廣州市大氣污染物排放特征及影響因素分析

廣州市大氣污染物排放特征及影響因素分析

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，污染物的排放量不斷增加，污染范圍也在不斷擴(kuò)大。顆粒、二氧化硫和二氧化硫等主要污染物的環(huán)境環(huán)境污染日益嚴(yán)重。環(huán)境污染對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人體健康造成了極大危害,環(huán)境空氣質(zhì)量也日益受到人們的關(guān)注?？諝馕廴九c氣象條件關(guān)系密切,氣象要素往往制約著空氣污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化過程,進(jìn)而影響著空氣污染物的分布及污染物濃度。前人從不同角度對(duì)空氣污染與氣象要素之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,研究方法多為相關(guān)與回歸分析或從理論上描述氣象要素對(duì)污染物遷移擴(kuò)散的影響。主成分分析方法是一種將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)(即所謂主成分)的統(tǒng)計(jì)分析方法。它對(duì)于分析多指標(biāo)的大量數(shù)據(jù)以了解數(shù)據(jù)間的關(guān)系及趨勢(shì)是一種很有用的方法。主成分分析被廣泛用于分析大量的環(huán)境和空氣污染數(shù)據(jù)研究中。本文用主成分分析法來分析廣州市近4年(2001—2004年)的空氣污染物(PM10、SO2、NO2和CO)濃度與同期的氣象要素(相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速、氣壓和降雨量)的關(guān)系,以了解它們對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響程度。另外,本文還運(yùn)用典型相關(guān)分析方法來分析空氣污染物與氣象要素兩組數(shù)據(jù)間的關(guān)系。1數(shù)據(jù)和方法1.1地面氣象要素日均值本文所用數(shù)據(jù)為:2001—2004年廣州市環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(國控點(diǎn))監(jiān)測(cè)的PM10、SO2、NO2、CO日平均濃度;同期廣州市地面氣象觀測(cè)臺(tái)觀測(cè)的相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速、氣壓和降雨量等地面氣象要素日均值。污染物濃度和氣象數(shù)據(jù)分夏半年、冬半年和全年進(jìn)行分析。夏半年為:每年的4月1日—10月31日,4年共856d;冬半年為:每年的11月1日—3月31日,4年共605d;4年共1461d。1.2分析1.2.1研究樣本的分布在多指標(biāo)(變量)的研究中,往往由于變量個(gè)數(shù)太多,并且彼此之間存在著一定的相關(guān)性,因而使得所觀測(cè)的數(shù)據(jù)在一定程度上有信息的重疊。而且當(dāng)變量較多時(shí),在高維空間中研究樣本的分布規(guī)律比較麻煩。主成分分析采取一種降維的方法,找出幾個(gè)綜合因子來代表原來眾多的變量,使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量,而且彼此之間互不相關(guān),從而達(dá)到簡化目的。根據(jù)給定樣本資料進(jìn)行主成分分析的基本步驟為:(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化;(2)計(jì)算樣本協(xié)方差陣和相關(guān)陣;(3)計(jì)算樣本協(xié)方差陣和相關(guān)陣的特征值和特征向量;(4)計(jì)算貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率,確定選取主成分個(gè)數(shù);(5)列出主成分方程并解釋主成分意義;(6)計(jì)算各樣本的主成分坐標(biāo),由得分?jǐn)?shù)據(jù)作主成分坐標(biāo)的散點(diǎn)圖。1.2.2典型相關(guān)理論典型相關(guān)分析是研究兩組隨機(jī)變量的相關(guān)關(guān)系,基本思路是把兩組變量的相關(guān)關(guān)系的研究轉(zhuǎn)化為兩個(gè)綜合變量的相關(guān)關(guān)系來研究。在第一組變量中找出一個(gè)有代表性的綜合指標(biāo),它是該組變量的線性組合;同樣在第二組變量中也找出一個(gè)綜合指標(biāo),它是第二組變量的線性組合,使這兩個(gè)綜合指標(biāo)(新變量)具有最大的相關(guān),這種相關(guān)稱為典型相關(guān),這兩個(gè)綜合指標(biāo)稱為典型變量。接著又在每一組變量中找出第二對(duì)綜合指標(biāo),使其與第一對(duì)綜合指標(biāo)不相關(guān),而這對(duì)綜合指標(biāo)之間又具有最大的相關(guān),……如此繼續(xù)下去,直到兩組變量之間的相關(guān)信息被提取完畢為止。簡言之,典型相關(guān)的基本思想是分別在兩組隨機(jī)變量中選取若干有代表性的綜合指標(biāo),即所謂典型變量,并通過對(duì)這兩組典型變量之間的相關(guān)關(guān)系的研究,代替原來兩組為數(shù)眾多的隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系的研究。其計(jì)算過程參考文獻(xiàn)進(jìn)行。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS8.1進(jìn)行主成分分析和典型相關(guān)分析。調(diào)用Procprincomp過程從樣本相關(guān)矩陣出發(fā)進(jìn)行主成分分析,調(diào)用Proccancorr過程進(jìn)行典型相關(guān)分析。2結(jié)果與討論2.1個(gè)月間尺度上的主成分分析主成分分析按污染物、氣象要素與污染物和氣象要素分夏、冬和全年分別進(jìn)行,它們的特征值見表1。污染物夏半年的第一主成分的特征值為2.66,解釋了總方差(總變異)的67%,前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%,只損失了15%的信息量,故選取第一和第二兩個(gè)主成分即可。用表2中列出的特征向量值,即可對(duì)這兩個(gè)主成分進(jìn)行解釋。只在特征向量的絕對(duì)值大于0.5的變量用于解釋主成分的。第一主成分為NO2和PM10的綜合,據(jù)報(bào)道廣州的NO2有70%～80%來自機(jī)動(dòng)車的尾氣排放,PM10主要來源于工廠廢氣、汽車尾氣、建筑揚(yáng)塵等,因此,可以認(rèn)為第一主成分反映的是機(jī)動(dòng)車污染源;第二主成分為SO2和CO的綜合,廣州的SO2有70%來自工業(yè)燃煤燃油,CO主要來源于燃煤和汽車尾氣,可以認(rèn)為第二主成分反映的是工業(yè)污染源。污染物的冬半年和全年的主成分分析結(jié)果與夏半年相似,前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)92%和90%,第一主成分是NO2和PM10的綜合,第二主成分則是SO2和CO的綜合。污染物在三個(gè)時(shí)間段的主成分分析中,前兩個(gè)主成分解釋了總方差的85%以上,已反映原始數(shù)據(jù)所提供的絕大部分信息。前兩個(gè)主成分反映了相同的本質(zhì),第一主成分都是NO2和PM10的綜合,反映的是機(jī)動(dòng)車污染源(汽油燃燒和揚(yáng)塵),它的貢獻(xiàn)率達(dá)到總方差的2/3以上,對(duì)總變異起著支配性作用。而第二主成分解釋了總變異的13%～19%,是SO2和CO的綜合,反映的是工業(yè)污染源(工業(yè)燃煤燃油)。三個(gè)時(shí)間尺度(夏、冬、全年)的氣象數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果中前三個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到總方差的85%(表1),其中第一主成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率約35%～43%,對(duì)總變異有較大影響但不起支配作用。夏半年的第一主成分反映的主要是氣壓指標(biāo)(表2),第二主成分為溫度指標(biāo),第三主成分為風(fēng)速指標(biāo)。而在冬半年和全年兩個(gè)時(shí)間尺度上可以用相同的變量來解釋各主成分:第一主成分是溫度對(duì)氣壓的綜合,第二主成分是降雨量的綜合,第三主成分是風(fēng)速的綜合。表明溫度、氣壓、降雨量和風(fēng)速4個(gè)氣象指標(biāo)對(duì)大氣污染的影響較大。氣溫高、空氣在垂直(氣壓)和水平(風(fēng)速)方向上的對(duì)流速度快、降水相對(duì)較多,對(duì)空氣的凈化作用較明顯。污染物和氣象要素的主成分分析結(jié)果見表1、表2。在三個(gè)時(shí)間尺度上的主成分分析中,前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上(夏:80%,冬:84%,全年:84%),其中第一主成分的貢獻(xiàn)率約為40%(夏:35%,冬:43%,全年:37%),第二、三、四主成分的貢獻(xiàn)率分別約為20%、15%、8%。根據(jù)表2中各主成分的特征向量的值的大小對(duì)各主成分的實(shí)際意義作如此解釋:第一主成分在三個(gè)時(shí)間段的意義相同:各污染物(SO2、NO2、CO、PM10)的系數(shù)較氣象要素(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降雨量、氣壓)的系數(shù)大,因此可以認(rèn)為第一主成分代表的是污染物的綜合因子。第二主成分在夏半年代表溫度,在冬半年代表相對(duì)濕度對(duì)氣壓,在全年時(shí)間段中代表溫度對(duì)氣壓,由于氣壓與溫度密切相關(guān),因此可以把第二主成分理解為表示空氣溫度的綜合因子。第三主成分在夏半年代表相對(duì)濕度,在冬半年代表降雨量,在全年時(shí)間段中代表的是相對(duì)濕度和降雨量,是表示空氣干濕程度的綜合因子。第四主成分在三個(gè)時(shí)間段中都是風(fēng)速的系數(shù)較大,表示的是空氣水平運(yùn)動(dòng)速度的綜合因子。主成分的貢獻(xiàn)率約為40%(夏:35%,冬:43%,全年:37%),第二、三、四主成分的貢獻(xiàn)率分別約為20%、15%、8%。根據(jù)表2中各主成分的特征向量的值的大小對(duì)各主成分的實(shí)際意義作如此解釋:第一主成分在三個(gè)時(shí)間段的意義相同:各污染物(SO2、NO2、CO、PM10)的系數(shù)較氣象要素(溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降雨量、氣壓)的系數(shù)大,因此可以認(rèn)為第一主成分代表的是污染物的綜合因子。第二主成分在夏半年代表溫度,在冬半年代表相對(duì)濕度對(duì)氣壓,在全年時(shí)間段中代表溫度對(duì)氣壓,由于氣壓與溫度密切相關(guān),因此可以把第二主成分理解為表示空氣溫度的綜合因子。第三主成分在夏半年代表相對(duì)濕度,在冬半年代表降雨量,在全年時(shí)間段中代表的是相對(duì)濕度和降雨量,是表示空氣干濕程度的綜合因子。第四主成分在三個(gè)時(shí)間段中都是風(fēng)速的系數(shù)較大,表示的是空氣水平運(yùn)動(dòng)速度的綜合因子。2.2污染物與氣象要素的相關(guān)分析典型相關(guān)分析用來探討在污染物濃度與氣象要素兩組數(shù)據(jù)之間存在何種關(guān)系。根據(jù)2001—2004年的大氣污染物濃度和氣象要素的日均值數(shù)據(jù),分夏半年、冬半年和全年進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。夏半年的第一、二個(gè)典型相關(guān)系數(shù)分別為0.5590、0.5181,并通過了顯著性檢驗(yàn),說明在夏半年污染物與氣象要素兩組數(shù)據(jù)間有顯著的相關(guān)關(guān)系;前2個(gè)特征值加起來已占全部特征值的82%,因此取前2個(gè)典型變量進(jìn)行分析即可。污染物的第一典型變量中起主要作用的是CO,而氣象要素的第一典型變量中起主要作用的是溫度和風(fēng)速,說明溫度和風(fēng)速對(duì)CO有顯著的影響;污染物的第二典型變量中起主要作用的是PM10,而氣象要素的第二典型變量中起主要作用的是相對(duì)濕度,說明相對(duì)濕度對(duì)PM10有顯著影響。冬半年的第一、二個(gè)典型相關(guān)系數(shù)分別為0.6197、0.4534,均通過顯著性檢驗(yàn),說明在冬半年污染物與氣象要素兩組數(shù)據(jù)間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系;前2個(gè)特征值加起來已占全部特征值的80%,因此取前2個(gè)典型變量進(jìn)行分析。污染物的第一典型變量中起主要作用的是NO2,而氣象要素的第一典型變量中起主要作用的是溫度和風(fēng)速;污染物的第二典型變量中起主要作用的是SO2和NO2,而氣象要素的第二典型變量中起主要作用的是風(fēng)速,說明溫度和風(fēng)速對(duì)SO2和NO2有顯著影響。在全年時(shí)間尺度上污染物與氣象要素兩組數(shù)據(jù)間的典型相關(guān)分析結(jié)果見表3。與夏、冬半年相似,前兩個(gè)典型相關(guān)系數(shù)分別為0.5816和0.4661,通過顯著性檢驗(yàn);前2個(gè)特征值累積占全部特征值的81%,第一典型變量中污染物起主要作用的是NO2和CO,而氣象要素起主要作用的是風(fēng)速;在第二典型變量中污染物起主要作用的是SO2和CO,氣象數(shù)據(jù)中起主要作用的是溫度。說明溫度和風(fēng)速是影響氣態(tài)污染物濃度的主要?dú)庀笠蜃?。綜上所述,在三個(gè)時(shí)間尺度(夏半年、冬半年、全年)上,污染物濃度與氣象要素間存在顯著的相關(guān)關(guān)系,溫度和風(fēng)速對(duì)氣態(tài)污染物有顯著的影響;在夏半年,相對(duì)濕度對(duì)PM10有顯著的影響。3大氣污染環(huán)境數(shù)據(jù)的應(yīng)用用主成分分析方法能夠較好地揭示污染物濃度與氣象要