羅國(guó)梁

摘要：我國(guó)的空氣質(zhì)量問(wèn)題牽動(dòng)著千千萬(wàn)萬(wàn)老百姓的心，為了深入了解全國(guó)31個(gè)重要城市的空氣質(zhì)量和空氣污染方面的差異，根據(jù)地方的不同，制定不同的污染防范和治理措施，了解各地的環(huán)保態(tài)勢(shì)和水平，運(yùn)用面板數(shù)據(jù)的聚類分析方法對(duì)全國(guó)31個(gè)省會(huì)城市的從2006到2012年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，以及可吸入顆粒物這兩個(gè)指標(biāo)的地區(qū)差異進(jìn)行實(shí)證分析。

關(guān)鍵詞：城市空氣質(zhì)量；面板數(shù)據(jù)；聚類分析

中圖分類號(hào)：F2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2014）07000802

1引言

自從改革開發(fā)以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了顯著的進(jìn)步。但是，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也帶來(lái)了一系列隱患，其中最重要的一條就是環(huán)境問(wèn)題。目前，我國(guó)乃至全世界的環(huán)境污染問(wèn)題都十分的嚴(yán)峻。最近，環(huán)境污染重最引人關(guān)注的一項(xiàng)就是空氣質(zhì)量問(wèn)題。PM2.5、霧霾等等已經(jīng)成為經(jīng)常掛在嘴邊的話語(yǔ)。今年我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重新修訂，特別把PM25納入監(jiān)測(cè)內(nèi)容，并已經(jīng)開始在多個(gè)試點(diǎn)城市開始運(yùn)作，加強(qiáng)了政策實(shí)施的力度和強(qiáng)度，體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)空氣污染的高度關(guān)注。盡管我國(guó)政府制定并不斷完善了法律法規(guī)體系，使環(huán)境保護(hù)取得了一定的進(jìn)展。但環(huán)境形勢(shì)非常嚴(yán)峻的狀況仍然沒(méi)有太多的改變，發(fā)達(dá)國(guó)家用了百年時(shí)間完成了工業(yè)化，相比之下我國(guó)完成現(xiàn)代化的時(shí)間非常之短，這也不可避免的引起環(huán)境污染在我國(guó)近20多年來(lái)集中出現(xiàn)，呈現(xiàn)復(fù)合型、結(jié)構(gòu)型、壓縮型的特點(diǎn)。表現(xiàn)為許多城市空氣污染嚴(yán)重，霧霾出現(xiàn)頻繁，主要污染物的大量排放量超過(guò)了環(huán)境承載能力，等諸多大氣環(huán)境問(wèn)題。由此我們可以認(rèn)識(shí)到，污染的防治不僅僅是一個(gè)環(huán)境問(wèn)題而且是重大的經(jīng)濟(jì)和政策問(wèn)題，是一個(gè)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的問(wèn)題。為了深入的了解全國(guó)各大城市空氣污染的差異，更好的把握防治空氣污染的力度，本文應(yīng)用單指標(biāo)面板數(shù)據(jù)的聚類分析方法對(duì)全國(guó)31個(gè)主要城市從2006到2012年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，以及可吸入顆粒物這兩個(gè)指標(biāo)的地區(qū)差異進(jìn)行實(shí)證分析。

2單指標(biāo)面板數(shù)據(jù)的聚類分析

計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型在分析經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的時(shí)候只是利用了時(shí)間序列或者截面數(shù)據(jù)中的二維數(shù)據(jù)的信息，例如使用一個(gè)或者若干經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的時(shí)間序列建?；虿煌瑯颖镜臋M截面數(shù)據(jù)建模。然而，在分析實(shí)際經(jīng)濟(jì)問(wèn)題中，這種僅利用二維信息的模型在很多時(shí)候往往不能滿足人們分析問(wèn)題的需要。近些年來(lái)，面板數(shù)據(jù)的理論研究和應(yīng)用研究得到了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，但是主要都是面板數(shù)據(jù)的模型參數(shù)估計(jì)方法的研究以及計(jì)量建模。但是很少學(xué)者能夠把其應(yīng)用到多元統(tǒng)計(jì)分析中來(lái)Bonzo D.C.和Hermosilla A.Y.（2002）將面板數(shù)據(jù)應(yīng)用到多元統(tǒng)計(jì)分析中來(lái)。Bonzo D.C.運(yùn)用概率連接函數(shù)（probability link function）和遺傳算法改進(jìn)聚類分析的算法，從而對(duì)面板數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。本文試圖結(jié)合了聚類分析的基本思想對(duì)單指標(biāo)面板數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析的方法進(jìn)行研究和實(shí)證分析。

2.1聚類分析原理

聚類分析（cluster analysis）是一類將數(shù)據(jù)所研究對(duì)象進(jìn)行分類的統(tǒng)計(jì)方法。這是一種無(wú)監(jiān)督的聚類方法。這一類方法的共同特點(diǎn)是：事先不知道類別的個(gè)數(shù)與結(jié)構(gòu)；分析的依據(jù)是對(duì)象之間的相似性或者是相異性。把相似性或者相異性的大小或者差距看作是對(duì)象之間的“距離”遠(yuǎn)近的一種有效度量，將距離近的對(duì)象歸為一類，并且不同類之間的對(duì)象距離較遠(yuǎn)，這是聚類分析的分析方法和共同思想。

面板數(shù)據(jù)也稱作時(shí)間序列與截面混合數(shù)據(jù)，是截面上個(gè)體在不同時(shí)點(diǎn)的重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。面板數(shù)據(jù)用雙下標(biāo)變量yit表示，其中i=1，2，…，N；t=1，2，…，T。其中i對(duì)應(yīng)面板數(shù)據(jù)中的不同個(gè)體。其中N表示這個(gè)面板數(shù)據(jù)中含有N個(gè)體總數(shù)。面板數(shù)據(jù)的聚類分析首先將不同個(gè)體獨(dú)自成一類，一共分為N類。第二步是把相似程度最接近的兩個(gè)的面板數(shù)據(jù)指標(biāo)聚成一類，其他的仍獨(dú)自為一類，共有N-1類。最后一步仍是將相似程度最為接近的兩類聚成一類，這樣一直進(jìn)行下去直到最后得到的面板指標(biāo)聚成一類。

2.2Ward方法

Ward方法的大體思想是這樣的：首先我們確定一個(gè)關(guān)于每個(gè)類別聚類優(yōu)劣的指標(biāo)，也就是說(shuō)，如果某一類聚集的越緊密，我們就認(rèn)為聚合的越好，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該被聚合為一類，這時(shí)候我們引入離差平方和作為一個(gè)有效的指標(biāo)，也就是說(shuō)某一組的離差平方和越小，就說(shuō)明這一類聚集的越緊密，反之說(shuō)明某一類離散程度較高。同一類的離差平方和是：

wk=i∈Gk（xi-xk）T（xi-xk）

現(xiàn)在我們考慮的是如何確定哪兩個(gè)組合成一類，假設(shè)有這兩個(gè)類別：Gk和GL兩個(gè)類別組合之后為：GM我們要使得增加的離差平方和最小，也就是說(shuō)D2KL=WM-WK-WL最小，這就是，Ward方法，也就是離差平方和法的思路，但是我們首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的預(yù)處理，也就是說(shuō)，一般要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，和異常值處理，Ward的缺點(diǎn)之一就是對(duì)異常值過(guò)于敏感。

3實(shí)證分析

目前，關(guān)于空氣質(zhì)量問(wèn)題的討論在我國(guó)愈演愈烈，關(guān)于如何治理霧霾已經(jīng)成為一個(gè)全國(guó)性的議題。中國(guó)將在北京建造全世界最大的霧霾實(shí)驗(yàn)室，初步預(yù)算為五億，這也體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)如何治理霧霾的探究的重視，本文試圖應(yīng)用面板數(shù)據(jù)聚類分析對(duì)中國(guó)31個(gè)主要城市的空氣質(zhì)量的地區(qū)性差異進(jìn)行分析（數(shù)量來(lái)源：中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒：2007-2013）。

通過(guò)分析2006到2012年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，以及可吸入顆粒物這兩個(gè)指標(biāo)的的直接面板數(shù)據(jù)，我們可以看出一個(gè)很很明顯的趨勢(shì)，就是空氣質(zhì)量的整體水平并沒(méi)有在不斷下降，因?yàn)榭諝赓|(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，一直在一個(gè)穩(wěn)定的水平，并沒(méi)有減少的趨勢(shì)，而且可吸入顆粒物這個(gè)指標(biāo)也沒(méi)有有增加的趨勢(shì)。但是這并不能反映我國(guó)空氣質(zhì)量的地區(qū)差異，所以我們有必要對(duì)其進(jìn)行聚類分析。

從上面的聚類分析的原理，選擇歐氏距離作為相似指標(biāo)，并且根據(jù)公式二逐步聚類，對(duì)是2006到2012年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)進(jìn)行聚類分析，得到聚類樹形圖，如圖1示。

從圖1中可以看出蘭州、北京、烏魯木齊的空氣質(zhì)量最差，所以被聚集在一起，這是由于在這些城市中經(jīng)常有空氣流動(dòng)性不大的時(shí)候，特別是冬季的時(shí)候霧天出現(xiàn)頻繁，氣象學(xué)角度來(lái)看，有霧的時(shí)候往往意味著大氣比較穩(wěn)定，而穩(wěn)定的大氣又容易使污染物聚集，所以大霧天通常會(huì)伴隨著或輕或重的污染情況。但是最根本的原因還是這些城市要么是工業(yè)區(qū)，要么就是冬季供暖需求非常大的城市，加上汽車，工業(yè)等原因，加強(qiáng)了空氣質(zhì)量的惡化。而空氣質(zhì)量比較好的?？?、拉薩、昆明這些旅游城市由于綠化面積高，更加接近大自然，同時(shí)工業(yè)化程度并沒(méi)有那么高，并且空氣流動(dòng)性大。所以全年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)較多。

從圖2中可以看出，聚類的結(jié)果很相似，但是可以更加直觀的看到?？诤屠_這兩個(gè)城市的空氣質(zhì)量獨(dú)樹一幟，風(fēng)景這邊獨(dú)好，但是蘭州、烏魯木齊、西寧、北京、西安這五個(gè)城市的空氣質(zhì)量還是最差，這也與每年的中國(guó)城市空氣質(zhì)量的排名是重合的。那么處于中間階層的南寧、福州、廣州、昆明、呼和浩特、南昌、上海、貴陽(yáng)市處于中上水平。合肥、濟(jì)南、成都、南京、鄭州、天津、銀川、哈爾濱、杭州、重慶、長(zhǎng)沙、太原、石家莊、沈陽(yáng)、武漢處于中下水平。

圖12006到2012年的空氣質(zhì)量達(dá)到及好于

二級(jí)的天數(shù)指標(biāo)聚類分析圖22006到2012年的空氣質(zhì)量PM10指標(biāo)的聚類分析4結(jié)論與政策建議

空氣質(zhì)量不斷下降，霧霾天氣一直持續(xù)，并不是今年的新現(xiàn)象。最近幾年，每到秋冬特別是入冬以后，我國(guó)中東部地區(qū)就不時(shí)會(huì)遇這樣的情況，其中既有氣象原因，也有污染排放原因?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市中影響空氣質(zhì)量最重要的因素仍是可吸入顆粒物和PM2.5。那么這些污染物的源頭從哪里來(lái)呢？從監(jiān)控的數(shù)據(jù)和科學(xué)研究的成果來(lái)看，主要有以下幾個(gè)重要來(lái)源：首先是來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)，特別是水泥和化工能源產(chǎn)品的污染，這是最主要的造成PM2.5和PM10即可吸入顆粒的來(lái)源。燃煤也是一個(gè)導(dǎo)致霧霾的主要原因，在北方火力發(fā)電時(shí)主要的供電來(lái)源，但是燃煤必然會(huì)帶來(lái)大量的灰塵和有毒氣體。其次就是由于汽車和土地荒漠化帶來(lái)的土壤塵。

為了減少空氣中的可吸入顆粒物和減少霧霾的危害，從政府的環(huán)境報(bào)告和實(shí)際行動(dòng)來(lái)看，近年來(lái)，政府采取了卓有成效的措施：例如：把燃煤和化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，搬到空氣流動(dòng)，人員密度較低的地區(qū)，下大力氣關(guān)閉了大量市民反響強(qiáng)烈的水泥生產(chǎn)線和工業(yè)企業(yè)；在合理規(guī)劃的基礎(chǔ)上科學(xué)施工，加強(qiáng)了對(duì)沙石料廠的管理，有的甚至強(qiáng)行取締或搬遷；大力發(fā)展公共交通，鼓勵(lì)大家綠色出行；宣揚(yáng)環(huán)保理念，發(fā)動(dòng)全民植樹造林，保護(hù)植被等等。

綜合實(shí)證分析在這里我提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）在實(shí)際的工作中如果沒(méi)有群眾的配合，治理只會(huì)是治標(biāo)不治本，但是如果采取合理的宣傳方式，強(qiáng)化大家的環(huán)保意識(shí)，倡儀每個(gè)市民保持環(huán)境衛(wèi)生。自然因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響可以經(jīng)過(guò)人力的作用得到改變。但現(xiàn)實(shí)中，人為影響空氣質(zhì)量的行為卻時(shí)有發(fā)生。因此，強(qiáng)化每個(gè)人的環(huán)境意識(shí)，倡導(dǎo)低碳生活，綠色生活，愛(ài)護(hù)我們的生存環(huán)境必須深入人心，付諸實(shí)際。節(jié)約能源就是環(huán)保，就能減少污染氣體的排放。每個(gè)人的不良習(xí)慣當(dāng)從小事做起，現(xiàn)在起予以改變，而且要持之以恒地堅(jiān)持下去，不是一陣風(fēng)的宣傳。

（2）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是必由之路。PM25、二氧化硫、二氧化氮等污染物的治理，難就難在需要綜合加上靈活的手段，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)污染物協(xié)同減排。污染治理是一個(gè)多環(huán)節(jié)密切咬合的鏈條，只要有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，污染物的減排就會(huì)受影響。同時(shí)，大氣污染呈現(xiàn)區(qū)域性特征，必須建立區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)。

（3）從財(cái)政和經(jīng)濟(jì)刺激的方式來(lái)鼓勵(lì)大家使用無(wú)煙煤和清潔能源，對(duì)于使用環(huán)保能源的機(jī)構(gòu)和工廠要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)貼。鼓勵(lì)使用風(fēng)力、潮汐、太陽(yáng)能等自然能源，投入科研經(jīng)費(fèi)推進(jìn)能源的高效利用。

（4）淘汰老舊機(jī)動(dòng)車；在公交、環(huán)衛(wèi)、政府機(jī)關(guān)推廣使用新能源汽車；完成城區(qū)燃煤鍋爐、平房采暖清潔能源改造，基本實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)“無(wú)煤化”；加強(qiáng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析和信息發(fā)布，推進(jìn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

（5）加強(qiáng)霧霾天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，大力開展霧霾天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究和業(yè)務(wù)平臺(tái)建設(shè)，為公眾提供防御指引，使信息透明，讓群眾參與到防治中，為政府實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)控環(huán)保措施決策服務(wù)。根據(jù)氣象條件動(dòng)態(tài)調(diào)控，加強(qiáng)與氣象部門合作，做到提前的對(duì)公眾的提醒和研究對(duì)策，根據(jù)氣象條件預(yù)測(cè)和研究，對(duì)主要污染源實(shí)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，并且制定合理有效的治理方針。

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