全球臭氧水平研究及預(yù)測

摘要：臭氧層的破壞是人類面臨的最重要的環(huán)境問題之一，今天，大多數(shù)科學(xué)家認為，人類過度使用含氯氟烴（cfc）材料是破壞臭氧層的主要原因。本文研究全球臭氧水平的影響因素，包括氟氯烴和鹵代烷濃度水平，利用多元線性回歸分析，探索它們之間的關(guān)系，并使用時間序列分析的方法預(yù)測在未來五十年的氯氟化碳（cfc）物質(zhì)和哈龍（鹵代烷）的水平，從而預(yù)測未來五十年全球臭氧水平。

關(guān)鍵詞：臭氧；氯氟烴；鹵代烷；多元線性回歸、時間序列分析

1.概述

1.1背景

自1970年代以來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，全球總臭氧減少的趨勢，以及臭氧的減少主要發(fā)生在臭氧層[1]。南極科學(xué)研究表明，從1977年開始，在南極臭氧的總量迅速下降，形成一個“臭氧空洞”。隨后的科學(xué)家觀察表明，臭氧空洞面積不斷擴大，臭氧濃度正在加速下降。與此同時，南極臭氧空洞的持續(xù)時間更長。所有這些跡象表明，南極臭氧空洞的損耗仍在惡化。進一步的觀察表明，臭氧層的損耗不僅發(fā)生在南極，北極和其他中部緯度地區(qū)也出現(xiàn)不同程度的臭氧損耗的現(xiàn)象。北極上空的臭氧層減少了20%，已形成了一個面積約1/3的臭氧空洞。在世界上被稱為“第三極”的青藏高原，大氣物理和氣象觀測中國學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，青藏高原臭氧以每十年2.7%的速度減少，已經(jīng)成為大氣中第三個臭氧空洞。根據(jù)全球總臭氧觀測結(jié)果表明，臭氧總量在1978 - 1991年每10年減少1% - 5%。這種情況已經(jīng)造成了臭氧層嚴重的損耗，引起許多國家的政府和人民普遍關(guān)注。

2. 基本原理

2.1多元線性回歸的原理分析

研究兩個或兩個以上的自變量對因變量的相關(guān)性分析，稱為多元線性回歸模型。多元線性回歸模型是線性回歸模型的一個擴展，其基本原理類似于線性回歸模型，但解釋變量不是一個而是很多。計算公式如下：設(shè)置隨機變量y和一般變量x1，x2，…xk線性回歸模型[2]：

（2-1）

在 ， ，… 是K + 1未知參數(shù)，稱為回歸常數(shù)；y稱為解釋變量； x1 ，x2，… xk是K個可控變量。k= 1時，這是一個線性回歸模型，當(dāng)k > = 2時被稱為多元線性回歸模型。ε是隨機誤差。

2.2時間序列分析

ARIMA模型[3]稱為自回歸綜合移動平均模型（自回歸綜合移動平均模型，縮寫為ARIMA），ARIMA（P D q）模型稱為差分自回歸移動平均模型。ARIMA模型根據(jù)原始序列是穩(wěn)定以及回歸的不同部分，包括滑動平均（MA）、自回歸（AR）過程，自回歸移動平均（ARMA）過程和ARIMA的過程。ARIMA模型是基于數(shù)據(jù)序列的穩(wěn)定性，為非平穩(wěn)的趨勢系列，消除的差異趨勢后，達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后用ARIMA模型。模型可以表示為ARIMA（P D q），如果沒有數(shù)據(jù)序列中的季節(jié)周期：

， （2-3）

ARIMA建模和預(yù)測的一般步驟如下：1）數(shù)據(jù)序列加工；2）模型識別和估計；3）參數(shù)估計和模型診斷測試；4）預(yù)測。

3.數(shù)據(jù)分析

3.1數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過綜合考慮，本文中使用的主要變量有：全球臭氧濃度，氟氯化碳的濃度，每年一年一度的鹵代烷的濃度，研究氟氯烴和鹵代的濃度對臭氧濃度的影響。其中，臭氧濃度選取全球年度最低的臭氧濃度、鹵代烷主要用鹵代烷- 1301測量。數(shù)據(jù)使用一年作為單元的數(shù)據(jù)，共有1979 - 2012年34年的數(shù)據(jù)。

本文的總體思路是：1、以年度最低臭氧濃度作為解釋變量，一年一度的氯氟化碳濃度和鹵代烷濃度作為因變量，建立多元線性回歸模型。2，使用時間序列預(yù)測分析模型的氯氟化碳濃度和鹵代烷濃度?？紤]到數(shù)據(jù)使用的影響，所以在這之前對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

可以發(fā)現(xiàn)，各回歸系數(shù)的顯著性檢驗水平小于0.01。因此，我們可以認為這兩個回歸系數(shù)是重要的，根據(jù)回歸系數(shù)可以寫出氯氟烴和鹵代烷臭氧多元線性回歸方程。

（3-1）

從上圖我們可以看到，自相關(guān)和偏相關(guān)延遲項是一階時，偏相關(guān)和自相關(guān)逐漸減少到零。因此，我們可以考慮ARIMA（1、2、1）模型。

如下圖所示，臭氧水平用回歸預(yù)測了未來50年之前進一步預(yù)測趨勢，可以非常直觀的看到在2000年之前，臭氧水平顯示一個明顯的下降趨勢。可以看到2000年之后，臭氧濃度不斷增加，通過預(yù)測50年臭氧濃度趨勢可以看到，臭氧濃度將在接下來的50年上升到一個新的高度，但是很難超越1980年之前的水平，表明臭氧復(fù)蘇是一個緩慢的過程，雖然國際形勢要好得多，但是考慮到空氣中臭氧破壞穩(wěn)定的氣體，以及長期臭氧化學(xué)反應(yīng)，臭氧恢復(fù)需要一些時間，但我們可以肯定，這一趨勢是正確的方向。

因此，有必要采取措施來保護臭氧層。世界上所有國家都應(yīng)該遵守蒙特利爾協(xié)議并采取積極措施保護臭氧層。首先，必須減少氯氟碳化合物和哈龍等物質(zhì)的生產(chǎn)以及使用。同時尋找新的替代能源，清潔能源。其次，我們應(yīng)該提倡低碳生活，減少碳排放，經(jīng)濟的科學(xué)發(fā)展，不能以犧牲環(huán)境為代價，我們還有很長的路要走。最后，改善世界臭氧層保護的意識，共同努力，使臭氧恢復(fù)正常水平。

參考文獻：

[1]李坤蘭. 臭氧層的破壞及其保護[J]. 環(huán)境技術(shù)，2000，02：21-23.

[2]李金海. 多元回歸分析在預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，（03）：57-61.

[3]湯巖. 時間序列分析的研究與應(yīng)用[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

作者簡介：杜沖（1991.8-），男，漢，安徽宿州市人，碩士研究生，研究方向：保險精算.