各類污染物對北京空氣質(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。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和空氣質(zhì)量的異常變化，社會所遭受的經(jīng)濟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，提高市民對環(huán)境滿意度，構(gòu)建生態(tài)文明社會，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，本文首先從歷史環(huán)境數(shù)據(jù)出發(fā)，通過對北京市AQI指數(shù)進行了簡單的分析，篩選空氣等級、計算藍天數(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，最后對其進行預(yù)測。之后對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，并對其進行了影響分析。PM2.5的影響分析，本文做出社會生產(chǎn)對PM2.5濃度的相關(guān)分析，找出影響PM2.5的主要社會因素，還通過抽取少量樣本，調(diào)研樣本中日期對應(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等級區(qū)分及計算公式42.2AQI指數(shù)的簡單分析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83.4預(yù)測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171前言目前，中國經(jīng)濟處于高速發(fā)展時期，但是仍面臨諸多難以解決的問題，這些問題嚴(yán)重威脅了我國構(gòu)建社會主義和諧社會。其中最主要的問題之一，環(huán)境問題不但影響我國經(jīng)濟發(fā)展也對人們的生產(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算，我國每年因環(huán)境污染所造成的損失就占 GDP 高達 10，僅北京一個城市，每年因環(huán)境污染所造成的損失就高達 116億元之多。其中，當(dāng)屬大氣污染對北京造成

4、的經(jīng)濟損失最為嚴(yán)重，占總污染所造成經(jīng)濟損失的 81.75%。因此，大氣污染問題值得社會和政府廣泛關(guān)注。總體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)量達到一級的天數(shù)僅有 41 天，占全年總天數(shù)的 11.2%；二級良天數(shù)總共 135 天；三級輕度污染為84 天；四級中度污染總計 47 天。值得注意的是，五級重度污染和六級嚴(yán)重污染分別高達 45 天和 13 天，占全年總天數(shù)的 15.9%。如果僅僅合計一級和二級天數(shù)，那么優(yōu)良天數(shù)總計 176 天，還未達到全年總天數(shù)的一半。同時，重污染天數(shù)情況也不容樂觀。幾

5、乎每隔六七天，就會出現(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)濟貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院開始對北京市居民生態(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）進行調(diào)查，并用生存環(huán)境指數(shù)來表示。縱向?qū)Ρ葟?2007 年到 2013 年的數(shù)發(fā)現(xiàn)，08、09 兩年居民對于環(huán)境的滿意度呈上升趨勢。究其原因，08 年北京舉辦奧運會，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)達到最低點，可以看出居民對目前生態(tài)環(huán)境的擔(dān)憂。2空氣質(zhì)量指數(shù)AQI2.1AQI等級區(qū)分及計算公式-在過去 15 年中，北京市將空氣污染指數(shù)(API)作為評價空氣質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。自2012 年根據(jù)新出臺的環(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，簡稱 AQI)）替代 API 成為定量描述空氣質(zhì)量狀況、評價北京市空氣質(zhì)量的最新標(biāo)準(zhǔn)。與 API 一樣，它也將數(shù)值 0500 分成 6 個等級。其對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)，級別，表示的顏色和對健康的影響見表 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= 對應(yīng)于Clow的指數(shù)限值，常量；Ihigh= 對應(yīng)于Chigh的指數(shù)限值，常量。2.2AQI指數(shù)的簡單分析（1）簡單描述分析通過Excel統(tǒng)計軟件對AQI指數(shù)進行描述性分析，我們可得出AQI指數(shù)的簡單數(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)量等級及藍天數(shù)的簡單描述我們通過Excel表格對各個等級進行篩選得出，如表2.3。表2.2 各等級天數(shù)AQI指數(shù)等級優(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天等各等級天數(shù)狀況，國家規(guī)定的今后五年地級市及以上城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比率超過80的目標(biāo)，上表中可計算出藍天數(shù)有251天，所占比例為0.523，遠遠低于國家的規(guī)定，因此我們有理由說明北京的空氣污染極其嚴(yán)重。因此我們對北京市空氣質(zhì)量進行了更進一步的分析。3線性回歸分析3.

9、1回歸模型對回歸方程的顯著性檢驗，我們進行的是假設(shè)檢驗，首先：假設(shè)：的系數(shù)全為0 的系數(shù)不全為0數(shù)據(jù)總的波動用總偏差平方和表示： （3.2）引起不同的原因主要有三個因素y隨提取溫度A，液料比B，提取時間C的影響，從而每個觀測值與每個回歸值是不同的，其波動用回歸平方和表示： （3.3）其二是其他一切因素，包括隨機誤差、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作為檢驗統(tǒng)計量：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)求出各個系數(shù)及常數(shù)時，我們可以根據(jù)最小二乘法進行計算，可以利用spss軟件進行回歸方程的求解，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) 點擊“分析”“回歸”“線性”，選入因變量，自變量，如圖所示：（2） 統(tǒng)計量選擇估計，模型擬合，估計，描述性，點擊繼續(xù)：圖3.1 回歸步驟點擊“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的偏回歸系數(shù)和各自標(biāo)準(zhǔn)差, 以及對各參數(shù)是否等于零的t 檢驗結(jié)果。常數(shù)項回歸系數(shù)為 , 的系數(shù)為 ，的估計表明x2，x3，x4，x5不變的條件下，x1每增加一個單位，因變量y增加0.875個單位。的系數(shù)為,的估計表明x1，x3，x4，x5不變的條件下，x2每增加一個單位，

12、因變量y增加0.335個單位，的系數(shù)為。的估計表明x1，x2，x4，x5不變的條件下，x3每增加一個單位，因變量y增加2.195個單位。的系數(shù)為 的估計表明x1，x2，x3，x5不變的條件下，x4每增加一個單位，因變量y減少-0.469個單位，的系數(shù)為 的估計表明x1，x2，x3，x4不變的條件下，x5每增加一個單位，因變量y減少-0.091個單位。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通過spss軟件的操作，可從spss中輸出

13、：表3.3 回歸檢驗?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2775711.505480a. 預(yù)測變量: (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檢驗結(jié)果?；貧w平方和SRR=2646340.168，參差平方和SSE=129371.337，總偏差平方和SST=2775711.505，對應(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P=0.000<0.05,說明至少有一個自變量的回歸系數(shù)不為0，所建立的回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義，因此模型檢驗是顯著的。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)測當(dāng)所得回歸方程顯著時，我們就可以用它進行預(yù)測和控制。考慮點（）處的y0的預(yù)測問題。可證明，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： （3.6） （3.7）由于因表明x1，x2，x3，x4，x5來預(yù)測AQI指數(shù)時，平均預(yù)測誤差為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（選取的第一個線性組合，即第一個綜合指標(biāo)）的方差來表達，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個指標(biāo)的信息，再考慮選取2F即選第二個線性組合，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方差的 %累積 %合計方差的 %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主成分，該主成分為PM2.5，它對總方差的

17、貢獻率為79.886%，因此我們進一步對該主成分驗證。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，編號為1斜率最大，其余的相對平緩，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)污染和二次無機氣溶膠，貢獻分別為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，找出了北京市房地產(chǎn)增長量，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)增長量0.038673PM2.5從表4.2可以看出，各個工業(yè)生產(chǎn)與PM2.5都是正相關(guān)的，其中GDP總值對PM2.5的相關(guān)性較強，其原因是因為:我國至改革開放以來經(jīng)濟飛速發(fā)展，而經(jīng)

19、濟發(fā)展主要通過資源的利用，對不可再生資源的開發(fā)過快，以犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟增長。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，測得的顆粒物數(shù)據(jù)進行灰色關(guān)聯(lián)分析，探究不同氣象因子對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態(tài)發(fā)展趨勢，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，采用均值化法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，方法為： （5.1） （5.2）其中k=0,1,.,m。（3）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，參考序列和比較序列在第k個對象的關(guān)聯(lián)系數(shù)為： （5.3）式中k=1,2,.,n,其中為兩級最小值，為兩級最大值，為分辨系數(shù)，其值在0與1之間，一般取。（4）計算關(guān)聯(lián)度。由于關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)目較多，為了方便計算，采用下列兩個序列的關(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、、相對濕度大小作為比較序列，濃度與影響因子進行灰色關(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)濟帶來巨大損失。在霧霾天氣下，市民大大減少了戶外運動，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，工人面臨著失業(yè)危險等等。因此改善空氣質(zhì)量迫在眉睫，因此針對本文提出如下建議：（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目，新建其他增加大氣污染物排放量的項目必須采取先進的污染治理技術(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