高廣闊，吳世昌，韓 穎（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海200093）

中國霧霾污染問題的分析與測度方法探討

高廣闊，吳世昌，韓 穎
（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海200093）

近年來霧霾污染在中國愈發(fā)嚴(yán)峻，嚴(yán)重阻礙我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，對民眾的身心健康等都造成直接的侵害，并且隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，霧霾污染海量數(shù)據(jù)的生成和累計亟需大數(shù)據(jù)技術(shù)與思維的應(yīng)用。因此文章在綜述國內(nèi)外大數(shù)據(jù)和霧霾污染問題統(tǒng)計分析研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合霧霾污染現(xiàn)狀分析和傳統(tǒng)統(tǒng)計方法難以分析生成的霧霾污染海量數(shù)據(jù)，提出了大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)計測度方法，最后基于大數(shù)據(jù)平臺探討了中國霧霾污染問題統(tǒng)計分析的基本思路。

霧霾污染；大數(shù)據(jù)；統(tǒng)計分析

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國空氣污染問題變得日益凸顯，尤其以霧霾天氣為代表的污染問題頻頻發(fā)生。根據(jù)衛(wèi)星觀測，中國京津冀、長江三角洲和珠江三角洲為霧霾重災(zāi)區(qū)，約30%國土面積、近8億人口正遭受霧霾的危害[1]。霧霾天氣頻發(fā)對居民出行及身體健康、生態(tài)系統(tǒng)、人造環(huán)境及國民經(jīng)濟(jì)與社會帶來了一系列惡劣的影響。而霧霾天氣形成的主要原因是化學(xué)能源的消耗、工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣、機(jī)動車尾氣的排放以及道路à通產(chǎn)生的揚(yáng)塵。因此針對霧霾污染形成的原因，在大數(shù)據(jù)背景下探討中國霧霾污染問題統(tǒng)計分析，進(jìn)行霧霾污染問題數(shù)據(jù)價值鏈挖掘與判斷，對預(yù)測未來變化和監(jiān)測污染情況起到一定的作用。

1 霧霾污染問題研究綜述

近幾年來，國內(nèi)外有不少學(xué)者對霧霾的成因、危害及治理進(jìn)行了大量的研究。國外出現(xiàn)霧霾的時間相對較早，具有代表性的兩次重大事件是1952年“倫敦?zé)熿F事件”和20世紀(jì)40年代的“洛杉磯光化學(xué)煙霧事件”。針對這些大氣污染問題，以歐美為代表的發(fā)達(dá)國家對霧霾形成的原因進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，倫敦?zé)熿F事件發(fā)生的直接原因是燃煤產(chǎn)生的硫氧化物和粉塵污染，間接原因是逆溫層所造成的大氣污染物蓄積[2]。而洛杉磯光化學(xué)煙霧是由機(jī)動車與化工廠排放的氮氧化物和碳?xì)浠衔锏纫淮挝廴疚锖凸饣瘜W(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的臭氧、醛、酮、酸、過氧乙酰硝酸酯等二次污染物導(dǎo)致的[3]。一方面針對霧霾天氣的影響因子研究，國內(nèi)外學(xué)者利用各種方法分析霧霾天氣的成因：①顯微鏡法：該方法重點(diǎn)在于通過單個顆粒物的大小、顏色等形態(tài)特征，結(jié)合污染源的標(biāo)志來識別其來源，以此來確定污染源對顆粒物的影響程度。例如國內(nèi)有些專家結(jié)合掃描電鏡與X射線能譜檢測，發(fā)現(xiàn)城市的顆粒物來源于土壤與水泥顆粒、土壤揚(yáng)塵、鈣碳質(zhì)顆粒、燃煤以及汽車尾氣[4，5]；②化學(xué)方法：該方法包含多種分析方法，比如源解析技術(shù)、化學(xué)質(zhì)量平衡法、UNMIX模型和粗集理論等，運(yùn)用比較廣泛。例如國外的Chaloulakou A（2003）[6]利用源解析技術(shù)對大氣顆粒物進(jìn)行研究，影響大氣顆粒物的濃度主要因素為溫度和風(fēng)速，相比可吸入顆粒物PM2.5，PM10更容易受到氣象因素的影響；Hu S等（2006）[7]利用化學(xué)法中的UNMIX模型對辛辛那提高速公路的顆粒物PM2.5進(jìn)行解析，得到每個月各類污染源對PM2.5的影響程度；在國內(nèi)，李祚泳等（2003）[8]將化學(xué)法中的粗集理論應(yīng)用于霧霾顆粒物的源解析，發(fā)現(xiàn)其中元素含量的分類關(guān)系確定了排放源對霧霾的影響程度；葉文波等（2011）[9]采用化學(xué)質(zhì)量平衡法確定了城市揚(yáng)塵、煤煙塵與機(jī)動車尾氣是寧波市大氣顆粒物的影響因子。③統(tǒng)計學(xué)方法：國內(nèi)外學(xué)者主要應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法，包括聚類分析、主成分分析、因子分析及這些方法的綜合應(yīng)用等。在國外，例如Okamoto S等（1990）[10]應(yīng)用因子分析模型研究東京地區(qū)的懸浮顆粒物，發(fā)現(xiàn)其主要受到土壤顆粒的影響；Ho K.F（2006）[11]利用主成分分析法、富集因子法和聚類分析法對香港PM2.5進(jìn)行解析，得到各類源對PM2.5的貢獻(xiàn)值和影響程度；國內(nèi)的鄒本東等（2007）[12]根據(jù)因子分析法對霧霾顆粒物進(jìn)行分析確定了污染來自于自然源還是人為源；朱志超等（2009）[13]應(yīng)用主成分分析法和因子分析法得到影響武漢市區(qū)和工業(yè)區(qū)PM10的各污染源的貢獻(xiàn)程度。以上專家所運(yùn)用的這些方法雖然可以探究霧霾的化學(xué)組成，但是并未從根本上研究霧霾污染與日常生活中相關(guān)污染的聯(lián)系，這樣的分析對于研究霧霾的主要成因是有益的，但從治理霧霾污染的角度來看顯然是不夠的。

另一方面，國內(nèi)外也有很多學(xué)者已經(jīng)開始注意到大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析思維的重要性，尤其國外某些學(xué)者對關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行了改進(jìn)。例如Reshef等（2011）[14]在綜合兩個事件集合的相關(guān)性信息度量的基礎(chǔ)上用最大信息相關(guān)系數(shù)度量變量與變量之間的非函數(shù)相關(guān)關(guān)系；同時國內(nèi)朱建平等（2014）[15]明確指出在大數(shù)據(jù)時代背景下某些傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法的局限性，闡述了大數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系分析與傳統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系分析的不同之處，傳統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系分析基本是線性相關(guān)分析，大數(shù)據(jù)研究的相關(guān)關(guān)系分析不僅是線性相關(guān)，更多的是非線性相關(guān)以及不明確函數(shù)形式的線性關(guān)系。但實際上半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)變量之間可能存在某種相關(guān)關(guān)系，然而沒辦法知道變量之間關(guān)系的形式，所以度量相關(guān)程度的方法還有待完善。

盡管學(xué)術(shù)界已經(jīng)對霧霾污染問題進(jìn)行過一些相關(guān)統(tǒng)計研究，提出了一些有價值的的思路和建議，但仍存在一些不足的地方：①有些研究由于難以獲取數(shù)據(jù)，而采用抽樣的形式從全國霧霾污染較為嚴(yán)重的城市當(dāng)中抽取部分城市進(jìn)行研究，而其他有些城市也存在霧霾污染的狀況，并且傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)方法還具有一定的滯后性；②為了節(jié)約成本，抽樣調(diào)查在數(shù)據(jù)獲取的情況下是一種重要的統(tǒng)計調(diào)查方法，但是隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，獲取各類數(shù)據(jù)的難度越來越低，若能夠?qū)F霾污染各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，實時獲取相關(guān)分析結(jié)果，將對霧霾污染治理具有重要作用；③對于紛擾復(fù)雜的霧霾污染數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來說，分析數(shù)據(jù)時效性比對精度的要求更重要，同時降低對精度的要求能夠更容易地洞悉大方向的研究結(jié)果。雖然通過傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)方法深入分析能夠充分挖掘到有限數(shù)據(jù)的信息，而在大量數(shù)據(jù)分析的場合下就會顯示出過于注重分析結(jié)果的精確性的劣勢。

2 霧霾污染問題的大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)計測度方法的提出

2．1 大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析法

2.1.1 大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)理論

大數(shù)據(jù)是指不用抽樣調(diào)查這樣的捷徑，而是對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。大數(shù)據(jù)的簡單算法可能比小數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法更有效，體現(xiàn)在：（1）全數(shù)據(jù)模式（樣本=總體），霧霾污染問題的大數(shù)據(jù)分析包含更多的海量數(shù)據(jù)，而不再依賴隨機(jī)抽樣，通過大數(shù)據(jù)分析可為霧霾污染聯(lián)防聯(lián)控工作的開展帶來巨大的價值（大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心是挖掘出龐大的數(shù)據(jù)庫獨(dú)有的價值[16]）；（2）大數(shù)據(jù)的核心是預(yù)測，關(guān)鍵在于是建立在海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。系統(tǒng)可以通過一種“反饋學(xué)習(xí)”機(jī)制，利用自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)判斷自身算法和參數(shù)選擇的有效性，并實時對存量霧霾污染問題的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)改進(jìn)自身的表現(xiàn)[16]；（3）進(jìn)行霧霾污染問題大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析是預(yù)測的關(guān)鍵，大數(shù)據(jù)注重相關(guān)分析而弱化因果關(guān)系，通過應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析捕捉現(xiàn)在和預(yù)測未來。可以說，在霧霾污染治理方面，“大數(shù)據(jù)”作用重大，可帶來巨大價值，但必須經(jīng)過有效整合、統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘才能釋放出來。

2.1.2 大數(shù)據(jù)在霧霾污染問題統(tǒng)計分析的必要性

大數(shù)據(jù)分析方法相比傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)統(tǒng)計分析主要處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（即存儲在數(shù)據(jù)庫里，可用二維表結(jié)構(gòu)來邏輯表達(dá)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)），難以對紛擾復(fù)雜的霧霾污染的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文本、圖像、聲音、信號、網(wǎng)頁、視頻等數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析。而大數(shù)據(jù)分析可以解決非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的融合和整合問題。因此，大數(shù)據(jù)概念（具有規(guī)模性、多樣性、高速性和價值性特征[17]）、大數(shù)據(jù)技術(shù)（具備可數(shù)據(jù)化、價值挖掘及數(shù)據(jù)再利用功能）和大數(shù)據(jù)思維（進(jìn)行角色定位與商業(yè)變革）的形成與擴(kuò)散可能會成為解決霧霾污染問題的關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析可以表示對象或事件的數(shù)據(jù)的單個或者多個屬性和變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而數(shù)據(jù)可以按其所在的不同維度，將其分類、排序、組合、關(guān)聯(lián)和顯示[18]。

2．2 霧霾污染數(shù)據(jù)處理

根據(jù)對霧霾污染問題現(xiàn)狀分析，紛擾復(fù)雜的霧霾污染的數(shù)據(jù)基本分為三類：一類是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，即信息存儲在數(shù)據(jù)庫里，可以用二維表結(jié)構(gòu)來邏輯表達(dá)；另一類是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，即信息不能以二維表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫里，如辦公文檔、各類報表、電子郵件、圖片、音頻、視頻、HTML頁面、XML文檔等。

對這些數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行量化處理，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以通過查找氣象局相關(guān)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計年鑒直接獲取，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)需要通過相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行處理向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。在很多情況下，由于不同指標(biāo)的來源、統(tǒng)計尺度、以及統(tǒng)計單位等各個方面均存在差異，導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)不具有可比性，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，首先應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，包括兩個方面：一是統(tǒng)一數(shù)據(jù)統(tǒng)計尺度；二是對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱的影響。

2．3 霧霾污染問題的評價指標(biāo)設(shè)置和篩選

本文在遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性、完整性、獨(dú)立性和實踐性等原則的基礎(chǔ)上，建立大數(shù)據(jù)相關(guān)性法、云計算與系統(tǒng)科學(xué)等分析方法，而且分別采用重要性評價法、理論分析法、德爾菲法、傳統(tǒng)統(tǒng)計法與大數(shù)據(jù)相關(guān)性相結(jié)合的方法對評價指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置和篩選。

2．4 建立大數(shù)據(jù)時代霧霾污染問題統(tǒng)計模型

針對我國國民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)、居民身體健康和人造環(huán)境的危害等霧霾污染問題，通過“時間尺度、空間尺度、政策層面”的三維相關(guān)分析、獨(dú)立性分析和灰色層次分析相融合，建立一套涵蓋結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性的海量數(shù)據(jù)庫平臺，采用云計算、系統(tǒng)科學(xué)及相關(guān)性統(tǒng)計方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈挖掘關(guān)聯(lián)物，有效地把握與預(yù)測霧霾污染問題，由此建立大數(shù)據(jù)時代霧霾污染問題統(tǒng)計模型（見圖1）。

圖1大數(shù)據(jù)時代霧霾污染問題統(tǒng)計模型

2．5 霧霾污染問題統(tǒng)計分析基本思路

在國內(nèi)外霧霾污染研究現(xiàn)狀、各城市統(tǒng)計年鑒和官方公布相關(guān)分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以計算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、信息學(xué)、生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)分析等理論為指導(dǎo)，基于大數(shù)據(jù)平臺，應(yīng)用大數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系、云計算與系統(tǒng)科學(xué)等分析方法，針對霧霾污染的成因與治理問題，建立通過數(shù)據(jù)挖掘來判斷與預(yù)測霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)；并對區(qū)域性霧霾污染問題進(jìn)行統(tǒng)計分析，驗證大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析測度統(tǒng)計方法的科學(xué)性和有效性，并提出完善霧霾污染治理措施的政策建議?；舅悸芬妶D2：

圖2霧霾污染問題統(tǒng)計分析基本思路

（1）霧霾污染問題現(xiàn)狀和基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析霧霾污染問題統(tǒng)計的必要性。首先描述霧霾污染問題日益嚴(yán)重，已接近“生態(tài)紅線”，而制度設(shè)計、政策導(dǎo)向及防治法律的缺失；其次在分析國內(nèi)外專家對霧霾污染問題統(tǒng)計研究的基礎(chǔ)上，評價體系的差距與不足，指出傳統(tǒng)統(tǒng)計分析的缺陷，闡述大數(shù)據(jù)分析功能，大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析的必要性；進(jìn)一步，提出本文的研究目標(biāo)是建立通過數(shù)據(jù)挖掘來判斷與預(yù)測霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)。

（2）理論與技術(shù)支撐環(huán)境及大數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用。①列舉國內(nèi)外與霧霾污染問題統(tǒng)計研究相關(guān)的理論，國外霧霾污染治理的可借鑒成果；②闡述霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)理論，包括基于計算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)分析；技術(shù)支撐環(huán)境涵蓋云計算、統(tǒng)計學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件、霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)軟件，還有數(shù)理模型、計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型等；3針對霧霾污染問題的統(tǒng)計資料、問卷調(diào)查、屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)構(gòu)成的大數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行比較分析、相關(guān)分析和模型預(yù)測等大數(shù)據(jù)分析。

（3）霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)的構(gòu)建。依托大數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行霧霾污染問題數(shù)據(jù)庫管理和大數(shù)據(jù)價值鏈挖掘，通過大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、云計算及系統(tǒng)科學(xué)方法，依據(jù)系統(tǒng)建立的基本原則，建立霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)。

（4）霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)的統(tǒng)計分析。將基于大數(shù)據(jù)相關(guān)性來分析霧霾污染問題的數(shù)據(jù)分析和算法系統(tǒng)應(yīng)用到具體的我國京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，將系統(tǒng)中評級指標(biāo)成效進(jìn)行排序。

（5）完善霧霾污染治理措施的政策建議。根據(jù)分析結(jié)論驗證大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析測度方法的科學(xué)性、有效性與普適性，并提出完善霧霾污染治理措施的政策建議。

3 總結(jié)與展望

關(guān)于霧霾污染問題，現(xiàn)狀分析和傳統(tǒng)統(tǒng)計分析難以處理霧霾污染等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，本文建立一套涵蓋結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性的海量數(shù)據(jù)庫平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈挖掘，提出具有普適性的“大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析統(tǒng)計測度方法”，并探討了中國霧霾污染問題統(tǒng)計分析的基本思路。然而，基于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的中國霧霾污染問題統(tǒng)計研究是一項具有探索性的研究課題，在數(shù)據(jù)搜集和選取、數(shù)據(jù)鏈挖掘等方面還存在許多技術(shù)和實踐上的困難，要達(dá)到有效地把握與預(yù)測霧霾污染問題，提供充分準(zhǔn)確的信息，還需要不斷的探索，今后需要針對以下幾個方面展開重點(diǎn)研究：①以計算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、信息學(xué)、生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)分析理論為指導(dǎo)，擯棄以往傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法隨機(jī)樣本選取的片面性、有偏性，主要是通過云計算、系統(tǒng)科學(xué)及相關(guān)性分析對涉及霧霾污染問題的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價。②依托大數(shù)據(jù)平臺深入挖掘潛在價值，通過對關(guān)聯(lián)物進(jìn)行相關(guān)性分析，及時有效地把握與預(yù)測霧霾污染問題，提供準(zhǔn)確信息。③基于大數(shù)據(jù)平臺，深入分析區(qū)域性霧霾污染問題，對不同區(qū)域構(gòu)建霧霾污染治理評價系統(tǒng)，顯示區(qū)域差異特色，為霧霾的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

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（責(zé)任編輯/易永生）

X5

A

1002-6487（2016）24-0031-03

國家社會科學(xué)基金資助項目（15BTJ017）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（14ZS118）

高廣闊（1966—），男，山東濟(jì)南人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：統(tǒng)計學(xué)、工商管理學(xué)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)。

吳世昌（1991—），男，江西余干人，碩士研究生，研究方向：統(tǒng)計學(xué)。

韓 穎（1989—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)。