刘 鹏
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摘 要：本文以石家庄市为研究对象，选取了石家庄市2013年11月至2021年4月的月度空气质量数据，数据包括影响空气质量数（AQI）的六个变量：、、CO、、PM2.5、PM10的月平均浓度。对石家庄市空气质量的影响因素进行主成分分析，得出影响石家庄市空气质量的主要影响因素，对石家庄市空气质量状况进行综合性评价。通过分析石家庄市的空气质量变化的情况及其主要影响因素可以为我们科学的制定一些改善城市空气质量的政策提供有效的参考意见。
关键词：空气质量、主成分分析、石家庄市
引言
石家庄市作为华北地区的中心城市，自上世纪80年代以来，其经济水平和城镇化水平不断提高，工业化和城市化的不断推进，居民的生活质量也得到了显著提高，同时使得大量的人口涌入了城市，向城市聚集。而随着而来的就是城市就成为了一个环境污染的源头。尤其是到了冬季石家庄市的雾霾问题尤其显著，雾霾天气的持久性也极强，对当地的环境、人民的身体健康问题都造成了及其严重的影响[1]。同时雾霾天气还严重影响人们出行，增加交通事故率，给人民的生活造成了诸多不便。因此我们研究分析影响石家庄空气污染的主要因素就有及其重要的意义，不仅可以正确认识大气环境污染还能够为地方政府治理空气污染提供有效的信息和科学的建议[2-3]。本文使用主成分分析法对石家庄市空气质量进行综合评价，为实现石家庄市环境空气质量持续改善，为石家庄市民建设一个环境和谐、生态宜居的生活环境，和实现“十四五”环境空气质量达标提供一定的理论依据。
1、数据来源
本文数据选取了PM2.5、PM10、、、CO、的月平均浓度数据和月度空气质量指数，根据空气质量指数将石家庄市的大气环境分为四类数据均来源于真气网。选取了石家庄市2013年11月至2021年4月共90个月的大气污染物的月平均浓度数据。
2、主成分分析方法及原理
主成分分析是利用降维的思想，在尽可能损失少的信息的前提下提取有效特征，把多个特征指标转化为几个综合指标的一种无监督的线性变换技术，从而在最大程度上保留了原始数据的信息，在找出问题主要方面的同时，达到对复杂的多变量数据进行一个合理简化，更加合理、客观地确定各个变量的权重大小，有效避免了我们主观上带来的误差[4]。主成分分析法主要是对数据进行一个综合的评价 ，将复杂的高维数据进行降维，将复杂的指标简化为综合性指标，在尽量损失较少的信息为代价的前提下，达到简化数据结构、提高分析效率的目的，从而对石家庄市空气质量数据进行综合评价。主成分分析广泛的应用于各个领域，特别是特征提取和降维。主成分分析的目的是在高维空间中寻找最大方差的方向数据并将其投影到维数相等或更少的新子空间。
3、主成分分析结果评价
3.1数据标准化处理
由于原始数据在数量单位和数量级上都会有所差异，因此我们需要对原始数据做一个标准化处理，以此来消除数据在单位量纲和数量级上的差别，使处理后的数据具有可比性。
3.2构建协方差矩阵
我们一共选取了6个变量作为解释变量，所以我们可以生成一个6*6的协方差矩阵。
3.3计算特征值、特征向量和解释方差
可以通过协方差矩阵，求出每一个主成分的特征值、特征向量、独立的解释方差和累积的解释方差，并对m个主成分进行综合评价。根据对各主成分和其相应的累积解释方差，计算各环境要素的综合得分，得分越大表示污染越严重。
经计算得出主成分1的特征值为4.947，独立方差贡献率达到了81.15%。主成分2的特征值为0.56，独立方差贡献率为9.18%。按照主成分分析理论来说，若m个主成分的累积解释方差达到了80%，那么说明前m个主成分已经能够反映足够的信息，该主成分的解释力度已经可以替代原有指标的解释力度。其中，我们可以计算出PM2.5的解释方差是远超PM10的解释方差的。所以，其实由第一主成分对于石家庄市的大气环境污染起主导作用。
3.4计算主成分表达式
根据我们所计算出主成分矩阵我们可以得出第一主成分和第二主成分的数学表达式。
0.452+0.432+0.382+0.431+0.405-0.359
0.112+0.222+0.540+0.067-0.270+0.754
由表1中，我们得出第一主成分的解释方差达到了81.15%，在原始信息中占比较大，对石家庄市的空气环境质量影响中起到了主导性的作用。在表3中我们可以看出影响因素PM2.5、PM10、、CO、和之间呈现出正相关的关系并且影响较大，这也说明影响因素PM2.5、PM10、、CO、在石家庄市的大气环境质量中具有重要地位。其中PM2.5的绝对值最大，为主要污染因子。
4、结论
本文使用了主成分分析的方法，对石家庄市空气环境质量问题进行分析，选取了石家庄市90个月的月度平均浓度数据对石家庄市的空气质量进行分析。主成分分析法将复杂的问题简单化的同时更加合理、客观地确定主要问题，有效避免了我们主观上带来的误差[5]。通过分析我们得出第一主成分的解释方差达到了81.15%，基本上提取了原始变量中的大部分信息。在第一主成分的表达式中可以得出PM2.5、PM10、二氧化氮、一氧化碳对影响石家庄市的空气质量起到了不可忽视的作用。但是PM2.5对石家庄市的空气环境质量的影响最大，所以石家庄市应该加大对PM2.5排放的监测和治理，才能更为有效的改善石家庄市的空气质量。
参考文献
[1]姜新华,薛河儒,张存厚,张丽娜.基于主成分分析的呼和浩特市空气质量影响因素研究[J].安全与环境工程,2016,23(01):75-79.
[2]刘萍.基于主成分分析的空气质量评价方法研究[J].环境保护与循环经济,2018,38(07):46-52.
[3]张茹,张学杨,陆洪光,刘强.基于层次分析和主成分分析的城市空气质量评价——以徐州市为例[J].安全与环境工程,2017,24(03):103-107.
[4]肖杰,郑国璋,罗悦.基于主成分分析法的生态城市建设综合评价——以陕西省商洛市为例[J].山西师范大学学报(自然科学版),2018,32(02):116-122.
[5]毛宁,李益禛.基于主成分分析的全国主要城市空气质量评价[J].现代商贸工业,2014,26(10):49-50.