主成分分析法在深圳大氣環境質量時空特征研究中的應用

陳軍苗

（深圳市羅湖區環境保護監測站深圳518000）

0 引言

大氣環境質量評價方法主要有灰色系統理論、大氣污染綜合指數法、模糊綜合評價等[1-3]，這些方法各有利弊。主成分分析法量化了多個指標之間的相互關系，將多個指標轉化少數幾個不相關的綜合指標，同時充分考慮了各指標之間的相關性，能夠最大限度地保留原有信息，對高維數據進行最佳的綜合降維處理，且更客觀地確定各個指標的權重數，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個監測站點的數據，通過主成分分析法綜合評價了近五年來大氣環境質量，揭示了深圳市大氣環境質量的時空分布特征。

1 研究區域概況和基礎數據

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至22°52′N之間，是我國改革開放的前沿城市[6]。深圳市海岸線長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，海陸環流的季節變化有利于大氣污染物的擴散。

依據《中華人民共和國環境空氣質量標準》（GB3095-1996）[8]，選擇了深圳市8個國控環境監測點（洪湖、華僑城、荔香、荔園、龍崗區、南湖、南油和鹽田區）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個空氣污染物的實測資料，作為綜合評價的數據。

2 大氣環境質量主成分分析

2.1 數據標準化

首先對原始數據進行標準化，采集原始指標數據的P維隨機向量 x=(x1，x2，………，xp)T的 n個樣品 xi=(xi1，xi2，……，xip)T構造樣本陣，其中 i=1，2，…，n，（n＞p），對樣本陣元進行標準化變換，利用z-score法計算得到標準化數據[5]，由此得標準化陣Z。以深圳市洪湖站點數據為例，得到標準化數據如表1所示。

表1 2006-2010年洪湖站點標準化數據

2.2 數據相關性分析

利用皮爾遜相關系數法計算相關系數矩陣如表2。

2.3 特征值和特征向量計算

計算樣本的相關矩陣R的特征方程為：

λEP-R=0

表2 深圳市大氣污染物相關系數矩陣

得到P個特征值λ1，λ2，……，λP，根據累計方差貢獻率大于等于85%確定主成分個數m，使信息的利用率達到85%以上，對每個λj，j=1,2,……,m，解方程組 Rb=λjb，得單位特征向量 λ0j。經過計算相關系數矩陣得到相關系數矩陣的特征值、累計貢獻率，如表3所示。

表3 矩陣的特征值與累積貢獻率

由表3分析可知，第一、第二、第三累計貢獻率已高達92.663%，前三個因子可以反映原始數據的大部分信息。提取前3個因子作為公共因子，進一步通過計算得到三個主成分的特征向量（表4）。

表4 三個主成分的特征向量

2.4 主成分得分和綜合評價

將標準化后的指標變量轉換為主成分得分

其中Uj稱為第j主成分。將m個主成分進行加權求和，即得到最終評價值，權數為方差貢獻率，得到結果如表5所示。

表5 深圳市2006-2010年主成分得分表

3 結果與分析

3.1 深圳市大氣環境年際變化特征

通過分析標準化后的數據（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，各污染物濃度達標率和達標水平也逐年升高，大氣環境質量在逐漸好轉。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，對空氣質量起主導作用；第二主成分中的NO2和PM10較高，分別達到了-0.538和0.518，而第三主成分的O3和NO2較高，是影響空氣質量的主要因子。深圳市SO2的主要來源為火力發電，NO2的主要來源為機動車尾氣排放，PM10來源較為復雜，包括土壤風沙塵、施工揚塵、機動車尾氣塵、城市道路交通揚塵等，O3的主要來源汽車、石油化學工業、電廠等由于排放出氮氧化物和碳氫化合物，在紫外光照射下產生臭氧[9,10]。

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

圖2 2006-2010年深圳市大氣環境質量變化趨勢

由圖3和表5可知，除了鹽田區稍有波動之外，深圳市的所有環境監測點大氣環境質量綜合得分值隨著時間的推移，具有明顯下降的趨勢，說明深圳市各個監測站點的大氣環境質量都在逐步改善，與張振等（2011）的研究成果一致[11]。

圖3 2006-2010年監測站點的主成分綜合得分

3.2 深圳市大氣環境質量空間變化特征

比較各個監測站點的綜合得分值可知，近五年來深圳市大氣環境質量最好的區域主要集中在華僑城監測站點附近，綜合得分值僅為-0.554，其次為洪湖、荔香、南油、荔園和南湖，大氣環境質量最差的主要集中在鹽田區和龍崗區監測點，綜合得分值分別為0.515和0.458。利用上述統計分析結果，通過ArcGIS10.0平臺對深圳市內8個大氣環境監測點進行大氣環境質量變化的空間分析，分析2006-2010年各個監測站點的大氣環境質量變化趨勢（圖4）可知，2006年荔香監測站點的大氣環境質量最差，南湖的環境質量最好，隨著時間的推移，各個監測站點的大氣環境質量均有好轉，至2008年，龍崗區和荔香監測點的大氣環境質量是所有監測點中最差的，在2010年，龍崗區和鹽田區監測點大氣環境質量相對于其他站點較差，其他站點的值相差不大，但是相對于2006年來說，各個監測站點的值具有較大幅度的下降，大氣環境質量明顯好轉。

圖4 2006-2010年監測點大氣環境質量時空分布圖

此外，深圳市頒布一系列改善大氣環境質量的法律法規，如《深圳經濟特區機動車排氣污染防治條例》、《深圳市揚塵污染防治管理辦法》等，有效地防止了大氣環境污染，取得了顯著的成果。

龍崗區和鹽田區監測點的大氣環境質量較差，主要是因為龍崗區工業主導地位在逐漸增強，土地開發利用強度高，車輛增多，地鐵等基礎設施建設全面展開等導致廢氣排放較多[12]，而鹽田區由于靠近龍崗區，區域環境受到龍崗區工業發展和機動車污染的影響，因此龍崗區和鹽田區大氣環境質量相對其他區域較差。荔香、華僑城和南油監測站點位于南山區，是火力發電廠的集中地，并且監測點位于主要的交通要道附近[13]，因此2006-2007年的大氣環境質量較差，但是后來通過產業結構調整及大氣污染源的治理，環境質量逐漸好轉。

4 結論

利用主成分分析方法對2006-2010年深圳大氣環境質量進行了綜合評價，探討了其時空變化特征，分析了大氣環境質量變化的原因，所得結論如下：

2006-2010年，深圳市大氣環境質量在逐步改善，大氣污染物SO2、NO2、PM10和O3的污染濃度具有一定程度的下降。從空間分布來看，鹽田區和龍崗區監測點的大氣環境質量較差，而華僑城監測站點的大氣環境質量最好。在2006-2010年間各個監測站點大氣環境質量在時空分布上均呈現出逐漸變好的趨勢。

深圳市在大氣環境質量時空動態變化方面呈現出的總體下降趨勢，表明深圳市在經濟發展和大氣環境保護的博弈中達到了雙贏，區域環境污染治理的對策能夠有效防治大氣環境污染。

[1]梁偉，張慧穎.基于灰色系統理論和PCA的省域生態環境質量研究[J].上海環境科學.2012(6):254-261.

[2]童英偉，劉志斌，初玲玲.基于模糊綜合評價的大氣環境質量評價 [J].遼寧工程技術大學學報 (自然科學版).2008,No.139(S1):311-313.

[3]李悅.大氣環境質量綜合指數計算方法的研究及其應用探討[J].青島大學學報(工程技術版).1996(04):60-63.

[4]Kumar A,Goyal P.Forecasting of Air Quality Index in Delhi Using Neural Network Based on Principal Component Analysis[J].Pure and Applied Geophysics.2012:1-12.

[5]黃玉平，張慶國，汪水兵，等.主成分分析在大氣質量監測優化布點中的應用[J].安徽農業大學學報.2011(6):966-969.

[6]孫向明，彭勇剛.深圳市近年空氣質量與氣象條件的關系[J].廣東氣象.2005(3):1-3.

[7]史培軍，潘耀忠，陳晉，等.深圳市土地利用/覆蓋變化與生態環境安全分析[J].自然資源學報.1999,14(4):293-299.

[8]中華人民共和國國家標準：環境空氣質量標準[S].北京,1996.

[9]張振，余淑苑，彭朝瓊，等.深圳市2006—2010年空氣污染物濃度變化特征[J].環境衛生學雜志.2011(6):19-22.

[10]余淑苑，劉國紅，程錦泉，等.2002—2005年深圳市空氣污染物濃度的動態分析[J].環境與健康雜志.2006(6):512-514.

[11]深圳市統計局.深圳市2010年國民經濟和社會發展統計公報[Z].2011.

[12]聶志剛.深圳龍崗:科學發展的點與面 [J].人民論壇.2013(3):74-76.

[13]黃曉英，李娟，宛中華，等.基于污染損害指數的深圳市環境空氣質量評價與分析[J].三峽環境與生態.2009(4):41-45.