滁州市空氣質(zhì)量影響因素的主成分分析

摘 要：根據(jù)2017年1—6月滁州市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)6種污染物進(jìn)行分析，得到污染物之間的關(guān)系及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：2017年1—6月滁州市空氣質(zhì)量為輕度污染的等級(jí)出現(xiàn)頻率最高，首要污染物為PM2.5和O3。通過(guò)主成分分析得到2個(gè)主成分，反映了SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5等5種和O3這1種污染物的信息，且CO、PM2.5、O3對(duì)滁州市空氣質(zhì)量起主導(dǎo)作用。空氣質(zhì)量相對(duì)較好的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是人大賓館，相對(duì)較差的是老年大學(xué)，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的季節(jié)性污染特征較為明顯，具有“夏季好，冬季差”的典型城市空氣環(huán)境狀況。

關(guān)鍵詞：滁州市；空氣質(zhì)量；變化特征；主成分分析

中圖分類(lèi)號(hào) X823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）13-0122-04

Abstract：According to the air quality monitoring data of three national monitoring sites in Chuzhou City from January to June 2017，the six components were analyzed using principal component analysis to obtain the relationship between pollutants and their impact on air quality.The results showed that the air quality in Chuzhou City in January to June 2017 had the highest frequency of light pollution，and the primary pollutants were mainly PM2.5 and O3.Two principal components are obtained by principal component analysis.The first principal component mainly reflects the information of SO2，PM10，NO2，CO and PM2.5，and the second principal component mainly reflects the pollution of O3.The information of matter，and CO，PM2.5，O3 play a leading role in the air quality of Chuzhou City.Calculating the comprehensive scores of principal components at each monitoring point in each month shows that the monitoring point with relatively good air quality is the National People's Congress Hotel，and the relatively poor one is the old university.The characteristics of seasonal pollution at various monitoring sites are relatively obvious，with typical urban air environment conditions of “good in summer and poor in winter”.

Key words：Chuzhou；Air quality；Change characteristics；Principal component analysis（PCA）

滁州市位于皖東江淮之間，是南京“一小時(shí)都市圈”主要成員和皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)的重要一翼。近年來(lái)，滁州市城市規(guī)模與GDP總量呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但與此同時(shí)城市空氣質(zhì)量問(wèn)題也日益突出[1-3]。2016年5月12日，因環(huán)境質(zhì)量未得到有效改善，環(huán)境執(zhí)法力度亟待加強(qiáng)，滁州市被國(guó)家環(huán)保部點(diǎn)名通報(bào)。

目前，針對(duì)滁州市空氣質(zhì)量的研究主要集中在空氣質(zhì)量變化與氣象條件的關(guān)系上[4]，而對(duì)滁州市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在的差別和聯(lián)系的研究很少，尤其是新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，對(duì)監(jiān)測(cè)的6種主要污染物之間相互關(guān)系的研究甚少。為此，本文以空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)6種主要污染物進(jìn)行分析[5-9]，探討污染物之間的關(guān)系及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響，為城市大氣污染防治工作提供一定的參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源 根據(jù)《中華人民共和國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3059-2012）[10]，選擇滁州市3個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即老年大學(xué)、監(jiān)測(cè)站和人大賓館，在2017年1—6月PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6種空氣污染物的日均濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用的所有空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)源于滁州市環(huán)保局。

1.2 分析方法 采用主成分分析法對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[11]。主成分分析主要起到降維和簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用，可以將原有的多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個(gè)代表性較好的綜合指標(biāo)，能夠反映原來(lái)指標(biāo)大部分的信息，且各個(gè)指標(biāo)之間保持獨(dú)立，避免出現(xiàn)重疊信息。主成分分析的基本步驟如下[12]：（1）原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；（2）計(jì)算樣本協(xié)方差陣和相關(guān)陣；（3）計(jì)算樣本協(xié)方差陣和相關(guān)陣的特征值和特征向量；（4）計(jì)算貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，確定選取主成分個(gè)數(shù)；（5）列出主成分方程并解釋主成分意義。采用Z-score法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)用SPSS18.0軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量時(shí)間分布特征

2.1.1 空氣質(zhì)量概況 圖1為2017年1—6月滁州市不同空氣質(zhì)量類(lèi)別所占日數(shù)的百分比。由圖1可知，滁州市2017年上半年出現(xiàn)頻率最高的空氣質(zhì)量等級(jí)為3級(jí)輕度污染，占上半年總?cè)諗?shù)的44.8%；其次為2級(jí)良，出現(xiàn)頻率為42.0%；中度污染、重度污染出現(xiàn)頻率分別為6.1%、2.2%；2017年1—6月未出現(xiàn)嚴(yán)重污染，空氣質(zhì)量為優(yōu)的日數(shù)僅占5%，優(yōu)良空氣質(zhì)量等級(jí)占上半年總?cè)諗?shù)的比率（也稱為環(huán)境空氣優(yōu)良率）為47.0%。2017年1—6月平均AQI為104.8，峰值為215，出現(xiàn)在1月3日。2017年上半年滁州市首要污染物主要為PM2.5和O3，分別出現(xiàn)83d和78d；其次為PM10、NO2，出現(xiàn)日數(shù)分別為8d、7d。

2.1.2 主要污染物月變化特征 圖2為2017年1—6月滁州市PM2.5和O3濃度月變化。由圖2可知，2017年上半年各月PM2.5平均濃度均在50μg/m3以上，總體呈逐月下降趨勢(shì)，原因可能與冬季氣溫低、靜風(fēng)頻率高，易形成逆溫天氣，以及采暖期燃煤用量較大有關(guān)[5，6]；其中1、2月這2個(gè)月份PM2.5平均濃度超過(guò)上半年均值，2月PM2.5平均濃度最高，達(dá)到79.8μg/m3，5月PM2.5平均濃度最低，為51.7μg/m3。2017年上半年各月O3平均濃度均在80μg/m3以上，總體呈逐月上升趨勢(shì)，原因可能與氣溫升高、日照增加，易將汽車(chē)廢氣和工業(yè)排放物釋放出的氮氧化物氣體（NOx）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）合成臭氧有關(guān)[5，6]；其中4、5、6月這3個(gè)月份O3平均濃度超過(guò)上半年均值，1月O3—8h平均濃度最低，為80.9μg/m3，5月O3平均濃度最高，達(dá)到170.5μg/m3。

2.2 空氣質(zhì)量主成分分析

2.2.1 6項(xiàng)指標(biāo)的主成分分析 將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS18.0進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1～表4。由表1可知，O3指標(biāo)的提取率明顯高于其他指標(biāo)，達(dá)到0.964，其次是CO和PM2.5，提取率分別為0.853和0.808，說(shuō)明這3個(gè)指標(biāo)對(duì)滁州市的空氣污染程度起主導(dǎo)作用。

表2反映了各個(gè)成分解釋原始變量的總方差以及提取信息量的情況。因?yàn)槌煞?（方差貢獻(xiàn)率62.271%）、成分2（方差貢獻(xiàn)率17.946%）的初始特征根都大于1，而且它們已經(jīng)包含了原始6個(gè)變量80.217%（>80%）[6]的信息，所以選取成分1、成分2為主成分。

主成分的主要含義由主成分載荷矩陣中各主成分所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大的幾個(gè)指標(biāo)的綜合含義來(lái)確定[13]。由表3可以看出，主成分1主要反映了SO2、PM10、NO2、CO、PM2.55個(gè)指標(biāo)的信息，主成分2主要反映了O31個(gè)指標(biāo)的信息。

上式中X1～X6表示對(duì)應(yīng)污染物標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本數(shù)據(jù)；Y1、Y2表示對(duì)應(yīng)成分得分。由上式可以看出，主成分1中SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5得分系數(shù)較高，其中CO、PM2.5得分系數(shù)最高；主成分2中O3得分系數(shù)明顯高于其他污染物，代表性顯著。

目前，滁州市工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)仍然建立在能源資源消耗增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，而滁州市的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭、石油等化石燃料為主，且這些燃料的利用率較低，所以空氣污染物主要來(lái)源于這些非再生能源的燃燒。這些化石燃料在燃燒中直接產(chǎn)生了大量對(duì)人類(lèi)有害的氣體和煙塵，如SO2、PM10、NO2、CO和PM2.5，所以主成分1主要包含了這5種污染物的信息，且對(duì)這5種污染物日平均濃度進(jìn)行相關(guān)分析（表略）也表明，任意兩種污染物之間均存在顯著相關(guān)。O3是光化學(xué)煙霧的主要成分，它的濃度雖然與煤炭、石油等污染源也有一定的關(guān)系，但它不是直接產(chǎn)生的，而是轉(zhuǎn)化而成的。它是污染源燃燒產(chǎn)生的氮氧化物，如汽車(chē)尾氣，在陽(yáng)光輻射及合適的氣象條件下生成的，它受陽(yáng)光、氣象條件的影響更為強(qiáng)烈，所以主成分2主要包含了O3這1種污染物的信息。

2.2.2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主成分綜合得分和綜合評(píng)價(jià) 為評(píng)價(jià)滁州市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)每月的綜合大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，采用如下公式計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天的綜合得分，進(jìn)而計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主成分月平均綜合得分。

式中：Zi表示第i成分的貢獻(xiàn)率，Z1=62.271%；Z2=17.946%；Yi表示樣本第i成分得分。經(jīng)計(jì)算，得出3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)各月的主成分平均綜合得分，結(jié)果見(jiàn)圖3。主成分綜合得分表征空氣質(zhì)量的好壞，得分越低表明該月該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣質(zhì)量越好[14]。

從圖3可以看出，滁州市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)各月的主成分綜合得分變化趨勢(shì)相似，自2月份起逐月下降，其原因可能是3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的距離較近（1.2～4.4km），且都不是工業(yè)集中區(qū)，空氣質(zhì)量沒(méi)有較大差別。2017年1—6月老年大學(xué)、監(jiān)測(cè)站和人大賓館3個(gè)站點(diǎn)的平均得分分別為0.004、0.003和0.000，空氣質(zhì)量相對(duì)較好的站點(diǎn)是人大賓館，相對(duì)較差的是老年大學(xué)。

2017年1—6月各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均主成分綜合得分最高的月份為2月，最低為6月，得分分別為0.260和-0.192，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2月主成分綜合得分均明顯高于5、6月，即1、2月空氣質(zhì)量較差，5、6月空氣質(zhì)量較好，屬于典型的城市空氣環(huán)境狀況。冬季氣溫低、氣壓高、降雨少，易出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，污染物動(dòng)能小，不易擴(kuò)散，城市空氣污染較為嚴(yán)重；進(jìn)入夏季，溫度高、氣壓低、濕度大，靜穩(wěn)天氣較難形成，污染物動(dòng)能大，容易擴(kuò)散，且茂盛的植被和城市熱島效應(yīng)有利于降低污染物濃度[5，6]。

3 結(jié)論與討論

（1）2017年1—6月滁州市空氣質(zhì)量為輕度污染的等級(jí)出現(xiàn)頻率最高，占上半年總?cè)諗?shù)的44.8%，其次為良，出現(xiàn)頻率為42.0%。首要污染物主要為PM2.5和O3—8h，分別出現(xiàn)83d和78d，是影響2017年上半年滁州市空氣質(zhì)量的主要因素。各月PM2.5平均濃度均在50μg/m3以上，總體呈逐月下降趨勢(shì)；各月O3—8h平均濃度均在80μg/m3以上，總體呈逐月上升趨勢(shì)。

（2）通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的主成分分析，2017年1—6月滁州市6種主要空氣污染物可以分為兩類(lèi)，SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5為第1類(lèi)，O3為第2類(lèi)。第1類(lèi)主要是由化石燃料的燃燒直接產(chǎn)生，第2類(lèi)不是直接形成的，而是在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下轉(zhuǎn)化而成。且CO、PM2.5、O3對(duì)滁州市空氣質(zhì)量起主導(dǎo)作用。

（3）2017年1—6月滁州市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)所代表區(qū)域的空氣質(zhì)量隨月份的變化趨勢(shì)相似，這是因?yàn)?個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置在城區(qū)，且距離較近?？諝赓|(zhì)量相對(duì)較好的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是人大賓館，相對(duì)較差的是老年大學(xué)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的季節(jié)性污染特征較為明顯，全市空氣質(zhì)量6月最好，2月最差，即具有“夏季好，冬季差”[15，16]的典型城市空氣環(huán)境狀況。

受資料限制，本研究?jī)H對(duì)滁州市2017年1—6月的污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，樣本數(shù)量有限，主成分分析存在局限性?？諝赓|(zhì)量相對(duì)較差的老年大學(xué)監(jiān)測(cè)點(diǎn)卻位于滁州市南湖公園旁，這與普遍認(rèn)知相悖，尚需探討。隨著城市規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，現(xiàn)有的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)過(guò)于集中，城南政務(wù)新區(qū)、城東工業(yè)集中區(qū)等新興區(qū)域均沒(méi)有布點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表性不足。未來(lái)可結(jié)合新增站點(diǎn)樣本，進(jìn)一步探討污染物之間的關(guān)系及其對(duì)空氣質(zhì)量的影響，為城市大氣污染防治工作提供一定的參考。

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（責(zé)編：張宏民）