基于函數(shù)型聚類的空氣污染時空特征分析

楊敏　王世躍　張丹

摘? ?要：我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展導致了環(huán)境污染問題的加劇。中共十八大報告中提出“美麗中國，永續(xù)發(fā)展”的理念，將空氣質(zhì)量問題上升到國家層面。針對我國空氣質(zhì)量的狀況及研究熱點區(qū)域，為進一步明確安徽省的空氣質(zhì)量時空分布特征，基于聚類分析，采用K均值聚類分析方法和層次聚類（系統(tǒng)聚類）得出安徽省各市空氣質(zhì)量等級的相似程度，并借助于方差分析對兩種分析方法進行顯著性檢驗，最后根據(jù)空氣質(zhì)量的相似程度將安徽省各城市進行分類，結果表明，在空間上安徽省16個地級市按空氣質(zhì)量變化可以劃分成三個區(qū)域，從地圖上呈現(xiàn)為由北至南污染狀況逐漸轉優(yōu)趨勢。

關鍵詞：空氣質(zhì)量;聚類分析;方差分析

中文分類號：X823? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2021）29-0043-03

引言

工業(yè)革命在給我們帶來財富的同時，也帶來了環(huán)境污染問題，其中空氣污染一直是我國經(jīng)濟發(fā)展和城市擴張中的重大問題，在這個快速發(fā)展經(jīng)濟和科技的時代，我國因為污染問題放慢了前進的腳步。黨的十九大提出的“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”觀點，體現(xiàn)了我國現(xiàn)代化的治理體系以及貼近實際情況而表現(xiàn)出的強大治理能力。加大大氣污染治理力度，對我國來說，既是改善人民生活的重大民生工程，更是促進社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展的重大政治任務。一方面體現(xiàn)著國家對生態(tài)文明建設的重視，另一方面代表著黨中央對建設生態(tài)文明的堅定決心和極大信心。

通過資料收集，發(fā)現(xiàn)關于空氣質(zhì)量對城市進行地域劃分的研究非常少見。葉景山等采用函數(shù)型主成分分析法對福建省空氣質(zhì)量指數(shù)的影響因素進行分析，同時結合Arc GIS圖對其時空分布特征進行描述。酈少將利用函數(shù)型數(shù)據(jù)的聚類分析方法對浙江省空氣質(zhì)量指數(shù)進行研究，從而探討浙江省空氣污染的時空特征。從現(xiàn)有文獻來看，關于空氣質(zhì)量研究主要存在以下問題：（1）關于空氣質(zhì)量的相關研究側重于研究引發(fā)空氣質(zhì)量的不同因素的相關性，而并未按照不同因素將各城市進行一個相似度劃分。（2）關于空氣質(zhì)量的定性研究較多，而借助于一定理論方法進行定量研究的較少。

本文以安徽省16個市作為研究對象，對2013—2019年各市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行采集和處理（數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站），主要基于函數(shù)聚類結果進行分析，將安徽省各地級市按空氣污染程度進行分類，并了解分析安徽省時空特征及影響因素。這不僅對更深層次了解我國環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀有積極意義，而且可以為政府等有關部門制定環(huán)境治理與防護措施提供有力依據(jù)，從而營造一個良好的大氣環(huán)境和社會環(huán)境。

一、研究方法的選擇

本文通過采集到的空氣質(zhì)量指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對安徽省16個市的空氣污染大氣進行時空特征分析，截取2013年10月—2019年12月份期間的各項指標數(shù)，對空氣質(zhì)量指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類匯總處理后，再采用聚類分析，根據(jù)其空氣質(zhì)量的相似程度將安徽省各城市進行分類，最后采取方差分析對聚類結果的可靠度進行度量。

聚類分析就是將多個對象或者個體按相似程度進行分類。本文以安徽省16個地級市為例，基于聚類分析理論分別引入AQI指數(shù)和二氧化硫、一氧化碳、PM10、二氧化氮、PM25、臭氧指標等各項污染物的日均值共7個變量，以城市名標注個案，采用K-均值聚類分析方法和層次聚類（系統(tǒng)聚類）得出安徽省各市空氣質(zhì)量等級相似程度。

其次借助方差分析對兩種分析方法結果進行顯著性檢驗。方差分析是一種分析調(diào)查或試驗結果是否有差異的統(tǒng)計分析方法，分析分類結果的顯著性及7個變量對所得結果的顯著程度，剔除不關鍵變量。

二、基于聚類分析研究安徽省空氣污染時空特征及影響因素

（一）聚類數(shù)的確定

在根據(jù)大氣污染狀況程度對安徽省不同地區(qū)進行分類時，由于聚類要素對分類結果的準確性和科學性存在巨大影響，因此首先確定聚類要素為大氣污染物含量，然后對其進行處理并將地區(qū)確定為聚類對象。

在本次聚類分析中，把PM25日均值、一氧化碳日均值、AQI指數(shù)、質(zhì)量等級、二氧化氮日均值、當天AQI排名、PM102日均值、二氧化硫日均值以及臭氧指標日均值作為聚類分析的指標，利用SPSS軟件進行系統(tǒng)聚類，對安徽省16個市2013年10月28日至2019年12月31日數(shù)據(jù)進行初步的聚類分析，根據(jù)聚類結果得到以下分類。

根據(jù)初步聚類結果分析，決定把安徽省各地區(qū)分成三個類別。

（二）聚類結果分析

利用SPSS軟件進行層次聚類操作和K-均值聚類分析的操作，得到聚類結果的譜系圖，如圖1。

綜合聚類分析結果，充分考慮我國大氣生態(tài)安全的經(jīng)驗和安徽省的實際情況，把安徽省16個市分為三個類別。其中第一個類別包括淮北市、毫州市、淮南市、蚌埠市、蕪湖市、馬鞍山市、滁州市、宿州市、合肥市、阜陽市、銅陵市這11個市;第二個類別包括安慶市、宣城市、池州市、六安市這4個市;第三個類別由黃山市構成，黃山市獨成一類。

第一類質(zhì)量等級，當天AQI排名，AQI指數(shù)和二氧化氮、二氧化硫、PM25、一氧化碳、臭氧指標、PM10各項24小時均值的指標值都比較高，空氣質(zhì)量在安徽省較差;第二類指標值在中等水平，空氣質(zhì)量在安徽省中等;第三類指標值在較低的水平，空氣質(zhì)量在安徽省較好。

觀察安徽省地圖分布發(fā)現(xiàn)，第一類的城市都分布在安徽省的中北部，空氣質(zhì)量較差;第二類的城市分布在安徽省的中南部，空氣質(zhì)量在安徽省在中等水平;第三類城市處于最南部，空氣質(zhì)量較高。

三、基于方差分析進行顯著性檢驗

為研究臭氧指標、PM25、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、PM10各項空氣污染物日均值和AQI指數(shù)等因素與上述聚類中分類匯總的結果之間是否具有顯著差異，選取單因素方差分析法進行顯著性檢驗，結果如表1。