全國環(huán)保重點城市空氣質(zhì)量狀況的聚類分析

崔筱笛 郭民之 譚毅恒

摘要：利用全國113個環(huán)保重點城市2017年的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行了聚類分析，以期對全國城市空氣質(zhì)量分布狀況有一個總體性的直觀把握。在綜合考慮聚類個數(shù)和類間區(qū)分度的情況下把這113個城市聚為9類，按空氣質(zhì)量達到及好于二級的天數(shù)這一指標進行排序并將空氣質(zhì)量最優(yōu)、中等和最差三類城市在中國地圖上進行標注。結(jié)果表明：這些環(huán)保重點城市空氣質(zhì)量分布狀況具有明顯的區(qū)城性，空氣污染嚴重城市主要集中在華北和西北地區(qū)，南方城市的空氣質(zhì)量整體好于北方。最后分析了各類城市空氣污染的成因和地域特征并時如何改善城市空氣質(zhì)量提出了治理建議，以供參考。

關鍵詞：城市空氣質(zhì)量;聚類分析;區(qū)城特征;治理建議

中圖分類號：0212.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0001-04

1 引言

空氣質(zhì)量的好壞與人們的健康水平息息相關。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的步伐不斷加快，空氣污染問題日益凸顯，霧霾天氣越來越常見，已經(jīng)對社會大眾的身體健康和生產(chǎn)生活帶來嚴重的影響。

到目前為止，已經(jīng)有不少學者對我國城市空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀及相關問題進行過研究。余曉美等[1]對全國31個環(huán)保重點城市空氣質(zhì)量進行動態(tài)特征分析，選取2014～2016年共36個月空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）作變化速度曲線和平均變化速度曲線圖，具有相似AQI曲線的城市聚為一類，空氣質(zhì)量呈現(xiàn)“三階段”季節(jié)性周期，區(qū)域差異明顯，且發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量改善過程呈現(xiàn)“類馬太效應”;宋加梅[2]對55個主要城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行因子分析，根據(jù)排名對城市進行分類，總結(jié)這些城市空氣污染的現(xiàn)狀并提出改善建議;姜磊等[3]運用空間滯后模型探究城市化發(fā)展與空氣質(zhì)量之間的關系，發(fā)現(xiàn)空氣污染存在明顯的空間溢出效應。

本文根據(jù)六項國家空氣質(zhì)量主要監(jiān)測指標，對2017年全國113個環(huán)保重點城市空氣質(zhì)量進行聚類分析，研究這些環(huán)保重點城市空氣質(zhì)量類屬現(xiàn)狀、污染分布區(qū)域特征和影響因素，并提出治理對策和建議。

2 指標選取與數(shù)據(jù)來源

按照2016年1月1日在全國范圍內(nèi)正式實施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準（GB3095—2012）》，空氣質(zhì)量的六項主要監(jiān)測指標分別為細顆粒物（PM_2.5）、可吸入顆粒物（PM₁₀）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）和臭氧（O₃）。本文共考慮7個具體監(jiān)測指標，分別為SO₂年平均濃度x₁（μg/m³）、NO₂年平均濃度x₂（μg/m³）、PM₁₀年平均濃度x₃（μg/m³）、CO日均值第95百分位濃度x₄（mg/m³）、O₃日最大8h第90百分位濃度x₅（μg/m³）、PM_2.5年平均濃度x₆（μg/m³）、空氣質(zhì)量達到及好于二級的天數(shù)x₇（d）.部分數(shù)據(jù)見表1。

3 聚類分析過程

以R軟件為工具，利用城市之間的空氣質(zhì)量指標的內(nèi)在相似性，將全國113個城市先對7個變量畫出兩兩變量的協(xié)相關圖，再利用kmeans函數(shù)作聚類分析，并綜合考慮聚類個數(shù)和類間區(qū)分度確定最佳聚類數(shù)為9，然后評價部分代表類別城市的空氣質(zhì)量狀況。繪出聚類排序圖和樹狀圖。

先用R軟件讀人數(shù)據(jù)，再繪制7個變量間的協(xié)相關圖，如圖1。

從圖1中可以看出， PM_2.5與PM₁₀的濃度呈正相關，而PM_2.5和PM₁₀的濃度與空氣質(zhì)量達到及好于二級的天數(shù)（以下記為days）呈較強的負相關， PM_2.5和PM₁₀的濃度越高，好天氣數(shù)越少，空氣質(zhì)量越差.在實際生活中，表現(xiàn)為霧霾嚴重，空氣可見度低，容易引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，危害人們的身體健康。同時，days與二氧化氮年平均濃度呈負相關。NO₂的排放源于汽車尾氣，日常生活中，汽車尾氣排放的越多，空氣質(zhì)量越差;另外，空氣中O₃濃度越高，days越少。在近地表區(qū)域，汽車尾氣、火山爆發(fā)、森林火災和自然閃電等均會在空氣中產(chǎn)生臭氧。若空氣中臭氧的濃度高于0.16g/m³（8h），則會產(chǎn)生空氣污染，且濃度越高，空氣質(zhì)量越差，days也越少PM_2.5和PM₁₀的濃度分別與O₃的濃度也呈正相關。所以，減少汽車尾氣的排放能有效減少NO₂、PM_2.5、PM₁₀和O₃指標值的增加。

以下利用kmeans函數(shù)對113個城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行k均值聚類，讓聚類數(shù)k由小到大逐漸增加，同時計算類間平方和與總平方和的比值。該比值越大，說明類間差異越大，類內(nèi)差異越小，表示聚類效果越好。利用R程序可求得類間平方和與總平方和的比值序列并作出該序列的散點圖（圖2）。

從圖2可以看出，當k=9之后，組間平方和占比的增幅就很小了，趨近于1。注意，作聚類分析時既要使組間平方和占比盡量大，又要讓聚類數(shù)不能太大（否則太雜亂），權衡考慮后取k=9為最佳聚類數(shù)。R程序及輸出結(jié)果如下。

利用上面聚類所得的9類城市的均值點的最后兩列數(shù)據(jù)，可利用空氣質(zhì)量達到及好于二級的天數(shù)（即最后一列day）對9個聚類結(jié)果進行排序并作圖，見圖3。

圖3直觀展示了9類環(huán)保重點城市的空氣質(zhì)量的優(yōu)劣：最優(yōu)的是第5類城市，接下來依次為優(yōu)（第7類），良好（第2類），中上（第1類），…，最差的是第8類城市。

4 結(jié)果分析

利用各類城市空氣質(zhì)量均值點中達到及好于二級的天數(shù)這一指標（即days）來對9類城市從高到低進行排序，得到如下結(jié)果。

最優(yōu)（第5類，有11個城市）：廈門、汕頭、南寧、?？?、攀枝花、貴陽、遵義、昆明、曲靖、玉溪、拉薩。

優(yōu)（第7類，有8個城市）：溫州、福州、泉州、韶關、深圳、珠海、湛江、北海。

良好（第2類，有9個城市）：赤峰、本溪、齊齊哈爾、牡丹江、張家界、柳州、桂林、金昌、克拉瑪依。

中上（第1類，有14個城市）：大同、大連、連云港、寧波、南昌、九江、青島、煙臺、岳陽、廣州、綿陽、南充、延安、西寧。

中等（第9類，有17個城市）：包頭、鞍山、撫順、長春、吉林、哈爾濱、日照、武漢、宜昌、荊州、長沙、株洲、湘潭、常德、滬州、宜賓、烏魯木齊。

中下（第6類，有14個城市）：秦皇島、沈陽、錦州、上海、南京、無錫、常州、蘇州、南通、杭州、湖州、紹興、蕪湖、重慶。

較差（第4類，有15個城市）：北京、呼和浩特、揚州、鎮(zhèn)江、合肥、馬鞍山、三門峽、成都、自貢、德陽、銅川、寶雞、蘭州、銀川、石嘴山。

差（第3類，有14個城市）：天津、唐山、陽泉、長治、徐州、濟南、淄博、棗莊、濰坊、濟寧、泰安、開封、平頂山、西安。

最差（第8類，有11個城市）：石家莊、邯鄲、保定、太原、臨汾、鄭州、洛陽、安陽、焦作、咸陽、渭南。

一個城市的空氣質(zhì)量與該城市的地形地貌、所處的地理位置、氣候背景、經(jīng)濟發(fā)展等都有密切的聯(lián)系.大氣污染的嚴重程度主要由污染源和擴散條件兩方面決定，擴散條件主要受地形和氣象條件影響.以下本文以空氣質(zhì)量最優(yōu)、中等和最差三類城市為例作一定的分析說明。

考察屬于最優(yōu)類的11個城市，可以發(fā)現(xiàn)其中半數(shù)以上城市處于西南地區(qū)云貴高原，屬亞熱帶季風氣候，橫斷山脈輸送活躍的印度洋暖濕氣流帶來充沛的降雨，對空氣有凈化作用。還有部分城市位于沿海或海島，空氣流通好，空氣污染容易擴散，海洋對空氣有凈化作用;該類大部分城市煤炭等污染性能源使用較少，以水電等清潔能源為主，重工業(yè)較少。生態(tài)保護、綠化率、旅游資源等處于全國先進水平。

對于屬于中等類的17個城市進行考察，可以發(fā)現(xiàn)該類城市多數(shù)位于東三省、湖北、湖南、四川等地。以其中部分代表性城市為例來說明該類特征：包頭市為一座重工業(yè)城市，污染源主要有工業(yè)廢氣、城市揚塵、汽車尾氣和燒煤帶來的煙塵污染。包頭市位于北方少雨地區(qū)，污染物不能得到凈化，空氣質(zhì)量長期處于一般水平。武漢市是一座工業(yè)城市，而且機動車非常多，近年來，武漢市發(fā)展較快，建筑施工揚塵導致PM_2.5濃度上升;長沙市受建筑工地揚塵污染，機動車保有量上升較快，汽車尾氣對大氣環(huán)境造成了不良影響，長沙市在春、秋、冬季節(jié)氣溫較低，氣壓也低，不利于污染物的擴散。

最差類的11個城市：石家莊、邯鄲、保定、太原、臨汾、鄭州、洛陽、安陽、焦作、咸陽和渭南分別屬于河北、山西、河南和陜西四省。由于河北省鋼鐵、電力等產(chǎn)業(yè)比較集中，會產(chǎn)生大量污染物;地勢西高東低，冷空氣降臨時，太行山脈會對天氣系統(tǒng)起到阻擋的作用，使風速減小，污染物難以得到稀釋與擴散。而山西省以礦業(yè)為主，是產(chǎn)煤大省，臨汾市礦產(chǎn)資源豐富，為全國三大主焦煤基地之一，開采較多，會造成粉塵污染，使得空氣中顆粒物濃度升高;石家莊市為一座重工業(yè)城市，水泥廠、熱電廠、石灰廠等常年排放廢氣。石家莊市市區(qū)熱島效應較明顯，會造成郊區(qū)的空氣污染物向市區(qū)累積。在氣象條件方面，石家莊地區(qū)地面主導風向?qū)諝馕廴居屑又氐淖饔?，大氣層結(jié)穩(wěn)定的比例較高，不利于污染物擴散。整體而言，北方地區(qū)冬季供暖以集體燃煤為主，會大量排放SO₂、CO等污染物，PM_2.5和PM₁₀會急劇增多。同時，中部地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，離海洋較遠，空氣流通不夠，難以獲得海洋的凈化作用。

整體來說，113個環(huán)保重點城市中污染較嚴重的城市大部分位于華北和西北地區(qū)，要提升空氣質(zhì)量首先要集中治理該區(qū)域。西北地區(qū)水土流失嚴重，揚塵使得空氣中顆粒物較多，造成空氣污染較嚴重。另外，南方城市的空氣質(zhì)量整體好于北方，原因是北方工業(yè)較多，排放的廢氣會污染空氣;進入冬季，空氣流動性較差不利于污染物排放，同時北方城市冬季需要燒煤供暖，這會使空氣中的SO₂等污染物增叮;從氣候上看，南方潮濕多雨，北方相對干早少雨，下雨使空氣中的污染物沉降，也會造成南北方空氣質(zhì)量的差距。

利用聚類輸出結(jié)果中的類均值點數(shù)據(jù)，可繪制9類城市聚類樹狀圖（圖4），它可幫助對上述聚類結(jié)果有深入理解。

5 優(yōu)中差三類環(huán)保城市的空間分布

為了更加詳細地了解我國空氣質(zhì)量狀況的區(qū)域性，本文參考了文獻[7]的分類方法，又結(jié)合本文數(shù)據(jù)實際情況，做出以下分類：按照所屬的省（市、區(qū)）將113個環(huán)保重點城市分成11個區(qū)域，劃分結(jié)果見表2第二列，其中，由于張家界市、?？谑泻驼拷械乩砦恢貌粚儆谌魏我粋€地區(qū)或城市群，不便分區(qū)，故將其剔除，共取110個城市?！白顑?yōu)”、“中等”和“最差”三類城市在11個地區(qū)的分布情況見下表第三列。重城市大多集中在黃河中游地區(qū)及京津冀地區(qū)，空氣質(zhì)量最好的城市分布于東南沿海和西南地區(qū)，南方的空氣質(zhì)量整體好于北方。

6 對策與建議

有效治理和控制大氣污染，關鍵是要減少污染物的排放。要從調(diào)整不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)人手，降低污染較重的工業(yè)占比，政府要扶持高新技術及環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加大技術改造力度，逐步淘汰和取代能源消耗多、環(huán)境污染重的產(chǎn)業(yè)。

盡量避免使用污染性能源，減少燃煤能有效減少SO₂、PM_2.5和PM₁₀的增加，提倡燃煤脫硫后使用。開發(fā)新能源與可再生能源，如太陽能、風能、水能、生物能、氫能等，這是保護大氣的重要措施。在日常生活中，使用清潔能源，減少有害氣體的產(chǎn)生，空氣質(zhì)量才會越來越好。鼓勵市民多乘坐公共交通工具，可有效減少汽車尾氣的排放，從源頭上減少NO₂、O₃等有害氣體的排放。如利用政策引導、監(jiān)管、稅收等措施，促使企業(yè)參與環(huán)保，調(diào)動企業(yè)在污染排放、環(huán)境保護和資源開發(fā)中的積極性。積極宣傳大氣環(huán)保理念，利用傳媒途徑激發(fā)民眾環(huán)保的積極性，形成社會輿論，使民眾自覺參與到環(huán)境保護中來，抵制資源浪費的行為，養(yǎng)成低碳、綠色、節(jié)約的良好習慣。另外，在全國范圍內(nèi)，特別是在西北地區(qū)，大力提倡植樹造林，增加森林覆蓋面積，防風固沙，減少揚塵污染。

參考文獻：

[1]余曉美，沈永昌.中國環(huán)境保護重點城市空氣質(zhì)量的動態(tài)特征分析[J].統(tǒng)計與決策，2019（11）：91～94.

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收稿日期：2020-01-06

基金項目：云南師范大學研究生核心課程建設項目（編號：YH2018-C08）

作者簡介：崔筱笛（1994-），女，碩士研究生，研究方向為數(shù)理統(tǒng)計。

通訊作者：郭民之（1961-），男，副教授，博士，研究方向為概率統(tǒng)計。