主成分分析法在深圳大气环境质量时空特征研究中的应用

陈军苗

（深圳市罗湖区环境保护监测站深圳518000）

0 引言

大气环境质量评价方法主要有灰色系统理论、大气污染综合指数法、模糊综合评价等[1-3]，这些方法各有利弊。主成分分析法量化了多个指标之间的相互关系，将多个指标转化少数几个不相关的综合指标，同时充分考虑了各指标之间的相关性，能够最大限度地保留原有信息，对高维数据进行最佳的综合降维处理，且更客观地确定各个指标的权重数，避免了主观随意性[4,5]。本文利用深圳市2006-2010年大气污染物SO2、NO2、PM10和O3的8个监测站点的数据，通过主成分分析法综合评价了近五年来大气环境质量，揭示了深圳市大气环境质量的时空分布特征。

1 研究区域概况和基础数据

深圳市坐落于珠江口东岸，总面积2020.5km2，位于113°46′E至114°37′E，22°27′N至22°52′N之间，是我国改革开放的前沿城市[6]。深圳市海岸线长230km，年均温度为22.4℃，年均降水量为1948mm[7]，地处亚热带海洋气候，海陆环流的季节变化有利于大气污染物的扩散。

依据《中华人民共和国环境空气质量标准》（GB3095-1996）[8]，选择了深圳市8个国控环境监测点（洪湖、华侨城、荔香、荔园、龙岗区、南湖、南油和盐田区）2006-2010年的二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（PM10）4个空气污染物的实测资料，作为综合评价的数据。

2 大气环境质量主成分分析

2.1 数据标准化

首先对原始数据进行标准化，采集原始指标数据的P维随机向量 x=(x1，x2，………，xp)T的 n个样品 xi=(xi1，xi2，……，xip)T构造样本阵，其中 i=1，2，…，n，（n＞p），对样本阵元进行标准化变换，利用z-score法计算得到标准化数据[5]，由此得标准化阵Z。以深圳市洪湖站点数据为例，得到标准化数据如表1所示。

表1 2006-2010年洪湖站点标准化数据

2.2 数据相关性分析

利用皮尔逊相关系数法计算相关系数矩阵如表2。

2.3 特征值和特征向量计算

计算样本的相关矩阵R的特征方程为：

λEP-R=0

表2 深圳市大气污染物相关系数矩阵

得到P个特征值λ1，λ2，……，λP，根据累计方差贡献率大于等于85%确定主成分个数m，使信息的利用率达到85%以上，对每个λj，j=1,2,……,m，解方程组 Rb=λjb，得单位特征向量 λ0j。经过计算相关系数矩阵得到相关系数矩阵的特征值、累计贡献率，如表3所示。

表3 矩阵的特征值与累积贡献率

由表3分析可知，第一、第二、第三累计贡献率已高达92.663%，前三个因子可以反映原始数据的大部分信息。提取前3个因子作为公共因子，进一步通过计算得到三个主成分的特征向量（表4）。

表4 三个主成分的特征向量

2.4 主成分得分和综合评价

将标准化后的指标变量转换为主成分得分

其中Uj称为第j主成分。将m个主成分进行加权求和，即得到最终评价值，权数为方差贡献率，得到结果如表5所示。

表5 深圳市2006-2010年主成分得分表

3 结果与分析

3.1 深圳市大气环境年际变化特征

通过分析标准化后的数据（表 1），深圳市 SO2、NO2、PM10和O3的浓度在2006-2010年期间年均浓度均呈逐年下降趋势，各污染物浓度达标率和达标水平也逐年升高，大气环境质量在逐渐好转。由表4可知，SO2和O3在第一主成分的载荷较高，分别为0.686和-0.509，对空气质量起主导作用；第二主成分中的NO2和PM10较高，分别达到了-0.538和0.518，而第三主成分的O3和NO2较高，是影响空气质量的主要因子。深圳市SO2的主要来源为火力发电，NO2的主要来源为机动车尾气排放，PM10来源较为复杂，包括土壤风沙尘、施工扬尘、机动车尾气尘、城市道路交通扬尘等，O3的主要来源汽车、石油化学工业、电厂等由于排放出氮氧化物和碳氢化合物，在紫外光照射下产生臭氧[9,10]。

利用主成分分析对深圳市2006-2010年大气污染物进行评价，大气环境质量综合得分值越高，环境质量越差。分析近五年来深圳市大气环境质量（表5和图2），2006年大气环境质量综合得分为0.753，随着时间的推移得分值显著下降，到2010年环境质量综合得分仅为-0.635，大气环境质量最好，表明深圳市大气环境质量2006-2010年间总体在不断地改善。

图2 2006-2010年深圳市大气环境质量变化趋势

由图3和表5可知，除了盐田区稍有波动之外，深圳市的所有环境监测点大气环境质量综合得分值随着时间的推移，具有明显下降的趋势，说明深圳市各个监测站点的大气环境质量都在逐步改善，与张振等（2011）的研究成果一致[11]。

图3 2006-2010年监测站点的主成分综合得分

3.2 深圳市大气环境质量空间变化特征

比较各个监测站点的综合得分值可知，近五年来深圳市大气环境质量最好的区域主要集中在华侨城监测站点附近，综合得分值仅为-0.554，其次为洪湖、荔香、南油、荔园和南湖，大气环境质量最差的主要集中在盐田区和龙岗区监测点，综合得分值分别为0.515和0.458。利用上述统计分析结果，通过ArcGIS10.0平台对深圳市内8个大气环境监测点进行大气环境质量变化的空间分析，分析2006-2010年各个监测站点的大气环境质量变化趋势（图4）可知，2006年荔香监测站点的大气环境质量最差，南湖的环境质量最好，随着时间的推移，各个监测站点的大气环境质量均有好转，至2008年，龙岗区和荔香监测点的大气环境质量是所有监测点中最差的，在2010年，龙岗区和盐田区监测点大气环境质量相对于其他站点较差，其他站点的值相差不大，但是相对于2006年来说，各个监测站点的值具有较大幅度的下降，大气环境质量明显好转。

图4 2006-2010年监测点大气环境质量时空分布图

此外，深圳市颁布一系列改善大气环境质量的法律法规，如《深圳经济特区机动车排气污染防治条例》、《深圳市扬尘污染防治管理办法》等，有效地防止了大气环境污染，取得了显著的成果。

龙岗区和盐田区监测点的大气环境质量较差，主要是因为龙岗区工业主导地位在逐渐增强，土地开发利用强度高，车辆增多，地铁等基础设施建设全面展开等导致废气排放较多[12]，而盐田区由于靠近龙岗区，区域环境受到龙岗区工业发展和机动车污染的影响，因此龙岗区和盐田区大气环境质量相对其他区域较差。荔香、华侨城和南油监测站点位于南山区，是火力发电厂的集中地，并且监测点位于主要的交通要道附近[13]，因此2006-2007年的大气环境质量较差，但是后来通过产业结构调整及大气污染源的治理，环境质量逐渐好转。

4 结论

利用主成分分析方法对2006-2010年深圳大气环境质量进行了综合评价，探讨了其时空变化特征，分析了大气环境质量变化的原因，所得结论如下：

2006-2010年，深圳市大气环境质量在逐步改善，大气污染物SO2、NO2、PM10和O3的污染浓度具有一定程度的下降。从空间分布来看，盐田区和龙岗区监测点的大气环境质量较差，而华侨城监测站点的大气环境质量最好。在2006-2010年间各个监测站点大气环境质量在时空分布上均呈现出逐渐变好的趋势。

深圳市在大气环境质量时空动态变化方面呈现出的总体下降趋势，表明深圳市在经济发展和大气环境保护的博弈中达到了双赢，区域环境污染治理的对策能够有效防治大气环境污染。

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