多元統計方法在空氣質量評價中的應用

王娜+程菲雨+門曉君

摘要：隨著中國工業化和城市化進程的加快，環境問題日益嚴重。霧霾、灰霾等氣象災害肆虐，空氣污染嚴重影響了人類生產生活。研究城市空氣質量現狀，分析空氣質量和經濟發展的關系對城市空氣質量的改善具有指導意義。本文選取SO2、NO2等6個指標，分析2015年河北省中心城市的空氣質量狀況。首先通過因子分析找出影響空氣質量的主要污1染物是SO2、NO2、PM10，其中，保定、邢臺、唐山、石家莊的空氣污染比較嚴重。空氣質量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。然后運用K-均值聚類將河北省的11個城市進行歸類。

關鍵詞：空氣質量 因子分析 系統聚類

0研究背景

城市作為人口和經濟活動的高密度集區，其工業化和經濟的高速發展使城市規模不斷擴大。人類生產生活產生的大氣污染物的大量排放，導致空氣污染日益嚴重，霧霾、灰霾等氣象災害頻繁出現，給人們的生產生活帶來嚴重的危害，阻礙城市功能的發揮。河北省作為一個工業大省，對煤炭、石油等能源需求量較大，導致大量的顆粒物、氮氧化物和二氧化硫排放到大氣中，使得城市空氣污染日益嚴重。[3]國內學者姜新華等采用主成分分析法對影響呼和浩特市空氣質量的主要因素進行分析并利用方差分析研究氣象因素對空氣質量的影響，結果表明影響空氣質量的主要因素是PM10、CO和SO2；天氣寒冷、空氣干燥、大風對該地區的空氣質量有顯著的影響。[1]李茜（2013年）應用回歸分析將城市2001-2010年的空氣主要污染物與經濟指標進行擬合，結果表明隨著城市的發展，空氣中的SO2濃度呈現下降的趨勢，呈倒U型曲線。NO2、PM10和綜合污染指數呈U型關系。城市第二產業、建成區面積與城市主要污染物成正相關關系。[2]國外學者Tolga Elbir對土耳其的埃爾魯姆市的空氣污染物進行估算研究時發現空氣污染物主要是SO2、氮氧化物和顆粒物，主要來源是工業、交通、人類活動。

1基于因子分析和K-均值聚類河北省空氣質量研究

1.1、因子分析

本文采用河北省各城市2015年空氣質量數據，將選取的SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5反映城市空氣污染程度的6個指標進行因子分析的KMO檢驗和球形Bartlett檢驗，結果為KMO值為0.728>0.7，認為空氣指標間存在著相關關系，Bartlett統計量的P值<0.001，在0.001顯著性水平上可以認為相關系數矩陣不是單位矩陣，即原始數適合做因子分析。 利用SPSS進行因子分析，結果顯示第一主成分包含了原始變量70%的信息，第二主成分包含了原始變量19%的信息。前兩個因子貢獻率已經達到89.4%，且特征值大于1，包含了原始變量的大部分信息。因此提取前兩個公因子來代替原始變量。為了對主成分進行合理的解釋，給出旋轉之后的主成分。

表1旋轉成分矩陣

分析旋轉后的因子載荷矩陣可得，主成分在NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指標上有很大的載荷。因為NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指主要來源與工業生產和交通運輸，主成分主要反映城市工業發展帶來的空氣污染；主成分和O3有很大的相關性，城市中的O3主要由于生活中使用的制冷劑、噴霧劑等中的氟氯烴化物向大氣中排放使臭氧層遭到破壞所導致的。因此主成分是生活垃圾帶來的空氣污染。

因子得分對應原始污染指標表示為公共因子線性組合時的系數，根據表4可知因子得分函數方程如下

影響河北省城市空氣質量的主要污染物是二氧化硫、二氧化氮、可吸入粉塵顆粒物，其中二氧化硫主要來源于含硫燃料的燃燒，工業燃油和生活燃煤常常伴隨著二氧化硫的生成。二氧化氮主要來源于汽車尾氣和工業生產。可吸入粉塵顆粒主要來源于工廠廢氣未經處理直接排放和行駛的車輛與未鋪瀝青和水泥的路面摩擦產生。根據因子得分函數計算各個城市的因子得分和總得分將城市進行排名結果如下。

表2 2015年河北省城市的空氣污染程度從低到高排名

結合公共因子的解釋，根據各個城市在公共因子上的得分對城市的空氣質量進行評價。在反映城市工業化和機動車尾氣的公共因子1上的得分較高的城市分別是邢臺、保定、唐山。在反映城市生活垃圾排放的公共因子2上的得分較高城市分別是衡水、廊坊、保定。綜合兩個成分，得出每個城市的加權得分。其中得分較高的即空氣污染比較嚴重的城市為保定、邢臺、唐山、石家莊。空氣質量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。

2、K-均值聚類

根據因子得分的結果將河北省的11個城市進行K-均值聚類，將11個城市分成了三類，第一類是石家莊、唐山、邯鄲、邢臺、保定、滄州、廊坊、衡水；第二類是秦皇島；第三類是張家口、承德。第一類城市空氣污染狀況較為嚴重，石家莊、唐山等城市主要以工業或重工業為主，工業污染最嚴重，空氣質量最差。第二類城市秦皇島是重要的旅游城市，工業污染少，空氣質量最好。第三類城市的空氣質量為中，張家口和承德主要以農業和旅游業為主，空氣質量相對較好。分類結果與因子分析的結果相一致。

結論

通過對河北省城市污染物進行因子分析，影響城市空氣質量有兩個公共因素，因子主要來源是工業生產和交通運輸，反映城市工業發展帶來的空氣污染；其中邢臺、保定、唐山在因子1上的污染最為嚴重。因子主要是生活垃圾帶來的空氣污染，衡水、廊坊、保定在因子2上的污染最為嚴重。空氣污染比較嚴重的城市為保定、邢臺、唐山、石家莊。空氣質量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。

隨著經濟的日益發展，環境問題逐漸突顯，為改善空氣質量，一方面增加環保支出的，提高植被面積，控制工業污染；另一方面提高國民的環保意識，積極推廣環境友好型的產品，減少機動車的使用頻率，減少生活污染。

參考文獻：

[1]姜新華，薛河儒，張存厚，張麗娜. 基于主成分分析的呼和浩特市空氣質量影響因素研究[J]. 安全與環境工程，2016，01：75-79.

1，*門曉君，女，碩士，山東高密人，Email：xiaojunmen@126.comendprint