统计学作业——我国城市空气质量的状况分析

1、 天津商业大学Tianjin University of Commerce 学 年 论 文题目 我国城市空气质量的状况分析 学 院 经济学院 专 业 金融学 _ 姓 名 胡鹏 学 号 120140017 完成时间 2014年11月10日 我国城市空气质量的状况分析摘要：本文针对我国城市的空气质量现状及影响城市空气质量的主要因素进行分析研究。运用聚类分析方法对我国城市空气质量等级进行分类，把空气质量状况最相似的城市聚成一类，分析原因、得出结论。并对影响城市空气质量的5个主要因素进行主成分分析，找出最能代表原来数据信息的2至3个因子代替原来的5个变量。建立回归模型，对结果进行分析，寻找解

2、决空气质量问题的方法，并对原有方法进行改进，以便更为高效、快速地解决空气质量问题。 关键词：空气质量；聚类分析；主成分分析；回归分析 Abstract:This article mainly analyze urban air quality present situation in China and the key factors affecting urban air quality study. Using clustering analysis method on the classification of China's urban air quality levels,

3、gather into the city air quality in most similar category, analysis of causes, concluded. Then 5 main factors affecting urban air quality to principal component analysis identify the most representative of the original data instead of the 2 to 3 factors 5 variables. Established regression model an a

4、nalysis of the results, looking for ways to address air quality issues, and to improve the existing methods, to more efficient and faster to solve the air quality problem. Keywords: air quality;cluster analysis;Principal components analysis;regression analyze 1、 我国城市空气质量的现状 我国是一个人口大国，城市众多，人口密集。但由于工业

5、的发展，我们的很多城市都受到了不同程度的污染，直接对我们造成伤害,人们疾病的发生率也逐年提高。空气中的污染物主要是可吸入颗粒、二氧化硫、二氧化氮等物质。据环保部2012年统计2011年度各省、自治区、直辖市和八家中央企业主要污染物总量减排核查核算工作表明，全国化学需氧量、氨氮和二氧化硫排放量实现同比下降，氮氧化物排放量同比上升。“十二五”期间，国家对化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物4种主要污染物实施排放总量控制。其中，北京市、上海市、浙江省和河南省四项主要污染物排放量平均降幅全部位居前列。但同时仍有个别地区在污染减排工作中存在突出问题。 许多城市和地区空气污染依然严重，污染类型以烟煤型污染

6、为主，颗粒物仍是影响中国城市空气质量的主要污染物。从2013年1月12日开始，北京、天津、河北、河南、江苏等地都笼罩在雾霾中，污染程度高。在全国73个监测城市中，33个城市的部门监测站点监测数据显示，空气质量指数超过300，北京PM2.5一度超过900微克/立方米以上，空气质量达到重度污染。二、影响城市空气质量的因素（一）衡量指标衡量指标的选取对于聚类分析来说至关重要，具有决定性的意义，影响空气质量好坏的因素有很多，为便于比较各个城市空气质量指标的异同点，根据我国各主要城市2011年城市空气质量指标的数据表，可以采用多元统计分析中的系统聚类法对31个主要城市的空气质量指标进行分析。由下表一知，

7、前三个指标和后一个指标的含义不一样，并且前三个指标不能完全代表空气质量状况，所以只用后一个指标对原始数据进行聚类分析，就能透彻地来衡量我国主要城市的空气质量。原文数据如下：表一城 市可吸入颗粒物二氧化硫二氧化氮空气质量达到及好于二级的天数(天) 北 京0.1130.0280.056286 天 津0.0930.0420.038320 石 家 庄0.0990.0520.041320 太 原0.0840.0640.023308 呼和浩特0.0760.0540.039347 沈 阳0.0960.0590.033332 长 春0.0910.0260.043345 哈 尔 滨0.0990.0410.046

8、317 上 海0.080.0290.051337 南 京0.0970.0340.049317 杭 州0.0930.0390.058333 合 肥0.1130.0220.025303 福 州0.0690.0090.032360 南 昌0.0880.0560.038347 济 南0.1040.0510.036320 郑 州0.1030.0510.047318 武 汉0.1000.0390.056306 长 沙0.0830.040.047341 广 州0.0690.0280.049360 南 宁0.0730.0260.033351 海 口0.0410.0080.016365 重 庆0.0930.03

9、80.031324 成 都0.1000.0310.051322 贵 阳0.0790.0490.030349 昆 明0.0650.0370.044365 拉 萨0.0400.0090.023364 西 安0.1180.0420.041305兰 州0.1380.0480.042244 西 宁0.1050.0430.026316 银 川0.0950.0380.030333 乌鲁木齐0.1320.0790.068276摘编自中国区域经济统计年鉴2012（二）聚类结果及分析聚类结果：树图1C A S E 0 5 10 15 20 25 Label Num +-+-+-+-+-+ 杭州 11 -+ 银川

10、30 -+ 沈阳 6 -+-+ 上海 9 -+ |3 长沙 18 -+ +-+ 南宁 20 -+ | | 贵阳 24 -+-+ | 呼和浩特 5 -+ +-+ 南昌 14 -+ | | 长春 7 -+ | | 福州 13 -+ | | 广州 19 -+-+ |4 海口 21 -+ | 昆明 25 -+ | 拉萨 26 -+ | 北京 1 -+-+ |1 乌鲁木齐 31 -+ +-+ | 兰州 28 -+ | | 武汉 17 -+ | | 西安 27 -+ +-+ 太原 4 -+-+ | 合肥 12 -+ | | 哈尔滨 8 -+ | |2 南京 10 -+ +-+ 西宁 29 -+ | 郑州

11、16 -+ | 石家庄 3 -+-+ 济南 15 -+ 天津 2 -+ 重庆 22 -+ 成都 23 -+ 本文是按二级以上天数及所占比重作为衡量标准对各个城市空气质量做聚类分析。明显可见全国31个主要城市被分为四类，分类结果见树图1。各类所包含的省市自治区、直辖市如下：第一类有3个城市，其中包括北京、兰州、乌鲁木齐；第二类有13个城市，其中包括哈尔滨、天津、太原、西安、石家庄、济南、郑州、合肥、南京、武汉、西宁、成都、重庆；第三类有10个城市，其中包括银川、沈阳、长春、贵阳、呼和浩特、南昌、杭州、长沙、南宁、上海；第四类有5个城市，其中包括福州、广州、海口、昆明、拉萨。根据环境空气质量标准（

12、GB3095-1996）规定二类区即二级标准为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。我国31个主要城市都已经达到二级标准，但不同的是达到二级标准的天数各不相同。可以看出：第一类的三个城市明显是达到二级标准天数及所占比重最少的。这主要归因于其特殊的城市职能和地理位置，工业发展比较快，工业企业比较多，而且人口密度过大，又容易受西北沙尘暴袭击。诸多因素影响导致空气质量严重恶劣，是重点治理对象。第二类的十三个城市居于中等。主要区域为城镇规划确定的居民区、商业区交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区；也相对存在一些不足之处，有待个相关部门的进一步调查及相关对策治

13、理。第三类的十个城市与其他大城市相比处于中中上等水平。与空气质量较好的城市相比，I级天数较少，III级天数较多，仍存在着不少差距。但是上海是进步最大的一个城市。其中上海市政府加大力度控制大气污染源排放和建设城市绿地是促进城区空气质量变好的重要原因。这是其他城市应该学习和借鉴的。重点是分到第四类的五个城市，其中昆明、海口二级以上天数所占比重达到100%，是中国空气最好的城市。其余三个相对前三类也有明显优势。主要区域为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区。三、对各城市空气质量的主成分分析（一）衡量空气质量好坏的指标影响空气质量的因素有很多，本方法选取可吸入颗粒物（因子1），二氧化氮（因子

14、2），二氧化硫（因子3），湿度（因子4），温度（因子5）等五个因素。数据如下：表二城市可吸入颗粒二氧化硫二氧化氮年平均湿度（%）年平均气温（OC）北 京0.1130.0280.0564913.4天 津0.0930.0420.0385412.9石 家 庄0.0990.0520.0415514.2太 原0.0840.0640.0235310.8呼和浩特0.0760.0540.039427.9沈 阳0.0960.0590.033687.7长 春0.0910.0260.043615.9哈 尔 滨0.0990.0410.046675.2上 海0.0800.0290.0516916.9南 京0.0970.

15、0340.0496816.1杭 州0.0930.0390.0586917.2合 肥0.1130.0220.0257016.3福 州0.0690.0090.0327020.2南 昌0.0880.0560.0386618.4济 南0.1040.0510.0365414.1郑 州0.1030.0510.0475615.1武 汉0.1000.0390.0567716.3长 沙0.0830.0400.0477217.9广 州0.0690.0280.0497421.4南 宁0.0730.0260.0337520.7海 口0.0410.0080.0168123.3重 庆0.0930.0380.0317018

16、.8成 都0.1000.0310.0517415.9贵 阳0.0790.0490.0307814.0昆 明0.0650.0370.0447115.5拉 萨0.0400.0090.023349.4西 安0.1180.0420.0416514.1兰 州0.1380.0480.042577.7西 宁0.1050.0430.026565.7银 川0.0950.0380.030539.9乌鲁木齐0.1320.0790.068567.3（二）共线性诊断选取的指标具有不同的量纲和量纲单位，对选中指标进行标准化处理，使其无量纲化，从而可以得到相同的协方差矩阵或相关矩阵。由下表可知，VIF都大于1，则上述5个变

17、量之间存在多重共线性，在下面的建模中首先要运用提取主成分的方法消除这种共线性。表三系数a模型非标准化系数标准系数tSig.共线性统计量B标准误差试用版容差VIF1(常量)407.41817.76622.933.000可吸入颗粒物(PM10)-1217.042139.740-.963-8.709.000.5401.851二氧化硫(SO2)120.031177.371.070.677.505.6211.610二氧化氮(NO2)117.130217.213.051.539.594.7481.337年平均湿度.390.261.1571.494.148.5991.669年平均气温-.261.650-.0

18、47-.402.691.4752.107（三） 提取主成分根据所述原理，将标准后的样本数据输入spss软件进行主成分分析，并取特征值为大于1，得到累计贡献大于85%的主成分，结果如图：表四解释的总方差成分初始特征值提取平方和载入合计方差的%累积的%合计方差的%累积的%12.32846.56646.5662.32846.56646.56621.36227.23573.8011.36227.23573.8013.58811.76985.570.58811.76985.5704.4228.44394.0145.2995.986100.000表五成份矩阵成分123可吸入颗粒物.779.379.122二

19、氧化硫(SO2).787.163.432二氧化氮(NO2).445.707-.516年平均湿度-.549.692.346年平均气温-.776.461.020用这三个因子代替原来的5个变量可以概括全部信息的85.570%。说明前三个主成分代表原来的五个指标评价城市空气质量已经有足够的把握。因此，描述空气质量，可以用这三个因子。 经过spss分析最终得出综合主成分得分（表五），它反应了各样本的综合水平。表六成分得分系数矩阵成份123可吸入颗粒物二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)年平均湿度年平均气温.335.338.191-.236-.333.278.120.519.508.339.208.734

20、-.877.588.034从而得到主成分方程：=0.335+0.338+0.191-0.236-0.333; （1） =0.278+0.120+0.519+0.508+0.339; （2）=0.208+0.734-0.877+0.588+0.034; （3） 在上表中可以看出：在第一和第三主成分上，二氧化硫的得分最高，这说明二氧化硫成为我国主要城市空气污染的主要污染源，这在一定程度上说明汽车尾气，工厂废气带来的危害。在第二主成分上，二氧化氮的得分最高，表明二氧化氮也能够影响空气的质量。（四）建立回归模型为了使各主成分影响指标更加明显，再对数据进行回归分析，用城市空气质量达到及好于二级的天数作为

21、因变量y对前三个主成份、做普通最小二乘回归， （4）表七模型非标准化标准化tSig.B标准误差试用版常量326.8063.37896.757.000REGR factor score 1 for analysis 1-19.8203.433-0.722-5.773.000REGR factor score 2 for analysis 1-6.3533.433-0.231-1.850.075REGR factor score 3 for analysis 1-1.6563.433-0.060-0.482.634得到标准化后的主成份回归的回归方程： （5）还原后的标准化的主成份回归方程为： （6

22、）表八模型非标准化系数标准系数tSig.B标准 误差试用版 (常量)326.8063.37896.757.000REGR factor score 1 for analysis 1-19.8203.433-.722-5.773.000REGR factor score 2 for analysis 1REGR factor score 3 for analysis 1-6.3533.433-.231-1.850.075-1.6563.433-.060-.482.634得到未标准化的主成份回归的回归方程： （7）还原后的未标准化的主成份回归方程为： （8）（五）结果分析及综合评价由方程（6）可知

23、，可吸收颗粒物的系数最大，它对空气质量好坏的影响最大；二氧化硫次之；空气湿度的影响最小。具体分析为：可吸收颗粒物每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数就会减少0.319%。二氧化硫每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数就会减少0.316%。二氧化氮每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数就会减少0.205%。空气湿度每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数就会增加0.018%。气温每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数就会增加0.16%。 由方程（8）知，各回归系数的实际意义为：=-8.749表示，在二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、年平均湿度、年平均气温不变的条件下，可吸收颗粒物

24、（PM10）每增加1毫克/立方米，空气质量达到及好于二级的天数平均就会减少8.749天。=-8.671表示，在可吸收颗粒物（PM10）、二氧化氮（NO2）、年平均湿度、年平均气温不变的条件下，二氧化硫（SO2）每增加1毫克/立方米，空气质量达到及好于二级的天数平均就会减少8.671天。=-5.631表示，在可吸收颗粒物（PM10）、二氧化硫(SO2)、年平均湿度、年平均气温不变的条件下，二氧化氮(NO2)每增加1毫克/立方米，空气质量到达及好于二级的天数平均就会减少5.631天。=0.476表示，在可吸收颗粒物（PM10）、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、年平均气温不变的条件下，年平均

25、湿度每增加1%，空气质量达到及好于二级的天数平均就会增加0.476天。=3.889表示，在可吸收颗粒物（PM10）、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、年平均湿度不变的条件下，年平均气温每增加1摄氏度，空气质量达到及好于二级的天数平均就会增加3.889天。 由以上结果可知，影响空气质量的最主要因素是可吸收颗粒物（PM10），其次是二氧化硫（SO2），第三是气温。想要改善城市空气质量，首先从这三个方面下手。四、结论与对策建议（一）主要结论 纵观影响我国城市空气质量的这几个因素，我们可以判断出我国空气的污染源主要有三种：生活污染源，工业污染源以及交通污染源。1、生活污染源：城市居民、机关和服务

26、性行业，由于烧饭、取暖、沐浴等生活上的需要，燃烧矿物燃料，向大气排放煤烟、油烟、废气等造成大气污染；城市生活垃圾在堆放过程中厌氧分解排出的二次污染物和垃圾焚烧过程产生的废气。2、工业污染源：随着经济的迅猛发展，各类工厂迅速增加，而大气污染的来源也迅速增多，成了我国大气污染的重要来源。主要包括燃料燃烧排放的污染物以及工艺生产过程中排放的废气（如化工厂向大气排放的具有刺激性、腐蚀性、异味和恶臭的有机和无机气体；炼焦厂排放的酚、苯、烃类和化纤厂排放的氨、二硫化碳、甲醇、丙酮等有毒有害物质）以及生产过程中排放的各类金属和非金属粉尘。由于工业企业的性质、规模、工艺过程、原料和产品等种类不同，对大气污染的

27、程度也不同。如：由火力发电厂、钢铁厂、化工厂及农药厂、造纸厂等各种工矿企业在生产过程中排放出来的烟气，含有烟尘、硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳及碳黑、卤素化合物等有害物质。3、交通污染源;：经济发展离不开交通，交通业的迅猛发展带来的大气污染也是主要来源之一。飞机、汽车、船舶排出的尾气中含NO、NO2、二氧化硫、碳氢化合物(HC)、CO、铅氧化物、苯并(a)芘、多环芳烃等大气污染物。而且由于汽车汽缸结构不好，燃烧不完全，以及使用汽油抗爆剂四乙基铅Pb(C2H5)4等，在燃烧排放的尾气中，还含有大量污染气体。（二）对策与建议 根据我国国情要解决空气污染问题，必须加大执法力度，彻底改变“有法不依，执法

28、不严”的状况，提高生产技术水平，控制污染源，在旧城改建和新建城市规划时，合理布局工业企业。合理规划城市绿地，提高城市绿化水平。控制大气污染源是治理大气污染的关键，合理工业布局重在防，而生物措施，搞好城市绿化是防治结合。三者应并重，不可偏废。1、控制污染源，加强大气检测大众媒体监督在控制污染源方面，首先应加强检测预报工作，进行公众舆论监督。城市的空气质量像天气预报一样，天天预报。一是唤醒全民对生命之气大气质量的关注，另一方面，对主要大气污染源的工业企业增加压力。2、促使企业进行工艺改造，加大环保投资要加大执法力度对那些耗能大、污染重、效益差的企业。依据环保法规及行政的、经济的调控手段，坚决实行关

29、、停、转对污染大户要强制执行环保处理措施促使其达到国家规定级别的排放标准。工业企业也应站在保护人类生命之气的高度积极进行工艺改造，加大环保投资力度，对废气的排放进行综合利用，杜绝或减少滴、冒、跑、漏，最大限度地降低污染物的排放量和毒害程度；废气中会有一些有价值的气体，可以循环利用，降低生产成本。从而真正做到节能减排，国家要对积极进行技术改进的企业有实质性的鼓励，以促进企业的积极性。3、控制交通污染源和生活污染源，治理交通污染源首先要确定城市规模，控制人口数量。第二要控制车辆数量尤其是有把摩托车出租车数量控制在适量水平，不应任其发展。第三要对车辆能源进行改革。从目前来看，推广无铅汽油和推广汽油车

30、电子控制燃油喷射技术具有可行性，从长远来看，要开发和生产对大气无污染的新型能源车辆。如太阳、电能车辆等，还可以像日本学习，在汽车出厂时都已安装了过滤器，排放标准达到了欧洲三级标准，使得空气中的PM2.5含量大大降低，从根本上解决车辆尾气污染问题。控制生活污染源有一定困难，但如果措施得力，办法可行，仍然能取得比较理想的效果。像北方城市的取暖问题，应采取全市集中供热的办法，不准私建锅炉，同时国家应大力发展电力事业，降低电费。引导城市居民进行厨房革命，以减轻生活煤灶对大气的污染。4、合理城市工业布局即使达到国家规定的废气排放标准的工业企业，其气体排放物仍对大气有一定的污染。所以在旧城改建和新城规划时应充分考虑当地的自然条件，包括主导风向和地理环境。在工业企业选址时，从大气影晌方面考虑应注意以下三点：第一、根据城市的主导风向，厂址应选在下风向；第二、厂址应选在空气流畅，利于废气扩散和稀释的地方；第三、与居住区之间要保持一定的距离。距离的大小，根据卫生部颍发的防护级别标