石家庄市空气质量变化因素分析

吕苗 ，张佳琪 ，董艳莹 ，吴宇航

（1.华北理工大学数学建模创新实验室，河北 唐山 063009；2.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063009；3.华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063009；4.河北省数据科学与应用重点实验室，河北 唐山 063009；5.唐山市数据科学重点实验室，河北 唐山 063009）

1 2017年石家庄市空气质量变化趋势

城市的空气质量影响着当地人口的健康以及生活方式，但随着经济的发展和人口增长，空气质量受到人类活动的较大影响[1-4]。为了解现今的空气质量及其趋势，既要选取经济水平较高的城市，也要选取气候环境稳定的地区，因为京津冀地区属于我国的五大城市群之一，经济实力雄厚，在我国社会经济发展中有重要作用，且处于华北平原地带，气候稳定，无较大突发变化，所以选取石家庄市进行空气质量变化分析。大气污染物不仅影响着空气环境的质量，也正相关于人类呼吸系统和心肺系统的发病率与死亡率，对人体健康有很大的威胁。城市空气中的大气污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物、碳氢化合物、铅、苯并芘、氟化物等。选取其中部分被列为空气质量标准中需控制浓度限值的物质，分别为 PM2.5，PM10，SO2，CO，NO2以及 O3作为影响空气质量的研究变量。本文选取AQI作为主要的空气质量变化趋势指标，对2017年石家庄市每月的优良天数分析如图1所示。

图1 2017年月份优良天数分析图Fig.1 2017 analysis of days of fine days

对图像进行分析可以得到，石家庄市的空气质量是呈季节性变化的，从整体水平来看，优良天数平均分步并不多，即空气质量不太良好，再对石家庄市2017年每月AQI的最高值和平均值进行数据趋势的分析如图2所示。

图2 AQI最高值与平均值的趋势走向图Fig. 2 Trend chart of maximum and average values of AQI

从AQI最高值与平均值的趋势走向图可以得到：从2017年1月开始，石家庄市整体的空气质量呈下降趋势，到三月后趋于平稳，但AQI的值数平均在100左右，仍难以达到优良天气的标准，故需要对影响空气质量，即AQI趋势变化的因素进行分析。

2 影响石家庄市空气质量的主要因素分析

主要考虑计入空气污染的几个指标，利用主成分分析法分析影响石家庄市2017年空气质量的主要污染物。从表1主要污染物的月平均浓度中，用主成分法分析各个变量的权重，得出主要影响因子。

2.1 利用主成分分析法确定权重

权重是指某一因素或指标相对于某一事物的重要程度，利用归一化后计算出的权重系数的大小来反应各种污染物对空气污染的影响程度，权重越大则该指标的重要性越高，对整体的影响就越高。将指标数据录入SPSS，输出结果如表2所示。

表2 KMO 和巴特利特检验结果Table 2 KMO and Bartlett test results

表2显示的是KMO检验结果，读取KMO值后，根据给出的常用KMO度量标准,确定原有变量是否适合做因子分析。

由表3知KMO输出值为0.701，所以变量适合主成分分析的程度介于一般。

表3 KMO检验标准参考Table 3 Reference for KMO inspection standard

由表4可知，主成分1,2所对应的特征根大于1，取用主成分1和主成分2的累计方差贡献率达到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，可以用前两个成分来代替原来的七个指标因素，这样便降低了分析的维度。

表5 成分矩阵aTable 5 Component matrix a

从表5成分矩阵可知第一主成分与第二主成分对原来指标的载荷数。比如，第一主成分对AQI的载荷数为0.769。第二主成分对AQI的载荷数为0.593。

表1 空气质量因素的指数分析表Table 1 Index analysis table of air quality factors

表4 解释总方差Table 4 Explain total variance

因此要确定各个指标权重，需要计算以下数据：指标在各主成分线性组合中的系数，主成分的方差贡献率，以及最终的指标权重的归一化。

2.2 计算线性组合中的系数

根据公式：各指标线性组合系数=载荷数/对应特征值，计算出各指标在两个主成分线性组合中的系数，结果如表6所示。

整理得到的两个主成分线性组合表达式如下：

2.3 主成分的方差贡献率[5]

根据每个因子对问题的解释程度，将各个指标系数看成是前两个成分方差贡献率，对指标在这两个主成分线性组合中的系数做加权平均。最后再计算综合评价系数。可以计算出所有指标的系数，如表7所示。

所有指标的综合得分公式：

表6 两个主成分线性组合系数Table 6 Two principal components linear combination coefficient

2.4 指标权重归一化

归一化指对不同特征维度进行伸缩变换，改变原始数据的分布使各个特征维度对目标函数的影响权重是一致的。对目标函数的影响体现在数值上并且把有量纲表达式变为无量纲表达式 。由主成分方差贡献率计算得出的综合得分模型中的系数，计算各个指标权重，如表8所示。

表7 所有指标的系数Table 7 Coefficients of all indicators

表8 模型权重表Table 8 Model weight table

归一化后的权重指标显示，除综合指标AOI外，PM2.5和SO2对空气的影响力度最大。对此，对污染处理政策的进行主要针对于PM2.5和SO2的处理。

3 结论

空气污染程度可以反映某地空气质量的好坏，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的，针对石家庄市空气污染物浓度，计算权重后，PM2.5和SO2的指标权重值明显较高，因此判定石家庄市空气主要污染物为PM2.5和SO2。

为防止二氧化硫的有害影响，大多数国家把大气中的二氧化硫浓度控制在0.05ppm以下，超过这个数值就认为构成了大气污染，必须采取防治措施，以降低其浓度，目前采取的有效途径一般有如下几种：一是采用低硫燃料，二是高烟囱排放，三是燃料脱硫，四是燃烧脱硫，五是烟气脱硫。

随着天气逐渐变冷，PM2.5的扩散程度直线上升，再加上他严重影响了我们的生活以及自己的身体，他会长时间的在空中漂浮，源自于汽车尾气排放太多，热能排放太多。防范PM2.5首先应该应对污染选对口罩，其次注意饮食，多种植绿植。能有效缓解空气污染危害。