陳 楊，單春艷，白志鵬，任麗紅，孟露露，吳曉璇，趙佳佳，李洋陽

1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

空氣中細(xì)顆粒物(PM2.5)污染對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量有極大影響[1-3]，當(dāng)前PM2.5成為對(duì)中國城市環(huán)境空氣質(zhì)量影響最大的污染物之一。環(huán)境狀況公報(bào)顯示，2013年首批實(shí)施新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的74個(gè)城市PM2.5年均質(zhì)量濃度為72.0 μg/m3，達(dá)標(biāo)城市比例僅為4.1%[4]；2014年全國161個(gè)城市PM2.5年均質(zhì)量濃度為62 μg/m3，達(dá)標(biāo)城市比例為11.2%[5]。2015年，全國338個(gè)地級(jí)以上城市PM2.5年均質(zhì)量濃度為50 μg/m3，達(dá)標(biāo)城市比例為21.6%。盡管近幾年通過采取一系列PM2.5污染防治措施，中國部分城市污染程度有所減輕，但達(dá)標(biāo)率仍然較低，區(qū)域性特征明顯[6-9]。2015年，京津冀區(qū)域的13個(gè)地級(jí)城市和長三角區(qū)域的25個(gè)地級(jí)城市中，都各僅有1個(gè)城市達(dá)標(biāo)，且各區(qū)域的重污染發(fā)生體現(xiàn)出同步性。因此，合理劃分PM2.5污染防治區(qū)域、建立區(qū)域性大氣環(huán)境管理體系，是改善區(qū)域空氣質(zhì)量的重要途徑。

很多發(fā)達(dá)國家采取區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控的大氣管理模式治理PM2.5污染。如美國大氣管理區(qū)域的地理分布和社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)域基本一致[10],在個(gè)別嚴(yán)重污染區(qū)域,如美國加州，設(shè)立南海岸大氣質(zhì)量管理區(qū)，共同協(xié)商區(qū)域大氣治理事宜。歐盟通過會(huì)議委員會(huì)簽訂國際會(huì)議條約來約束[11]。通過區(qū)域管理、聯(lián)防聯(lián)控和統(tǒng)籌安排，美國、英國等國家的大氣污染得到了有效控制。

中國通過各級(jí)行政區(qū)環(huán)境保護(hù)部門統(tǒng)一實(shí)行大氣環(huán)境治理。部分省(市)按照地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展集中程度聚成大區(qū)(如京津冀、長三角、珠三角地區(qū)等)。2013年環(huán)境保護(hù)部提出的大氣污染防治“三區(qū)十群”，做出了全國范圍大氣污染防治分區(qū)的嘗試，在一定程度上改善了大氣污染狀況，但仍主要以省(市)行政大區(qū)為主體，而不是環(huán)境相互影響較大的城市各自合成大區(qū)統(tǒng)籌安排。從大氣問題管理的角度出發(fā)，這種自上而下的縱向管理模式無法滿足現(xiàn)今中國嚴(yán)峻的污染形勢，加強(qiáng)橫向的相互影響城市之間的聯(lián)系才是改善中國城市PM2.5污染的出路。部分學(xué)者根據(jù)大氣污染情況利用系統(tǒng)聚類法“橫向”聚類城市。如王斌[12]利用空氣污染指數(shù)(API)數(shù)值將84個(gè)城市聚類成南北2個(gè)大區(qū)，細(xì)化可聚類成11個(gè)小區(qū)；GAO等[13]利用每日空氣污染指數(shù)將81個(gè)城市劃分成7個(gè)區(qū)域；康娜等[14]利用PM10污染特點(diǎn)將86個(gè)城市劃分為7個(gè)區(qū)域等。但是這些研究側(cè)重于區(qū)域內(nèi)大氣污染特征、規(guī)律的探討，在聚類方法選擇、聚類分區(qū)的說明上過于簡略。因此，本研究從數(shù)據(jù)選擇與處理、聚類要素分析及選擇、結(jié)合實(shí)際地理位置和行政管理對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行判斷分析等角度展開闡述，既探究適于全國城市大氣污染區(qū)域劃分的方法，又為實(shí)際區(qū)域大氣PM2.5防控提供依據(jù)。

1 研究對(duì)象和數(shù)據(jù)來源

選取2015年全國108個(gè)重點(diǎn)城市PM2.5的日均濃度值為數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)各城市的PM2.5污染濃度年變化特征進(jìn)行區(qū)域劃分。在中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺(tái)[15]獲取108個(gè)城市(長春、哈爾濱、葫蘆島、盤錦、營口、沈陽、包頭、呼和浩特、大同、張家口、承德、北京、保定、廊坊、唐山、天津、秦皇島、石家莊、邢臺(tái)、衡水、德州、邯鄲、滄州、鄭州、威海、煙臺(tái)、大連、濱州、東營、濰坊、丹東、太原、陽泉、濟(jì)南、淄博、菏澤、聊城、青島、日照、臨沂、淮安、宿遷、鹽城、連云港、萊蕪、泰安、徐州、棗莊、濟(jì)寧、渭南、西安、咸陽、寶雞、延安、銅川、泰州、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、南京、合肥、杭州、湖州、紹興、南通、上海、蘇州、無錫、嘉興、常州、寧波、舟山、臺(tái)州、溫州、福州、泉州、金華、衢州、麗水、廈門、汕頭、成都、重慶、長沙、湘潭、株洲、南昌、武漢、昆明、玉溪、西寧、蘭州、清遠(yuǎn)、韶關(guān)、肇慶、柳州、貴陽、深圳、珠海、中山、江門、東莞、廣州、佛山、惠州、北海、南寧、海口、河源)的2015年P(guān)M2.5日均濃度值，進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。為保證數(shù)據(jù)整齊、方便聚類分析，對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(當(dāng)某一城市某日PM2.5濃度值缺失，則刪除其他城市對(duì)應(yīng)日期數(shù)據(jù)值，最終刪除的日期為1月1—5日、4月4—9日、7月11日)，最終處理數(shù)據(jù)得到108個(gè)城市353 d的PM2.5日均濃度值。

2 研究方法

2.1 系統(tǒng)聚類方法介紹

使用系統(tǒng)聚類方法。首先定義樣品間的距離(或相似系數(shù))，這時(shí)的類間距離與樣品間的距離是等價(jià)的；然后將距離最近的兩類合并成新類，并計(jì)算新類與其他類的類間距離，再按最小距離準(zhǔn)則并類[16]。這樣每次縮小一類，直到所有的樣品都并成一類為止。這個(gè)并類過程可以用譜系聚類圖形象地表達(dá)出來[17]。

借助SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類時(shí)需要明確聚類方法、度量標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化3個(gè)因素。通?？墒褂玫木垲惙椒ㄓ薪M間聯(lián)接、組內(nèi)聯(lián)接、最近鄰元素、最遠(yuǎn)鄰元素、質(zhì)心聚類法、中位數(shù)聚類法、ward法等，它們有各自的適用范圍(表1)；測度方法有平方歐氏距離、歐氏距離、夾角余弦、皮爾遜相關(guān)系數(shù)、切比雪夫距離、絕對(duì)值距離、明考斯基距離、自定義距離等，其中，夾角余弦、皮爾遜相關(guān)系數(shù)是相似性系數(shù)的測度方法，其他為距離的測度方法。當(dāng)變量量綱不同時(shí)進(jìn)行聚類分析需要先將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。除上述3個(gè)要素以外，系統(tǒng)聚類分為Q型(個(gè)案)聚類和R型(變量)聚類，具體的方法可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型以及聚類目的進(jìn)行選擇。

因?yàn)椴煌姆椒▊?cè)重點(diǎn)與實(shí)際意義不同，所以當(dāng)相同數(shù)據(jù)采用不同聚類方法和度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理時(shí)，結(jié)果有所不同，但不同聚類結(jié)果有相似部分。在實(shí)際聚類處理中，可以比較不同處理方法的處理結(jié)果選擇最優(yōu)方案[18]。在比較不同處理結(jié)果時(shí)可以遵循3個(gè)原則：①合理性：聚類分類結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中有可借鑒的意義，符合分類的目的；②適中性：各類別所包含的元素適中，不會(huì)過多或過少；③差異性：各類別內(nèi)聚合系數(shù)(距離)應(yīng)相對(duì)較小，類別間聚合系數(shù)(距離)應(yīng)相對(duì)較大，即類與類之間有界限。這3個(gè)原則與文獻(xiàn)[17]中引述DEMIRMEN提出的分類原則相吻合。

表1 聚類方法表

2.2 系統(tǒng)聚類方法選擇

比較SPSS中幾種聚類方法的適用范圍，優(yōu)先選用類平均法，即組內(nèi)聯(lián)接法和組間聯(lián)接法作為聚類方法。城市聚類分區(qū)的主要目的是使區(qū)域內(nèi)PM2.5濃度變化相關(guān)性較大的城市聚成一類，便于開展區(qū)域性管理。相關(guān)性較大的城市樣本間，應(yīng)該呈現(xiàn)出近似的數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，因此測度方法應(yīng)該選擇夾角余弦和皮爾遜相關(guān)系數(shù)。由于本研究使用的數(shù)據(jù)是單一類型的數(shù)據(jù)——僅有PM2.5濃度值，濃度值單位統(tǒng)一，因此不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。綜上，對(duì)108個(gè)城市進(jìn)行系統(tǒng)聚類可以采取如下4種組合方式：①組內(nèi)聯(lián)接-夾角余弦；②組內(nèi)聯(lián)接-皮爾遜相關(guān)系數(shù)；③組間聯(lián)接-夾角余弦；④組間聯(lián)接-皮爾遜相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果分析與討論

使用SPSS軟件分別采用上面4種聚類方法進(jìn)行計(jì)算，樹狀聚類圖結(jié)果如圖1所示，圖中標(biāo)定距離代表重新調(diào)整距離后的類別遠(yuǎn)近關(guān)系，數(shù)值在分類時(shí)可作為劃分標(biāo)尺使用。4種聚類方法均有近似的分類趨勢，但細(xì)節(jié)上有所差異。從圖1可知，組內(nèi)聯(lián)接法相對(duì)組間聯(lián)接法，其類內(nèi)的距離較遠(yuǎn)，而類間的距離較近；余弦度量和皮爾遜度量相比，在標(biāo)定距離較小時(shí)，皮爾遜度量結(jié)果的聚合性更好，即元素較能集中進(jìn)入類別中。

分別選取不同的標(biāo)定距離，每種聚類方法所得的分類結(jié)果有所不同(表2)。組間聯(lián)接法分類的數(shù)量比組內(nèi)聯(lián)接法的數(shù)量少，且隨著標(biāo)定距離的增加，這種差距漸漸縮小。理想的聚類結(jié)果應(yīng)該是標(biāo)定距離相對(duì)較少，類別數(shù)量相對(duì)較少，類別范圍相對(duì)較大，類別內(nèi)元素量適中。結(jié)合樹狀圖觀測的結(jié)果——組內(nèi)聯(lián)接法類內(nèi)遠(yuǎn)、類間近，皮爾遜度量聚合性好，可以選擇“12.5+方法④”和“15+方法①”2種方式比較其在實(shí)際應(yīng)用中是否合理。

PM2.5污染的區(qū)域性主要是因?yàn)榇髿獾牧鲃?dòng)性引起的，PM2.5污染相互影響較大的城市在地理位置上應(yīng)該近鄰，觀察2種方式的分類結(jié)果(表3)可知，“15+方法①”的分區(qū)在實(shí)際運(yùn)用中并不合理。例如廣東多數(shù)城市和河北張家口聚合成一類，玉溪、昆明與福建沿海合成一類等，它們?cè)诘貓D上距離較遠(yuǎn)，無法連成區(qū)域，故選擇以“12.5+方法④”聚類結(jié)果作為區(qū)域劃分的主要依據(jù)。進(jìn)行分類時(shí)，為保證后續(xù)研究的準(zhǔn)確性和實(shí)際意義，刪除城市樣本量小且涵蓋范圍小的城市，最后將中國劃分為8個(gè)區(qū)域(圖2)：?贛鄂湘接壤地區(qū)(長株潭及周邊城市)；?成渝及周邊地區(qū)；?粵桂地區(qū)；?閩浙沿海城市群；?東三省地區(qū)；?長三角地區(qū)；?山東及周邊地區(qū)；?京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群。

城市：1.淄博；2.株洲；3.珠海；4.舟山；5.重慶；6.中山；7.鄭州；8.鎮(zhèn)江；9.肇慶；10.長沙11.長春；12.張家口；13.棗莊；14.玉溪；15.營口；16.陽泉；17.揚(yáng)州18.鹽城；19.延安20.煙臺(tái)；21.徐州；22.宿遷；23.邢臺(tái)；24.湘潭；25.咸陽；26.西寧；27.西安；28.武漢；29.無錫；30.溫州；31.渭南；32.濰坊；33.威海；34.銅川；35.天津；36.唐山；37.泰州；38.泰安；39.太原；40.臺(tái)州；41.蘇州；42.石家莊；43.沈陽；44.深圳；45.紹興；46.韶關(guān)；47.上海；48.汕頭；49.廈門；50.日照；51.泉州；52.衢州；53.清遠(yuǎn)；54.青島；55.秦皇島；56.盤錦；57.寧波；58.南通；59.南寧；60.南京；61.南昌；62.柳州；63.臨沂；64.聊城；65.連云港；66.麗水；67.廊坊；68.蘭州；69.萊蕪；70.昆明；71.金華；72.江門；73.嘉興；74.濟(jì)寧；75.濟(jì)南；76.惠州；77.淮安；78.湖州；79.葫蘆島；80.呼和浩特；81.衡水；82.菏澤；83.河源；84.合肥；85.杭州；86.邯鄲87.海口；88.哈爾濱；89.貴陽；90.廣州；91.福州；92.佛山；93.東營；94.東莞；95.德州；96.丹東；97.大同；98.大連；99.承德；100.成都；101.常州；102.滄州；103.濱州；104.北京；105.北海；106.保定；107.寶雞；108.包頭。圖1 4種系統(tǒng)聚類方法樹狀圖結(jié)果(由上往下依次為方法①—方法④)Fig.1 Dendrograms of 4 different hierarchical cluster analysis results

表2 不同標(biāo)定距離系統(tǒng)聚類的分類情況

表3 2種聚類方法分類詳情對(duì)比

注：“—”表示未設(shè)區(qū)。

長沙、湘潭、株洲、武漢、南昌跨3省被聚合成贛鄂湘接壤地區(qū)(長株潭及周邊城市)，其中的長株潭[19-20]是湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，3個(gè)城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖然側(cè)重不同，但是經(jīng)濟(jì)相互影響較大；長株潭與武漢、南昌相聚合，一方面說明其在地理位置上相距較近，變化規(guī)律具有很好的相似性；另一方面可能是周邊樣本量過少導(dǎo)致。閩浙沿海城市群聚合成區(qū)可能由其特殊的氣候環(huán)境和地理位置造成，一方面沿海易受海風(fēng)影響[21]，另一方面閩浙沿海城市群經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)各城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)聯(lián)緊密[22]。山東與江蘇北部聚合為山東及周邊地區(qū)；而江蘇中南部歸為長三角地區(qū)。江蘇南北被劃分到2個(gè)區(qū)域，可能由于蘇北、蘇中南顆粒物來源不同，也可能由于江蘇蘇北和蘇中南經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不一致導(dǎo)致[23]。這說明某種程度上單純的南北方劃分已經(jīng)不能滿足空氣污染分析的要求，深一步挖掘區(qū)域間的關(guān)聯(lián)更有利于大氣防控工作的開展。京津冀與河南省鄭州市、山西省中北部、陜西省中部聚合成京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群，一定程度上說明顆粒物擴(kuò)散的趨勢。京津冀[24-26]地理位置相鄰且相互經(jīng)濟(jì)影響較大，向西擴(kuò)散至陜西成同一區(qū)域。云南、西北地區(qū)、成渝、東三省地區(qū)單獨(dú)聚合，某種程度上反映其地理環(huán)境所帶來的獨(dú)特的污染規(guī)律[12]，但也有可能是因?yàn)橹苓厴颖玖窟^少導(dǎo)致。

以上分類結(jié)果中部分區(qū)域劃分主體是省份，也存在幾省被分割交錯(cuò)聚合的情況。聚合成區(qū)的城市在地理位置上鄰近，系統(tǒng)聚類分析的結(jié)果反映了污染的區(qū)域性特征，這說明單一的行政區(qū)環(huán)境管理方法已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的區(qū)域污染特點(diǎn)，跨省間的聯(lián)防聯(lián)控、建立區(qū)域空氣管理體系是非常有必要的。

注：底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)站(http://219.238.166.215/mcp/index.asp)下載的1∶400萬政區(qū)版(南海諸島)中華人民共和國底圖。審圖號(hào)為GS(2008)1 349號(hào),下載日期為2016-03-20。圖2 中國PM2.5防治區(qū)域劃分示意圖Fig.2 Map of eight PM2.5 control regions in China

圖3展示了2015年8個(gè)區(qū)域中城市PM2.5濃度的最高值、最低值和平均值。如圖3所示，8個(gè)區(qū)域中，粵桂地區(qū)總體污染較輕，山東及周邊地區(qū)污染嚴(yán)重。長株潭及周邊地區(qū)、粵桂地區(qū)、閩浙沿海城市群、山東及周邊地區(qū)的各區(qū)域內(nèi)污染輕和污染嚴(yán)重的城市所占比例近似，長三角地區(qū)污染嚴(yán)重的城市所占比例較大，京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群中污染輕的城市所占比例較大。山東及周邊地區(qū),長三角地區(qū),京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群的內(nèi)部污染程度不均衡、較離散?；浌鸬貐^(qū)、閩浙沿海城市群、長三角區(qū)域的PM2.5范圍的最低值較為相近；長株潭及周邊、東三省地區(qū)、成渝及周邊地區(qū)的PM2.5范圍的最低值較為相近?？傮w而言，長株潭及周邊城市對(duì)比其鄰近的粵桂地區(qū)應(yīng)更加強(qiáng)化區(qū)域PM2.5污染防治；粵桂地區(qū)、閩浙沿海城市群整體空氣質(zhì)量較好，應(yīng)在維持現(xiàn)有空氣質(zhì)量的前提下，改善個(gè)別空氣相對(duì)較差城市的空氣質(zhì)量；長三角地區(qū)區(qū)域PM2.5平均值偏高，應(yīng)重點(diǎn)削減重污染城市的源排放；山東及周邊地區(qū)PM2.5污染值跨度大，京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群區(qū)域PM2.5平均值偏低但整體污染較重，這2個(gè)區(qū)域PM2.5污染成因復(fù)雜，需要進(jìn)一步探明污染來源后，采取多項(xiàng)措施綜合治理。

圖3 2015年8個(gè)區(qū)域中城市PM2.5濃度最高值、最低值與平均值Fig.3 The highest, the lowest and the mean values of annual concentration of eight regions in 2015

4 結(jié)論

以中國108個(gè)城市PM2.5污染水平為研究對(duì)象，對(duì)比分析了4種不同的系統(tǒng)聚類方法，結(jié)合聚類原則，優(yōu)化確定了合理的聚類方法，根據(jù)2015年P(guān)M2.5日均濃度數(shù)據(jù)，將中國城市聚類劃分為8個(gè)主要區(qū)域。分區(qū)結(jié)果在地理分布上具有較好的可解釋性和可操作性。根據(jù)系統(tǒng)聚類的應(yīng)用和結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1)系統(tǒng)聚類的分類方法和分類結(jié)果沒有固定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即沒有對(duì)錯(cuò)之分，不同聚類方案的分類結(jié)果應(yīng)該存在相似部分。因此在考察系統(tǒng)聚類的方法時(shí)，首先要根據(jù)使用目的選擇合適的度量標(biāo)準(zhǔn)，其次應(yīng)該根據(jù)合理性、適中性、差異性的原則選擇聚類方法。

2)由于分析時(shí)選取的城市樣本有限，區(qū)域的劃分沒有包含中國西部大部分城市和港、澳、臺(tái)地區(qū)。因此，在針對(duì)全國范圍內(nèi)更多的城市劃分PM2.5防治區(qū)域時(shí)，可以采取與研究108個(gè)城市聚類的相同步驟進(jìn)行分析，最后則要根據(jù)聚類原則重新選擇聚類方法和標(biāo)定距離。

3)聚類分析結(jié)果顯示，大氣污染防治區(qū)域劃分可能會(huì)打破省、自治區(qū)、直轄市行政區(qū)界限，單純的地理位置近鄰或者同一行政區(qū)劃的城市之間PM2.5污染水平的相關(guān)性不一定最大。因此在研究PM2.5污染的區(qū)域性管理時(shí)，不能單純按照行政區(qū)劃來劃分管理區(qū)域。

4)分區(qū)結(jié)果體現(xiàn)了各區(qū)域中城市間PM2.5污染的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，影響因素可能是類似的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，相同的主要污染源類型等，這要根據(jù)各個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、地理、氣象特征等具體分析。

5)根據(jù)各個(gè)區(qū)域PM2.5污染情況可知，長株潭及周邊城市整體需加強(qiáng)PM2.5污染防治；長三角地區(qū)應(yīng)著重治理污染嚴(yán)重的城市；山東及周邊地區(qū),京津冀、山西中北部、陜西關(guān)中城市群PM2.5污染成因復(fù)雜，需要探明區(qū)域PM2.5污染主因后，采取綜合措施控制PM2.5污染。

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