基于聚类分析法划分环境空气质量预报区域

杨丽丽，杨燕萍，王莉娜，闭建荣，王 静，李晓云

(1.兰州大学 大气科学学院/半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 730020；3.无锡中科光电技术有限公司，江苏 无锡 214135)

1 引言

甘肃省东西长达1655 km，南北宽仅为530 km，海拔自西向东由3000 m逐渐降为800 m，河西地区以沙漠、戈壁为主，中部以黄土高原为主，甘南处于青藏高原东部，陇南属于秦岭西延部分。全省大部分地区干燥，年降水量自西北向东南逐渐增多[1]，且人口分布不均[2]，主要集聚于中东部。省内各地经济发展参差不齐[3]，兰州、嘉峪关、酒泉、金昌经济发展相对较好，定西、陇南、临夏经济发展水平落后。特殊的地理地貌、气候以及经济分布特征，导致全省各地区环境空气质量截然不同。

随着我国近年来经济的快速发展，大气污染问题日益严峻，以可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)为典型污染物的区域性大气环境问题日益突出[4]，为此，2013年国家提出环境空气质量预报预警工作。虽然空气质量预报取得了一定的成效，尤其对于京津冀地区、长三角地区以及珠三角地区效果显著，但对于我国西北地区，尤其甘肃省，由于开展工作较晚，而且最初的预报区域划分属人为划分，缺少具体的科学理论依据。另外，很多实际应用中的划分区域均采用国家已有区域划分，这些区域大都通过各地区的经济发展以及地理分布特征进行划分，空气质量预报如果依此进行区域预报，那么存在明显的不合理性。所以根据污染特征对甘肃省空气质量预报进行区域划分，以提高空气质量预报准确率势在必行。

2 数据及方法

2.1 数据来源

本文空气质量数据来源于中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)，其数据来源于国控站点，包括甘肃省14个市州日均AQI值和首要污染物。

2.2 方法介绍

聚类是将一个数据集通过合理依据进行类别划分，使得同一类内相似，不同类之间差异尽可能大[5]，其重要性在各个领域都得到了广泛认可。如通过聚类分析方法对数据进行挖掘[6]。为了发现深圳市交通规律，李强[7]利用深圳市交通系统，对交通流数据进行聚类分析；为了提供重金属污染治理决策依据，梁启斌[8]以阳宗海不同湖岸湖滨湿地沉积物为研究对象, 运用聚类分析和因子分析法对重金属污染来源进行识别；Dong D Y等[9]利用大气污染指数，基于聚类分析方法，预测某地区未来几年的空气质量。

本文利用甘肃省14个市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值，通过聚类分析方法，将甘肃省14个市州进行区域划分；并通过分析各区域不同季节AQI值、首要污染物特征等多种数据，进一步说明划分区域间的差异性。

3 结果与分析

3.1 聚类分析

通过系统聚类分析，对甘肃省14个市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值进行聚类分析，具体的聚类方法是平均联接(组间)法，度量标准区间选择平方Euclidean距离，聚类树状关系如图1。从图中可以看出甘肃省14个市州可分为四大区域，结合各市州行政分布图(图2)，分别命名为南部、中部、西部、东部。其中，南部区域包含甘南、陇南；中部区域包含兰州、临夏；西部区域包含嘉峪关、酒泉、张掖、金昌、武威、白银；东部区域包含定西、天水、平凉、庆阳。且从图2可以看出，同一区域内城市均为相邻城市，未出现间隔城市被划分为同一区域的现象，从实际情况出发，这种划分也是比较合理，便于空气质量预报。

图1 聚类树状关系

图2 聚类分析四大区域分布

3.2 综合分析不同区域间的差异

为了进一步说明不同区域间的差异性，分别从地理分布特征、AQI、首要污染物、重污染天数等方面进行综合分析(图3)。

图3是甘肃省14个市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值。从时间尺度分析，各区域空气质量明显随季节变化。主要表现为冬、春季空气质量较差，优良天数很少，这与北方城市冬季采暖以及春季易发生沙尘天气相关；而夏、秋季空气质量明显以优良为主，一方面由于停止采暖，另一方面由于正值雨季，所以空气质量较好。从区域尺度分析，为了突出各区域空气质量差别，从下至上依次按照西部、中部、南部、东部区域分布，与系统聚类分析结果相对应，同一区域内空气质量相似，但不同区域间空气质量差别较大。

图3 各市州日均AQI值

图4(a)是各区域不同季节AQI均值，与图3日均AQI分布相对应，对于西部区域而言，春季空气质量最差；中部区域空气质量最差，尤其冬季；东部区域冬季空气质量较差；南部区域空气质量最好，尤其秋季。为了提高空气质量预报效果，不仅需要了解各区域空气质量变化，还需要了解各区域空气质量变化是否稳定。图4(b)是各区域不同季节AQI方差，AQI方差值越大，说明空气质量变化越不稳定，AQI方差值越小，说明空气质量变化越稳定。从图中可以看出，西部冬季空气质量较差，但空气质量变化较稳定；中部秋季和冬季空气质量极不稳定，空气质量预报具有一定难度；南部区域不仅空气质量最好，而且空气质量变化也最稳定，所以空气质量预报相对较容易；东部区域秋季空气质量较好，但空气质量变化极不稳定，而冬季与之相反，空气质量较差，但空气质量变化较稳定，有利于空气质量预报。

图4 (a)各区域不同季节AQI均值；(b)各区域不同季节AQI方差

空气质量预报不仅关注空气质量变化，还需关注首要污染物和重污染，研究各区域首要污染物特征，有利于提高各区域首要污染物的预报。图5(a)是各区域2016年7月1日～2018年6月30日期间不同首要污染物出现天数的比例。可以看出，全省首要污染物主要为PM10、O3_8h、PM2.5、NO2，其中NO2主要出现在中部区域；另外，西部区域、中部区域首要污染物以PM10为主，其次为O3_8h，再次为PM2.5，尤其西部区域PM10为首要污染物出现的比例达到56%；南部区域首要污染物以O3_8h为主，其次为PM10，再次为PM2.5；东部区域PM10和O3_8h为主要首要污染物，比例分别为35%和38%，其次为PM2.5。

图5 (a)各区域不同首要污染物出现天数比例；(b)各区域不同季节重污染天数

从图5(b)各区域不同季节重污染(AQI≥200 d)出现的天数可以看出，各区域不同季节发生重污染的天数呈现显著差异。结合图4(a)，虽然中部区域空气质量最差，但重污染天数最多的区域是西部区域，且明显多于其他区域，研究的730 d中有149 d为重污染，结合上述分析，主要是由于毗邻沙漠地区，易发生沙尘天气，从而引起重污染，尤其春季，受季风影响，加之土壤解冻以及草木还未生长旺盛，更易发生沙尘天气，出现重污染，所以西部春季最易发生重污染。其次出现重污染较多的是中部区域，重污染天数为55 d，主要出现在冬季，其次为春季。赵敬国[10]在兰州大气重污染成因分析中提出，兰州市重污染主要为静稳型重污染，占重污染发生总天数的77%，且主要发生在冬季，究其原因，主要是兰州市冬季风速很小，以静稳为主，湍流扩散很弱，不利于污染物扩散；另外，沙尘型重污染也是造成兰州市重污染天气的原因之一，由于春季气候干燥，相对湿度较低，所以主要发生在春季，但其持续时间较短。东部区域重污染天数较中部区域稍少一些，共有38 d发生重污染，主要发生在冬季和春季；南部区域不仅整体空气质量最好，重污染出现的天数亦最少，仅在冬季出现了3 d。

4 讨论

分析甘肃省14个市州2016年7月1日至2018年6月30日的日均AQI值发现，从时间域尺度分析，各区域空气质量明显随季节变化，主要表现为冬、春季空气质量较差，优良天数很少；而夏、秋季空气质量明显以优良为主。从区域尺度分析，同一区域内空气质量相似，不同区域间空气质量差别较大，南部区域不仅空气质量最好，而且空气质量变化也最稳定，空气质量预报相对较容易；中部区域空气质量较差，秋季和冬季空气质量极不稳定，空气质量预报具有一定难度；东部、西部区域空气质量介于中部、南部之间，西部冬季空气质量较差，但空气质量变化较稳定；东部区域秋季空气质量较好，但空气质量变化极不稳定，而冬季与之相反，空气质量较差，但空气质量变化较稳定，有利于空气质量预报。

全省首要污染物主要为PM10、O3_8h、PM2.5、NO2。其中，西部区域、中部区域首要污染物以PM10为主，其次为O3_8h，再次为PM2.5；另外，在中部区域偶有NO2出现；南部区域首要污染物以O3_8h为主，其次为PM10，再次为PM2.5；东部区域PM10和O3_8h为主要首要污染物。

西部区域重污染天数明显多于其他区域，且主要发生在春季；其次出现重污染较多的是中部区域，主要出现在冬季；东部区域重污染天数较中部区域稍少一些，主要发生在冬季和春季；南部区域重污染仅在冬季出现了3 d。

5 结论

本文利用甘肃省14个市州2016年7月1日～2018年6月30日的日均AQI值，通过聚类分析方法，将甘肃省14个市州进行区域划分；为了进一步说明划分区域间的差异，分别对各区域不同季节AQI值、首要污染物特征和重污染天气等多种数据进行综合分析。

通过系统聚类分析法将甘肃省14个市州可分为四大区域，南部区域包含甘南、陇南；中部区域包含兰州、临夏；西部区域包含嘉峪关、酒泉、张掖、金昌、武威、白银；东部区域包含定西、天水、平凉、庆阳。