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1、河北经贸大学基于因子分析的雾霾形成原因年级:2012级 学号：201222430232姓名： 专业：数学与应用数学 指导教师： 二一四年十月基于因子分析的雾霾形成原因摘要水污染了，我们可以喝桶装的；菜污染了，我们可以吃有机的；奶粉污染了，我们可以买进口的。但在今天，是空气污染了。一场罕见的大范围雾霾笼罩着我国，从华北到东南沿海、甚至是西南地区，已陆续有25个省份、100多座大中城市不同程度出现雾霾天气，覆盖了我国将近一半的国土。当前我们国家大气污染已到非常严重的地步，原因主要是煤燃烧、汽车尾气、扬尘等一次污染物排放浓度非常高，碰到一起不是简单的叠加，中间有许多化学转化和物理输送，这便是复合型污
2、染。霾的环境影响主要是几个方面，包括形成灰霾，降低大气能见度，影响人体健康，远距离输送造成区域性和全球性的问题。现在，研究全球气候变化的学者对它非常关注。霾对人体健康影响：PM10主要进入鼻腔，PM2.5则可以进入支气管，进入肺部的肺泡，并会进入血液。颗粒物能进入呼吸系统，这已经很明确。以前只知道颗粒物会对呼吸系统造成疾病，但现在也知道会对心血管系统造成疾病。除此以外，诸多的研究表明还会对免疫系统、生育系统、神经系统、遗传系统造成影响。我们应对雾霾所采取的措施，一是节能、提高能源利用效率，主要是减少化石燃料的燃烧。二是发展可再生能源，它是零碳的能源，是清洁能源。既要发展经济，还要减少污染的排放
3、。三是增加森林碳汇，植树造林，这也有助于降尘。应该说解决空气污染和积极应对气候变化，在很多政策措施上都是比较一致的，而且解决的问题大体上是同根同源。对此，在对全国主要城市颗粒物，氮化物等利用因子分析法对造成雾霾的产生原因进行探究，找出根源，提出合理化建议。关键词：雾霾 污染 身体健康 因子分析第一章引言1.1研究背景有人总结道：水污染了，我们可以喝桶装的；菜污染了，我们可以吃有机的；奶粉污染了，我们可以买进口的。但在今天，是空气污染了。雾霾锁城，红色警告；中国软肋，再次曝出。2013年，“雾霾”成为年度关键词。这一年的1月，4次雾霾过程笼罩30个省（区、市），在北京，仅有5天不是雾霾天。有报告
4、显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。与所有的工业化国家一样，我国的环境污染问题是与工业化相伴而生的。五十年代前，我国的工业化刚刚起步，工业基础薄弱环境污染问题尚不突出，但生态恶化问题经历数千年的累积，已经积重难返。五十年代后，随着工业化的大规模展开，重工业的迅猛发展，环境污染问题初见端倪。但这时候污染范围仍局限于城市地区，污染的危害程度也较为有限。到了八十年代，随着改革开放和经济的高速发展，我国的环境污染渐呈加剧之势，特别是乡镇企业的异军突起，使环境污染向农村急剧蔓延，同时，生态破坏的范围也在
5、扩大。时至如今，环境问题与人口问题一样，成为我国经济和社会发展的两大难题。1.2研究目的及意义1.2.1目的（1）探究雾霾形成的原因及其影响。（2）对症下药，对治霾提出合理化的建议。2.2意义雾霾天气何时了，PM知多少。一连N天木有风，北京不堪回首朦胧中。五星红旗应犹在，只是朱颜改。问君能有几多愁，每天咳呀咳呀眼泪流。从中可知雾霾时时影响我们：1影响身体健康。灰霾的组成成分非常复杂，包括数百种大气颗粒物。其中有害人类健康的主要是直径小于10微米的气溶胶粒子，如矿物颗粒物、海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机气溶胶粒子等，直径小于10微米的气溶胶粒子即粗颗粒物，直径小于2.5微米的即常说的细颗粒物，可吸入
6、颗粒物（可吸入肺），它能直接进入并粘附在人体上下呼吸道和肺叶中。由于灰霾中的大气气溶胶大部分均可被人体呼吸道吸入，尤其是亚微米粒子会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起鼻炎、支气管炎等病症，长期处于这种环境还会诱发肺癌。此外，由于太阳中的紫外线是人体合成维生素D的惟一途径，紫外线辐射的减弱直接导致小儿佝偻病高发。另外，紫外线是自然界杀灭大气微生物如细菌、病毒等的主要武器，灰霾天气导致近地层紫外线的减弱，易使空气中的传染性病菌的活性增强，传染病增多。 2. 影响心理健康。灰霾天气容易让人产生悲观情绪，如不及时调节，很容易失控。3影响交通安全。出现灰霾天气时，室外能见度低，污染持续，交通阻塞，事故
7、频发。4影响区域气候。使区域极端气候事件频繁，气象灾害连连。更令人担忧的是，灰霾还加快了城市遭受光化学烟雾污染的提前到来。光化学烟雾是一种淡蓝色的烟雾，汽车尾气和工厂废气里含大量氮氧化物和碳氢化合物，这些气体在阳光和紫外线作用下，会发生光化学反应，产生光化学烟雾。它的主要成分是一系列氧化剂，如臭氧、醛类、酮等，毒性很大，对人体有强烈的刺激作用，严重时会使人出现呼吸困难、视力衰退、手足抽搐等现象基于雾霾对我们危害这么大，我们很有必要探究其形成原因，从源头上减少甚至遏制它，从而共创美好的明天！1.3研究思路和方法由于经济发展非常快，特别是上世纪90年代之后，城市化进程非常快，现在已经形成全国“三区
8、六群”的城市群，这些区域大气污染越来越严重。组成霾的成分，有一次来源，还有二次来源。一次来源是直接排放的，二次来源是一次来源的东西排放到大气里面，经过化学转化生成的。大气颗粒物有天然的和人为的。像花粉、海洋上的泡沫、土壤微粒，这些是天然产生的。人为活动包括工业、交通、电力及其他生产生活活动造成的颗粒物排放，这些颗粒中既有细的颗粒物又有粗的颗粒物。目前正是因为人为活动，造成了空气具有很高的浓度。用因子分析法探究全国主要城市这些大气颗粒物，工厂废物对雾霾的形成有多大的影响，由于雾与霾的湿度有明显的差异，因此同时也研究湿度对雾霾的影响。所以，采用因子分析法对其进行探究，指标选取如下：二氧化硫（万吨）
9、、氮氧化物（万吨）、烟尘（万吨）、一般工业固体废物产生量（万吨）、一般工业固体废物综合利用量（万吨）、一般工业固体废物处置量（万吨）、相对湿度（%）。第二章 概念的辨析霾和雾都会对人们的视程产生影响，给生活带来不便，而且他们核心物质都是灰尘颗粒，大都由灰尘和汽车尾气中的污染物组成。同时二者也存在很大的区别：雾是悬浮在贴近地面的大气中的大量微小细水滴（或冰晶）的集合。雾和云的区别仅仅在于是否接触地面。雾使水平能见度显著降低。按国际气象组织规定，使能见度降低到1km以下的称为雾，能见度在1-10km的称为轻雾。由于这样的分档不能满足气象服务的需求，因此气象部门在服务工作中，可根据雾天对交通运输等人
10、类活动的影响程度，将雾分为轻雾、雾、大雾、浓雾及强浓雾等几个等级。一般将水平能见度在1km以上的叫轻雾，对交通运输无大影响；将水平能见度在1km以下的统称为雾，对交通运输有较大影响；将水平能见度为500-1000米，称作大雾。霾的气象定义是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气浑浊，水平能见度降低到10km以下的一种天气现象，霾一般呈乳白色，它使物体的颜色减弱，使远处光亮物体微带黄红色，而黑暗物体微带蓝色。组成霾的粒子极小，不能用肉眼分辨。当大气凝结核由于各种原因长大时也能形成霾。在这种情况下水汽进一步凝结可能使霾演变成轻雾、雾和云。霾主要由气溶胶组成，它可在一天中任何时候出现
11、。第三章雾霾形成原因的研究3.1研究方法3.1.1研究对象全国主要城市这些大气颗粒物，工厂废物对雾霾的形成有很大的影响，由于雾与霾的湿度有明显的差异，因此同时也研究湿度对雾霾的影响。大气颗粒的化学组成很复杂，从分析研究来看，其中有大量的有机物、硫酸盐、硝酸盐、黑碳，还有氨等。但是地区不同，污染源种类不同，成分也有差异的。一次排放的二氧化硫、氮氧化物，可以转化成硫酸盐、硝酸盐等等，通过成核作用生成细颗粒物，所以研究对象为全国主要城市的二氧化硫，氮氧化物，烟尘，工厂固体废物，湿度。3.1.2测试工具先在国家统计局网站查阅2013年年鉴，寻找相关数据。再就是观看新闻，就可以了解到雾霾最新动态，以及期
12、刊上专家对雾霾现象的观点和应对措施。同时自己及身边的朋友也深受其害，切身体会到了它的危害，对其进行更多的关注，而不是视而不见。3.1.3数据统计的分析形成雾霾的各种因素是个相比较的概念，因此，它是可以通过评价雾霾的指标体系进行比较分析的。雾霾形成因素综合评价指标体系设计的基本出发点是既要能够客观准确的反映雾霾，又要尽可能利用现有的数据。指标体系的规模要适当，选取了如下指标体系来评价影响雾霾的程度：二氧化硫（万吨）、氮氧化物（万吨）、烟尘（万吨）、一般工业固体废物产生量（万吨）、一般工业固体废物综合利用量（万吨）、一般工业固体废物处置量（万吨）、相对湿度（%）。通过查阅中国统计年鉴2013，搜集
13、了全国主要城市的相关数据，运用SPSS数据进行因子分析。结果如下：KMO and Bartletts TestKaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy.555Bartletts Test of SphericityApprox. Chi-Square251.817df21Sig.000对原始数据分析进行因子分析前，要对数据是否适合因子分析进行适用性检验，在SPSS软件中检验方法是KMO检验法和巴特莱特球形度检验法，当KMO检验值大于0.5或巴特莱特球形度检验P值小于0.05时表明数据适合因子分析。由运行结果可以看出，KMO和Bartlett
14、球形度检验显示，数据适合做因子分析。CommunalitiesInitialExtraction二氧化硫1.000.891氮氧化物1.000.848烟尘1.000.754一般工业固体废物产生量1.000.943一般工业废物综合利用量1.000.887一般工业固体废物处置量1.000.914相对湿度1.000.156Extraction Method: Principal Component Analysis.Total Variance ExplainedComponentInitial EigenvaluesExtraction Sums of Squared LoadingsTotal%
15、of VarianceCumulative %Total% of VarianceCumulative %14.15959.41459.4144.15959.41459.41421.23417.63577.0491.23417.63577.0493.99314.18091.2294.3515.01296.2415.1381.97098.2116.1221.74999.9607.003.040100.000Extraction Method: Principal Component Analysis.由特征值1选取了2个主因子，其累计贡献率未达到85%，Communalities表中也显示相对湿
16、度的信息提取量仅提取了15.6%，没有保留足够多的原始信息，碎石图也显示取3个主因子较为合适，2个主因子无法对因子的含义进行很好的解释，需要增加因子个数。因此尝试选取3个因子。运行结果如下：CommunalitiesInitialExtraction二氧化硫1.000.892氮氧化物1.000.871烟尘1.000.787一般工业固体废物产生量1.000.978一般工业废物综合利用量1.000.908一般工业固体废物处置量1.000.958相对湿度1.000.992Extraction Method: Principal Component Analysis.Total Variance Ex
17、plainedComponentInitial EigenvaluesExtraction Sums of Squared LoadingsRotation Sums of Squared LoadingsTotal% of VarianceCumulative %Total% of VarianceCumulative %Total% of VarianceCumulative %14.15959.41459.4144.15959.41459.4143.63451.91351.91321.23417.63577.0491.23417.63577.0491.71824.54576.4583.9
18、9314.18091.229.99314.18091.2291.03414.77191.2294.3515.01296.2415.1381.97098.2116.1221.74999.9607.003.040100.000Extraction Method: Principal Component Analysis.结果显示，取3个因子时，所有变量提取的信息量都在0.787以上，3个因子的累计贡献率达到90%以上，信息量充足。Component MatrixaComponent123二氧化硫.908.259.035氮氧化物.866.313-.152烟尘.825.272-.180一般工业固体废物
19、产生量.895-.378.186一般工业废物综合利用量.941.042.147一般工业固体废物处置量.440-.849.209相对湿度-.162.360.914Extraction Method: Principal Component Analysis.a. 3 components extracted.Rotated Component MatrixaComponent123二氧化硫.928.169.049氮氧化物.926.046-.108烟尘.873.055-.145一般工业固体废物产生量.640.754-.010一般工业废物综合利用量.860.403.083一般工业固体废物处置量.02
20、9.973-.103相对湿度-.059-.084.991Extraction Method: Principal Component Analysis. Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization.a. Rotation converged in 5 iterations.上表表示的是旋转后的因子载荷矩阵。从表中可以得出第一个因子表示的是二氧化硫，氮氧化物，烟尘，一般工业废物综合利用量。可以认为是污染物因子。第二个因子是一般工业固体废物产生量，一般工业固体废物处置量，可以认为是工业废物因子。而第三个因子反映的是相对湿度，即湿度因子。Co
21、mponent Transformation MatrixComponent1231.906.417-.0732.418-.852.3173-.069.318.946Extraction Method: Principal Component Analysis. Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization. Component Score Coefficient MatrixComponent123二氧化硫.283-.076.084氮氧化物.305-.178-.080烟尘.284-.162-.117一般工业固体废物产生量.054.410
22、.064一般工业废物综合利用量.209.112.134一般工业固体废物处置量-.206.697-.026相对湿度.023.028.966Extraction Method: Principal Component Analysis. Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization. Component Scores.上表表示的是因子得分系数Component Score Covariance MatrixComponent12311.000.000.0002.0001.000.0003.000.0001.000Extraction Meth
23、od: Principal Component Analysis. Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization. Component Scores. 为对我国主要城市雾霾进行综合评价，首先计算各行业的各主因子得分，然后用主因子的贡献率对相应的主因子得分进行加权，加总后得到各城市的因子总得分，各因子得分和因子总分及相应排序结果见下表。3.2研究结果中国雾霾天气增多最主要的原因是社会石化能源消费增多造成的大气污染物排放逐渐增加。这些污染的主要来源是热电排放、工业尤其是重化工生产、汽车尾气、冬季供暖、居民生活(烹饪、热水)，以及地面灰尘。此外
24、，人类活动产生的光化学产物、局地烹饪、汽车尾气等造成的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶，都会使雾霾情况频繁发生。气候变化导致的气象条件也是造成雾霾天气增多的原因，具体包括静稳天气加上高湿、混合层薄、降水日数减少等。雾霾天气现象会给气候、环境、健康、经济等方面造成显著的负面影响，例如引起城市大气酸雨、光化学烟雾现象，导致大气能见度下降，阻碍空中、水面和陆面交通;提高死亡率、使慢性病加剧、使呼吸系统及心脏系统疾病恶化，改变肺功能及结构、影响生殖能力、改变人体的免疫结构等3.3讨论亡羊补牢未为晚也。中国之大，一阵风就能吹散城市的雾霾，只要我们让思想的新风劲吹，让求真务实主导我们追求现代生活的每一个过
25、程，眼前的现实和精神雾霾就会被逐渐吹散，我们的现代化进程就会更加从容。张金良说，长期生活在空气污染严重的环境中也会有很多慢性的影响，比如对呼吸系统的影响，包括呼吸系统的炎症、肺功能的改变，长期会造成慢性阻塞性肺病等等。目前较明确的是对心血管的影响，另外还会降低人的免疫力，使人们容易患感冒、上呼吸道感染等各种疾病。现在，对于神经系统，甚至生殖系统影响的研究也有很多报道，基本被证实。比如，空气污染会造成新生儿出生低体重、早产，这些都是通常意义上说的空气污染对健康的影响。雾霾天气情况下，空气污染物比平时高很多，这时候更多关注的是急性效应。除了前面说的症状加重之外，还有一些有病的人，比如老年人，本来有
26、慢性的呼吸系统疾病或者心血管疾病，这时候疾病可能会发作；老人平时在家里用药维持得很好，但这时候可能需要到医院看病，甚至看急诊、住院；再严重的可能会使一些有呼吸系统疾病或者是心血管疾病的老人死亡.当然大城市的蓝天决非一把鞭子就能抽出来的。事实上大多数人都有意无意间做了大气的污染源。找回蓝天也只有所有人都承担起自己的那一份责任，才能最终奏效。只要能够真正落实，我相信大气的质量能够提高，能够完成应对气候变化的目标。其实关键的问题还是要转变发展方式、转变消费方式，提高公众和全社会保护环境、应对气候变化的意识，大家都有责任来采取行动。参考资料中国统计年鉴2013，中华人民共和国国家统计局，2013年地面气象观测规范，中国气象局，2010年1月美国流行病学，黄薇等人，2012年