全国环保重点城市空气质量状况的聚类分析

崔筱笛 郭民之 谭毅恒

摘要：利用全国113个环保重点城市2017年的空气质量数据进行了聚类分析，以期对全国城市空气质量分布状况有一个总体性的直观把握。在综合考虑聚类个数和类间区分度的情况下把这113个城市聚为9类，按空气质量达到及好于二级的天数这一指标进行排序并将空气质量最优、中等和最差三类城市在中国地图上进行标注。结果表明：这些环保重点城市空气质量分布状况具有明显的区城性，空气污染严重城市主要集中在华北和西北地区，南方城市的空气质量整体好于北方。最后分析了各类城市空气污染的成因和地域特征并时如何改善城市空气质量提出了治理建议，以供参考。

关键词：城市空气质量;聚类分析;区城特征;治理建议

中图分类号：0212.4 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0001-04

1 引言

空气质量的好坏与人们的健康水平息息相关。随着社会经济的发展，我国城镇化与工业化的步伐不断加快，空气污染问题日益凸显，雾霾天气越来越常见，已经对社会大众的身体健康和生产生活带来严重的影响。

到目前为止，已经有不少学者对我国城市空气质量的现状及相关问题进行过研究。余晓美等[1]对全国31个环保重点城市空气质量进行动态特征分析，选取2014～2016年共36个月空气质量指数（AQI）作变化速度曲线和平均变化速度曲线图，具有相似AQI曲线的城市聚为一类，空气质量呈现“三阶段”季节性周期，区域差异明显，且发现空气质量改善过程呈现“类马太效应”;宋加梅[2]对55个主要城市的空气质量数据进行因子分析，根据排名对城市进行分类，总结这些城市空气污染的现状并提出改善建议;姜磊等[3]运用空间滞后模型探究城市化发展与空气质量之间的关系，发现空气污染存在明显的空间溢出效应。

本文根据六项国家空气质量主要监测指标，对2017年全国113个环保重点城市空气质量进行聚类分析，研究这些环保重点城市空气质量类属现状、污染分布区域特征和影响因素，并提出治理对策和建议。

2 指标选取与数据来源

按照2016年1月1日在全国范围内正式实施的《环境空气质量标准（GB3095—2012）》，空气质量的六项主要监测指标分别为细颗粒物（PM_2.5）、可吸入颗粒物（PM₁₀）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）和臭氧（O₃）。本文共考虑7个具体监测指标，分别为SO₂年平均浓度x₁（μg/m³）、NO₂年平均浓度x₂（μg/m³）、PM₁₀年平均浓度x₃（μg/m³）、CO日均值第95百分位浓度x₄（mg/m³）、O₃日最大8h第90百分位浓度x₅（μg/m³）、PM_2.5年平均浓度x₆（μg/m³）、空气质量达到及好于二级的天数x₇（d）.部分数据见表1。

3 聚类分析过程

以R软件为工具，利用城市之间的空气质量指标的内在相似性，将全国113个城市先对7个变量画出两两变量的协相关图，再利用kmeans函数作聚类分析，并综合考虑聚类个数和类间区分度确定最佳聚类数为9，然后评价部分代表类别城市的空气质量状况。绘出聚类排序图和树状图。

先用R软件读人数据，再绘制7个变量间的协相关图，如图1。

从图1中可以看出， PM_2.5与PM₁₀的濃度呈正相关，而PM_2.5和PM₁₀的浓度与空气质量达到及好于二级的天数（以下记为days）呈较强的负相关， PM_2.5和PM₁₀的浓度越高，好天气数越少，空气质量越差.在实际生活中，表现为雾霾严重，空气可见度低，容易引发呼吸系统疾病，危害人们的身体健康。同时，days与二氧化氮年平均浓度呈负相关。NO₂的排放源于汽车尾气，日常生活中，汽车尾气排放的越多，空气质量越差;另外，空气中O₃浓度越高，days越少。在近地表区域，汽车尾气、火山爆发、森林火灾和自然闪电等均会在空气中产生臭氧。若空气中臭氧的浓度高于0.16g/m³（8h），则会产生空气污染，且浓度越高，空气质量越差，days也越少PM_2.5和PM₁₀的浓度分别与O₃的浓度也呈正相关。所以，减少汽车尾气的排放能有效减少NO₂、PM_2.5、PM₁₀和O₃指标值的增加。

以下利用kmeans函数对113个城市的空气质量数据进行k均值聚类，让聚类数k由小到大逐渐增加，同时计算类间平方和与总平方和的比值。该比值越大，说明类间差异越大，类内差异越小，表示聚类效果越好。利用R程序可求得类间平方和与总平方和的比值序列并作出该序列的散点图（图2）。

从图2可以看出，当k=9之后，组间平方和占比的增幅就很小了，趋近于1。注意，作聚类分析时既要使组间平方和占比尽量大，又要让聚类数不能太大（否则太杂乱），权衡考虑后取k=9为最佳聚类数。R程序及输出结果如下。

利用上面聚类所得的9类城市的均值点的最后两列数据，可利用空气质量达到及好于二级的天数（即最后一列day）对9个聚类结果进行排序并作图，见图3。

图3直观展示了9类环保重点城市的空气质量的优劣：最优的是第5类城市，接下来依次为优（第7类），良好（第2类），中上（第1类），…，最差的是第8类城市。

4 结果分析

利用各类城市空气质量均值点中达到及好于二级的天数这一指标（即days）来对9类城市从高到低进行排序，得到如下结果。

最优（第5类，有11个城市）：厦门、汕头、南宁、海口、攀枝花、贵阳、遵义、昆明、曲靖、玉溪、拉萨。

优（第7类，有8个城市）：温州、福州、泉州、韶关、深圳、珠海、湛江、北海。

良好（第2类，有9个城市）：赤峰、本溪、齐齐哈尔、牡丹江、张家界、柳州、桂林、金昌、克拉玛依。

中上（第1类，有14个城市）：大同、大连、连云港、宁波、南昌、九江、青岛、烟台、岳阳、广州、绵阳、南充、延安、西宁。

中等（第9类，有17个城市）：包头、鞍山、抚顺、长春、吉林、哈尔滨、日照、武汉、宜昌、荆州、长沙、株洲、湘潭、常德、沪州、宜宾、乌鲁木齐。

中下（第6类，有14个城市）：秦皇岛、沈阳、锦州、上海、南京、无锡、常州、苏州、南通、杭州、湖州、绍兴、芜湖、重庆。

较差（第4类，有15个城市）：北京、呼和浩特、扬州、镇江、合肥、马鞍山、三门峡、成都、自贡、德阳、铜川、宝鸡、兰州、银川、石嘴山。

差（第3类，有14个城市）：天津、唐山、阳泉、长治、徐州、济南、淄博、枣庄、潍坊、济宁、泰安、开封、平顶山、西安。

最差（第8类，有11个城市）：石家庄、邯郸、保定、太原、临汾、郑州、洛阳、安阳、焦作、咸阳、渭南。

一个城市的空气质量与该城市的地形地貌、所处的地理位置、气候背景、经济发展等都有密切的联系.大气污染的严重程度主要由污染源和扩散条件两方面决定，扩散条件主要受地形和气象条件影响.以下本文以空气质量最优、中等和最差三类城市为例作一定的分析说明。

考察属于最优类的11个城市，可以发现其中半数以上城市处于西南地区云贵高原，属亚热带季风气候，横断山脉输送活跃的印度洋暖湿气流带来充沛的降雨，对空气有净化作用。还有部分城市位于沿海或海岛，空气流通好，空气污染容易扩散，海洋对空气有净化作用;该类大部分城市煤炭等污染性能源使用较少，以水电等清洁能源为主，重工业较少。生态保护、绿化率、旅游资源等处于全国先进水平。

对于属于中等类的17个城市进行考察，可以发现该类城市多数位于东三省、湖北、湖南、四川等地。以其中部分代表性城市为例来说明该类特征：包头市为一座重工业城市，污染源主要有工业废气、城市扬尘、汽车尾气和烧煤带来的烟尘污染。包头市位于北方少雨地区，污染物不能得到净化，空气质量长期处于一般水平。武汉市是一座工业城市，而且机动车非常多，近年来，武汉市发展较快，建筑施工扬尘导致PM_2.5浓度上升;长沙市受建筑工地扬尘污染，机动车保有量上升较快，汽车尾气对大气环境造成了不良影响，长沙市在春、秋、冬季节气温较低，气压也低，不利于污染物的扩散。

最差类的11个城市：石家庄、邯郸、保定、太原、临汾、郑州、洛阳、安阳、焦作、咸阳和渭南分别属于河北、山西、河南和陕西四省。由于河北省钢铁、电力等产业比较集中，会产生大量污染物;地势西高东低，冷空气降临时，太行山脉会对天气系统起到阻挡的作用，使风速减小，污染物难以得到稀释与扩散。而山西省以矿业为主，是产煤大省，临汾市矿产资源丰富，为全国三大主焦煤基地之一，开采较多，会造成粉尘污染，使得空气中颗粒物浓度升高;石家庄市为一座重工业城市，水泥厂、热电厂、石灰厂等常年排放废气。石家庄市市区热岛效应较明显，会造成郊区的空气污染物向市区累积。在气象条件方面，石家庄地区地面主导风向对空气污染有加重的作用，大气层结稳定的比例较高，不利于污染物扩散。整体而言，北方地区冬季供暖以集体燃煤为主，会大量排放SO₂、CO等污染物，PM_2.5和PM₁₀会急剧增多。同时，中部地区属温带大陆性气候，离海洋较远，空气流通不够，难以获得海洋的净化作用。

整体来说，113个环保重点城市中污染较严重的城市大部分位于华北和西北地区，要提升空气质量首先要集中治理该区域。西北地区水土流失严重，扬尘使得空气中颗粒物较多，造成空气污染较严重。另外，南方城市的空气质量整体好于北方，原因是北方工业较多，排放的废气会污染空气;进入冬季，空气流动性较差不利于污染物排放，同时北方城市冬季需要烧煤供暖，这会使空气中的SO₂等污染物增叮;从气候上看，南方潮湿多雨，北方相对干早少雨，下雨使空气中的污染物沉降，也会造成南北方空气质量的差距。

利用聚类输出结果中的类均值点数据，可绘制9类城市聚类树状图（图4），它可帮助对上述聚类结果有深入理解。

5 优中差三类环保城市的空间分布

为了更加详细地了解我国空气质量状况的区域性，本文參考了文献[7]的分类方法，又结合本文数据实际情况，做出以下分类：按照所属的省（市、区）将113个环保重点城市分成11个区域，划分结果见表2第二列，其中，由于张家界市、海口市和湛江市地理位置不属于任何一个地区或城市群，不便分区，故将其剔除，共取110个城市。“最优”、“中等”和“最差”三类城市在11个地区的分布情况见下表第三列。重城市大多集中在黄河中游地区及京津冀地区，空气质量最好的城市分布于东南沿海和西南地区，南方的空气质量整体好于北方。

6 对策与建议

有效治理和控制大气污染，关键是要减少污染物的排放。要从调整不合理的产业结构人手，降低污染较重的工业占比，政府要扶持高新技术及环保产业的发展，对传统产业加大技术改造力度，逐步淘汰和取代能源消耗多、环境污染重的产业。

尽量避免使用污染性能源，减少燃煤能有效减少SO₂、PM_2.5和PM₁₀的增加，提倡燃煤脱硫后使用。开发新能源与可再生能源，如太阳能、风能、水能、生物能、氢能等，这是保护大气的重要措施。在日常生活中，使用清洁能源，减少有害气体的产生，空气质量才会越来越好。鼓励市民多乘坐公共交通工具，可有效减少汽车尾气的排放，从源头上减少NO₂、O₃等有害气体的排放。如利用政策引导、监管、税收等措施，促使企业参与环保，调动企业在污染排放、环境保护和资源开发中的积极性。积极宣传大气环保理念，利用传媒途径激发民众环保的积极性，形成社会舆论，使民众自觉参与到环境保护中来，抵制资源浪费的行为，养成低碳、绿色、节约的良好习惯。另外，在全国范围内，特别是在西北地区，大力提倡植树造林，增加森林覆盖面积，防风固沙，减少扬尘污染。

参考文献：

[1]余晓美，沈永昌.中国环境保护重点城市空气质量的动态特征分析[J].统计与决策，2019（11）：91～94.

[2]宋加梅.我国主要城市空气质量情况及影响因素分析[J].中国传媒大学学报（自然科学版），2019，26（4）.

[3]姜磊.基于空间计量模型的中国城市化发展与城市空气质量关系[J].热带地理，2019，39（3）.

[4]刘霞.中国城市空气质量的影响因素分析[D].沈阳：辽宁大学，2018.

[5]李茂静.城市空气污染的成因及对策探讨[J].山东工业技术，2019（8）.

[6]黄小舟，雷琳琳.中国城市空气质量与产业结构关系研究[J].湖北经济学院学报（人文社会科学版），2019，16（4）.

[7]Banta R M，Senff C J，Alvarez R J，et al.Dependence of dailypeak O₃concentrations near Houston，Texas on environmentalfactors：Wind speed，temperature，and boundary-layer depth[J].Atmospheric Environment，2011（5）：162～173.

收稿日期：2020-01-06

基金項目：云南师范大学研究生核心课程建设项目（编号：YH2018-C08）

作者简介：崔筱笛（1994-），女，硕士研究生，研究方向为数理统计。

通讯作者：郭民之（1961-），男，副教授，博士，研究方向为概率统计。