我國主要城市空氣質量情況及影響因素分析

宋加梅

(中國傳媒大學 數據科學與智能媒體學院，北京100024)

1 引言

隨著全球城市化的高速發展，空氣污染已經成為不可避免的問題。目前我國大氣環境污染問題日益嚴峻，大范圍的持續重污染頻繁發生，霧霾天氣愈來愈常見，空氣質量問題已經嚴重影響我們的生活。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生態文明、推動可持續發展、加強國家治理能力現代化建設的重要內容之一。從國家到地方層面在節能減排、工業轉型、綠色出行等方面都下大力氣推進空氣污染治理。在治理空氣污染問題前對城市大氣環境質量做出客觀、全面、 實時的認識和評價是極其必要的。對各個城市的空氣質量情況進行綜合評價，不僅有利于人們認識和研究大氣環境質量，也為有效治理和控制大氣污染提供必要的科學依據。

根據我國2016年1月1日開始全國正式實施的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，參與空氣質量評價主要有六項指標，分別為細顆粒物(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及粉塵微粒等統稱為總懸浮顆粒物，主要來自工業廢氣、建筑揚塵、機動車排放、物質燃燒等。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。氮氧化物主要由機動車尾氣造成，易引發光化學污染。同時，氮氧化物和揮發性有機物排放是形成臭氧污染的罪魁禍首，臭氧污染易發生在夏季，目前已經成為我國僅次于PM2.5和PM10的第三大污染物。[2]

本文除以上六項指標外還加入了空氣質量達到及好于二級的天數和各城市的年降水量兩項指標，更全面的分析我國各城市的空氣質量情況與污染物、氣象和地理位置之間的關系。對我國不同地區進行研究有利于比較不同自然條件和不同社會環境的地區在空氣質量上的異同，總結經驗教訓。通過分析我國空氣質量的情況，有針對地提出解決不同地區空氣污染問題的可行路徑，這樣才能保證城市發展，提高空氣質量。

2 材料與方法

2.1 建立指標體系

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域和直轄市、省會城市等55個環保重點城市的空氣質量為樣本，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量達到及好于二級的天數和各城市的年降水量等8個變量作為統計指標對各個城市的空氣質量情況進行分析。

2.2 數據來源

本研究使用的數據主要選取《中國統計年鑒2017》中2016年環保重點城市的空氣質量情況和主要城市降水量，以及河北省、江蘇省、廣東省統計年鑒發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在隱藏的關系出發，將具有相關關系的變量歸結為少數幾個綜合因子，各個因子較原始變量有更優良的性能。[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行方差最大化正交旋轉，計算出各個城市的樣本空氣質量的因子得分值，并以因子貢獻率為權重計算出每個城市的空氣質量綜合得分進行排名，然后可以對各城市進行分類進一步分析[2]。

3 研究過程

因子分析首先要進行變量間的相關性檢驗，表1給出各個變量之間的相關性矩陣，可以看出除個別變量之間的相關系數，絕大多數后大于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的相關性，適合進行因子分析。[3]在這里值得注意的是，前六個指標與因子得分是正相關，而好于二級的天數與降水量是負相關，也就是天數越長降水量越多，城市的空氣質量越好。

表1 變量間的相關系數矩陣

檢驗通過之后，進行公共因子的提取，為了能解釋變量的大部分信息，我們根據因子的特征根大于1且累計方差貢獻率超過80%的原則選取前兩個因子，參見表2。

表2 特征值、因子貢獻率及累計貢獻率

之后將因子進行方差最大正交旋轉后的因子載荷矩陣結果整理如表3：可以發現，第一個因子在降水量、CO濃度等指標上的載荷量大；而第二個因子在臭氧和空氣質量好與二級的天數等指標上的載荷量大。

表3 旋轉后因子載荷矩陣

我們可以得到影響城市空氣質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，F1、F2 是我國各大城市的因子得分；ZSO2、ZNO2、ZPM10、ZPM2.5、ZCO、ZO3、ZAQ 、ZPRE是在原始數據基礎上標準化后的數據；各變量前的系數是經過方差最大正交旋轉后各因子的載荷量。得到將各個因子貢獻率作如下加權平均，計算公式如下：F=(0.4612F1+0.3706F2)/0.83187其中，F1、F2 的系數為方差貢獻率。

最后根據公式算出55個城市空氣質量情況的因子得分并進行排名，這里我們將2016年各個城市的空氣質量最終因子得分排名的前五名和后五名列為表4。

表4 主要城市空氣質量評價匯總

續表

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量情況較差：而?？凇⒄拷B門等城市的因子得分比較低，說明這些城市的空氣質量情況較好。

4 結果與分析

為進一步說明我國城市的空氣質量情況給出優化意見，將55城市依據綜合因子得分的高低分為五列類，并將結果整理為圖1。

圖1 我國主要城市空氣質量情況分類

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都遠超過平均水平。河北地區的工業發展迅速，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量要進行綜合治理，調節產業結構，控制工業污染，加大節能減排的力度，并且要嚴格把控工廠的廢氣排放，對于污染物要進行凈化。同時應加強宣傳，培養居民的環保意識，減少生活污染。

第二類：濟南、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的荒漠化和沙漠化現狀，我國的沙漠主要集中在西北地區，而近幾年新疆和內蒙古草原的過度開墾，使得這些地區的綠化率和硬質覆蓋度降低，地面裸露程度變高，造成揚塵天氣。而我國地勢西高東低導致西北地區的沙塵天氣順勢而下，并在高空強西北氣流作用下，影響到我國華北廣大地區.[4]因此要想提高這些城市的空氣質量，我們應制定政策，合理開發草原和森林，在西北地區建造防風林，減少揚塵對其它城市的影響。京津地帶工業污染較輕但人口密集，生活污染和汽車尾氣問題嚴重，應加強對臭氧的治理。

第三類：哈爾濱、長春、蘇州、青島、連云港、杭州、揚州、重慶、鎮江、湖州、南通。

這些城市的因子得分屬于中等水平，空氣質量一般。部分位于長江三角地區，這些城市的特點是第二三產業都較為發達，但相對人口也比較多，因此在治理空氣污染上應進一步優化產業結構。

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數，空氣質量較好。主要集中在長江三角和珠三角以及南方內陸城市，這些城市第三產業或第一產業發展較好，人口較少，工業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、?？?。

這些城市的因子得分最低，空氣質量最好，主要集中在南方沿海城市，屬于亞熱帶季風氣候，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業最為發達，旅游資源豐富，人口較少。因此可空氣質量是最好的。[5]

綜合五類城市和圖1，我們會發現我國城市的空氣質量在地理分布上具有規律性：

南方城市的空氣質量普遍好于北方城市。主要原因是北方第二產業發達，工業污染嚴重。另一個原因是北方冬天供暖，大量燃煤導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，使得南北空氣質量差異明顯。

東部沿海城市的空氣質量要好于西部內陸地區，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 結論

目前，隨著我國大范圍的霧霾天氣和空氣污染，空氣質量問題已不容忽視。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量情況，通過因子得分對城市進行分類，找到不同城市空氣質量的共同點，有利于幫助我們整體把握我國的空氣質量情況，并有針對性的給出治理意見。