石家莊市空氣質量變化因素分析

呂苗 ，張佳琪 ，董艷瑩 ，吳宇航

（1.華北理工大學數學建模創新實驗室，河北 唐山 063009；2.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063009；3.華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山 063009；4.河北省數據科學與應用重點實驗室，河北 唐山 063009；5.唐山市數據科學重點實驗室，河北 唐山 063009）

1 2017年石家莊市空氣質量變化趨勢

城市的空氣質量影響著當地人口的健康以及生活方式，但隨著經濟的發展和人口增長，空氣質量受到人類活動的較大影響[1-4]。為了解現今的空氣質量及其趨勢，既要選取經濟水平較高的城市，也要選取氣候環境穩定的地區，因為京津冀地區屬于我國的五大城市群之一，經濟實力雄厚，在我國社會經濟發展中有重要作用，且處于華北平原地帶，氣候穩定，無較大突發變化，所以選取石家莊市進行空氣質量變化分析。大氣污染物不僅影響著空氣環境的質量，也正相關于人類呼吸系統和心肺系統的發病率與死亡率，對人體健康有很大的威脅。城市空氣中的大氣污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物、碳氫化合物、鉛、苯并芘、氟化物等。選取其中部分被列為空氣質量標準中需控制濃度限值的物質，分別為 PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2以及 O3作為影響空氣質量的研究變量。本文選取AQI作為主要的空氣質量變化趨勢指標，對2017年石家莊市每月的優良天數分析如圖1所示。

圖1 2017年月份優良天數分析圖Fig.1 2017 analysis of days of fine days

對圖像進行分析可以得到，石家莊市的空氣質量是呈季節性變化的，從整體水平來看，優良天數平均分步并不多，即空氣質量不太良好，再對石家莊市2017年每月AQI的最高值和平均值進行數據趨勢的分析如圖2所示。

圖2 AQI最高值與平均值的趨勢走向圖Fig. 2 Trend chart of maximum and average values of AQI

從AQI最高值與平均值的趨勢走向圖可以得到：從2017年1月開始，石家莊市整體的空氣質量呈下降趨勢，到三月后趨于平穩，但AQI的值數平均在100左右，仍難以達到優良天氣的標準，故需要對影響空氣質量，即AQI趨勢變化的因素進行分析。

2 影響石家莊市空氣質量的主要因素分析

主要考慮計入空氣污染的幾個指標，利用主成分分析法分析影響石家莊市2017年空氣質量的主要污染物。從表1主要污染物的月平均濃度中，用主成分法分析各個變量的權重，得出主要影響因子。

2.1 利用主成分分析法確定權重

權重是指某一因素或指標相對于某一事物的重要程度，利用歸一化后計算出的權重系數的大小來反應各種污染物對空氣污染的影響程度，權重越大則該指標的重要性越高，對整體的影響就越高。將指標數據錄入SPSS，輸出結果如表2所示。

表2 KMO 和巴特利特檢驗結果Table 2 KMO and Bartlett test results

表2顯示的是KMO檢驗結果，讀取KMO值后，根據給出的常用KMO度量標準,確定原有變量是否適合做因子分析。

由表3知KMO輸出值為0.701，所以變量適合主成分分析的程度介于一般。

表3 KMO檢驗標準參考Table 3 Reference for KMO inspection standard

由表4可知，主成分1,2所對應的特征根大于1，取用主成分1和主成分2的累計方差貢獻率達到89.324%，超出80%，所以主成分1和主成分2基本可以代表全部信息。因此，可以用前兩個成分來代替原來的七個指標因素，這樣便降低了分析的維度。

表5 成分矩陣aTable 5 Component matrix a

從表5成分矩陣可知第一主成分與第二主成分對原來指標的載荷數。比如，第一主成分對AQI的載荷數為0.769。第二主成分對AQI的載荷數為0.593。

表1 空氣質量因素的指數分析表Table 1 Index analysis table of air quality factors

表4 解釋總方差Table 4 Explain total variance

因此要確定各個指標權重，需要計算以下數據：指標在各主成分線性組合中的系數，主成分的方差貢獻率，以及最終的指標權重的歸一化。

2.2 計算線性組合中的系數

根據公式：各指標線性組合系數=載荷數/對應特征值，計算出各指標在兩個主成分線性組合中的系數，結果如表6所示。

整理得到的兩個主成分線性組合表達式如下：

2.3 主成分的方差貢獻率[5]

根據每個因子對問題的解釋程度，將各個指標系數看成是前兩個成分方差貢獻率，對指標在這兩個主成分線性組合中的系數做加權平均。最后再計算綜合評價系數。可以計算出所有指標的系數，如表7所示。

所有指標的綜合得分公式：

表6 兩個主成分線性組合系數Table 6 Two principal components linear combination coefficient

2.4 指標權重歸一化

歸一化指對不同特征維度進行伸縮變換，改變原始數據的分布使各個特征維度對目標函數的影響權重是一致的。對目標函數的影響體現在數值上并且把有量綱表達式變為無量綱表達式 。由主成分方差貢獻率計算得出的綜合得分模型中的系數，計算各個指標權重，如表8所示。

表7 所有指標的系數Table 7 Coefficients of all indicators

表8 模型權重表Table 8 Model weight table

歸一化后的權重指標顯示，除綜合指標AOI外，PM2.5和SO2對空氣的影響力度最大。對此，對污染處理政策的進行主要針對于PM2.5和SO2的處理。

3 結論

空氣污染程度可以反映某地空氣質量的好壞，它是依據空氣中污染物濃度的高低來判斷的，針對石家莊市空氣污染物濃度，計算權重后，PM2.5和SO2的指標權重值明顯較高，因此判定石家莊市空氣主要污染物為PM2.5和SO2。

為防止二氧化硫的有害影響，大多數國家把大氣中的二氧化硫濃度控制在0.05ppm以下，超過這個數值就認為構成了大氣污染，必須采取防治措施，以降低其濃度，目前采取的有效途徑一般有如下幾種：一是采用低硫燃料，二是高煙囪排放，三是燃料脫硫，四是燃燒脫硫，五是煙氣脫硫。

隨著天氣逐漸變冷，PM2.5的擴散程度直線上升，再加上他嚴重影響了我們的生活以及自己的身體，他會長時間的在空中漂浮，源自于汽車尾氣排放太多，熱能排放太多。防范PM2.5首先應該應對污染選對口罩，其次注意飲食，多種植綠植。能有效緩解空氣污染危害。