多元统计方法在空气质量评价中的应用

王娜+程菲雨+门晓君

摘要：随着中国工业化和城市化进程的加快，环境问题日益严重。雾霾、灰霾等气象灾害肆虐，空气污染严重影响了人类生产生活。研究城市空气质量现状，分析空气质量和经济发展的关系对城市空气质量的改善具有指导意义。本文选取SO2、NO2等6个指标，分析2015年河北省中心城市的空气质量状况。首先通过因子分析找出影响空气质量的主要污1染物是SO2、NO2、PM10，其中，保定、邢台、唐山、石家庄的空气污染比较严重。空气质量比较理想的城市是张家口、承德、秦皇岛。然后运用K-均值聚类将河北省的11个城市进行归类。

关键词：空气质量 因子分析 系统聚类

0研究背景

城市作为人口和经济活动的高密度集区，其工业化和经济的高速发展使城市规模不断扩大。人类生产生活产生的大气污染物的大量排放，导致空气污染日益严重，雾霾、灰霾等气象灾害频繁出现，给人们的生产生活带来严重的危害，阻碍城市功能的发挥。河北省作为一个工业大省，对煤炭、石油等能源需求量较大，导致大量的颗粒物、氮氧化物和二氧化硫排放到大气中，使得城市空气污染日益严重。[3]国内学者姜新华等采用主成分分析法对影响呼和浩特市空气质量的主要因素进行分析并利用方差分析研究气象因素对空气质量的影响，结果表明影响空气质量的主要因素是PM10、CO和SO2；天气寒冷、空气干燥、大风对该地区的空气质量有显著的影响。[1]李茜（2013年）应用回归分析将城市2001-2010年的空气主要污染物与经济指标进行拟合，结果表明随着城市的发展，空气中的SO2浓度呈现下降的趋势，呈倒U型曲线。NO2、PM10和综合污染指数呈U型关系。城市第二产业、建成区面积与城市主要污染物成正相关关系。[2]国外学者Tolga Elbir对土耳其的埃尔鲁姆市的空气污染物进行估算研究时发现空气污染物主要是SO2、氮氧化物和颗粒物，主要来源是工业、交通、人类活动。

1基于因子分析和K-均值聚类河北省空气质量研究

1.1、因子分析

本文采用河北省各城市2015年空气质量数据，将选取的SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5反映城市空气污染程度的6个指标进行因子分析的KMO检验和球形Bartlett检验，结果为KMO值为0.728>0.7，认为空气指标间存在着相关关系，Bartlett统计量的P值<0.001，在0.001显著性水平上可以认为相关系数矩阵不是单位矩阵，即原始数适合做因子分析。 利用SPSS进行因子分析，结果显示第一主成分包含了原始变量70%的信息，第二主成分包含了原始变量19%的信息。前两个因子贡献率已经达到89.4%，且特征值大于1，包含了原始变量的大部分信息。因此提取前两个公因子来代替原始变量。为了对主成分进行合理的解释，给出旋转之后的主成分。

表1旋转成分矩阵

分析旋转后的因子载荷矩阵可得，主成分在NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指标上有很大的载荷。因为NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指主要来源与工业生产和交通运输，主成分主要反映城市工業发展带来的空气污染；主成分和O3有很大的相关性，城市中的O3主要由于生活中使用的制冷剂、喷雾剂等中的氟氯烃化物向大气中排放使臭氧层遭到破坏所导致的。因此主成分是生活垃圾带来的空气污染。

因子得分对应原始污染指标表示为公共因子线性组合时的系数，根据表4可知因子得分函数方程如下

影响河北省城市空气质量的主要污染物是二氧化硫、二氧化氮、可吸入粉尘颗粒物，其中二氧化硫主要来源于含硫燃料的燃烧，工业燃油和生活燃煤常常伴随着二氧化硫的生成。二氧化氮主要来源于汽车尾气和工业生产。可吸入粉尘颗粒主要来源于工厂废气未经处理直接排放和行驶的车辆与未铺沥青和水泥的路面摩擦产生。根据因子得分函数计算各个城市的因子得分和总得分将城市进行排名结果如下。

表2 2015年河北省城市的空气污染程度从低到高排名

结合公共因子的解释，根据各个城市在公共因子上的得分对城市的空气质量进行评价。在反映城市工业化和机动车尾气的公共因子1上的得分较高的城市分别是邢台、保定、唐山。在反映城市生活垃圾排放的公共因子2上的得分较高城市分别是衡水、廊坊、保定。综合两个成分，得出每个城市的加权得分。其中得分较高的即空气污染比较严重的城市为保定、邢台、唐山、石家庄。空气质量比较理想的城市是张家口、承德、秦皇岛。

2、K-均值聚类

根据因子得分的结果将河北省的11个城市进行K-均值聚类，将11个城市分成了三类，第一类是石家庄、唐山、邯郸、邢台、保定、沧州、廊坊、衡水；第二类是秦皇岛；第三类是张家口、承德。第一类城市空气污染状况较为严重，石家庄、唐山等城市主要以工业或重工业为主，工业污染最严重，空气质量最差。第二类城市秦皇岛是重要的旅游城市，工业污染少，空气质量最好。第三类城市的空气质量为中，张家口和承德主要以农业和旅游业为主，空气质量相对较好。分类结果与因子分析的结果相一致。

结论

通过对河北省城市污染物进行因子分析，影响城市空气质量有两个公共因素，因子主要来源是工业生产和交通运输，反映城市工业发展带来的空气污染；其中邢台、保定、唐山在因子1上的污染最为严重。因子主要是生活垃圾带来的空气污染，衡水、廊坊、保定在因子2上的污染最为严重。空气污染比较严重的城市为保定、邢台、唐山、石家庄。空气质量比较理想的城市是张家口、承德、秦皇岛。

随着经济的日益发展，环境问题逐渐突显，为改善空气质量，一方面增加环保支出的，提高植被面积，控制工业污染；另一方面提高国民的环保意识，积极推广环境友好型的产品，减少机动车的使用频率，减少生活污染。

参考文献：

[1]姜新华，薛河儒，张存厚，张丽娜. 基于主成分分析的呼和浩特市空气质量影响因素研究[J]. 安全与环境工程，2016，01：75-79.

1，*门晓君，女，硕士，山东高密人，Email：xiaojunmen@126.comendprint