖所示：圖4.1AQI主成分碎石圖 通過碎石圖我們可以看出斜率最大的即為主成分，編號(hào)為1斜率最大，其余的相對(duì)平緩，1為PM2.5，也就是說PM2.5是主導(dǎo)AQI的主要因素，所以在后續(xù)的研究分析中我們主要研究的污染物為PM2.5。5PM2.5的影響分析5.1PM2.5與社會(huì)因素的相關(guān)分析通過上述我們找出影響北京空氣質(zhì)量的主要因素為PM2.5，因此通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京PM2.5有6個(gè)重要來源，分別是土壤塵、燃煤、生物質(zhì)燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業(yè)污染和二次無機(jī)氣溶膠，貢獻(xiàn)分別為15%、18%、12%、

18、4%、25%和26%。因此我們首先通過調(diào)研與這些污染源有關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)及生活活動(dòng)，找出了北京市房地產(chǎn)增長(zhǎng)量，人口數(shù)，GDP總值，汽車使用量，燃?xì)庥昧?，燃煤量等與PM2.5的相關(guān)強(qiáng)度如表4.2：表5.1 工業(yè)生產(chǎn)與PM2.5的相關(guān)系數(shù)表社會(huì)因素相關(guān)系數(shù)影響空氣質(zhì)量因素人口數(shù)0.5967PM2.5GDP總值0.7578PM2.5汽車使用量0.4449PM2.5燃?xì)庥昧?.5764PM2.5燃煤量0.6654PM2.5房地產(chǎn)增長(zhǎng)量0.038673PM2.5從表4.2可以看出，各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)與PM2.5都是正相關(guān)的，其中GDP總值對(duì)PM2.5的相關(guān)性較強(qiáng)，其原因是因?yàn)?我國(guó)至改革開放以來經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，而經(jīng)

19、濟(jì)發(fā)展主要通過資源的利用，對(duì)不可再生資源的開發(fā)過快，以犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。除此，北京人口的增多，給城市帶來了巨大影響，燃煤是北京冬天主要取暖方式，以及燃煤發(fā)電是北京的主要供電來源，北京私家車數(shù)過多，汽車尾氣的排放也對(duì)空氣造成了很大污染。5.2PM2.5與灰色關(guān)聯(lián)分析通過調(diào)研北京市的氣象信息收集觀察日當(dāng)天溫度、濕度和風(fēng)力大小，測(cè)得的顆粒物數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，探究不同氣象因子對(duì)顆粒物濃度大小的影響?；疑P(guān)聯(lián)法是通過曲線幾何形狀的接近度來量化分析變量間的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，曲線形狀越接近表示數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)度越大，反之越小。方法如下：（1）設(shè)定參考序列和比較序列。設(shè)，為參考序列，反映系統(tǒng)的行為特征，為比較序

20、列，由影響系統(tǒng)行為的因素組成。（2）無量綱化處理。參考序列與比較序列的初始值通常單位不相同，采用均值化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，方法為： （5.1） （5.2）其中k=0,1,.,m。（3）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，參考序列和比較序列在第k個(gè)對(duì)象的關(guān)聯(lián)系數(shù)為： （5.3）式中k=1,2,.,n,其中為兩級(jí)最小值，為兩級(jí)最大值，為分辨系數(shù)，其值在0與1之間，一般取。（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度。由于關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)目較多，為了方便計(jì)算，采用下列兩個(gè)序列的關(guān)聯(lián)度，一次來判斷參考序列和比較序列之間的影響程度： （5.4）式中k=1,2,.,n5.3PM2.5灰色關(guān)聯(lián)度將每一次采樣的PM2.5濃度作為參考序列，影確因子風(fēng)力、溫度

21、、相對(duì)濕度大小作為比較序列，濃度與影響因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到的關(guān)聯(lián)度大小見表5.2。表5.2 PM2.5濃度與影響因子灰色關(guān)聯(lián)度表抽取日期關(guān)聯(lián)度關(guān)聯(lián)排序風(fēng)力溫度濕度2014-12-040.72310.44670.6231風(fēng)力>濕度>溫度2014-12-270.59520.54330.7235濕度>風(fēng)力>溫度2014-12-300.75330.68620.7463風(fēng)力>濕度>溫度2015-01-090.64410.69910.5643溫度>風(fēng)力>濕度2015-01-210.66340.56120.6482風(fēng)力>濕度>溫度2015-0

22、2-060.73350.68470.5611風(fēng)力>溫度>濕度分析結(jié)果表明2014年12月4日，PM2.5的濃度與風(fēng)力的關(guān)聯(lián)度較高，其次是濕度，再次是溫度，2014年12月27日，PM2.5的濃度與濕度的關(guān)聯(lián)度較高，其次是風(fēng)力，再次是溫度，2014年12月30日，PM2.5的濃度與風(fēng)力的關(guān)聯(lián)度較高，其次是濕度，再次是溫度，2015年1月9日，PM2.5的濃度與濕度的關(guān)聯(lián)度較高，其次是風(fēng)力，再次是溫度，2015年1月21日，PM2.5的濃度與風(fēng)力的關(guān)聯(lián)度較高，其次是濕度，再次是溫度，2015年2月6日，PM2.5的濃度與風(fēng)力的關(guān)聯(lián)度較高，其次是溫度，再次是濕度。6建議目前的北京已飽受霧

23、霾危害，環(huán)境空氣質(zhì)量問題變得十分嚴(yán)峻，這不僅危害了人民群眾的健康，也給人類的經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。在霧霾天氣下，市民大大減少了戶外運(yùn)動(dòng)，使得餐飲、娛樂、旅游業(yè)遭受了前所未有的打擊。使得工業(yè)企業(yè)不得不削減產(chǎn)量，減少利潤(rùn)，工人面臨著失業(yè)危險(xiǎn)等等。因此改善空氣質(zhì)量迫在眉睫，因此針對(duì)本文提出如下建議：（1）第一，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)“零”污染產(chǎn)業(yè)門檻。禁止新建燃煤電廠、水泥廠、鋼鐵廠、石化和煤化工等重污染項(xiàng)目，新建其他增加大氣污染物排放量的項(xiàng)目必須采取先進(jìn)的污染治理技術(shù)，制定更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。 （2）加快淘汰電力、鋼鐵、建材、有色、石化、化工等行業(yè)以及揮發(fā)性有機(jī)污染物排放企業(yè)的落后產(chǎn)能，制定適合北京市產(chǎn)業(yè)特征的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整目