基于聚類分析法劃分環境空氣質量預報區域

楊麗麗，楊燕萍，王莉娜，閉建榮，王 靜，李曉云

(1.蘭州大學 大氣科學學院/半干旱氣候變化教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020；3.無錫中科光電技術有限公司，江蘇 無錫 214135)

1 引言

甘肅省東西長達1655 km，南北寬僅為530 km，海拔自西向東由3000 m逐漸降為800 m，河西地區以沙漠、戈壁為主，中部以黃土高原為主，甘南處于青藏高原東部，隴南屬于秦嶺西延部分。全省大部分地區干燥，年降水量自西北向東南逐漸增多[1]，且人口分布不均[2]，主要集聚于中東部。省內各地經濟發展參差不齊[3]，蘭州、嘉峪關、酒泉、金昌經濟發展相對較好，定西、隴南、臨夏經濟發展水平落后。特殊的地理地貌、氣候以及經濟分布特征，導致全省各地區環境空氣質量截然不同。

隨著我國近年來經濟的快速發展，大氣污染問題日益嚴峻，以可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)為典型污染物的區域性大氣環境問題日益突出[4]，為此，2013年國家提出環境空氣質量預報預警工作。雖然空氣質量預報取得了一定的成效，尤其對于京津冀地區、長三角地區以及珠三角地區效果顯著，但對于我國西北地區，尤其甘肅省，由于開展工作較晚，而且最初的預報區域劃分屬人為劃分，缺少具體的科學理論依據。另外，很多實際應用中的劃分區域均采用國家已有區域劃分，這些區域大都通過各地區的經濟發展以及地理分布特征進行劃分，空氣質量預報如果依此進行區域預報，那么存在明顯的不合理性。所以根據污染特征對甘肅省空氣質量預報進行區域劃分，以提高空氣質量預報準確率勢在必行。

2 數據及方法

2.1 數據來源

本文空氣質量數據來源于中國環境監測總站的全國城市空氣質量實時發布平臺(http://106.37.208.233:20035/)，其數據來源于國控站點，包括甘肅省14個市州日均AQI值和首要污染物。

2.2 方法介紹

聚類是將一個數據集通過合理依據進行類別劃分，使得同一類內相似，不同類之間差異盡可能大[5]，其重要性在各個領域都得到了廣泛認可。如通過聚類分析方法對數據進行挖掘[6]。為了發現深圳市交通規律，李強[7]利用深圳市交通系統，對交通流數據進行聚類分析；為了提供重金屬污染治理決策依據，梁啟斌[8]以陽宗海不同湖岸湖濱濕地沉積物為研究對象, 運用聚類分析和因子分析法對重金屬污染來源進行識別；Dong D Y等[9]利用大氣污染指數，基于聚類分析方法，預測某地區未來幾年的空氣質量。

本文利用甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值，通過聚類分析方法，將甘肅省14個市州進行區域劃分；并通過分析各區域不同季節AQI值、首要污染物特征等多種數據，進一步說明劃分區域間的差異性。

3 結果與分析

3.1 聚類分析

通過系統聚類分析，對甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值進行聚類分析，具體的聚類方法是平均聯接(組間)法，度量標準區間選擇平方Euclidean距離，聚類樹狀關系如圖1。從圖中可以看出甘肅省14個市州可分為四大區域，結合各市州行政分布圖(圖2)，分別命名為南部、中部、西部、東部。其中，南部區域包含甘南、隴南；中部區域包含蘭州、臨夏；西部區域包含嘉峪關、酒泉、張掖、金昌、武威、白銀；東部區域包含定西、天水、平涼、慶陽。且從圖2可以看出，同一區域內城市均為相鄰城市，未出現間隔城市被劃分為同一區域的現象，從實際情況出發，這種劃分也是比較合理，便于空氣質量預報。

圖1 聚類樹狀關系

圖2 聚類分析四大區域分布

3.2 綜合分析不同區域間的差異

為了進一步說明不同區域間的差異性，分別從地理分布特征、AQI、首要污染物、重污染天數等方面進行綜合分析(圖3)。

圖3是甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值。從時間尺度分析，各區域空氣質量明顯隨季節變化。主要表現為冬、春季空氣質量較差，優良天數很少，這與北方城市冬季采暖以及春季易發生沙塵天氣相關；而夏、秋季空氣質量明顯以優良為主，一方面由于停止采暖，另一方面由于正值雨季，所以空氣質量較好。從區域尺度分析，為了突出各區域空氣質量差別，從下至上依次按照西部、中部、南部、東部區域分布，與系統聚類分析結果相對應，同一區域內空氣質量相似，但不同區域間空氣質量差別較大。

圖3 各市州日均AQI值

圖4(a)是各區域不同季節AQI均值，與圖3日均AQI分布相對應，對于西部區域而言，春季空氣質量最差；中部區域空氣質量最差，尤其冬季；東部區域冬季空氣質量較差；南部區域空氣質量最好，尤其秋季。為了提高空氣質量預報效果，不僅需要了解各區域空氣質量變化，還需要了解各區域空氣質量變化是否穩定。圖4(b)是各區域不同季節AQI方差，AQI方差值越大，說明空氣質量變化越不穩定，AQI方差值越小，說明空氣質量變化越穩定。從圖中可以看出，西部冬季空氣質量較差，但空氣質量變化較穩定；中部秋季和冬季空氣質量極不穩定，空氣質量預報具有一定難度；南部區域不僅空氣質量最好，而且空氣質量變化也最穩定，所以空氣質量預報相對較容易；東部區域秋季空氣質量較好，但空氣質量變化極不穩定，而冬季與之相反，空氣質量較差，但空氣質量變化較穩定，有利于空氣質量預報。

圖4 (a)各區域不同季節AQI均值；(b)各區域不同季節AQI方差

空氣質量預報不僅關注空氣質量變化，還需關注首要污染物和重污染，研究各區域首要污染物特征，有利于提高各區域首要污染物的預報。圖5(a)是各區域2016年7月1日～2018年6月30日期間不同首要污染物出現天數的比例。可以看出，全省首要污染物主要為PM10、O3_8h、PM2.5、NO2，其中NO2主要出現在中部區域；另外，西部區域、中部區域首要污染物以PM10為主，其次為O3_8h，再次為PM2.5，尤其西部區域PM10為首要污染物出現的比例達到56%；南部區域首要污染物以O3_8h為主，其次為PM10，再次為PM2.5；東部區域PM10和O3_8h為主要首要污染物，比例分別為35%和38%，其次為PM2.5。

圖5 (a)各區域不同首要污染物出現天數比例；(b)各區域不同季節重污染天數

從圖5(b)各區域不同季節重污染(AQI≥200 d)出現的天數可以看出，各區域不同季節發生重污染的天數呈現顯著差異。結合圖4(a)，雖然中部區域空氣質量最差，但重污染天數最多的區域是西部區域，且明顯多于其他區域，研究的730 d中有149 d為重污染，結合上述分析，主要是由于毗鄰沙漠地區，易發生沙塵天氣，從而引起重污染，尤其春季，受季風影響，加之土壤解凍以及草木還未生長旺盛，更易發生沙塵天氣，出現重污染，所以西部春季最易發生重污染。其次出現重污染較多的是中部區域，重污染天數為55 d，主要出現在冬季，其次為春季。趙敬國[10]在蘭州大氣重污染成因分析中提出，蘭州市重污染主要為靜穩型重污染，占重污染發生總天數的77%，且主要發生在冬季，究其原因，主要是蘭州市冬季風速很小，以靜穩為主，湍流擴散很弱，不利于污染物擴散；另外，沙塵型重污染也是造成蘭州市重污染天氣的原因之一，由于春季氣候干燥，相對濕度較低，所以主要發生在春季，但其持續時間較短。東部區域重污染天數較中部區域稍少一些，共有38 d發生重污染，主要發生在冬季和春季；南部區域不僅整體空氣質量最好，重污染出現的天數亦最少，僅在冬季出現了3 d。

4 討論

分析甘肅省14個市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值發現，從時間域尺度分析，各區域空氣質量明顯隨季節變化，主要表現為冬、春季空氣質量較差，優良天數很少；而夏、秋季空氣質量明顯以優良為主。從區域尺度分析，同一區域內空氣質量相似，不同區域間空氣質量差別較大，南部區域不僅空氣質量最好，而且空氣質量變化也最穩定，空氣質量預報相對較容易；中部區域空氣質量較差，秋季和冬季空氣質量極不穩定，空氣質量預報具有一定難度；東部、西部區域空氣質量介于中部、南部之間，西部冬季空氣質量較差，但空氣質量變化較穩定；東部區域秋季空氣質量較好，但空氣質量變化極不穩定，而冬季與之相反，空氣質量較差，但空氣質量變化較穩定，有利于空氣質量預報。

全省首要污染物主要為PM10、O3_8h、PM2.5、NO2。其中，西部區域、中部區域首要污染物以PM10為主，其次為O3_8h，再次為PM2.5；另外，在中部區域偶有NO2出現；南部區域首要污染物以O3_8h為主，其次為PM10，再次為PM2.5；東部區域PM10和O3_8h為主要首要污染物。

西部區域重污染天數明顯多于其他區域，且主要發生在春季；其次出現重污染較多的是中部區域，主要出現在冬季；東部區域重污染天數較中部區域稍少一些，主要發生在冬季和春季；南部區域重污染僅在冬季出現了3 d。

5 結論

本文利用甘肅省14個市州2016年7月1日～2018年6月30日的日均AQI值，通過聚類分析方法，將甘肅省14個市州進行區域劃分；為了進一步說明劃分區域間的差異，分別對各區域不同季節AQI值、首要污染物特征和重污染天氣等多種數據進行綜合分析。

通過系統聚類分析法將甘肅省14個市州可分為四大區域，南部區域包含甘南、隴南；中部區域包含蘭州、臨夏；西部區域包含嘉峪關、酒泉、張掖、金昌、武威、白銀；東部區域包含定西、天水、平涼、慶陽。