滁州市空气质量影响因素的主成分分析

摘 要：根据2017年1—6月滁州市3个国控监测点的空气质量监测数据，运用主成分分析法对6种污染物进行分析，得到污染物之间的关系及其对空气质量的影响。结果表明：2017年1—6月滁州市空气质量为轻度污染的等级出现频率最高，首要污染物为PM2.5和O3。通过主成分分析得到2个主成分，反映了SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5等5种和O3这1种污染物的信息，且CO、PM2.5、O3对滁州市空气质量起主导作用。空气质量相对较好的监测点是人大宾馆，相对较差的是老年大学，且各监测点的季节性污染特征较为明显，具有“夏季好，冬季差”的典型城市空气环境状况。

关键词：滁州市；空气质量；变化特征；主成分分析

中图分类号 X823 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）13-0122-04

Abstract：According to the air quality monitoring data of three national monitoring sites in Chuzhou City from January to June 2017，the six components were analyzed using principal component analysis to obtain the relationship between pollutants and their impact on air quality.The results showed that the air quality in Chuzhou City in January to June 2017 had the highest frequency of light pollution，and the primary pollutants were mainly PM2.5 and O3.Two principal components are obtained by principal component analysis.The first principal component mainly reflects the information of SO2，PM10，NO2，CO and PM2.5，and the second principal component mainly reflects the pollution of O3.The information of matter，and CO，PM2.5，O3 play a leading role in the air quality of Chuzhou City.Calculating the comprehensive scores of principal components at each monitoring point in each month shows that the monitoring point with relatively good air quality is the National People"s Congress Hotel，and the relatively poor one is the old university.The characteristics of seasonal pollution at various monitoring sites are relatively obvious，with typical urban air environment conditions of “good in summer and poor in winter”.

Key words：Chuzhou；Air quality；Change characteristics；Principal component analysis（PCA）

滁州市位于皖東江淮之间，是南京“一小时都市圈”主要成员和皖江城市带承接产业转移示范区的重要一翼。近年来，滁州市城市规模与GDP总量呈快速增长的趋势，但与此同时城市空气质量问题也日益突出[1-3]。2016年5月12日，因环境质量未得到有效改善，环境执法力度亟待加强，滁州市被国家环保部点名通报。

目前，针对滁州市空气质量的研究主要集中在空气质量变化与气象条件的关系上[4]，而对滁州市3个国控监测点之间存在的差别和联系的研究很少，尤其是新的空气质量标准实施以来，对监测的6种主要污染物之间相互关系的研究甚少。为此，本文以空气质量监测数据为基础，运用主成分分析法对6种主要污染物进行分析[5-9]，探讨污染物之间的关系及其对空气质量的影响，为城市大气污染防治工作提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源 根据《中华人民共和国环境空气质量标准》（GB 3059-2012）[10]，选择滁州市3个国控环境监测点，即老年大学、监测站和人大宾馆，在2017年1—6月PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6种空气污染物的日均浓度监测数据作为分析的基础数据，采用的所有空气质量监测数据均来源于滁州市环保局。

1.2 分析方法 采用主成分分析法对空气质量监测数据进行分析[11]。主成分分析主要起到降维和简化数据结构的作用，可以将原有的多个指标转化成少数几个代表性较好的综合指标，能够反映原来指标大部分的信息，且各个指标之间保持独立，避免出现重叠信息。主成分分析的基本步骤如下[12]：（1）原始数据标准化；（2）计算样本协方差阵和相关阵；（3）计算样本协方差阵和相关阵的特征值和特征向量；（4）计算贡献率和累积贡献率，确定选取主成分个数；（5）列出主成分方程并解释主成分意义。采用Z-score法对原始数据进行标准化，运用SPSS18.0软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 空气质量时间分布特征

2.1.1 空气质量概况 图1为2017年1—6月滁州市不同空气质量类别所占日数的百分比。由图1可知，滁州市2017年上半年出现频率最高的空气质量等级为3级轻度污染，占上半年总日数的44.8%；其次为2级良，出现频率为42.0%；中度污染、重度污染出现频率分别为6.1%、2.2%；2017年1—6月未出现严重污染，空气质量为优的日数仅占5%，优良空气质量等级占上半年总日数的比率（也称为环境空气优良率）为47.0%。2017年1—6月平均AQI为104.8，峰值为215，出现在1月3日。2017年上半年滁州市首要污染物主要为PM2.5和O3，分别出现83d和78d；其次为PM10、NO2，出现日数分别为8d、7d。

2.1.2 主要污染物月变化特征 图2为2017年1—6月滁州市PM2.5和O3浓度月变化。由图2可知，2017年上半年各月PM2.5平均浓度均在50μg/m3以上，总体呈逐月下降趋势，原因可能與冬季气温低、静风频率高，易形成逆温天气，以及采暖期燃煤用量较大有关[5，6]；其中1、2月这2个月份PM2.5平均浓度超过上半年均值，2月PM2.5平均浓度最高，达到79.8μg/m3，5月PM2.5平均浓度最低，为51.7μg/m3。2017年上半年各月O3平均浓度均在80μg/m3以上，总体呈逐月上升趋势，原因可能与气温升高、日照增加，易将汽车废气和工业排放物释放出的氮氧化物气体（NOx）和挥发性有机化合物（VOC）合成臭氧有关[5，6]；其中4、5、6月这3个月份O3平均浓度超过上半年均值，1月O3—8h平均浓度最低，为80.9μg/m3，5月O3平均浓度最高，达到170.5μg/m3。

2.2 空气质量主成分分析

2.2.1 6项指标的主成分分析 将标准化后的数据导入SPSS18.0进行主成分分析，结果见表1～表4。由表1可知，O3指标的提取率明显高于其他指标，达到0.964，其次是CO和PM2.5，提取率分别为0.853和0.808，说明这3个指标对滁州市的空气污染程度起主导作用。

表2反映了各个成分解释原始变量的总方差以及提取信息量的情况。因为成分1（方差贡献率62.271%）、成分2（方差贡献率17.946%）的初始特征根都大于1，而且它们已经包含了原始6个变量80.217%（>80%）[6]的信息，所以选取成分1、成分2为主成分。

主成分的主要含义由主成分载荷矩阵中各主成分所对应的相关系数绝对值较大的几个指标的综合含义来确定[13]。由表3可以看出，主成分1主要反映了SO2、PM10、NO2、CO、PM2.55个指标的信息，主成分2主要反映了O31个指标的信息。

上式中X1～X6表示对应污染物标准化后的样本数据；Y1、Y2表示对应成分得分。由上式可以看出，主成分1中SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5得分系数较高，其中CO、PM2.5得分系数最高；主成分2中O3得分系数明显高于其他污染物，代表性显著。

目前，滁州市工业经济的快速增长仍然建立在能源资源消耗增长的基础上，而滁州市的能源结构仍以煤炭、石油等化石燃料为主，且这些燃料的利用率较低，所以空气污染物主要来源于这些非再生能源的燃烧。这些化石燃料在燃烧中直接产生了大量对人类有害的气体和烟尘，如SO2、PM10、NO2、CO和PM2.5，所以主成分1主要包含了这5种污染物的信息，且对这5种污染物日平均浓度进行相关分析（表略）也表明，任意两种污染物之间均存在显著相关。O3是光化学烟雾的主要成分，它的浓度虽然与煤炭、石油等污染源也有一定的关系，但它不是直接产生的，而是转化而成的。它是污染源燃烧产生的氮氧化物，如汽车尾气，在阳光辐射及合适的气象条件下生成的，它受阳光、气象条件的影响更为强烈，所以主成分2主要包含了O3这1种污染物的信息。

2.2.2 各监测点的主成分综合得分和综合评价 为评价滁州市3个国控监测点每月的综合大气环境质量状况，采用如下公式计算各监测点每天的综合得分，进而计算各监测点主成分月平均综合得分。

式中：Zi表示第i成分的贡献率，Z1=62.271%；Z2=17.946%；Yi表示样本第i成分得分。经计算，得出3个国控监测点各月的主成分平均综合得分，结果见图3。主成分综合得分表征空气质量的好坏，得分越低表明该月该监测点的空气质量越好[14]。

从图3可以看出，滁州市3个国控监测点各月的主成分综合得分变化趋势相似，自2月份起逐月下降，其原因可能是3个监测点设置的距离较近（1.2～4.4km），且都不是工业集中区，空气质量没有较大差别。2017年1—6月老年大学、监测站和人大宾馆3个站点的平均得分分别为0.004、0.003和0.000，空气质量相对较好的站点是人大宾馆，相对较差的是老年大学。

2017年1—6月各监测点平均主成分综合得分最高的月份为2月，最低为6月，得分分别为0.260和-0.192，各监测点1、2月主成分综合得分均明显高于5、6月，即1、2月空气质量较差，5、6月空气质量较好，属于典型的城市空气环境状况。冬季气温低、气压高、降雨少，易出现静稳天气，污染物动能小，不易扩散，城市空气污染较为严重；进入夏季，温度高、气压低、湿度大，静稳天气较难形成，污染物动能大，容易扩散，且茂盛的植被和城市热岛效应有利于降低污染物浓度[5，6]。

3 结论与讨论

（1）2017年1—6月滁州市空气质量为轻度污染的等级出现频率最高，占上半年总日数的44.8%，其次为良，出现频率为42.0%。首要污染物主要为PM2.5和O3—8h，分别出现83d和78d，是影响2017年上半年滁州市空气质量的主要因素。各月PM2.5平均浓度均在50μg/m3以上，总体呈逐月下降趋势；各月O3—8h平均浓度均在80μg/m3以上，总体呈逐月上升趋势。

（2）通过数据标准化后的主成分分析，2017年1—6月滁州市6种主要空气污染物可以分为两类，SO2、PM10、NO2、CO、PM2.5为第1类，O3为第2类。第1类主要是由化石燃料的燃烧直接产生，第2类不是直接形成的，而是在适当的气象条件下转化而成。且CO、PM2.5、O3对滁州市空气质量起主导作用。

（3）2017年1—6月滁州市3个国控监测点所代表区域的空气质量随月份的变化趋势相似，这是因为3个监测点均设置在城区，且距离较近。空气质量相对较好的监测站点是人大宾馆，相对较差的是老年大学。各监测点的季节性污染特征较为明显，全市空气质量6月最好，2月最差，即具有“夏季好，冬季差”[15，16]的典型城市空氣环境状况。

受资料限制，本研究仅对滁州市2017年1—6月的污染物监测数据进行分析讨论，样本数量有限，主成分分析存在局限性。空气质量相对较差的老年大学监测点却位于滁州市南湖公园旁，这与普遍认知相悖，尚需探讨。随着城市规模的持续扩大，现有的3个监测点过于集中，城南政务新区、城东工业集中区等新兴区域均没有布点，监测数据代表性不足。未来可结合新增站点样本，进一步探讨污染物之间的关系及其对空气质量的影响，为城市大气污染防治工作提供一定的参考。

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（责编：张宏民）

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