基于主成分分析法的城市大氣環境質量評價

劉海江，張海俠

（1.新余市渝水生態環境局；2.江西省江咨投控工程咨詢有限公司，江西 新余 338000）

隨著經濟高速發展和城市化進程的加快，環境問題已嚴重制約城市發展，大氣環境污染問題首當其沖，嚴重威脅社會經濟發展和人民身心健康[1]。新余市是一座鋼鐵上發展而來的城市，鋼鐵、新能源、光電信息和裝備制造共同組成四大支柱產業，新余市工業化率達57.1%。近年來，污染物排放總量大，新余市大氣環境面臨較為嚴峻的形勢。本文利用主成分分析方法，對新余市2019年1-6月大氣污染物進行分析，以期為新余市政府實施藍天保衛戰提供科學依據。

1 研究方法及數據來源

1.1 主成分分析法

主成分分析法實質上屬于一種降維的數據處理技術，就是將大量具有一定相關性的指標進行線性組合，使其轉化成少量無相關性的綜合指標，即主成分。通常，當前n個主成分的方差累計貢獻率達到85%，一般認為這n個主成分能代表初始數據的大部分信息[2]。運用主成分分析法計算大氣污染物的基本原理即是將各大氣污染物看作若干待求因子，建立各待求因子與大氣污染物濃度之間的數學模型，再利用此模型推導出二者之間的數學關系式，最后對關系式系數矩陣即初始因子荷載矩陣進行判斷，從而得出大氣主要污染物的特征值及其方差貢獻率[3]。

1.2 數據來源

本文選取了新余市的6項常規大氣監測污染物，即二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5），進行綜合評價。各污染物數據來源于新余市的4個國控環境監測點，氣象局監測站點、第二水廠監測站點、飛宇監測站點、新鋼沁園村監測站點（北崗站點為對照點，不參與評價），2019年1-6月的 在線實測數據值作為綜合評價的原始數據（見表1）。

表1 新余市空氣質量指標

2 主成分分析

2.1 計算步驟

一是初始數據標準化；二是計算各大氣污染指標相關性矩陣；三是計算特征值和貢獻率，確定評價指標的主成分；四是根據方差貢獻率，確定大氣污染物主成分個數；五是計算初始因子荷載矩陣；六是計算主成分荷載值，進行分析評價[4]。

2.2 數據處理

本文利用SPSS19.0軟件對新余市2019年1-6月的6項常規大氣監測污染物濃度數據進行主成分分析。根據主成分分析法的具體步驟，為使數據具有可比性，消除指標數據的量綱影響，首先利用SPSS19.0對初始數據進行快速標準化處理，得到標準化后數據（見表2），然后運用SPPS19.0對標準化后的數據進行主成分分析，得到各大氣污染指標相關性矩陣（見表3）、主成分的特征值和貢獻率（見表4）、因子荷載矩陣（見表5）。

表2 標準化后數據

表3 相關性矩陣

表4 矩陣的特征值、貢獻率和累計貢獻率

表5 初始因子荷載矩陣

2.3 結果分析

由表3相關性矩陣能夠看出6項大氣污染物之間的相關程度，其中，PM10與PM2.5的相關性數值為0.960，PM10與NO2的相關性數值為0.861，PM2.5與NO2的相關性數值為0.941，可見，PM10、PM2.5與NO2三者之間的相關性顯著。另外，PM10、PM2.5、NO2和SO2正相關，這可能是由于大氣中的NO2和SO2反應形成酸性氣溶膠，再與空氣中的NH3反應最終轉化為硫酸鹽和硝酸鹽顆粒，同時，硫酸鹽和硝酸鹽都是PM10與PM2.5的重要組分[5]。

主成分分析中一般選取特征值大于1、累計貢獻率大于85%的因子作為主成分[6]。由表4容易看出，前兩項的主成分特征均都大于1，累計方差貢獻率為92.328%，可提取為主成分。其中，第一主成分的貢獻率為62.352%，接近總方差三分之二，遠大于第二主成分，因此，第一主成分對總變異起著支配性作用。根據表5可知，第一主成分中，對新余市大氣質量影響較大的污染物為PM2.5、NO2、CO、PM10。其中，PM2.5的絕對值最大，為第一主成分影響大氣的主要污染因子；第二成分SO2和O3較高，SO2的絕對值最大，為第二主成分影響大氣的主要污染因子。這說明現階段新余市大氣污染物主要來源于工業廢氣、機動車尾氣、道路揚塵、施工粉塵和餐飲油煙等。

3 結論

新余市空氣質量污染第一主成分為PM2.5、NO2、CO、PM10，第二主成分為SO2和O3。第一主成分貢獻率較高，由此可以得出，新余市大氣污染最嚴重的是第一主成分。主成分分析法是從整體對全部可得因子進行處理，提取出少量能夠代表全部因子的主成分，操作簡單易行，非常適合大氣污染物分析這種數據量比較大的研究。運用主成分分析法對新余市空氣質量環境進行綜合評價，根據各污染物之間的相關性找到污染源，可以為政府部門有針對性地制定污染防治措施提供參考。