基于聚類分析的北京市空氣質(zhì)量時空分布研究

金仁浩 曾國靜 王莎

（北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京 101149）

1 引言

北京地區(qū)的空氣質(zhì)量問題一直受到中央和當(dāng)?shù)卣熬用竦母叨汝P(guān)注，北京冬季較容易出現(xiàn)的霧霾天氣，不僅影響居民的正常出行，更對民眾身體健康造成威脅。近年來，北京市及周邊省市通過聯(lián)防聯(lián)控聯(lián)治等措施使得北京市的空氣質(zhì)量得到了顯著的提升，但大氣污染防治工作仍然是一個長期艱巨的過程。國家環(huán)境保護(hù)部從2012 年開始采用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）定量描述空氣質(zhì)量狀況，AQI 是根據(jù)SO2，NO2，PM10，PM2.5，O3，CO 這6 項(xiàng)污染物濃度指標(biāo)計(jì)算出來的一個綜合指標(biāo)［1］。由于公眾對空氣污染的關(guān)注度越來越高，籠統(tǒng)的空氣質(zhì)量報告已經(jīng)無法滿足公眾需求，需要對多種空氣污染物濃度進(jìn)行時空分析來直觀、準(zhǔn)確地展示空氣質(zhì)量情況。目前對北京市空氣質(zhì)量時空分布情況的研究相對比較豐富，相關(guān)研究主要是基于北京市35 個自動空氣質(zhì)量監(jiān)測子站提供的每日污染物濃度數(shù)據(jù)。董芬等對北京地區(qū)PM10污染物分布情況進(jìn)行研究，得出北京地區(qū)大氣污染分布呈現(xiàn)出南差北好的場景，尤其在秋冬季比較明顯［2］。李令軍等對北京地區(qū)PM10和O3的分布情況進(jìn)行研究，得出北京地區(qū)大氣重污染分布呈現(xiàn)出南高北低、平原比山區(qū)高的特點(diǎn)［3］。王占山等對北京市PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，PM2.5濃度在冬春季較高、秋夏季較低，南部較高、北部較低［4］。王占山等還對北京市O3和NO2的分布情況進(jìn)行了研究，得出了與PM2.5類似的分布規(guī)律［5-6］。

然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對北京市空氣質(zhì)量時空分布的研究還存在一些不足，譬如，相關(guān)研究較多采用描述性的研究方法；僅僅考慮2～3 種污染物的時空分布情況；僅從宏觀上研究不同空氣監(jiān)測站點(diǎn)污染物變化情況，而沒有去分析不同區(qū)域的監(jiān)測站點(diǎn)在污染物數(shù)據(jù)變化上的相似性。針對這些不足，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，將研究范圍拓寬到6 種污染物，在描述統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，利用聚類分析方法對北京市空氣監(jiān)測站點(diǎn)污染物數(shù)據(jù)變化的相似性進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為北京地區(qū)大氣污染的聯(lián)合防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

北京市共有35 個自動空氣質(zhì)量監(jiān)測子站，這些監(jiān)測站點(diǎn)每小時都會記錄周邊空氣污染物濃度。本文基于北京市2018 年各監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)展開研究，由于2018 年其中一個監(jiān)測站長期處于維護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致該站點(diǎn)數(shù)據(jù)大量缺失，故僅選用其他34 個監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。收集了34 個監(jiān)測站點(diǎn)每日每小時的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)（包含6 種污染物濃度值），通過對各個站點(diǎn)各種污染物每日每小時數(shù)據(jù)取均值的方式，獲得各個站點(diǎn)的每日均值，并在每日均值的基礎(chǔ)上計(jì)算出每月的均值，以34 個監(jiān)測站點(diǎn)某種污染物濃度均值作為相應(yīng)時間段的北京市總體均值。

在監(jiān)測的6 種污染物中，由于細(xì)顆粒物PM2.5污染物最受社會的關(guān)注，因此在分析多種污染物指標(biāo)數(shù)據(jù)時，會更聚焦對PM2.5指標(biāo)的分析。根據(jù)PM2.5的每日24 h 平均值，國內(nèi)外將空氣質(zhì)量分為6 個級別：優(yōu)，良，輕度污染，中度污染，重度污染，嚴(yán)重污染，這6 個級別對應(yīng)的PM2.5濃度值分別是0～35，35～75，75～115，115～150，150～250 μg/m3及250 μg/m3以上［1］。

2.2 聚類分析

首先通過描述統(tǒng)計(jì)的方法對北京市的空氣質(zhì)量進(jìn)行時空變化分析，并分別從空氣質(zhì)量等級和污染物濃度2 個角度對各個監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，以期發(fā)現(xiàn)北京市空氣質(zhì)量的分布規(guī)律。

聚類分析被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)分析中，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在多種聚類分析算法中，K均值（KMEANS）方法由于其算法流程簡單且收斂速度快，是最常用的聚類方法。張賓和陳永佳通過K均值聚類的方法對我國113 個城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類分析。具體的K 均值聚類的方法步驟可參見《基于聚類和主成分分析的城市空氣質(zhì)量影響因素研究》［7］。

3 污染物時空分布特征

3.1 污染物濃度時間變化情況

北京市6 種污染物濃度月均值的相關(guān)系數(shù)矩陣見表1，除了O3這一指標(biāo)外，各個指標(biāo)之間表現(xiàn)出了明顯的正相關(guān)關(guān)系。CO 與PM10正相關(guān)系數(shù)最小，為0.49，而PM2.5與PM10的正相關(guān)系數(shù)達(dá)到了最大值，為0.9。O3與NO2的負(fù)相關(guān)強(qiáng)度最大，達(dá)到了-0.69，與PM2.5和PM10的負(fù)相關(guān)強(qiáng)度相對較小，其中與PM10的相關(guān)系數(shù)為-0.13。從表1 可知，北京市的空氣治理是個系統(tǒng)工程，需要對各種污染物從源頭進(jìn)行同步監(jiān)控和限制。

表1 北京市6 種監(jiān)測污染物月均濃度指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

各種污染物的日均變化圖與月均變化圖所反映的趨勢基本一致，但由于日均變化圖較為密集，展示效果差，因此本文僅僅展示月均變化圖。2018 年北京市各種污染物月均濃度變化見圖1。如圖1 所示，除O3外，其他4 種污染物指標(biāo)都呈現(xiàn)出夏季偏低、冬季偏高的特點(diǎn)。由于SO2月均濃度變化值在1.46～11.2 μg/m3之間，與其他污染物濃度值尺度相差較大，故未在圖1 中展示，但其變化趨勢與除O3之外的其他4 種污染物相似。在冬季，北京市周邊地區(qū)散戶燃煤排放及市內(nèi)生活排放、溫室氣體水蒸氣、晝夜溫差較大等原因，使得北京在冬季較容易出現(xiàn)大面積霧霾現(xiàn)象［8］。O3濃度月均變化的趨勢與其他污染物不同，O3濃度指標(biāo)在7 月達(dá)到峰值，在氣溫較高的4—10 月含量較高，而在氣溫較低的冬季和初春季含量較低。這是因?yàn)槿藶榕欧诺腘OX和具有揮發(fā)性的有機(jī)物在高溫度、充足的日照、空氣干燥的條件下較易轉(zhuǎn)化為O3［9］。

圖1 2018 年北京市污染物濃度月均變化

3.2 污染物濃度空間分布情況

在6 種污染物指標(biāo)中，由于PM2.5污染物一直受到大眾的關(guān)注，因此本文主要分析PM2.5指標(biāo)的空間分布狀況。北京市年均PM2.5濃度均值為57.46 μg/m3，空氣質(zhì)量較前幾年有較大程度的提高，整體質(zhì)量等級為良。污染物PM2.5濃度值在空間上呈現(xiàn)出北低南高的趨勢，海淀區(qū)以北監(jiān)測站點(diǎn)的濃度值相對較低，其中密云水庫監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5濃度值最低，為45 μg/m3；五環(huán)內(nèi)監(jiān)測站點(diǎn)的PM2.5濃度值與年度均值相差不大；大興以南地區(qū)的監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5濃度值明顯偏高，尤其是與津冀交界位置的榆垡、永樂店、琉璃河3 個監(jiān)測站點(diǎn)指標(biāo)值偏高，都達(dá)到72.9 μg/m3以上。通過進(jìn)一步分析可知，榆垡、永樂店、琉璃河3個監(jiān)測站點(diǎn)附近有工業(yè)園區(qū)，并且臨近高速進(jìn)京檢查站。另外，還可以得出在同一區(qū)域人口密度較大的站點(diǎn)污染物濃度相對偏高，如人口密度大的中心城區(qū)站點(diǎn)的PM2.5濃度值往往比同一位置人口偏少的站點(diǎn)要高。

北京地區(qū)的自然因素可能是造成這一趨勢的主要原因，北京市大體以西北風(fēng)向?yàn)橹?，此風(fēng)向特點(diǎn)使得北部地區(qū)的PM2.5值偏低，污染較輕，而南部地區(qū)PM2.5值偏高，污染較重。另外，北京西北部地區(qū)以山地為主，地勢較高，而市中心和南部地區(qū)以平原為主，地勢較低，空氣污染物在地勢較低地區(qū)不易消散，這也會造成北京市北部地區(qū)污染物濃度值偏低，中部地區(qū)值偏高。除自然因素外，人口因素也對空氣污染物分布有一定影響，人口密集區(qū)域會存在汽車尾氣排放量大、樓宇密集不利于污染物消散以及冬季取暖污染物排放量大等問題。

3.3 空氣質(zhì)量等級分布情況

圖2 北京市各大氣監(jiān)測站點(diǎn)空氣質(zhì)量等級天數(shù)分布

4 聚類分析結(jié)果

為了能夠全面了解北京市各區(qū)域的空氣質(zhì)量差異情況，分別從空氣質(zhì)量等級和6 種污染物濃度值2 個角度，對北京市34 個監(jiān)測站點(diǎn)的2018 年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，并對2 種聚類分析得出的結(jié)果進(jìn)行合并分析，期待得到更為全面的結(jié)論。

基于空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)聚類所涉及的變量是2018 年各個監(jiān)測站點(diǎn)空氣質(zhì)量等級為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染所對應(yīng)的天數(shù)；而基于CO，NO2，O3，PM10，PM2.5和SO26 種污染物濃度聚類所涉及的變量是這6 種污染物年均值。2種聚類分析所對應(yīng)的觀測值標(biāo)識是這34 個監(jiān)測站點(diǎn)名稱，都采用聚類算法，并以聚類結(jié)果的解釋性作為選定聚類個數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 基于污染物濃度數(shù)據(jù)的聚類分析

為了得出合理的聚類結(jié)果，本小節(jié)設(shè)定聚類個數(shù)為3～6 類，再比較這幾種聚類結(jié)果的解釋性后，本文最終將34 個監(jiān)測站點(diǎn)聚成4 類。聚類結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。從表2 可知，第一類中僅包含1 個站點(diǎn)，這個站點(diǎn)各污染物指標(biāo)明顯偏低，但O3指標(biāo)值最高。由于O3污染對人體傷害偏小，因此將該類命名為污染低類。第二類中包含8 個站點(diǎn)，除O3外各種污染物指標(biāo)均值都比較低，僅高于污染低類，因此將該類命名為污染偏低類。類似的將第三類命名為污染偏高類，將第四類命名為污染高類。這4 類站點(diǎn)呈現(xiàn)出一定的空間集聚性，污染低類僅包含密云水庫這一個站點(diǎn)；污染偏低類包含的站點(diǎn)有北部的懷柔鎮(zhèn)、昌平鎮(zhèn)、定陵、密云鎮(zhèn)、平谷鎮(zhèn)和東高村以及中部的豐臺云崗和門頭溝雙峪；污染偏高類包含的站點(diǎn)主要集中在六環(huán)內(nèi)以及北部的延慶夏都公園和八達(dá)嶺站點(diǎn)；污染高類包含的3 個站點(diǎn)為榆垡、永樂店和琉璃河，這3 個監(jiān)測站點(diǎn)附近有工業(yè)園區(qū)，并且臨近高速進(jìn)京檢查站?？傮w上，聚類結(jié)果與各站點(diǎn)PM2.5年度均值分布情況結(jié)果基本一致。

表2 基于污染物濃度年均值聚類結(jié)果統(tǒng)計(jì)

另外，污染低類和污染偏低類中的站點(diǎn)主要分布在北京的市郊區(qū)，但這些站點(diǎn)O3濃度均值明顯高于其他2 類，結(jié)合這些站點(diǎn)的空間分布情況可得，北京市郊區(qū)的O3含量相對較高。該現(xiàn)象形成的主因是北京市郊區(qū)以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，絕大多數(shù)植物在充分的陽光光照條件下能夠產(chǎn)生一定的O3氣體，導(dǎo)致這些地區(qū)O3含量升高。

4.2 基于空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)的聚類分析

根據(jù)污染物空間分布特征可知，北京市各監(jiān)測站點(diǎn)空氣質(zhì)量分布情況大致分為三大類，即北部較好，中部一般，南部較差。為了得出合理的聚類結(jié)果，聚類時設(shè)定聚類個數(shù)為3～6 類。比較這幾種聚類結(jié)果的解釋性后，本文最終將34 個監(jiān)測站點(diǎn)聚成3類，聚類結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。由表3 可知，第一類中包含6個站點(diǎn)，這些站點(diǎn)空氣質(zhì)量等級為優(yōu)和良的天數(shù)均值明顯較高，而且各種污染等級天數(shù)均值相對較低，因此將此類命名為空氣質(zhì)量優(yōu)類，簡稱優(yōu)類。第二類中包含25 個站點(diǎn)，各指標(biāo)均值都比較適中，因此將該類命名為空氣質(zhì)量中等類，簡稱中等類。類似的將第三類命名為空氣質(zhì)量差類，簡稱差類。這3 類站點(diǎn)也呈現(xiàn)出比較明顯的空間集聚性，優(yōu)類站點(diǎn)主要集中在北部地區(qū)，中等類站點(diǎn)主要集中在中部地區(qū)，而差類站點(diǎn)主要集中在南部京津冀交界處?？傮w而言，此聚類結(jié)果與污染物空間分布特征一致。

表3 基于空氣質(zhì)量等級天數(shù)指標(biāo)聚類結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.3 2 種聚類結(jié)果比較分析

把2 種聚類分析結(jié)果進(jìn)行合并，可得出聚類結(jié)果交叉，見表4。通過表4 可相對清晰地總結(jié)出政府部門大氣污染治理應(yīng)關(guān)注的站點(diǎn)和區(qū)域。首先，絕大多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)處于污染偏高且質(zhì)量等級中等的交叉類，這類站點(diǎn)主要集中在中心城區(qū)和人口密集區(qū)域，這類站點(diǎn)周邊區(qū)域?qū)⑹钦块T大氣污染治理重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。另一類需要重點(diǎn)關(guān)注的站點(diǎn)為污染高且空氣質(zhì)量等級差的交叉類，這類站點(diǎn)僅有榆垡、永樂店和琉璃河3 個站點(diǎn)。其他站點(diǎn)基本處于污染物低和偏低類與空氣質(zhì)量等級高和中等類的交叉類，這些站點(diǎn)主要位于北京中部和北部郊區(qū)，這些區(qū)域人口密度低且植物覆蓋度高，空氣質(zhì)量往往較好。

表4 2 種聚類結(jié)果的交叉分布

5 結(jié)論與建議

5.1 研究總結(jié)

本文在分析2018 年北京市空氣污染物數(shù)據(jù)時空分布的基礎(chǔ)上，通過K 均值聚類的方法，分別從污染物濃度均值和空氣質(zhì)量等級天數(shù)值2 個角度對北京市34 個大氣監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析。相關(guān)研究結(jié)果總結(jié)如下：

（1）除了O3指標(biāo)外，污染物濃度指標(biāo)之間表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。PM2.5與PM10的正相關(guān)強(qiáng)度最大，因此北京市空氣質(zhì)量的治理是個系統(tǒng)工程，需要對各種污染物從源頭進(jìn)行同步監(jiān)控和限制。

（2）在北京市除O3外的其他污染物濃度指標(biāo)在時間上都呈現(xiàn)出“U”形變化特征，即在年初和年末污染物濃度含量高（冬春季），年中含量低（夏秋季）。O3濃度指標(biāo)卻在7 月達(dá)到了峰值，在年初和年末濃度相對較低，高溫和陽光充足便于O3轉(zhuǎn)化是形成這種差異性的原因。

（3）北京市年均PM2.5濃度值為57.46 μg/m3，空氣質(zhì)量整體等級為良，污染物濃度值較前幾年有較大程度的降低。污染物PM2.5濃度值在空間上呈現(xiàn)出北低南高的趨勢，海淀區(qū)以北監(jiān)測站點(diǎn)的濃度值相對較低，五環(huán)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5濃度值基本與年度均值相差不大；大興以南地區(qū)的監(jiān)測站點(diǎn)，尤其是京津冀交界位置的3 個監(jiān)測站點(diǎn)濃度值最高，自然因素是造成該趨勢的主要原因。

（4）基于空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)的聚類分析將34 個監(jiān)測站點(diǎn)分為3 類：空氣質(zhì)量等級優(yōu)、中等和差類，聚類結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的空間集聚并與PM2.5濃度的空間分布特征一致。

（5）基于污染物濃度數(shù)據(jù)的聚類分析將34 個監(jiān)測站點(diǎn)分為4 類：污染低、污染偏低、污染偏高和污染高類，聚類結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的空間集聚并與PM2.5濃度的空間分布特征一致。

（6）北京市絕大多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)處于污染偏高且質(zhì)量等級中等的交叉類，這類站點(diǎn)主要集中在中心城區(qū)和人口密集區(qū)域，僅有榆垡、永樂店和琉璃河3個站點(diǎn)處于污染高且空氣質(zhì)量等級差的交叉類。

5.2 相關(guān)建議

根據(jù)研究總結(jié)，對北京市的空氣質(zhì)量治理提出如下建議：

（1）借助民眾對空氣質(zhì)量問題的關(guān)注，政府部門可加大對環(huán)境治理方面的宣傳工作，鼓勵民眾從眼前的小事做起，從生活的方方面面做起，為首都空氣質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的提升貢獻(xiàn)一份力量。如鼓勵民眾采用公共交通工具出行，減少私家車的污染物排放。

（2）北京市北部地區(qū)雖然空氣質(zhì)量等級為優(yōu)類且污染物濃度相對偏低，但O3濃度相對較高。為了民眾健康，在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下，政府部門應(yīng)借助科學(xué)的方法降低北部區(qū)域的O3濃度。

（3）北京市中部和南部區(qū)域空氣質(zhì)量較北部區(qū)域相對較差，自然因素是形成這一格局的主要原因，但政府部門可通過限制汽車尾氣排放、禁止燃燒秸稈、采用環(huán)保能源取暖等方式，降低中南部區(qū)域的污染物濃度。

（4）根據(jù)2 種聚類結(jié)果的交叉分析可知，絕大多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)處于污染偏高且質(zhì)量等級中等的交叉類，這類站點(diǎn)主要集中在中心城區(qū)和人口密集區(qū)域，這類站點(diǎn)周邊區(qū)域?qū)⑹钦块T大氣污染治理的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。另外，對于榆垡、永樂店和琉璃河3 個站點(diǎn)及其周邊地區(qū)，政府部門需加大空氣治理的力度，切實(shí)降低空氣污染物濃度。