基于PCA的漢中市中心城區空氣質量影響因素研究

呂曉虎 邵天杰 黃小剛

摘 要：根據2022年漢中市中心城區環境空氣質量監測數據和氣象數據，運用主成分分析法（PCA）研究了影響空氣質量的主要因素和重要因素，并對比分析了氣象指標和各污染物濃度之間的關系。結果表明：主成分分析法提取的3個主成分方差貢獻率為79.388%，達到了預期效果。主成分1的方差貢獻率為51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10權重較高，說明PM2.5、CO、NO2、PM10是影響空氣質量的主要因素，且它們高度正相關，相關系數最高為0.905（PM2.5-CO），最低為0.751（PM10-CO），分析表明加強對工業源、移動源CO、NOx以及顆粒物排放管控是改善空氣質量的有效途徑。主成分2、主成分3的方差貢獻率合計為27.643%，主要包含了風向、O3、風級、氣溫等信息，是影響空氣質量的重要因素。氣溫對各污染物濃度影響最明顯，與O3顯著正相關，與其他污染物負相關，影響程度大小依次為CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，在7℃時，PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2濃度相對較高；在偏東北風時PM2.5、PM10、CO平均濃度較高，O3平均濃度較低，偏西南風時具有相反特征；風級增大污染物濃度降低，但O3濃度在1級～2級風時較高。

關鍵詞：PCA（主成分分析）；空氣質量；氣象因素；漢中市

中圖分類號：X51文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-07

0 引言

近年來，影響空氣污染水平的人為因素和自然因素顯著增多，如全球氣候變暖[1]、化石能源消費增加以及人群對空氣污染的脆弱性逐步上升等，大氣環境質量形勢依舊嚴峻。當前，我國空氣質量改善面臨著氣象條件相對不利和污染排放明顯增加的雙重壓力，PM2.5濃度平均水平遠超世界衛生組織推薦值（5 μg/m3），且臭氧污染問題日益突出，大氣污染的隱患和風險仍然較大，對空氣質量和人體健康造成了嚴重威脅[2]。因此，對環境空氣質量進行更加全面、客觀、深入的分析和評價顯得尤其重要。國內外學者進行了大量定性或定量研究，取得了明顯進展，采用的研究方法多為綜合模型法、正矩陣因子分解法（PMF）、廣義可加模型法（GAM）、指數評價法、灰色聚類法、改進密切值法、模糊綜合評判法等[3-9]。這些方法各有特點，但也具有一定局限性，如模糊評價法人為確定指標權重且指數數量較多，主要指標的作用體現不夠；密切值法和灰色聚類法采取等權方法處理不同指標，使結果有失偏差等。

主成分分析法（PCA）是一種將多個變量通過線性變化來選取較少個數重要變量的多元統計分析方法，能夠合理、客觀地確定各個指標的權重數，最大限度保留原有數據的信息，避免了人為評價帶來的誤差，已在眾多領域得到廣泛應用。本文利用該方法研究了漢中市中心城區空氣質量多種影響因素（包括大氣環境基本監測指標和氣象指標）之間的相關性，根據PCA提取出的主成分，從人為排放和自然條件等方面，分析了影響空氣質量的主要因素和重要因素，并進一步探討了氣象因素對環境監測指標的影響，對客觀認識漢中市中心城區大氣污染現狀，有效進行大氣污染控制，進一步改善環境空氣質量具有重要意義。

1 研究區概況

漢中市地處陜西省西南部，東與安康市、北與寶雞市、西安市接壤，西南與甘肅省、四川省毗鄰，地理位置105°30′30″～108°24′37″E、32°15′15″～33°56′37″N，地處秦巴山區西段，北靠秦嶺、南倚米倉山（即大巴山西段），中為漢江上游谷地平壩（即漢中盆地），地勢南北高，中間低，形成了“兩山夾一川”的地貌骨架。屬亞熱帶和暖溫帶氣候類型，常年平均氣溫14℃左右。漢中市中心城區主要包括漢臺區、南鄭區大河坎鎮、梁山鎮、漢中經濟技術開發區，處于漢中盆地中部，大氣環境受地形地貌影響明顯，年均靜風率高達49%，易形成逆溫層，不利于污染物稀釋擴散，空氣污染表現為“夏秋輕、冬春重”的特點[10]。近年來，漢中市大氣污染防治工作持續加強，市中心城區全年優良天數達到300 d以上，2022年首次進入全國空氣質量達標城市行列。但是隨著經濟社會的不斷發展，冶金、建材、交通、施工、醫藥以及生產生活等方面造成的環境污染給空氣質量進一步改善帶來不小的壓力。

2 方法與數據

2.1 方法

主成分分析法（PCA）是將原來多個具有一定相關性的指標進行線性組合，重新組合成為少量的幾組無相關的綜合指標，即為主成分。當前

m個主成分累計貢獻率達到80%以上，就可以認為這m個主成分能夠代表原始數據絕大部分信息。分析步驟一般包括：①原始數據進行標準化處理，消除不同數量級和量綱影響；②計算指標相關系數矩陣，說明主成分分析的必要性；③計算相關系數矩陣的特征值及貢獻率，確定主成分個數；④建立因子載荷量矩陣，解釋主成分；⑤計算主成分得分。

2.2 數據來源

本文選取2022年漢中市中心城區PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO環境監測指標和漢臺區氣溫、風向、風級氣象指標（用以代表漢中市中心城區氣象指標）共9個指標，指標數據來源于中國空氣質量在線監測分析平臺（https：//www.aqistudy.cn）和天氣網（https：//www.tianqi.com）以及《漢中市環境質量通報（2022年）》，數據時間為2022年1月1日—2022年12月31日，共365 d。6個環境指標監測數據采用市監測站、南鄭大河坎水廠站、鑫源開發區站3個國控站點日均監測值，其中：PM2.5、PM10、SO2、NO2為日均濃度，O3為日均最大O3-8 h第90百分位數，CO為日均值第95百分位數。風向采用當天主導風向，以北風作為0°基準，按照0°～360°順時針方向依次進行量化。

3 空氣質量影響因素的主成分分析

按照收集的監測數據，利用SPSS19.0軟件對9個指標數據進行主成分分析[11]。對原始數據進行標準化轉換后，得到各指標之間的相關系數矩陣（表1）。

由表1可以看出，大部分指標之間具有顯著相關性，適合進行主成分分析。其中，PM10、PM2.5、NO2、CO、SO2之間正相關性顯著，相關性最高為PM2.5與CO相關系數達到0.905，其次是PM2.5與PM10相關系數達0.883；O3與氣溫呈正相關，與CO、PM2.5、NO2呈負相關，相關系數分別為0.665、-0.506、-0.443、-0.443；風級與氣溫呈弱正相關，與其他指標均呈弱負相關；風向與氣溫、O3呈弱正相關，與其他指標相關性不明顯。

為了進一步分析影響空氣質量的主成分，本文通過計算相關系數矩陣的特征值和特征向量，并根據特征值計算各主成分的方差貢獻率和累計方差貢獻率來分析其影響程度。各污染變量的信息提取率和主成分方差貢獻率見表2、表3。

由表2可知，絕大多數指標提取率至少為0.7，說明這些指標信息能夠被選取的主成分進行表達。同時，PM2.5、NO2、CO、PM10提取率較高分別為0.902、0.866、0.854和0.834，表明這4個指標是影響漢中市中心城區空氣質量的主要因素。

表3反映了各個成分解釋原始變量的總方差以及累計方差貢獻率情況。主成分1、主成分2、主成分3方差的初始特征值＞1，且累計貢獻率達到79.388%接近80%，說明成分1、成分2、成分3能夠較好的解釋指標包含的信息，主成分分析效果比較理想。其中，主成分1的特征值最大，對解釋原有指標的貢獻最大，其貢獻率為51.745%，其次是主成分2、主成分3，貢獻率分別為15.767%、11.876%。

從各污染物生成人為源來看，PM10主要來自揚塵、工業粉塵，CO產生于工業燃燒、機動車尾氣、居民生活，NO2來自于含氮物質的高溫燃燒，如機動車尾氣、工業廢氣等。SO2產生于含硫燃料燃燒、含硫金屬礦冶煉及硫酸工業廢氣等。PM2.5成分較為復雜，相關研究表明[12]，其主要來自各種燃料燃燒、機動車尾氣以及SO2、氮氧化物（NOX）、揮發性有機物（VOCs）等氣態前體物轉化為二次顆粒物等，O3為二次污染物，主要是NOX、VOCs、CO等前體物在合適條件下發生光化學反應生成[5]。由表4可以看出，主成分1（F1）貢獻率達51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10權重系數相對較高，表明主成分1主要反映了工業廢氣、機動車尾氣、粉塵等人為污染物排放對漢中中心城區空氣質量影響。結合漢中市能源結構和產業狀況實際看，全市基礎原料工業和傳統工業占80%以上，原材料消耗占企業的成本超80%[13]，轄區工業主要以鋼鐵制造、有色冶金、水泥建材、航空裝備制造以及生物制藥為主，2022年規上工業總產值達到1927.22億元，增速居全省前列[14]。此外，近年來機動車保有量不斷攀升，基礎設施建設（建筑工地）持續增長，據統計，截至2021年底，全市機動車保有量達84.8萬輛，市中心城區約25萬輛，居全省前列[15]，交通、城鄉等基礎設施建設項目126個，投資增長60.28%[16]。根據2021年漢中市第二次全國污染源普查公報顯示，漢中市大氣污染物中NOX、顆粒物排放量分別為33070 t、43920 t，工業源排放分別占61.52%、75.31%，移動源排放分別占32.56%、0.99%，生活源排放分別占5.92%、23.70%?？梢?，95%的NOX排放來自工業源及移動源，99%的顆粒物排放來自工業源及生活源，其中工業源占比到達3/4，而NOx、CO、VOCs等是PM2.5及O3生成的重要前體物，會導致PM2.5及O3的增加。因此，以煤炭、石油等化石燃料為主的能源結構和偏重工業的產業結構造成了漢中市大氣污染以顆粒物污染及臭氧污染為主的特征。以上分析結果與主成分1（F1）一致，所以PM2.5、CO、NO2、PM10是影響漢中市中心城區空氣質量的主要因素。另外，處于漢中盆地底部的中心城區，大氣環境相對閉塞，氣象條件對污染物的擴散、清除、轉化起到重要作用。主成分2（F2）主要代表因子為風向、O3、氣溫，其權重系數分別為0.476、0.392、0.364，主成分3（F3）主要代表因子為風級、風向，其權重系數分別為0.686、-0.409，而O3是在特定氣象條件下生成的二次污染物，與氣溫、光照等自然條件密切相關，因此，主成分2和主成分3主要反映了氣象條件對漢中市中心城區空氣質量的影響，其貢獻率分別為15.767%、11.876%，是影響漢中市中心城區空氣質量的重要因素。

4 氣象因素對空氣質量的影響分析

4.1 氣溫

對PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2的日均質量濃度與日均氣溫作線性回歸分析得到不同氣溫下的濃度分布圖（圖1～圖3），可知2022年市中心城區日平均氣溫在1～34℃，氣溫與O3呈顯著正相關，與CO、PM2.5、NO2、PM10呈負相關，與SO2相關性較弱。由線性擬合方程可以估計，氣溫每降低1℃，PM2.5、PM10、CO、NO2質量濃度分別增加1.872 ?g/m3、1.740 ?g/m3、0.022 mg/m3、0.580 ?g/m3，O3質量濃度減少2.514 ?g/m3，對各污染物指標影響大小為CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，氣溫對SO2影響不明顯，平均濃度保持在4.0～6.8 ?g/m3相對穩定。但是這種變化也存在波動特征，通過各氣溫段污染物的平均濃度可以看出，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2平均濃度在1～4℃時迅速上升，5～7℃時出現峰值，然后逐漸降低。原因是氣溫較低時，易出現逆溫層，加上降水減少、風速降低，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2等污染物不易擴散、清除，再加上冬季供暖增加，NO2、SO2、CO等氣態污染物和顆粒物濃度會持續增加；而溫度較低時，太陽輻射一般較弱，不利于NOX、VOCs、CO發生光化學反應生成O3，使得O3濃度保持低位[17]。

隨著氣溫升高，一方面有利的大氣擴散、降水等條件降低了PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2的濃度，另一方面較強的太陽輻射會增加O3的生成，導致它們的濃度隨著氣溫升高呈現“一降一升”的特征。在5～7℃時，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2濃度出現峰值很可能和污染物累積效應有關，由于盆地地形及靜穩天氣影響，氣溫由1℃到4℃時，工業排放、燃煤取暖使CO、NO2、SO2不斷累積，同時會轉化為二次顆粒物，導致污染物濃度逐漸增加出現峰值，當氣溫＞7℃時，燃煤取暖減少，大氣擴散條件變好，污染物濃度逐漸下降。

4.2 風向與風級

風向影響污染物水平遷移擴散的方向，風級的大小決定空氣擴散稀釋作用的強弱[20]。由風向風級頻率分布（圖4）可知，漢中市中心城區2022年各風向占比為東風19.2%、西南風16.7%、東北風16.2%、西風14.2%、南風、西北風均為9.3%、東南風占8.8%、北風占6.3%，主要以偏東北風、偏西南風為主；1級、2級、3級風分別占68.7%、27.9%、2.7%，0級、4級風各1次。

將不同風向和對應的各污染物日均濃度作對比分析（圖5），結果表明：PM2.5、PM10、CO濃度在東風和北風時較高，在南風和西南風時較低，O3濃度在西南風時最高，東北風時最低，NO2、SO2在各風向下影響較小。主要原因是偏東北方向風一般出現在冬季，占到51%，此時氣溫一般較低，降水較少，也容易受到東北方向關中城市群等外來污染物輸入影響，導致PM2.5、PM10、CO污染物濃度較高，而氣溫較低時光照強度較弱不利于O3生成，導致其濃度較低；偏西南方向風在夏季占到50.2%，夏季的暖濕氣流會帶來充沛降水，降低了PM2.5、PM10、CO污染物濃度，但溫濕環境和較強的光照條件又有利于O3生成增加其濃度。2022年3月14—16日，漢中市中心城區受到來自陜北和關中地區的沙塵輸入影響造成空氣嚴重污染，此次污染過程也是由漢中佛坪縣入鏡自東北向西南逐漸覆蓋全市[19]，與以上分析結果一致。

將不同風級和對應的各污染物日均濃度作對比分析（圖5），總體上看污染物濃度隨風級的增大而降低，0級、4級風各只有1次無法進行比較。當風級由1級增大為3級時，污染物濃度降低幅度依次為PM10＞PM2.5＞CO＞NO2＞SO2，而O3濃度變化大致呈倒U型，在2級風時濃度最高。原因可能是較高風級拉高了大氣邊界高度，使近地面PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2向上擴散稀釋降低了濃度，而大氣上層O3由于向下輸送作用會增加在近地面O3濃度，同時水平擴散作用又會稀釋O3濃度，混合作用和水平擴散作用同時發生[17]。由于盆地地形中軟風（1級）和輕風（2級）占全年的97%，使O3混合作用強于擴散作用造成其濃度逐漸累積升高，隨著風級增加擴散作用增強O3濃度又會下降，所以O3濃度變化呈現出倒U型。

5 結論

（1）由各污染物指標相關性分析可知，PM2.5、CO、NO2、PM10高度相關，O3和CO、NO2、PM2.5、PM10等均呈負相關，說明PM2.5、CO、NO2、PM10具有相似來源和變化規律，而O3與其他污染物具有“此起彼伏”的關系，其中，PM2.5與CO正相關性最強，CO與氣溫負相關性最強，O3與氣溫的正相關性最強，分別為0.905、

-0.627、0.665。因此，PM2.5和O3協同防控重點應該是CO、PM10及前體物NOX等污染排放的防控。

（2）通過主成分分析得到影響2022年漢中市中心城區空氣質量的3個主成分，其累積方差貢獻率為79.388%，表明2022年漢中市中心城區空氣質量主要受人為因素和自然因素的共同影響。主成分1的方差貢獻率為51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10權重較高，說明石油和煤炭燃燒是導致的空氣污染的主要因素，應加強工業污染源、移動污染源（機動車尾氣）、生活污染源以及建筑施工粉塵污染防治。主成分2、主成分3的方差貢獻率合計為27.643%，其中風向、O3、風級、氣溫權重較高，是影響空氣質量重要因素。

（3）通過相關性分析和線性回歸分析，氣象條件對空氣質量起到重要作用，氣溫對污染物濃度影響最明顯，其次是風級、風向。氣溫對各污染物影響程度大小依次為CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，PM2.5、PM10、NO2、CO濃度隨著氣溫升高呈逐漸降低趨勢，而O3濃度呈逐漸升高趨勢，但是也具有波動特征，當氣溫在5～7℃時，PM2.5、PM10、NO2、CO濃度相對較高，O3濃度相對較低；偏東北風時PM2.5、PM10、CO平均濃度較高，O3平均濃度較低，偏西南風時具有相反特征，風向對NO2、SO2影響較??；風級對各污染物影響大小依次為PM10＞PM2.5＞CO＞NO2＞SO2，風級增大污染物濃度逐漸降低，但盆地地形中長時間的軟風、輕風（1級、2級）會導致O3濃度增高，其濃度變化呈現倒U型。

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