主成分分析法在深圳大氣環(huán)境質量時空特征研究中的應用

陳軍苗

（深圳市羅湖區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站深圳518000）

0 引言

大氣環(huán)境質量評價方法主要有灰色系統(tǒng)理論、大氣污染綜合指數法、模糊綜合評價等[1-3]，這些方法各有利弊。主成分分析法量化了多個指標之間的相互關系，將多個指標轉化少數幾個不相關的綜合指標，同時充分考慮了各指標之間的相關性，能夠最大限度地保留原有信息，對高維數據進行最佳的綜合降維處理，且更客觀地確定各個指標的權重數，避免了主觀隨意性[4,5]。本文利用深圳市2006-2010年大氣污染物SO2、NO2、PM10和O3的8個監(jiān)測站點的數據，通過主成分分析法綜合評價了近五年來大氣環(huán)境質量，揭示了深圳市大氣環(huán)境質量的時空分布特征。

1 研究區(qū)域概況和基礎數據

深圳市坐落于珠江口東岸，總面積2020.5km2，位于113°46′E至114°37′E，22°27′N至22°52′N之間，是我國改革開放的前沿城市[6]。深圳市海岸線長230km，年均溫度為22.4℃，年均降水量為1948mm[7]，地處亞熱帶海洋氣候，海陸環(huán)流的季節(jié)變化有利于大氣污染物的擴散。

依據《中華人民共和國環(huán)境空氣質量標準》（GB3095-1996）[8]，選擇了深圳市8個國控環(huán)境監(jiān)測點（洪湖、華僑城、荔香、荔園、龍崗區(qū)、南湖、南油和鹽田區(qū)）2006-2010年的二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）和可吸入顆粒物（PM10）4個空氣污染物的實測資料，作為綜合評價的數據。

2 大氣環(huán)境質量主成分分析

2.1 數據標準化

首先對原始數據進行標準化，采集原始指標數據的P維隨機向量 x=(x1，x2，………，xp)T的 n個樣品 xi=(xi1，xi2，……，xip)T構造樣本陣，其中 i=1，2，…，n，（n＞p），對樣本陣元進行標準化變換，利用z-score法計算得到標準化數據[5]，由此得標準化陣Z。以深圳市洪湖站點數據為例，得到標準化數據如表1所示。

表1 2006-2010年洪湖站點標準化數據

2.2 數據相關性分析

利用皮爾遜相關系數法計算相關系數矩陣如表2。

2.3 特征值和特征向量計算

計算樣本的相關矩陣R的特征方程為：

λEP-R=0

表2 深圳市大氣污染物相關系數矩陣

得到P個特征值λ1，λ2，……，λP，根據累計方差貢獻率大于等于85%確定主成分個數m，使信息的利用率達到85%以上，對每個λj，j=1,2,……,m，解方程組 Rb=λjb，得單位特征向量 λ0j。經過計算相關系數矩陣得到相關系數矩陣的特征值、累計貢獻率，如表3所示。

表3 矩陣的特征值與累積貢獻率

由表3分析可知，第一、第二、第三累計貢獻率已高達92.663%，前三個因子可以反映原始數據的大部分信息。提取前3個因子作為公共因子，進一步通過計算得到三個主成分的特征向量（表4）。

表4 三個主成分的特征向量

2.4 主成分得分和綜合評價

將標準化后的指標變量轉換為主成分得分

其中Uj稱為第j主成分。將m個主成分進行加權求和，即得到最終評價值，權數為方差貢獻率，得到結果如表5所示。

表5 深圳市2006-2010年主成分得分表

3 結果與分析

3.1 深圳市大氣環(huán)境年際變化特征

通過分析標準化后的數據（表 1），深圳市 SO2、NO2、PM10和O3的濃度在2006-2010年期間年均濃度均呈逐年下降趨勢，各污染物濃度達標率和達標水平也逐年升高，大氣環(huán)境質量在逐漸好轉。由表4可知，SO2和O3在第一主成分的載荷較高，分別為0.686和-0.509，對空氣質量起主導作用；第二主成分中的NO2和PM10較高，分別達到了-0.538和0.518，而第三主成分的O3和NO2較高，是影響空氣質量的主要因子。深圳市SO2的主要來源為火力發(fā)電，NO2的主要來源為機動車尾氣排放，PM10來源較為復雜，包括土壤風沙塵、施工揚塵、機動車尾氣塵、城市道路交通揚塵等，O3的主要來源汽車、石油化學工業(yè)、電廠等由于排放出氮氧化物和碳氫化合物，在紫外光照射下產生臭氧[9,10]。

利用主成分分析對深圳市2006-2010年大氣污染物進行評價，大氣環(huán)境質量綜合得分值越高，環(huán)境質量越差。分析近五年來深圳市大氣環(huán)境質量（表5和圖2），2006年大氣環(huán)境質量綜合得分為0.753，隨著時間的推移得分值顯著下降，到2010年環(huán)境質量綜合得分僅為-0.635，大氣環(huán)境質量最好，表明深圳市大氣環(huán)境質量2006-2010年間總體在不斷地改善。

圖2 2006-2010年深圳市大氣環(huán)境質量變化趨勢

由圖3和表5可知，除了鹽田區(qū)稍有波動之外，深圳市的所有環(huán)境監(jiān)測點大氣環(huán)境質量綜合得分值隨著時間的推移，具有明顯下降的趨勢，說明深圳市各個監(jiān)測站點的大氣環(huán)境質量都在逐步改善，與張振等（2011）的研究成果一致[11]。

圖3 2006-2010年監(jiān)測站點的主成分綜合得分

3.2 深圳市大氣環(huán)境質量空間變化特征

比較各個監(jiān)測站點的綜合得分值可知，近五年來深圳市大氣環(huán)境質量最好的區(qū)域主要集中在華僑城監(jiān)測站點附近，綜合得分值僅為-0.554，其次為洪湖、荔香、南油、荔園和南湖，大氣環(huán)境質量最差的主要集中在鹽田區(qū)和龍崗區(qū)監(jiān)測點，綜合得分值分別為0.515和0.458。利用上述統(tǒng)計分析結果，通過ArcGIS10.0平臺對深圳市內8個大氣環(huán)境監(jiān)測點進行大氣環(huán)境質量變化的空間分析，分析2006-2010年各個監(jiān)測站點的大氣環(huán)境質量變化趨勢（圖4）可知，2006年荔香監(jiān)測站點的大氣環(huán)境質量最差，南湖的環(huán)境質量最好，隨著時間的推移，各個監(jiān)測站點的大氣環(huán)境質量均有好轉，至2008年，龍崗區(qū)和荔香監(jiān)測點的大氣環(huán)境質量是所有監(jiān)測點中最差的，在2010年，龍崗區(qū)和鹽田區(qū)監(jiān)測點大氣環(huán)境質量相對于其他站點較差，其他站點的值相差不大，但是相對于2006年來說，各個監(jiān)測站點的值具有較大幅度的下降，大氣環(huán)境質量明顯好轉。

圖4 2006-2010年監(jiān)測點大氣環(huán)境質量時空分布圖

此外，深圳市頒布一系列改善大氣環(huán)境質量的法律法規(guī)，如《深圳經濟特區(qū)機動車排氣污染防治條例》、《深圳市揚塵污染防治管理辦法》等，有效地防止了大氣環(huán)境污染，取得了顯著的成果。

龍崗區(qū)和鹽田區(qū)監(jiān)測點的大氣環(huán)境質量較差，主要是因為龍崗區(qū)工業(yè)主導地位在逐漸增強，土地開發(fā)利用強度高，車輛增多，地鐵等基礎設施建設全面展開等導致廢氣排放較多[12]，而鹽田區(qū)由于靠近龍崗區(qū)，區(qū)域環(huán)境受到龍崗區(qū)工業(yè)發(fā)展和機動車污染的影響，因此龍崗區(qū)和鹽田區(qū)大氣環(huán)境質量相對其他區(qū)域較差。荔香、華僑城和南油監(jiān)測站點位于南山區(qū)，是火力發(fā)電廠的集中地，并且監(jiān)測點位于主要的交通要道附近[13]，因此2006-2007年的大氣環(huán)境質量較差，但是后來通過產業(yè)結構調整及大氣污染源的治理，環(huán)境質量逐漸好轉。

4 結論

利用主成分分析方法對2006-2010年深圳大氣環(huán)境質量進行了綜合評價，探討了其時空變化特征，分析了大氣環(huán)境質量變化的原因，所得結論如下：

2006-2010年，深圳市大氣環(huán)境質量在逐步改善，大氣污染物SO2、NO2、PM10和O3的污染濃度具有一定程度的下降。從空間分布來看，鹽田區(qū)和龍崗區(qū)監(jiān)測點的大氣環(huán)境質量較差，而華僑城監(jiān)測站點的大氣環(huán)境質量最好。在2006-2010年間各個監(jiān)測站點大氣環(huán)境質量在時空分布上均呈現出逐漸變好的趨勢。

深圳市在大氣環(huán)境質量時空動態(tài)變化方面呈現出的總體下降趨勢，表明深圳市在經濟發(fā)展和大氣環(huán)境保護的博弈中達到了雙贏，區(qū)域環(huán)境污染治理的對策能夠有效防治大氣環(huán)境污染。

[1]梁偉，張慧穎.基于灰色系統(tǒng)理論和PCA的省域生態(tài)環(huán)境質量研究[J].上海環(huán)境科學.2012(6):254-261.

[2]童英偉，劉志斌，初玲玲.基于模糊綜合評價的大氣環(huán)境質量評價 [J].遼寧工程技術大學學報 (自然科學版).2008,No.139(S1):311-313.

[3]李悅.大氣環(huán)境質量綜合指數計算方法的研究及其應用探討[J].青島大學學報(工程技術版).1996(04):60-63.

[4]Kumar A,Goyal P.Forecasting of Air Quality Index in Delhi Using Neural Network Based on Principal Component Analysis[J].Pure and Applied Geophysics.2012:1-12.

[5]黃玉平，張慶國，汪水兵，等.主成分分析在大氣質量監(jiān)測優(yōu)化布點中的應用[J].安徽農業(yè)大學學報.2011(6):966-969.

[6]孫向明，彭勇剛.深圳市近年空氣質量與氣象條件的關系[J].廣東氣象.2005(3):1-3.

[7]史培軍，潘耀忠，陳晉，等.深圳市土地利用/覆蓋變化與生態(tài)環(huán)境安全分析[J].自然資源學報.1999,14(4):293-299.

[8]中華人民共和國國家標準：環(huán)境空氣質量標準[S].北京,1996.

[9]張振，余淑苑，彭朝瓊，等.深圳市2006—2010年空氣污染物濃度變化特征[J].環(huán)境衛(wèi)生學雜志.2011(6):19-22.

[10]余淑苑，劉國紅，程錦泉，等.2002—2005年深圳市空氣污染物濃度的動態(tài)分析[J].環(huán)境與健康雜志.2006(6):512-514.

[11]深圳市統(tǒng)計局.深圳市2010年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[Z].2011.

[12]聶志剛.深圳龍崗:科學發(fā)展的點與面 [J].人民論壇.2013(3):74-76.

[13]黃曉英，李娟，宛中華，等.基于污染損害指數的深圳市環(huán)境空氣質量評價與分析[J].三峽環(huán)境與生態(tài).2009(4):41-45.