空氣質量的變化趨勢及影響因素分析——以北京市為例

梁銀雙，孫振營，沈啟霞（1.首都經濟貿易大學統計學院，北京100070；.中州大學信息工程學院，鄭州450044；.鄭州科技學院基礎部，鄭州450064）

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空氣質量的變化趨勢及影響因素分析
——以北京市為例

梁銀雙1，2，孫振營2，沈啟霞3
（1.首都經濟貿易大學統計學院，北京100070；2.中州大學信息工程學院，鄭州450044；3.鄭州科技學院基礎部，鄭州450064）

摘 要：為對空氣質量的變化進行合理綜合的評價，進而分析空氣質量的影響因素，選取大氣主要污染物二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳為研究因子，利用改進的模糊綜合評價方法，將北京市近十年的空氣質量進行等級評價并排序。結合空氣質量的變化趨勢，從北京市能源消費結構變化的角度，得出石油產品的消耗是加大空氣污染的主要原因，尤其是煤油、汽油的消耗。

關鍵詞：空氣質量；模糊綜合評價；能源結構；石油消耗

目前我國空氣質量采用空氣污染指數進行評價，即API（Air Pollution Index）評價，就是將空氣中的污染物如二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物等的濃度換算為指標數值形式，取數值最大者作為該區域的空氣污染指數API，對空氣污染程度和空氣質量狀況進行分級。張琪敏等［1］將API作為研究對象，研究分析了北京、青島、蘭州等10個城市的污染狀況和污染差異；柴微濤等［2］根據成都市城區2001—2005年的大氣污染監測資料，采用時間序列分析方法，對空氣污染指數API建立自回歸滑動平均模型模擬實測的空氣污染指數。

大氣質量評價方法除了API指數法，還有綜合指數法、灰色聚類分析方法［3－4］等，但將模糊綜合評價方法應用到對空氣質量的評價還不多見。其實，簡單的模糊變換法也存在不足，這里將簡單模糊變換的結果等級對應的各分值進行加權平均，得到綜合評價分值，可以增強同等級別的可比性。作為應用，以北京市為例，對空氣質量的變化和影響因素進行分析。對北京市空氣質量的研究目前已有不少文獻［5－6］，這里首先將北京市近十年的空氣質量進行排序，將空氣質量變化趨勢和能源消費結構變化相結合，分析當前空氣污染的主要原因。從能源角度分析空氣質量也已有一些文獻，如李林等［7］從能源利用的角度分析和預測北京市2008年空氣質量。本文利用北京市2004—2013年空氣主要污染物濃度值（見表1），對北京市空氣質量做模糊綜合評價。

表1　北京市區空氣主要污染物年均濃度值　　單位：mg／m3

一、北京市空氣質量的變化趨勢

模糊綜合評價法基于模糊數學理論，對事物進行定量評價，可以對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的綜合評價。該方法非常適合解決各種不確定性問題，是一種解決多因素影響問題的有效的決策方法。模糊綜合評價的具體步驟如下：

1.建立評價指標集

影響北京市空氣質量的主要污染物為二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳。選取這4種污染物為研究因子，分別記作u1，u2，u3，u4，則評價因子集為u＝｛u1，u2，u3，u4｝。

2.建立評價集

由于北京市細顆粒物（PM2.5）的監測數據于2012年10月1日才率先在全國發表，沒有往年的數據，這里仍采用環境空氣質量標準GB3095－1996和其修改單進行樣品分析和評價（見表2），將空氣質量分為三級標準，建立評價集v＝｛v1，v2，v3｝。

表2　各項污染物的濃度標準限值表　單位：mg／m3

3.建立模糊關系矩陣R

對被評價事物從每個因素ui（i＝1，2，3，4）上進行量化，即確定其隸屬度（R｜ui），進而得到模糊關系矩陣：

根據各指標的三級標準，建立各因子的隸屬度函數。對于第i個因子ui（i＝1，2，3，4）的隸屬度函數（R｜ui）＝（ri1ri2ri3）具體表達式如下：

第一級空氣質量，隸屬函數為

其中xi代表第i個污染因子的實測值，sij代表第i個污染因子第j（j＝1，2，3）級標準值。

第二級空氣質量，隸屬函數為

第三級空氣質量，隸屬函數為

以2012年二氧化硫u1的污染濃度為例，計算二氧化硫的三級隸屬度。x1＝0.028 mg／m3，s11＝0.02 mg／m3，s12＝0.06 mg／m3，s13＝0.10 mg／m3，代入公式（2）～（4）計算得：

其他污染因子的隸屬度計算方法同上，可得2012年的模糊關系矩陣為

4.確定因子權重

根據污染物對空氣的污染大則權重大的原則，確定各因子的權重，計算公式為：

其中，xi代表第i個污染因子的實測值，si代表第i個污染因子的三種標準的平均值。根據表1數據對單因素權重進行歸一化處理，構成權重集A。這里仍以2012年為例，因子權重集A′＝，歸一化為A＝（0.175 0.291 0.421 0.113）。其他年份的模糊關系矩陣和因子權重集作類似計算。

5.進行矩陣復合運算，綜合評價空氣質量

將上述得到的因子權重集A和空氣污染因子對各空氣質量等級的隸屬程度的模糊關系矩陣R，按照空氣質量綜合判別模型進行復合運算。其中，綜合判別模型為：

根據隸屬度最大原則，對每年空氣質量等級進行評價，結果見表3。由表3可以看出，2006年和2007年空氣質量為三級（較差），2008年和2009年空氣質量為一級（較好），其余年份為二級。使用最大隸屬度原則由于損失信息很多，在一些情況下評價結果并不好。例如雖然2008年空氣質量為一級，2012年空氣質量為二級，但就一些主要污染物濃度來看，2012年的空氣質量要好于2008年。因此，這里提出加權平均法。

6.對模糊綜合評價結果進行加權平均處理

將各等級對應的分值進行加權平均，得到評價分值，可以增強同等級別的可比性，并且可以將近十年的北京市空氣質量進行排序。評價得分C的計算公式如下：

C＝0.5b1＋0.3b2＋0.2b3（8）

其中，bj（j＝1，2，3）為各等級的分值，這里給定的0.5，0.3，0.2為各等級對應的權重。因為考慮到一級得分越高則空氣質量越好，所以權重值由大到小。按評價得分由大到小的順序進行排列，結果見表4。

表3　模糊綜合評價結果

表4　綜合評價結果

近幾年空氣質量排名靠前，但霧霾天氣卻越來越嚴重（PM2.5的監測在2012年才開始，排序結果沒有考慮PM2.5的影響）。2013年北京市PM2.5年均濃度為89.5mg／m3，超過國家標準156%，PM2.5已成為北京市大氣污染治理的主攻方向。

二、從能源消費結構的角度分析空氣質量變化的影響因素

可吸入顆粒物PM10和PM2.5的主要來源包括化石燃料（煤、汽油、煤油、柴油）和生物質（秸稈、木柴）等燃燒、道路和建筑施工揚塵、工業粉塵、餐飲油煙等污染源直接排放的顆粒物，也包括由一次排放出的氣態污染物（二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發性有機物等）轉化生成的二次顆粒物。這里討論化石燃料的一次排放對空氣質量的影響。

表5　北京市能源消費總量及主要品種　　單位：萬噸標準煤

北京市能源消費的主要品種分為三大類：煤炭、焦炭等原煤產品，汽油、煤油、柴油等石油產品和天然氣、電力等其他能源。近年來，北京市為改善空氣質量，力推能源結構調整，能源結構已發生重要變化（見表5）。總體來說，能源消費總量在逐年增加。其中，煤炭、焦炭的消費量在不斷下降；天然氣作為一種清潔能源，其增長速度最快，年均增速達22.5%；電力的消費量也比較大，保持持續快速上升的趨勢，并于2008年超過原煤，成為北京市消費量最大的能源。

1.煤炭、焦炭消耗對空氣質量的影響

據測算，在影響北京PM2.5的各種因素中，能源使用因素占近4成。其中，來自使用燃煤的排放約占16.7%，由燃煤帶來的二氧化硫、氮氧化物和粉塵的排放量分別占全市相應總排放量的95%，25%，5%。煤炭和焦炭消耗主要影響二氧化硫的排放。結合表1和表5，可以看出煤炭的消耗量與二氧化硫年均濃度成正比，燃煤排放的污染正在被控制和減少。

2.汽油、煤油、柴油消耗對空氣質量的影響

北京市汽油、煤油、柴油的消費量遠低于原煤和電力，但一直保持較快的增長速度，年均增長速度在12%左右，尤其是煤油增幅最大。將2012年和2005年的數據作對比，可以看出，柴油消耗量增長53%，汽油消耗量增長77%，煤油消耗量增長134%。在煤炭、焦炭消耗量減少、品質提高的基礎上，近年來霧霾天氣的罪魁禍首是石油產品消費量的增加。消耗汽油、煤油、柴油產生的主要污染物有一氧化碳、未燃燒的碳氫化合物、氮的氧化物、含鉛化合物和煙塵等，結合表1顯示的二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳的年均濃度近5年來基本持平，也可看出石油產品燃燒產生的污染有待進一步有效治理。

關于對機動車燃油產生的污染治理問題，北京市已采取一些應對辦法：2008年10月11日開始實施工作日五日制尾號限行措施；2011年實施機動車搖號，限制機動車增長速度；2013年5月31日，與歐洲主流環保標準同步的機動車燃油“京Ⅴ”標準正式發布，北京500萬輛機動車改“喝”更清潔的燃油等。但是煤油產生的相關污染問題并未得到重視。隨著航空事業的發展，煤油的增加量和增加幅度都已超過了汽油（見表5數據），急需出臺相應的政策減輕煤油污染，連續出現重度污染天氣時，可考慮采取一些限飛措施，例如在一些航線上進行流量控制等。

三、結語

由北京市近十年空氣質量的模糊綜合評價結果可知，空氣中二氧化硫、二氧化氮等污染物濃度在降低，目前影響空氣質量的主要因素為PM2.5等可吸入顆粒物。從消費結構的角度來看，PM2.5的主要來源是石油產品的消耗，尤其是煤油、汽油的消耗，急需出臺相應的措施來減輕煤油燃燒帶來的污染。但是航空煤油的燃燒產生的污染區域不易界定，有待進一步研究。

參考文獻：

［1］張琪敏，趙景波.2004年中國典型城市大氣污染現狀及污染差異分析［J］.貴州師范大學：自然科學版，2007，25 （2）：33－37.

［2］柴微濤，宋述軍，宋學鴻.成都市城區空氣污染指數的時間序列分析［J］.成都理工大學學報：自然科學版，2007，34（4）：485－488.

［3］伊元榮.基于灰色聚類法的烏魯木齊市空氣質量狀況研究［J］.水土保持研究，2007，14（6）：139－141.

［4］張云海，馬雁軍，孫財濤.灰色聚類評價在經濟區大氣環境質量評價中的應用［J］.環境科學與技術，2010，33 （6）：426－428.

［5］張菊，苗鴻，歐陽志云，等.近20年北京市城近郊區環境質量變化及其影響因素分析［J］.環境科學學報，2006，26（11）.

［6］秦莉，陳波，胡菊，等.北京市城近郊區大氣環境質量分析與綜合評價［J］.安徽農業科學，2008，36（5）：1970－1971.

［7］李林，郝吉明，胡京南.北京市能源利用對空氣質量的影響分析和預測［J］.中國環境科學，2005，25（6）：746－750.

（責任編輯 姚虹）

Analysis on the Changing Trend of Air Quality and Its Influencing Factors
——Taking Beijing City as an Example

LIANG Yin－shuang1－2，SUN Zhen－ying2，SHEN Qi－xia3
（1.Statistic School，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China；2.College of Information Engineering，Zhongzhou University，Zhengzhou 450044，China；3.Department of Basic Course，Zhengzhou College of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China）

Abstract：In order to reasonably and comprehensively evaluate air quailty，and then analyze the factors affecting the air quality，major pollutants of air，such as sulfur dioxide，nitrogen dioxide，particulate matter and carbon monoxide are selected as the research factors.Using the improved fuzzy comprehensive evaluation method，Beijing’s air quality in recent ten years is evaluated.Combined with the changes of air quality，and from the perspective of energy consumption structure of Beijing city，this paper concludes that the main reason for increased air pollution is petroleum products consumption，especially the consumption of kerosene and gasoline.

Key words：air quality；fuzzy comprehensive evaluation；energy structure；petroleum consumption

作者簡介：梁銀雙（1982—），女，河南周口人，碩士，中州大學信息工程學院講師，現為首都經濟貿易大學統計學院在讀博士研究生，研究方向：數理統計。

基金項目：全國統計科學研究計劃項目“北京市空氣質量變動模式及環境承載力測算分析研究”（2013LZ13）；首都經濟貿易大學2014年度研究生科技創新重點項目

收稿日期：2015－09－30

文章編號：1008－3715（2015）05－0108－04

文獻標識碼：A

中圖分類號：X16

DOI：10.13783／j.cnki.cn41－1275／g4.2015.05.022