基于PCA的汉中市中心城区空气质量影响因素研究

2024-04-30吕晓虎邵天杰黄小刚

环境科学导刊 2024年2期

吕晓虎邵天杰黄小刚

摘要：根据2022年汉中市中心城区环境空气质量监测数据和气象数据，运用主成分分析法（PCA）研究了影响空气质量的主要因素和重要因素，并对比分析了气象指标和各污染物浓度之间的关系。结果表明：主成分分析法提取的3个主成分方差贡献率为79.388%，达到了预期效果。主成分1的方差贡献率为51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10权重较高，说明PM2.5、CO、NO2、PM10是影响空气质量的主要因素，且它们高度正相关，相关系数最高为0.905（PM2.5-CO），最低为0.751（PM10-CO），分析表明加强对工业源、移动源CO、NOx以及颗粒物排放管控是改善空气质量的有效途径。主成分2、主成分3的方差贡献率合计为27.643%，主要包含了风向、O3、风级、气温等信息，是影响空气质量的重要因素。气温对各污染物浓度影响最明显，与O3显著正相关，与其他污染物负相关，影响程度大小依次为CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，在7℃时，PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2浓度相对较高；在偏东北风时PM2.5、PM10、CO平均浓度较高，O3平均浓度较低，偏西南风时具有相反特征；风级增大污染物浓度降低，但O3浓度在1级～2级风时较高。

关键词：PCA（主成分分析）；空气质量；气象因素；汉中市

中图分类号：X51文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）02-00-07

0 引言

近年来，影响空气污染水平的人为因素和自然因素显著增多，如全球气候变暖[1]、化石能源消费增加以及人群对空气污染的脆弱性逐步上升等，大气环境质量形势依旧严峻。当前，我国空气质量改善面临着气象条件相对不利和污染排放明显增加的双重压力，PM2.5浓度平均水平远超世界卫生组织推荐值（5 μg/m3），且臭氧污染问题日益突出，大气污染的隐患和风险仍然较大，对空气质量和人体健康造成了严重威胁[2]。因此，对环境空气质量进行更加全面、客观、深入的分析和评价显得尤其重要。国内外学者进行了大量定性或定量研究，取得了明显进展，采用的研究方法多为综合模型法、正矩阵因子分解法（PMF）、广义可加模型法（GAM）、指数评价法、灰色聚类法、改进密切值法、模糊综合评判法等[3-9]。这些方法各有特点，但也具有一定局限性，如模糊评价法人为确定指标权重且指数数量较多，主要指标的作用体现不够；密切值法和灰色聚类法采取等权方法处理不同指标，使结果有失偏差等。

主成分分析法（PCA）是一种将多个变量通过线性变化来选取较少个数重要变量的多元统计分析方法，能够合理、客观地确定各个指标的权重数，最大限度保留原有数据的信息，避免了人为评价带来的误差，已在众多领域得到广泛应用。本文利用该方法研究了汉中市中心城区空气质量多种影响因素（包括大气环境基本监测指标和气象指标）之间的相关性，根据PCA提取出的主成分，从人为排放和自然条件等方面，分析了影响空气质量的主要因素和重要因素，并进一步探讨了气象因素对环境监测指标的影响，对客观认识汉中市中心城区大气污染现状，有效进行大气污染控制，进一步改善环境空气质量具有重要意义。

1 研究区概况

汉中市地处陕西省西南部，东与安康市、北与宝鸡市、西安市接壤，西南与甘肃省、四川省毗邻，地理位置105°30′30″～108°24′37″E、32°15′15″～33°56′37″N，地处秦巴山区西段，北靠秦岭、南倚米仓山（即大巴山西段），中为汉江上游谷地平坝（即汉中盆地），地势南北高，中间低，形成了“两山夹一川”的地貌骨架。属亚热带和暖温带气候类型，常年平均气温14℃左右。汉中市中心城区主要包括汉台区、南郑区大河坎镇、梁山镇、汉中经济技术开发区，处于汉中盆地中部，大气环境受地形地貌影响明显，年均静风率高达49%，易形成逆温层，不利于污染物稀释扩散，空气污染表现为“夏秋轻、冬春重”的特点[10]。近年来，汉中市大气污染防治工作持续加强，市中心城区全年优良天数达到300 d以上，2022年首次进入全国空气质量达标城市行列。但是随着经济社会的不断发展，冶金、建材、交通、施工、醫药以及生产生活等方面造成的环境污染给空气质量进一步改善带来不小的压力。

2 方法与数据

2.1 方法

主成分分析法（PCA）是将原来多个具有一定相关性的指标进行线性组合，重新组合成为少量的几组无相关的综合指标，即为主成分。当前

m个主成分累计贡献率达到80%以上，就可以认为这m个主成分能够代表原始数据绝大部分信息。分析步骤一般包括：①原始数据进行标准化处理，消除不同数量级和量纲影响；②计算指标相关系数矩阵，说明主成分分析的必要性；③计算相关系数矩阵的特征值及贡献率，确定主成分个数；④建立因子载荷量矩阵，解释主成分；⑤计算主成分得分。

2.2 数据来源

本文选取2022年汉中市中心城区PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO环境监测指标和汉台区气温、风向、风级气象指标（用以代表汉中市中心城区气象指标）共9个指标，指标数据来源于中国空气质量在线监测分析平台（https：//www.aqistudy.cn）和天气网（https：//www.tianqi.com）以及《汉中市环境质量通报（2022年）》，数据时间为2022年1月1日—2022年12月31日，共365 d。6个环境指标监测数据采用市监测站、南郑大河坎水厂站、鑫源开发区站3个国控站点日均监测值，其中：PM2.5、PM10、SO2、NO2为日均浓度，O3为日均最大O3-8 h第90百分位数，CO为日均值第95百分位数。风向采用当天主导风向，以北风作为0°基准，按照0°～360°顺时针方向依次进行量化。

3 空气质量影响因素的主成分分析

按照收集的监测数据，利用SPSS19.0软件对9个指标数据进行主成分分析[11]。对原始数据进行标准化转换后，得到各指标之间的相关系数矩阵（表1）。

由表1可以看出，大部分指标之间具有显著相关性，适合进行主成分分析。其中，PM10、PM2.5、NO2、CO、SO2之间正相关性显著，相关性最高为PM2.5与CO相关系数达到0.905，其次是PM2.5与PM10相关系数达0.883；O3与气温呈正相关，与CO、PM2.5、NO2呈负相关，相关系数分别为0.665、-0.506、-0.443、-0.443；风级与气温呈弱正相关，与其他指标均呈弱负相关；风向与气温、O3呈弱正相关，与其他指标相关性不明显。

为了进一步分析影响空气质量的主成分，本文通过计算相关系数矩阵的特征值和特征向量，并根据特征值计算各主成分的方差贡献率和累计方差贡献率来分析其影响程度。各污染变量的信息提取率和主成分方差贡献率见表2、表3。

由表2可知，绝大多数指标提取率至少为0.7，说明这些指标信息能够被选取的主成分进行表达。同时，PM2.5、NO2、CO、PM10提取率较高分别为0.902、0.866、0.854和0.834，表明这4个指标是影响汉中市中心城区空气质量的主要因素。

表3反映了各个成分解释原始变量的总方差以及累计方差贡献率情况。主成分1、主成分2、主成分3方差的初始特征值＞1，且累计贡献率达到79.388%接近80%，说明成分1、成分2、成分3能够较好的解释指标包含的信息，主成分分析效果比较理想。其中，主成分1的特征值最大，对解释原有指标的贡献最大，其贡献率为51.745%，其次是主成分2、主成分3，贡献率分别为15.767%、11.876%。

从各污染物生成人为源来看，PM10主要来自扬尘、工业粉尘，CO产生于工业燃烧、机动车尾气、居民生活，NO2来自于含氮物质的高温燃烧，如机动车尾气、工业废气等。SO2产生于含硫燃料燃烧、含硫金属矿冶炼及硫酸工业废气等。PM2.5成分较为复杂，相关研究表明[12]，其主要来自各种燃料燃烧、机动车尾气以及SO2、氮氧化物（NOX）、挥发性有机物（VOCs）等气态前体物转化为二次颗粒物等，O3为二次污染物，主要是NOX、VOCs、CO等前體物在合适条件下发生光化学反应生成[5]。由表4可以看出，主成分1（F1）贡献率达51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10权重系数相对较高，表明主成分1主要反映了工业废气、机动车尾气、粉尘等人为污染物排放对汉中中心城区空气质量影响。结合汉中市能源结构和产业状况实际看，全市基础原料工业和传统工业占80%以上，原材料消耗占企业的成本超80%[13]，辖区工业主要以钢铁制造、有色冶金、水泥建材、航空装备制造以及生物制药为主，2022年规上工业总产值达到1927.22亿元，增速居全省前列[14]。此外，近年来机动车保有量不断攀升，基础设施建设（建筑工地）持续增长，据统计，截至2021年底，全市机动车保有量达84.8万辆，市中心城区约25万辆，居全省前列[15]，交通、城乡等基础设施建设项目126个，投资增长60.28%[16]。根据2021年汉中市第二次全国污染源普查公报显示，汉中市大气污染物中NOX、颗粒物排放量分别为33070 t、43920 t，工业源排放分别占61.52%、75.31%，移动源排放分别占32.56%、0.99%，生活源排放分别占5.92%、23.70%。可见，95%的NOX排放来自工业源及移动源，99%的颗粒物排放来自工业源及生活源，其中工业源占比到达3/4，而NOx、CO、VOCs等是PM2.5及O3生成的重要前体物，会导致PM2.5及O3的增加。因此，以煤炭、石油等化石燃料为主的能源结构和偏重工业的产业结构造成了汉中市大气污染以颗粒物污染及臭氧污染为主的特征。以上分析结果与主成分1（F1）一致，所以PM2.5、CO、NO2、PM10是影响汉中市中心城区空气质量的主要因素。另外，处于汉中盆地底部的中心城区，大气环境相对闭塞，气象条件对污染物的扩散、清除、转化起到重要作用。主成分2（F2）主要代表因子为风向、O3、气温，其权重系数分别为0.476、0.392、0.364，主成分3（F3）主要代表因子为风级、风向，其权重系数分别为0.686、-0.409，而O3是在特定气象条件下生成的二次污染物，与气温、光照等自然条件密切相关，因此，主成分2和主成分3主要反映了气象条件对汉中市中心城区空气质量的影响，其贡献率分别为15.767%、11.876%，是影响汉中市中心城区空气质量的重要因素。

4 气象因素对空气质量的影响分析

4.1 气温

对PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2的日均质量浓度与日均气温作线性回归分析得到不同气温下的浓度分布图（图1～图3），可知2022年市中心城区日平均气温在1～34℃，气温与O3呈显著正相关，与CO、PM2.5、NO2、PM10呈负相关，与SO2相关性较弱。由线性拟合方程可以估计，气温每降低1℃，PM2.5、PM10、CO、NO2质量浓度分别增加1.872 ?g/m3、1.740 ?g/m3、0.022 mg/m3、0.580 ?g/m3，O3质量浓度减少2.514 ?g/m3，对各污染物指标影响大小为CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，气温对SO2影响不明显，平均浓度保持在4.0～6.8 ?g/m3相对稳定。但是这种变化也存在波动特征，通过各气温段污染物的平均浓度可以看出，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2平均浓度在1～4℃时迅速上升，5～7℃时出现峰值，然后逐渐降低。原因是气温较低时，易出现逆温层，加上降水减少、风速降低，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2等污染物不易扩散、清除，再加上冬季供暖增加，NO2、SO2、CO等气态污染物和颗粒物浓度会持续增加；而温度较低时，太阳辐射一般较弱，不利于NOX、VOCs、CO发生光化学反应生成O3，使得O3浓度保持低位[17]。

随着气温升高，一方面有利的大气扩散、降水等条件降低了PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2的浓度，另一方面较强的太阳辐射会增加O3的生成，导致它们的浓度随着气温升高呈现“一降一升”的特征。在5～7℃时，PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2浓度出现峰值很可能和污染物累积效应有关，由于盆地地形及静稳天气影响，气温由1℃到4℃时，工业排放、燃煤取暖使CO、NO2、SO2不断累积，同时会转化为二次颗粒物，导致污染物浓度逐渐增加出现峰值，当气温＞7℃时，燃煤取暖减少，大气扩散条件变好，污染物浓度逐渐下降。

4.2 风向与风级

风向影响污染物水平迁移扩散的方向，风级的大小决定空气扩散稀释作用的强弱[20]。由风向风级频率分布（图4）可知，汉中市中心城区2022年各风向占比为东风19.2%、西南风16.7%、东北风16.2%、西风14.2%、南风、西北风均为9.3%、东南风占8.8%、北风占6.3%，主要以偏东北风、偏西南风为主；1级、2级、3级风分别占68.7%、27.9%、2.7%，0级、4级风各1次。

将不同风向和对应的各污染物日均浓度作对比分析（图5），结果表明：PM2.5、PM10、CO浓度在东风和北风时较高，在南风和西南风时较低，O3浓度在西南风时最高，东北风时最低，NO2、SO2在各风向下影响较小。主要原因是偏东北方向风一般出现在冬季，占到51%，此时气温一般较低，降水较少，也容易受到东北方向关中城市群等外来污染物输入影响，导致PM2.5、PM10、CO污染物浓度较高，而气温较低时光照强度较弱不利于O3生成，导致其浓度较低；偏西南方向风在夏季占到50.2%，夏季的暖湿气流会带来充沛降水，降低了PM2.5、PM10、CO污染物浓度，但温湿环境和较强的光照条件又有利于O3生成增加其浓度。2022年3月14—16日，汉中市中心城区受到来自陕北和关中地区的沙尘输入影响造成空气严重污染，此次污染过程也是由汉中佛坪县入镜自东北向西南逐渐覆盖全市[19]，与以上分析结果一致。

将不同风级和对应的各污染物日均浓度作对比分析（图5），总体上看污染物浓度随风级的增大而降低，0级、4级风各只有1次无法进行比较。当风级由1级增大为3级时，污染物浓度降低幅度依次为PM10＞PM2.5＞CO＞NO2＞SO2，而O3浓度变化大致呈倒U型，在2级风时浓度最高。原因可能是较高风级拉高了大气边界高度，使近地面PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2向上扩散稀释降低了浓度，而大气上层O3由于向下输送作用会增加在近地面O3浓度，同时水平扩散作用又会稀释O3浓度，混合作用和水平扩散作用同时发生[17]。由于盆地地形中软风（1级）和轻风（2级）占全年的97%，使O3混合作用强于扩散作用造成其浓度逐渐累积升高，随着风级增加扩散作用增强O3浓度又会下降，所以O3浓度变化呈现出倒U型。

5 结论

（1）由各污染物指标相关性分析可知，PM2.5、CO、NO2、PM10高度相关，O3和CO、NO2、PM2.5、PM10等均呈负相关，说明PM2.5、CO、NO2、PM10具有相似来源和变化规律，而O3与其他污染物具有“此起彼伏”的关系，其中，PM2.5与CO正相关性最强，CO与气温负相关性最强，O3与气温的正相关性最强，分别为0.905、

-0.627、0.665。因此，PM2.5和O3协同防控重点应该是CO、PM10及前体物NOX等污染排放的防控。

（2）通过主成分分析得到影響2022年汉中市中心城区空气质量的3个主成分，其累积方差贡献率为79.388%，表明2022年汉中市中心城区空气质量主要受人为因素和自然因素的共同影响。主成分1的方差贡献率为51.745%，其中PM2.5、CO、NO2、PM10权重较高，说明石油和煤炭燃烧是导致的空气污染的主要因素，应加强工业污染源、移动污染源（机动车尾气）、生活污染源以及建筑施工粉尘污染防治。主成分2、主成分3的方差贡献率合计为27.643%，其中风向、O3、风级、气温权重较高，是影响空气质量重要因素。

（3）通过相关性分析和线性回归分析，气象条件对空气质量起到重要作用，气温对污染物浓度影响最明显，其次是风级、风向。气温对各污染物影响程度大小依次为CO＞O3＞NO2＞PM2.5＞PM10＞SO2，PM2.5、PM10、NO2、CO浓度随着气温升高呈逐渐降低趋势，而O3浓度呈逐渐升高趋势，但是也具有波动特征，当气温在5～7℃时，PM2.5、PM10、NO2、CO浓度相对较高，O3浓度相对较低；偏东北风时PM2.5、PM10、CO平均浓度较高，O3平均浓度较低，偏西南风时具有相反特征，风向对NO2、SO2影响较小；风级对各污染物影响大小依次为PM10＞PM2.5＞CO＞NO2＞SO2，风级增大污染物浓度逐渐降低，但盆地地形中长时间的软风、轻风（1级、2级）会导致O3浓度增高，其浓度变化呈现倒U型。

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