我國主要城市空氣質(zhì)量情況及影響因素分析

宋加梅

(中國傳媒大學(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、推動可持續(xù)發(fā)展、加強(qiáng)國家治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。從國家到地方層面在節(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城市大氣環(huán)境質(zhì)量做出客觀、全面、 實時的認(rèn)識和評價是極其必要的。對各個城市的空氣質(zhì)量情況進(jìn)行綜合評價，不僅有利于人們認(rèn)識和研究大氣環(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2016年1月1日開始全國正式實施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，參與空氣質(zhì)量評價主要有六項指標(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，主要來自工業(yè)廢氣、建筑揚(yáng)塵、機(jī)動車排放、物質(zhì)燃燒等。其中PM2.5對人體健康危害最大，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)動車尾氣造成，易引發(fā)光化學(xué)污染。同時，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)祝粞跷廴疽装l(fā)生在夏季，目前已經(jīng)成為我國僅次于PM2.5和PM10的第三大污染物。[2]

本文除以上六項指標(biāo)外還加入了空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級的天數(shù)和各城市的年降水量兩項指標(biāo)，更全面的分析我國各城市的空氣質(zhì)量情況與污染物、氣象和地理位置之間的關(guān)系。對我國不同地區(qū)進(jìn)行研究有利于比較不同自然條件和不同社會環(huán)境的地區(qū)在空氣質(zhì)量上的異同，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。通過分析我國空氣質(zhì)量的情況，有針對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

本文綜合我國城市的實際分布情況，選取京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等重點區(qū)域和直轄市、省會城市等55個環(huán)保重點城市的空氣質(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小時第90百分位濃度以及空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級的天數(shù)和各城市的年降水量等8個變量作為統(tǒng)計指標(biāo)對各個城市的空氣質(zhì)量情況進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要選取《中國統(tǒng)計年鑒2017》中2016年環(huán)保重點城市的空氣質(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，從研究的原始變量內(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)幾個綜合因子，各個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，然后對因子載荷矩陣進(jìn)行方差最大化正交旋轉(zhuǎn)，計算出各個城市的樣本空氣質(zhì)量的因子得分值，并以因子貢獻(xiàn)率為權(quán)重計算出每個城市的空氣質(zhì)量綜合得分進(jìn)行排名，然后可以對各城市進(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，表1給出各個變量之間的相關(guān)性矩陣，可以看出除個別變量之間的相關(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的球體檢驗的統(tǒng)計量為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，前六個指標(biāo)與因子得分是正相關(guān)，而好于二級的天數(shù)與降水量是負(fù)相關(guān)，也就是天數(shù)越長降水量越多，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且累計方差貢獻(xiàn)率超過80%的原則選取前兩個因子，參見表2。

表2 特征值、因子貢獻(xiàn)率及累計貢獻(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)，第一個因子在降水量、CO濃度等指標(biāo)上的載荷量大；而第二個因子在臭氧和空氣質(zhì)量好與二級的天數(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。得到將各個因子貢獻(xiàn)率作如下加權(quán)平均，計算公式如下：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)量評價匯總

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，從地理位置上來看大部分都屬于河北省。這些城市的各個污染物指標(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，對于污染物要進(jìn)行凈化。同時應(yīng)加強(qiáng)宣傳，培養(yǎng)居民的環(huán)保意識，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、秦皇島、呼和浩特、無錫、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。這暴露出我國西北地區(qū)的荒漠化和沙漠化現(xiàn)狀，我國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。而我國地勢西高東低導(dǎo)致西北地區(qū)的沙塵天氣順勢而下，并在高空強(qiáng)西北氣流作用下，影響到我國華北廣大地區(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)對臭氧的治理。

第三類：哈爾濱、長春、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。部分位于長江三角地區(qū)，這些城市的特點是第二三產(chǎn)業(yè)都較為發(fā)達(dá)，但相對人口也比較多，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：長沙、大連、上海、紹興、南昌、寧波、溫州、拉薩、廣州、遵義、貴陽、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不錯。

第五類：珠海、汕頭、深圳、福州、廈門、湛江、海口。

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，我們會發(fā)現(xiàn)我國城市的空氣質(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)量要好于西部內(nèi)陸地區(qū)，這主要因為沿海城市降水較多，空氣中的相對濕度較大。降水(降雨、降雪)對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。從國家到個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價分析各個城市的空氣質(zhì)量情況，通過因子得分對城市進(jìn)行分類，找到不同城市空氣質(zhì)量的共同點，有利于幫助我們整體把握我國的空氣質(zhì)量情況，并有針對性的給出治理意見。