基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析的中國(guó)北京市霧霾影響因素分析

王云藝 徐約珥

河南大學(xué)，中國(guó)·河南 開(kāi)封 475000

1 研究背景與問(wèn)題

自2013年以來(lái)，在中國(guó)大部分地區(qū)出現(xiàn)天氣異?，F(xiàn)象，霧霾天氣逐漸加重，特別是“京津冀”一帶一直存在嚴(yán)重的霧霾問(wèn)題，霧霾現(xiàn)已成為中國(guó)比較嚴(yán)重的、亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。因此，研究中國(guó)的霧霾現(xiàn)狀，對(duì)于引起大眾的認(rèn)識(shí)和便于提出治理對(duì)策都有重要意義。論文對(duì)全國(guó)各地區(qū)的霧霾分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以中國(guó)北京市為例，希望通過(guò)定量分析，找出與霧霾有關(guān)的主要影響因素。

2 中國(guó)北京市霧霾情況

由于中國(guó)是自2013年開(kāi)始重視霧霾問(wèn)題，并開(kāi)始關(guān)注空氣質(zhì)量指數(shù)的測(cè)定，所以缺少2013年以前的空氣質(zhì)量具體數(shù)據(jù)。根據(jù)2013年12月至2020年5月的中國(guó)北京市每月的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI 的數(shù)據(jù)顯示近年來(lái)中國(guó)北京市的空氣質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，說(shuō)明整體空氣質(zhì)量正在改善。

圖1 中國(guó)北京市空氣質(zhì)量指數(shù)

通過(guò)分析可以看出，中國(guó)北京市的霧霾天氣隨季節(jié)性變化，秋冬季霧霾較為嚴(yán)重，夏秋季空氣質(zhì)量一般都能達(dá)到優(yōu)良。自2018 以后中國(guó)北京市的月均空氣質(zhì)量指數(shù)均在輕度污染以下，并且空氣質(zhì)量指數(shù)的波動(dòng)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明近年來(lái)針對(duì)霧霾的防治措施取得了較好的效果。但是空氣質(zhì)量指數(shù)最低月份并沒(méi)有達(dá)到優(yōu)，且個(gè)別月份的空氣質(zhì)量指數(shù)仍到達(dá)輕度污染，說(shuō)明還需對(duì)霧霾天氣加強(qiáng)治理力度。

3 中國(guó)北京市霧霾影響因素篩選

論文通過(guò)閱讀中全球相關(guān)文獻(xiàn)和查找其他相關(guān)資料，初步確定了霧霾污染影響 因素的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

3.1 交通因素

居民生活中很多情況下會(huì)使用私家車進(jìn)行出行。2019年，中國(guó)北京市機(jī)動(dòng)車保有量為636.5 萬(wàn)輛，比上年末增加28.1萬(wàn)輛。其中民用汽車590.8 萬(wàn)輛，增加16.2 萬(wàn)輛。機(jī)動(dòng)車的尾氣是霧霾顆粒組成的最主要的成分，最新的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)北京霧霾顆粒中機(jī)動(dòng)車尾氣占22.2%，燃煤占16.7%，揚(yáng)塵占16.3%，工業(yè)占15.7%，可見(jiàn)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加對(duì)中國(guó)北京市霧霾的形成有較大的影響。

3.2 氣候因素

氣候條件在霾的發(fā)生、發(fā)展、消散等多個(gè)環(huán)節(jié)中都有重要作用。溫度、氣壓、風(fēng)力、濕度等氣象條件都跟霾或多或少有關(guān)，同時(shí)霧霾還受到氣候變化的影響。近年來(lái)全球氣候變暖，影響中國(guó)的大氣層狀態(tài)無(wú)波動(dòng)，冷空氣較暖，季風(fēng)環(huán)流低，風(fēng)速不大，靜風(fēng)在水平層面的積累日益重疊，懸浮在大氣中的微粒不能向外輸送擴(kuò)散，也不能稀釋減少，在城區(qū)和近周邊近郊持續(xù)不斷蓄積增多。

3.3 能源消耗

尤其是化石能源的使用霧霾的形成有巨大貢獻(xiàn)。對(duì)于SO2、NOx、煙粉塵、一次PM2.5 和Hg 等主要的大氣污染物，煤炭直接燃燒以及和煤炭使用直接相關(guān)的行業(yè)都貢獻(xiàn)了超過(guò)一半的排放量，煤炭直接燃燒對(duì)于SO2的貢獻(xiàn)接近80%，是幾種污染物中直接燃燒貢獻(xiàn)率最高的。汽油和柴油只要燃燒不充分，排放物就會(huì)混有黑碳，即使汽車原地不動(dòng)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)其黑碳排放量也在PM2.5 的組成成份中占3%～5%，甚至能達(dá)到12%，從而造成視覺(jué)可見(jiàn)度降低[1]。

3.4 廢氣排放

霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ咏M成的。它也能使大氣渾濁，視野模糊并導(dǎo)致能見(jiàn)度惡化。霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項(xiàng)組成，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項(xiàng)顆粒物才是加重霧霾天氣污染的主要原因，它們與霧氣結(jié)合在一起，讓天空瞬間變得陰沉灰暗[2]。

基于以上分析，論文從交通因素、氣候因素、能源消耗和廢氣排放這四個(gè)方面篩選了共9 種影響霧霾形成的主要因素作為論文的研究重點(diǎn)，分別為民用騎車擁有量（單位：萬(wàn)輛）、年降雨量（單位：mm）、平均氣溫（單位：℃）、煤炭消費(fèi)量（單位：萬(wàn)噸）、城市液化石油氣供氣總量（單位：萬(wàn)噸）、汽油消費(fèi)量（單位：萬(wàn)噸）、二氧化硫排放量（單位：萬(wàn)噸）、氮氧化物排放量（單位：萬(wàn)噸）與煙粉塵排放量（單位：萬(wàn)噸），如下圖所示：

圖2 霧霾主要影響因素

4 構(gòu)建中國(guó)北京市霧霾影響因素分析模型

4.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

Step1：判斷Z 中是否存在著負(fù)數(shù)，假如存在的話，需要對(duì)X 使用另一種標(biāo)準(zhǔn)化方法，對(duì)矩陣X 進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)化得到矩陣，其標(biāo)準(zhǔn)化的公式為：

Step2：計(jì)算第j 項(xiàng)影響因素下第i 個(gè)樣本所占的比重，并將其看作相對(duì)熵計(jì)算中用到的概率。

經(jīng)過(guò)上一步處理得到的非負(fù)矩陣為：

Step3：計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的信息熵，并計(jì)算信息效用值，并歸一化得到每個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)。

對(duì)于第j 個(gè)指標(biāo)而言，其信息熵的計(jì)算公式為：

將所有任務(wù)的信息效用值進(jìn)行歸一化，就能得到每個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)的熵權(quán)：

Step4：得到權(quán)重向量

4.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)模型基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度越大，否則越小。灰色關(guān)聯(lián)分析方法彌補(bǔ)了采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法做系統(tǒng)分析所導(dǎo)致的缺憾，它對(duì)樣本量的多少和樣本有無(wú)規(guī)律都同樣適用，而且計(jì)算量小十分方便，更不會(huì)出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況。

Step1：確定分析數(shù)列

母序列：反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列，這里為動(dòng)力煤價(jià)格，記為x0

子序列：影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列，這里為上述9 個(gè)影響因素，記為

Step2：數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了消除量綱影響，縮小變量范圍，對(duì)母序列和子序列中的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理。求出每個(gè)指標(biāo)的均值，再用該指標(biāo)中的每個(gè)元素除以其均值，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)：

Step3：計(jì)算子序列中各個(gè)指標(biāo)與母序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算式為：

Step4：計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

計(jì)算所有指標(biāo)與參考序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)可以得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

Step5：計(jì)算加權(quán)關(guān)聯(lián)度R

4.3 模型求解

4.3.1 數(shù)據(jù)收集

通過(guò)中國(guó)中國(guó)北京市統(tǒng)計(jì)年鑒和中國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)網(wǎng)站等渠道，論文收集了2013 至2019年的各個(gè)影響因素的歷史數(shù)據(jù)如表1所示。

4.3.2 計(jì)算結(jié)果

利用上文的熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重的計(jì)算步驟，可以得到各影響因素的權(quán)重，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，可以得到所有影響因素的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，同時(shí)對(duì)加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行排序，得到如表2所示的結(jié)果。

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)加權(quán)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果可以看出，二氧化硫排放量、煙粉塵排放量、煤炭消費(fèi)量與中國(guó)北京市空氣質(zhì)量指數(shù)的關(guān)聯(lián)度較大，說(shuō)明這三種影響因素是造成中國(guó)北京市霧霾的主要因素。

由上文數(shù)據(jù)可以看出，二氧化硫排放量、煙粉塵排放量、煤炭消費(fèi)量和AQI 近幾年來(lái)都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，說(shuō)明中國(guó)北京市的空氣質(zhì)量指數(shù)下降與二氧化硫排放量、煙粉塵排放量、煤炭消費(fèi)量的減少有關(guān)。根據(jù)近三年的京津冀地區(qū)廢氣排放量調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示， 二氧化硫、氮氧化物和煙霧灰塵的排放量在逐年減少， 說(shuō)明京津冀地區(qū)在控制、治理霧霾方面取得了明顯的效果。而這主要得益于新的治理舉措， 即中國(guó)北京-天津-河北地區(qū)協(xié)同治理。同時(shí)，中國(guó)北京市在2017年發(fā)布了《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》及《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度方面，規(guī)劃提出，，到2020年把能源消費(fèi)總量控制在50 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，規(guī)劃明確，“十三五”時(shí)期非化石能源消費(fèi)比重提高到15%以上，天然氣消費(fèi)比重力爭(zhēng)達(dá)到10%，煤炭消費(fèi)比重降低到58%以下[3]?？梢?jiàn)在以上措施的實(shí)施下，中國(guó)北京市的霧霾情況得到了較好的改善。

5 霧霾防治措施

5.1 控制污染源排放

根據(jù)上文的分析，二氧化硫排放量、煙粉塵排放量對(duì)AQI 的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最高，燃煤廢氣等污染氣體的排放是中國(guó)北京市霧霾的主要來(lái)源。因此，加強(qiáng)對(duì)大氣污染物排放的監(jiān)測(cè)和管理十分重要。只有逐漸減少對(duì)高耗能、高污染的產(chǎn)業(yè)的投入，對(duì)重型工業(yè)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)整合和優(yōu)化，才能不斷促進(jìn)新型產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，有效提高生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。

5.2 嚴(yán)格控制汽車尾氣排放量

隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，出行的條件也逐漸得到改善，私家車出行已經(jīng)成為人們出行的主要方式，但是汽車排放的尾氣對(duì)大氣環(huán)境具有非常嚴(yán)重的影響，為了有效減少大氣污染、改善環(huán)境，應(yīng)該對(duì)汽車排放尾氣進(jìn)行有效的控制?？梢詫?duì)汽車燃油進(jìn)行一定的改進(jìn)，不斷研發(fā)和改進(jìn)燃油的成分，盡量利用清潔能源代替舊式的燃油，使汽車排放尾氣的清潔度得到提升[4]。

表1 2013-2019年中國(guó)中國(guó)北京市的各影響因素?cái)?shù)據(jù)

表2 各影響因素的加權(quán)關(guān)聯(lián)度

5.3 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

由于煤炭消費(fèi)量與空氣質(zhì)量指數(shù)的關(guān)聯(lián)度較高，因此能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整具有很大的意義。中國(guó)的能源消費(fèi)中，煤炭、石油等高碳能源消費(fèi)占比巨大，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主，能源總量在不斷增長(zhǎng)。在此種情況下，要優(yōu)化調(diào)整中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，就要對(duì)能源消費(fèi)總量進(jìn)行嚴(yán)格控制，可以依靠改進(jìn)科技，提高生產(chǎn)效能，使高碳能源的消費(fèi)比重最大限度的降低。

5.4 倡導(dǎo)綠色生活方式

通過(guò)加強(qiáng)宣傳與學(xué)校教育，增強(qiáng)公民的環(huán)保意識(shí)，提倡低碳環(huán)保出行，有效減少空駛車輛的能耗與尾氣的排放，提倡綠色交通出行理念[5]，可通過(guò)采用步行、自行車，公交車與地鐵等出行方式減少空氣污染。促進(jìn)城市的綠色規(guī)劃，積極增加城市中的綠化面積，在道路與高架周圍設(shè)置綠化帶，有效地對(duì)有害氣體進(jìn)行過(guò)濾。

6 結(jié)語(yǔ)

6.1 主要結(jié)果

通過(guò)對(duì)中國(guó)北京市霧霾現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)北京市的霧霾情況正在逐年好轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量指數(shù)的變化有明顯季節(jié)性特征。普遍表現(xiàn)為春冬季霧霾情況較為嚴(yán)重，夏秋兩季空氣質(zhì)量一般可以達(dá)到優(yōu)良[6]。自2013年以來(lái)中國(guó)北京市空氣質(zhì)量指數(shù)逐年下降，論文通過(guò)構(gòu)建霧霾影響因素的評(píng)價(jià)模型，分析了中國(guó)北京市霧霾情況好轉(zhuǎn)的主要原因，為今后的霧霾治理工作提供參考。

首先，經(jīng)過(guò)對(duì)霧霾成因的分析，從四個(gè)方面選取了9 種影響霧霾形成的主要因素[7]。以中國(guó)北京市2013年至2019年的歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，使用熵權(quán)法確定了9 種影響因素各自的權(quán)重。其次，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI 為參考序列，9 種霧霾影響因素為比較序列，計(jì)算了每種影響因素的關(guān)聯(lián)度，結(jié)合熵權(quán)法計(jì)算的權(quán)值，得到了最后的加權(quán)關(guān)聯(lián)度。最后，分析結(jié)果顯示，9 種影響因素依照關(guān)聯(lián)度大小的排序?yàn)椋憾趸蚺欧帕?、煙粉塵排放量、煤炭消費(fèi)量、氮氧化物排放量、年降雨量、城市液化石油氣供氣總量、平均氣溫、汽油消費(fèi)量和民用汽車擁有量。其中，二氧化硫的關(guān)聯(lián)度最大，主要與工業(yè)廢氣的排放有關(guān)；煙粉塵排放量位于第二，其主要來(lái)源有汽車尾氣排放和工業(yè)生成污染。煤炭消費(fèi)量反應(yīng)了中國(guó)北京市的能源消耗量與能源結(jié)構(gòu)[8]。

6.2 不足和改進(jìn)

由于影響中國(guó)北京市霧霾形成的因素有很多，論文的觀點(diǎn)有一定的局限性。例如，根據(jù)文獻(xiàn)查閱的結(jié)果，汽車尾氣在中國(guó)北京市的霧霾形成中占據(jù)重要地位，然而計(jì)算結(jié)果顯示民用汽車擁有量與空氣質(zhì)量指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最低；經(jīng)過(guò)調(diào)查認(rèn)證，中國(guó)近年來(lái)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量雖然持續(xù)上升，但污染物排放總量卻在逐年下降，說(shuō)明機(jī)動(dòng)車數(shù)量并不是影響霧霾形成的主要因素。今后可在選取指標(biāo)方面進(jìn)行更深入、更全面的討論；另外，論文僅僅分析中國(guó)北京市霧霾的時(shí)間分布的大致情況，且并沒(méi)有對(duì)空間分布情況進(jìn)行討論，今后的研究可進(jìn)一步分析中國(guó)北京市霧霾的空間分布和時(shí)間分布特征。