主成分分析法在深圳大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空特征研究中的應(yīng)用

陳軍苗

（深圳市羅湖區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站深圳518000）

0 引言

大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有灰色系統(tǒng)理論、大氣污染綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)等[1-3]，這些方法各有利弊。主成分分析法量化了多個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，同時(shí)充分考慮了各指標(biāo)之間的相關(guān)性，能夠最大限度地保留原有信息，對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳的綜合降維處理，且更客觀地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù)，避免了主觀隨意性[4,5]。本文利用深圳市2006-2010年大氣污染物SO2、NO2、PM10和O3的8個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)主成分分析法綜合評(píng)價(jià)了近五年來(lái)大氣環(huán)境質(zhì)量，揭示了深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空分布特征。

1 研究區(qū)域概況和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

深圳市坐落于珠江口東岸，總面積2020.5km2，位于113°46′E至114°37′E，22°27′N(xiāo)至22°52′N(xiāo)之間，是我國(guó)改革開(kāi)放的前沿城市[6]。深圳市海岸線長(zhǎng)230km，年均溫度為22.4℃，年均降水量為1948mm[7]，地處亞熱帶海洋氣候，海陸環(huán)流的季節(jié)變化有利于大氣污染物的擴(kuò)散。

依據(jù)《中華人民共和國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-1996）[8]，選擇了深圳市8個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)（洪湖、華僑城、荔香、荔園、龍崗區(qū)、南湖、南油和鹽田區(qū)）2006-2010年的二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）4個(gè)空氣污染物的實(shí)測(cè)資料，作為綜合評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)。

2 大氣環(huán)境質(zhì)量主成分分析

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采集原始指標(biāo)數(shù)據(jù)的P維隨機(jī)向量 x=(x1，x2，………，xp)T的 n個(gè)樣品 xi=(xi1，xi2，……，xip)T構(gòu)造樣本陣，其中 i=1，2，…，n，（n＞p），對(duì)樣本陣元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，利用z-score法計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)[5]，由此得標(biāo)準(zhǔn)化陣Z。以深圳市洪湖站點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2006-2010年洪湖站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣如表2。

2.3 特征值和特征向量計(jì)算

計(jì)算樣本的相關(guān)矩陣R的特征方程為：

λEP-R=0

表2 深圳市大氣污染物相關(guān)系數(shù)矩陣

得到P個(gè)特征值λ1，λ2，……，λP，根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于等于85%確定主成分個(gè)數(shù)m，使信息的利用率達(dá)到85%以上，對(duì)每個(gè)λj，j=1,2,……,m，解方程組 Rb=λjb，得單位特征向量 λ0j。經(jīng)過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣得到相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、累計(jì)貢獻(xiàn)率，如表3所示。

表3 矩陣的特征值與累積貢獻(xiàn)率

由表3分析可知，第一、第二、第三累計(jì)貢獻(xiàn)率已高達(dá)92.663%，前三個(gè)因子可以反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息。提取前3個(gè)因子作為公共因子，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算得到三個(gè)主成分的特征向量（表4）。

表4 三個(gè)主成分的特征向量

2.4 主成分得分和綜合評(píng)價(jià)

將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為主成分得分

其中Uj稱(chēng)為第j主成分。將m個(gè)主成分進(jìn)行加權(quán)求和，即得到最終評(píng)價(jià)值，權(quán)數(shù)為方差貢獻(xiàn)率，得到結(jié)果如表5所示。

表5 深圳市2006-2010年主成分得分表

3 結(jié)果與分析

3.1 深圳市大氣環(huán)境年際變化特征

通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)（表 1），深圳市 SO2、NO2、PM10和O3的濃度在2006-2010年期間年均濃度均呈逐年下降趨勢(shì)，各污染物濃度達(dá)標(biāo)率和達(dá)標(biāo)水平也逐年升高，大氣環(huán)境質(zhì)量在逐漸好轉(zhuǎn)。由表4可知，SO2和O3在第一主成分的載荷較高，分別為0.686和-0.509，對(duì)空氣質(zhì)量起主導(dǎo)作用；第二主成分中的NO2和PM10較高，分別達(dá)到了-0.538和0.518，而第三主成分的O3和NO2較高，是影響空氣質(zhì)量的主要因子。深圳市SO2的主要來(lái)源為火力發(fā)電，NO2的主要來(lái)源為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放，PM10來(lái)源較為復(fù)雜，包括土壤風(fēng)沙塵、施工揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵、城市道路交通揚(yáng)塵等，O3的主要來(lái)源汽車(chē)、石油化學(xué)工業(yè)、電廠等由于排放出氮氧化物和碳?xì)浠衔铮谧贤夤庹丈湎庐a(chǎn)生臭氧[9,10]。

利用主成分分析對(duì)深圳市2006-2010年大氣污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)，大氣環(huán)境質(zhì)量綜合得分值越高，環(huán)境質(zhì)量越差。分析近五年來(lái)深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量（表5和圖2），2006年大氣環(huán)境質(zhì)量綜合得分為0.753，隨著時(shí)間的推移得分值顯著下降，到2010年環(huán)境質(zhì)量綜合得分僅為-0.635，大氣環(huán)境質(zhì)量最好，表明深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量2006-2010年間總體在不斷地改善。

圖2 2006-2010年深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)

由圖3和表5可知，除了鹽田區(qū)稍有波動(dòng)之外，深圳市的所有環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣環(huán)境質(zhì)量綜合得分值隨著時(shí)間的推移，具有明顯下降的趨勢(shì)，說(shuō)明深圳市各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量都在逐步改善，與張振等（2011）的研究成果一致[11]。

圖3 2006-2010年監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的主成分綜合得分

3.2 深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量空間變化特征

比較各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的綜合得分值可知，近五年來(lái)深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量最好的區(qū)域主要集中在華僑城監(jiān)測(cè)站點(diǎn)附近，綜合得分值僅為-0.554，其次為洪湖、荔香、南油、荔園和南湖，大氣環(huán)境質(zhì)量最差的主要集中在鹽田區(qū)和龍崗區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，綜合得分值分別為0.515和0.458。利用上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，通過(guò)ArcGIS10.0平臺(tái)對(duì)深圳市內(nèi)8個(gè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量變化的空間分析，分析2006-2010年各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)（圖4）可知，2006年荔香監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量最差，南湖的環(huán)境質(zhì)量最好，隨著時(shí)間的推移，各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量均有好轉(zhuǎn)，至2008年，龍崗區(qū)和荔香監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量是所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最差的，在2010年，龍崗區(qū)和鹽田區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣環(huán)境質(zhì)量相對(duì)于其他站點(diǎn)較差，其他站點(diǎn)的值相差不大，但是相對(duì)于2006年來(lái)說(shuō)，各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的值具有較大幅度的下降，大氣環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

圖4 2006-2010年監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空分布圖

此外，深圳市頒布一系列改善大氣環(huán)境質(zhì)量的法律法規(guī)，如《深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染防治條例》、《深圳市揚(yáng)塵污染防治管理辦法》等，有效地防止了大氣環(huán)境污染，取得了顯著的成果。

龍崗區(qū)和鹽田區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量較差，主要是因?yàn)辇垗弲^(qū)工業(yè)主導(dǎo)地位在逐漸增強(qiáng)，土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度高，車(chē)輛增多，地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面展開(kāi)等導(dǎo)致廢氣排放較多[12]，而鹽田區(qū)由于靠近龍崗區(qū)，區(qū)域環(huán)境受到龍崗區(qū)工業(yè)發(fā)展和機(jī)動(dòng)車(chē)污染的影響，因此龍崗區(qū)和鹽田區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量相對(duì)其他區(qū)域較差。荔香、華僑城和南油監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于南山區(qū)，是火力發(fā)電廠的集中地，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主要的交通要道附近[13]，因此2006-2007年的大氣環(huán)境質(zhì)量較差，但是后來(lái)通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及大氣污染源的治理，環(huán)境質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

利用主成分分析方法對(duì)2006-2010年深圳大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，探討了其時(shí)空變化特征，分析了大氣環(huán)境質(zhì)量變化的原因，所得結(jié)論如下：

2006-2010年，深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量在逐步改善，大氣污染物SO2、NO2、PM10和O3的污染濃度具有一定程度的下降。從空間分布來(lái)看，鹽田區(qū)和龍崗區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量較差，而華僑城監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量最好。在2006-2010年間各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)大氣環(huán)境質(zhì)量在時(shí)空分布上均呈現(xiàn)出逐漸變好的趨勢(shì)。

深圳市在大氣環(huán)境質(zhì)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化方面呈現(xiàn)出的總體下降趨勢(shì)，表明深圳市在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和大氣環(huán)境保護(hù)的博弈中達(dá)到了雙贏，區(qū)域環(huán)境污染治理的對(duì)策能夠有效防治大氣環(huán)境污染。

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