基于函數型聚類的空氣污染時空特征分析

楊敏　王世躍　張丹

摘? ?要：我國經濟的飛速發展導致了環境污染問題的加劇。中共十八大報告中提出“美麗中國，永續發展”的理念，將空氣質量問題上升到國家層面。針對我國空氣質量的狀況及研究熱點區域，為進一步明確安徽省的空氣質量時空分布特征，基于聚類分析，采用K均值聚類分析方法和層次聚類（系統聚類）得出安徽省各市空氣質量等級的相似程度，并借助于方差分析對兩種分析方法進行顯著性檢驗，最后根據空氣質量的相似程度將安徽省各城市進行分類，結果表明，在空間上安徽省16個地級市按空氣質量變化可以劃分成三個區域，從地圖上呈現為由北至南污染狀況逐漸轉優趨勢。

關鍵詞：空氣質量;聚類分析;方差分析

中文分類號：X823? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2021）29-0043-03

引言

工業革命在給我們帶來財富的同時，也帶來了環境污染問題，其中空氣污染一直是我國經濟發展和城市擴張中的重大問題，在這個快速發展經濟和科技的時代，我國因為污染問題放慢了前進的腳步。黨的十九大提出的“打贏藍天保衛戰”觀點，體現了我國現代化的治理體系以及貼近實際情況而表現出的強大治理能力。加大大氣污染治理力度，對我國來說，既是改善人民生活的重大民生工程，更是促進社會發展和經濟發展的重大政治任務。一方面體現著國家對生態文明建設的重視，另一方面代表著黨中央對建設生態文明的堅定決心和極大信心。

通過資料收集，發現關于空氣質量對城市進行地域劃分的研究非常少見。葉景山等采用函數型主成分分析法對福建省空氣質量指數的影響因素進行分析，同時結合Arc GIS圖對其時空分布特征進行描述。酈少將利用函數型數據的聚類分析方法對浙江省空氣質量指數進行研究，從而探討浙江省空氣污染的時空特征。從現有文獻來看，關于空氣質量研究主要存在以下問題：（1）關于空氣質量的相關研究側重于研究引發空氣質量的不同因素的相關性，而并未按照不同因素將各城市進行一個相似度劃分。（2）關于空氣質量的定性研究較多，而借助于一定理論方法進行定量研究的較少。

本文以安徽省16個市作為研究對象，對2013—2019年各市空氣質量數據進行采集和處理（數據來源于中國環境監測總站），主要基于函數聚類結果進行分析，將安徽省各地級市按空氣污染程度進行分類，并了解分析安徽省時空特征及影響因素。這不僅對更深層次了解我國環境質量現狀有積極意義，而且可以為政府等有關部門制定環境治理與防護措施提供有力依據，從而營造一個良好的大氣環境和社會環境。

一、研究方法的選擇

本文通過采集到的空氣質量指數監測數據，對安徽省16個市的空氣污染大氣進行時空特征分析，截取2013年10月—2019年12月份期間的各項指標數，對空氣質量指數監測數據進行分類匯總處理后，再采用聚類分析，根據其空氣質量的相似程度將安徽省各城市進行分類，最后采取方差分析對聚類結果的可靠度進行度量。

聚類分析就是將多個對象或者個體按相似程度進行分類。本文以安徽省16個地級市為例，基于聚類分析理論分別引入AQI指數和二氧化硫、一氧化碳、PM10、二氧化氮、PM25、臭氧指標等各項污染物的日均值共7個變量，以城市名標注個案，采用K-均值聚類分析方法和層次聚類（系統聚類）得出安徽省各市空氣質量等級相似程度。

其次借助方差分析對兩種分析方法結果進行顯著性檢驗。方差分析是一種分析調查或試驗結果是否有差異的統計分析方法，分析分類結果的顯著性及7個變量對所得結果的顯著程度，剔除不關鍵變量。

二、基于聚類分析研究安徽省空氣污染時空特征及影響因素

（一）聚類數的確定

在根據大氣污染狀況程度對安徽省不同地區進行分類時，由于聚類要素對分類結果的準確性和科學性存在巨大影響，因此首先確定聚類要素為大氣污染物含量，然后對其進行處理并將地區確定為聚類對象。

在本次聚類分析中，把PM25日均值、一氧化碳日均值、AQI指數、質量等級、二氧化氮日均值、當天AQI排名、PM102日均值、二氧化硫日均值以及臭氧指標日均值作為聚類分析的指標，利用SPSS軟件進行系統聚類，對安徽省16個市2013年10月28日至2019年12月31日數據進行初步的聚類分析，根據聚類結果得到以下分類。

根據初步聚類結果分析，決定把安徽省各地區分成三個類別。

（二）聚類結果分析

利用SPSS軟件進行層次聚類操作和K-均值聚類分析的操作，得到聚類結果的譜系圖，如圖1。

綜合聚類分析結果，充分考慮我國大氣生態安全的經驗和安徽省的實際情況，把安徽省16個市分為三個類別。其中第一個類別包括淮北市、毫州市、淮南市、蚌埠市、蕪湖市、馬鞍山市、滁州市、宿州市、合肥市、阜陽市、銅陵市這11個市;第二個類別包括安慶市、宣城市、池州市、六安市這4個市;第三個類別由黃山市構成，黃山市獨成一類。

第一類質量等級，當天AQI排名，AQI指數和二氧化氮、二氧化硫、PM25、一氧化碳、臭氧指標、PM10各項24小時均值的指標值都比較高，空氣質量在安徽省較差;第二類指標值在中等水平，空氣質量在安徽省中等;第三類指標值在較低的水平，空氣質量在安徽省較好。

觀察安徽省地圖分布發現，第一類的城市都分布在安徽省的中北部，空氣質量較差;第二類的城市分布在安徽省的中南部，空氣質量在安徽省在中等水平;第三類城市處于最南部，空氣質量較高。

三、基于方差分析進行顯著性檢驗

為研究臭氧指標、PM25、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、PM10各項空氣污染物日均值和AQI指數等因素與上述聚類中分類匯總的結果之間是否具有顯著差異，選取單因素方差分析法進行顯著性檢驗，結果如表1。