宋加梅

(中國(guó)傳媒大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與智能媒體學(xué)院，北京100024)

1 引言

隨著全球城市化的高速發(fā)展，空氣污染已經(jīng)成為不可避免的問題。目前我國(guó)大氣環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，大范圍的持續(xù)重污染頻繁發(fā)生，霧霾天氣愈來(lái)愈常見，空氣質(zhì)量問題已經(jīng)嚴(yán)重影響我們的生活。近幾年國(guó)家也開始重視空氣污染問題，將空氣治理作為了建設(shè)生態(tài)文明、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、加強(qiáng)國(guó)家治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。從國(guó)家到地方層面在節(jié)能減排、工業(yè)轉(zhuǎn)型、綠色出行等方面都下大力氣推進(jìn)空氣污染治理。在治理空氣污染問題前對(duì)城市大氣環(huán)境質(zhì)量做出客觀、全面、 實(shí)時(shí)的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)是極其必要的。對(duì)各個(gè)城市的空氣質(zhì)量情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，不僅有利于人們認(rèn)識(shí)和研究大氣環(huán)境質(zhì)量，也為有效治理和控制大氣污染提供必要的科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)我國(guó)2016年1月1日開始全國(guó)正式實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)主要有六項(xiàng)指標(biāo)，分別為細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)。

大氣中的PM2.5、PM10及粉塵微粒等統(tǒng)稱為總懸浮顆粒物，主要來(lái)自工業(yè)廢氣、建筑揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車排放、物質(zhì)燃燒等。其中PM2.5對(duì)人體健康危害最大，它易滲透到肺組織的深處，可引起支氣管炎和肺癌等病變。二氧化硫主要由燃煤排放引起，是酸雨形成的主因。氮氧化物主要由機(jī)動(dòng)車尾氣造成，易引發(fā)光化學(xué)污染。同時(shí)，氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放是形成臭氧污染的罪魁禍?zhǔn)?，臭氧污染易發(fā)生在夏季，目前已經(jīng)成為我國(guó)僅次于PM2.5和PM10的第三大污染物。[2]

本文除以上六項(xiàng)指標(biāo)外還加入了空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)和各城市的年降水量?jī)身?xiàng)指標(biāo)，更全面的分析我國(guó)各城市的空氣質(zhì)量情況與污染物、氣象和地理位置之間的關(guān)系。對(duì)我國(guó)不同地區(qū)進(jìn)行研究有利于比較不同自然條件和不同社會(huì)環(huán)境的地區(qū)在空氣質(zhì)量上的異同，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過分析我國(guó)空氣質(zhì)量的情況，有針對(duì)地提出解決不同地區(qū)空氣污染問題的可行路徑，這樣才能保證城市發(fā)展，提高空氣質(zhì)量。

2 材料與方法

2.1 建立指標(biāo)體系

本文綜合我國(guó)城市的實(shí)際分布情況，選取京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等重點(diǎn)區(qū)域和直轄市、省會(huì)城市等55個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市的空氣質(zhì)量為樣本，選取二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5的年平均濃度，一氧化碳日均值第95百分位濃度、臭氧(O3)日最大8小時(shí)第90百分位濃度以及空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)和各城市的年降水量等8個(gè)變量作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)各個(gè)城市的空氣質(zhì)量情況進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要選取《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2017》中2016年環(huán)保重點(diǎn)城市的空氣質(zhì)量情況和主要城市降水量，以及河北省、江蘇省、廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒發(fā)布的主要城市降水量情況。

2.3 研究方法

本文采用因子分析，利用降維的思想，從研究的原始變量?jī)?nèi)在隱藏的關(guān)系出發(fā)，將具有相關(guān)關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)綜合因子，各個(gè)因子較原始變量有更優(yōu)良的性能。[1]研究以SPSS為工具，使用因子分析法中的主成分量法求解，然后對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行方差最大化正交旋轉(zhuǎn)，計(jì)算出各個(gè)城市的樣本空氣質(zhì)量的因子得分值，并以因子貢獻(xiàn)率為權(quán)重計(jì)算出每個(gè)城市的空氣質(zhì)量綜合得分進(jìn)行排名，然后可以對(duì)各城市進(jìn)行分類進(jìn)一步分析[2]。

3 研究過程

因子分析首先要進(jìn)行變量間的相關(guān)性檢驗(yàn)，表1給出各個(gè)變量之間的相關(guān)性矩陣，可以看出除個(gè)別變量之間的相關(guān)系數(shù)，絕大多數(shù)后大于0.3。并且通過KMO and Bartlett’s Test得到KMO值為0.83>0.5，且Bartlett的球體檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為485，顯著性水平小于0.001，說明原始變量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，適合進(jìn)行因子分析。[3]在這里值得注意的是，前六個(gè)指標(biāo)與因子得分是正相關(guān)，而好于二級(jí)的天數(shù)與降水量是負(fù)相關(guān)，也就是天數(shù)越長(zhǎng)降水量越多，城市的空氣質(zhì)量越好。

表1 變量間的相關(guān)系數(shù)矩陣

檢驗(yàn)通過之后，進(jìn)行公共因子的提取，為了能解釋變量的大部分信息，我們根據(jù)因子的特征根大于1且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率超過80%的原則選取前兩個(gè)因子，參見表2。

表2 特征值、因子貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

之后將因子進(jìn)行方差最大正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣結(jié)果整理如表3：可以發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)因子在降水量、CO濃度等指標(biāo)上的載荷量大；而第二個(gè)因子在臭氧和空氣質(zhì)量好與二級(jí)的天數(shù)等指標(biāo)上的載荷量大。

表3 旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣

我們可以得到影響城市空氣質(zhì)量的兩個(gè)因子的得分模型：

F1=0.275×ZSO2-0.002×ZNO+0.187×ZPM10+0.248×ZCO-0.319×ZO3+0.089×ZPM2.5+0.018×ZAQ-0.405×PRE

F2=-0.126×ZSO2+0.243×ZNO+0.051×ZPM10-0.039×ZCO+0.530×ZO3+0.166×ZPM2.5-0.290×ZAQ+0.290×PRE

式中，F(xiàn)1、F2 是我國(guó)各大城市的因子得分；ZSO2、ZNO2、ZPM10、ZPM2.5、ZCO、ZO3、ZAQ 、ZPRE是在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)；各變量前的系數(shù)是經(jīng)過方差最大正交旋轉(zhuǎn)后各因子的載荷量。得到將各個(gè)因子貢獻(xiàn)率作如下加權(quán)平均，計(jì)算公式如下：F=(0.4612F1+0.3706F2)/0.83187其中，F(xiàn)1、F2 的系數(shù)為方差貢獻(xiàn)率。

最后根據(jù)公式算出55個(gè)城市空氣質(zhì)量情況的因子得分并進(jìn)行排名，這里我們將2016年各個(gè)城市的空氣質(zhì)量最終因子得分排名的前五名和后五名列為表4。

表4 主要城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)匯總

續(xù)表

從表4中我們可以看出保定、石家莊、邯鄲、唐山等城市的綜合因子得分比較高說明這些城市的空氣質(zhì)量情況較差：而?？?、湛江、廈門等城市的因子得分比較低，說明這些城市的空氣質(zhì)量情況較好。

4 結(jié)果與分析

為進(jìn)一步說明我國(guó)城市的空氣質(zhì)量情況給出優(yōu)化意見，將55城市依據(jù)綜合因子得分的高低分為五列類，并將結(jié)果整理為圖1。

圖1 我國(guó)主要城市空氣質(zhì)量情況分類

第一類：保定、石家莊、邯鄲、唐山、鄭州、太原。

這些城市的因子得分最高，空氣質(zhì)量最差，從地理位置上來(lái)看大部分都屬于河北省。這些城市的各個(gè)污染物指標(biāo)都遠(yuǎn)超過平均水平。河北地區(qū)的工業(yè)發(fā)展迅速，人口密度大，河北省地勢(shì)西北高、東南低，容易受到西北地區(qū)的沙塵影響不利于污染物的排放。因此這些城市想要提高空氣質(zhì)量要進(jìn)行綜合治理，調(diào)節(jié)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制工業(yè)污染，加大節(jié)能減排的力度，并且要嚴(yán)格把控工廠的廢氣排放，對(duì)于污染物要進(jìn)行凈化。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)宣傳，培養(yǎng)居民的環(huán)保意識(shí)，減少生活污染。

第二類：濟(jì)南、西安、北京、烏魯木齊、蘭州、銀川、天津、徐州、成都、西寧、沈陽(yáng)、秦皇島、呼和浩特、無(wú)錫、南京、武漢、合肥、常州。

因子得分較高，空氣質(zhì)量較差。這些城市分布較廣，以中西部為主。這暴露出我國(guó)西北地區(qū)的荒漠化和沙漠化現(xiàn)狀，我國(guó)的沙漠主要集中在西北地區(qū)，而近幾年新疆和內(nèi)蒙古草原的過度開墾，使得這些地區(qū)的綠化率和硬質(zhì)覆蓋度降低，地面裸露程度變高，造成揚(yáng)塵天氣。而我國(guó)地勢(shì)西高東低導(dǎo)致西北地區(qū)的沙塵天氣順勢(shì)而下，并在高空強(qiáng)西北氣流作用下，影響到我國(guó)華北廣大地區(qū).[4]因此要想提高這些城市的空氣質(zhì)量，我們應(yīng)制定政策，合理開發(fā)草原和森林，在西北地區(qū)建造防風(fēng)林，減少揚(yáng)塵對(duì)其它城市的影響。京津地帶工業(yè)污染較輕但人口密集，生活污染和汽車尾氣問題嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)臭氧的治理。

第三類：哈爾濱、長(zhǎng)春、蘇州、青島、連云港、杭州、揚(yáng)州、重慶、鎮(zhèn)江、湖州、南通。

這些城市的因子得分屬于中等水平，空氣質(zhì)量一般。部分位于長(zhǎng)江三角地區(qū)，這些城市的特點(diǎn)是第二三產(chǎn)業(yè)都較為發(fā)達(dá)，但相對(duì)人口也比較多，因此在治理空氣污染上應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

第四類：長(zhǎng)沙、大連、上海、紹興、南昌、寧波、溫州、拉薩、廣州、遵義、貴陽(yáng)、南寧、昆明。

這些城市的因子得分都為負(fù)數(shù)，空氣質(zhì)量較好。主要集中在長(zhǎng)江三角和珠三角以及南方內(nèi)陸城市，這些城市第三產(chǎn)業(yè)或第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，人口較少，工業(yè)污染或生活污染都很輕。并且很多是旅游城市，城市綠化和治理都相對(duì)不錯(cuò)。

第五類：珠海、汕頭、深圳、福州、廈門、湛江、?？?。

這些城市的因子得分最低，空氣質(zhì)量最好，主要集中在南方沿海城市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年溫和多雨，對(duì)空氣中的粉塵污染物起到凈化作用。并且這些城市都是第三產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達(dá)，旅游資源豐富，人口較少。因此可空氣質(zhì)量是最好的。[5]

綜合五類城市和圖1，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)我國(guó)城市的空氣質(zhì)量在地理分布上具有規(guī)律性：

南方城市的空氣質(zhì)量普遍好于北方城市。主要原因是北方第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)污染嚴(yán)重。另一個(gè)原因是北方冬天供暖，大量燃煤導(dǎo)致北方供暖期空氣中懸浮微顆粒、二氧化硫含量增加，生活污染也更為嚴(yán)重。而從氣候上講北方干燥少雨，對(duì)空氣凈化能力又弱于南方，使得南北空氣質(zhì)量差異明顯。

東部沿海城市的空氣質(zhì)量要好于西部?jī)?nèi)陸地區(qū)，這主要因?yàn)檠睾３鞘薪邓^多，空氣中的相對(duì)濕度較大。降水(降雨、降雪)對(duì)空氣污染物能起到清除和沖刷作用：在雨水作用下，大氣中的一些污染氣體能夠溶 解在水中，降低空氣中污染氣體的濃度，較大的雨雪 對(duì)空氣污染物粉塵顆粒也起著有效的清除作用。

5 結(jié)論

目前，隨著我國(guó)大范圍的霧霾天氣和空氣污染，空氣質(zhì)量問題已不容忽視。從國(guó)家到個(gè)人都開始參與到空氣治理工作中，為改善空氣質(zhì)量而做出努力。利用因子分析的方法可以幫助我們直觀有效的評(píng)價(jià)分析各個(gè)城市的空氣質(zhì)量情況，通過因子得分對(duì)城市進(jìn)行分類，找到不同城市空氣質(zhì)量的共同點(diǎn)，有利于幫助我們整體把握我國(guó)的空氣質(zhì)量情況，并有針對(duì)性的給出治理意見。