陳禹璇

摘?要：本文以云南省16個(gè)州市政府所在地的空氣質(zhì)量為研究對(duì)象，采用聚類分析法，運(yùn)用R軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類和K均值聚類，將16個(gè)城市依據(jù)相關(guān)指標(biāo)分為4類，針對(duì)每一類城市的特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出改善空氣質(zhì)量，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的建議。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；聚類分析；云南省

中圖分類號(hào)：F2?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.20.009

0?引言

云南省是中國通往南亞、東南亞的門戶和窗口，自然生態(tài)環(huán)境和區(qū)位優(yōu)勢極其優(yōu)越。云南是全國植物種類最多的省份，森林面積居全國第3位，森林覆蓋率為65.04%，被譽(yù)為“植物王國”；同時(shí)云南素有“動(dòng)物王國”之稱，動(dòng)物種類數(shù)居全國之冠，脊椎動(dòng)物達(dá)2273種，占全國的51.4%。其中，鳥類793種，占63.7%；獸類300種，占51.1%；魚類366種，占45.7%；生態(tài)環(huán)保力度空前，九大高原湖泊水質(zhì)穩(wěn)步向好，近5年來云南省各州市政府所在地城市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比率穩(wěn)定在98%以上，良好的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為云南最大的亮點(diǎn)和特色，COP15在云南成功舉辦，亞洲象北上南歸，使云南的國際影響力和美譽(yù)度大幅提升。城鎮(zhèn)化率隨著云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展而不斷提升，截至2022年底，云南省的常住人口城鎮(zhèn)化率為53%，比2012年的38.47%提高了14.53個(gè)百分點(diǎn)；城市空氣質(zhì)量隨著大量人口向城市聚集，成了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，保持優(yōu)良的空氣質(zhì)量成為云南省各主要城市的高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本文以云南主要城市10年來的空氣質(zhì)量為樣本，16組樣本數(shù)據(jù)通過聚類分析的方法將被分為4類，之后則提出各類城市繼續(xù)保持優(yōu)良空氣質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的建議。

1?云南省主要城市空氣質(zhì)量的聚類分析

1.1?研究方法

本文運(yùn)用的聚類分析方法核心是將樣品或變量按照自身特性進(jìn)行合理分類，該方法經(jīng)常應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)、管理、氣象預(yù)報(bào)等多個(gè)領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的分類方法，聚類分析采用定性與定量相結(jié)合的方式科學(xué)合理地對(duì)樣品或變量進(jìn)行分類。本文主要采用系統(tǒng)聚類和K均值聚類法對(duì)16組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分類即Q型聚類即對(duì)樣品進(jìn)行聚類。根據(jù)樣本進(jìn)行的Q型聚類，是根據(jù)各個(gè)樣本之間的距離來衡量的，每組數(shù)據(jù)可看作Rp（p維空間）的一個(gè)點(diǎn)，n組樣本數(shù)據(jù)就是Rp中的n個(gè)點(diǎn)，需要利用歐式距離來度量這n個(gè)點(diǎn)之間的距離即靠近程度。

設(shè)X=（X1，X2，…，Xp）T和Y=（Y1，Y2，…，Yp）T是p維向量，可將其視為p維空間中的兩點(diǎn)，測量點(diǎn)X與Y之間的歐式距離公式為：

d（x，y）=［（∑pi=1（xi-yi）2）］12

1.2?數(shù)據(jù)說明

本文采用的數(shù)據(jù)來源于2013-2022年《云南省統(tǒng)計(jì)年鑒》，統(tǒng)計(jì)范圍是云南省各州、市所在地監(jiān)測城市，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含年份、可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)。數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2012-2021年。

基于上述數(shù)據(jù)，同時(shí)云南省空氣質(zhì)量普遍優(yōu)于全國大部分省市，而且細(xì)顆粒物（PM2.5）的年平均濃度基本小于35（μg/m3），因此選取云南各主要城市2012-2021年空氣質(zhì)量的四個(gè)指標(biāo)：可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，各個(gè)指標(biāo)的含義如下：

可吸入顆粒物（PM10）：可吸入顆粒物指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤10微米的顆粒物。

二氧化硫（SO2）：大氣主要污染物之一，在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生此類污染物，特別說明當(dāng)二氧化硫溶于水會(huì)形成會(huì)形成亞硫酸（酸雨的主要成分）。

二氧化氮（NO2）：是在人類活動(dòng)中產(chǎn)生的類物質(zhì)，在臭氧的形成過程中起著重要作用，比如機(jī)動(dòng)車尾氣、鍋爐廢氣的排放等。

空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)：空氣污染指數(shù)（API）處于51～100，達(dá)到國家空氣質(zhì)量日均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，空氣質(zhì)量良好，符合城市空氣質(zhì)量的要求。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算2012-2021年可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、三個(gè)指標(biāo)的平均濃度和年平均空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)，得到新的數(shù)據(jù)表，見表1。

1.3?系統(tǒng)聚類分析

采用R軟件對(duì)16個(gè)主要城市進(jìn)行系統(tǒng)聚類，此方法適用于樣本容量較小的情況，可主觀地判斷出應(yīng)當(dāng)將樣本分為幾類。首先采用類平均法做系統(tǒng)聚類，此方法優(yōu)勢在于較好地利用了所有的樣品信息。當(dāng)取合并距離為16時(shí)，則16個(gè)主要城市可分為4類。類平均法聚類結(jié)果如圖1所示。

在取得類平均結(jié)果后，采用離差平方和法（Ward法），此方法是最常用的系統(tǒng)聚類方法，這種方法的核心思想是在同類樣品的離差平方和即類內(nèi)離差平方和應(yīng)當(dāng)較小，而不同類之間的離差平方和即類間離差平方和應(yīng)當(dāng)較大。當(dāng)取合并距離為21時(shí)，則16個(gè)主要城市可分為5類。Ward法聚類結(jié)果如圖2所示。

采用兩種不同的系統(tǒng)聚類法得出的結(jié)果大致相同，除景洪市和芒市外其余城市分類相同。當(dāng)采用類平均法時(shí)，這兩個(gè)城市歸入第3類；而采用Ward法時(shí)，這兩個(gè)城市則單獨(dú)成一類即第5類。

1.4?K均值聚類分析

由于采取的系統(tǒng)聚類方法不同，最終產(chǎn)生的分類也不同，無法確定最終分類結(jié)果，為確定最優(yōu)的分類結(jié)果，故采用K均值聚類法進(jìn)行分類。

K均值聚類的基本思想為：首先確定參數(shù)K，然后將n個(gè)樣本大概分為K類，之后按照相關(guān)函數(shù)準(zhǔn)則去修改不合理的分類，直到有關(guān)函數(shù)收斂即可停止，就可得到最終分類結(jié)果。判斷分類結(jié)果的好壞則需看between_SS/total_SS，即類間平方和在總離差平方和中的占比，當(dāng)比值越大時(shí)則說明分類結(jié)果越好。

當(dāng)K取4時(shí)，聚為4類。類間平方和在總離差平方和中的占比（between_SS/total_SS=70.2%）。

此方法和系統(tǒng)聚類中類Ward法的分類結(jié)果完全相同。

在考慮到樣本容量較小的情況下（16個(gè)），分類的個(gè)數(shù)也應(yīng)相應(yīng)的較少。同時(shí)在分析類間平方和在總離差平方和中的占比時(shí)，應(yīng)注意此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不能去判斷分類的個(gè)數(shù)，只是在確定分K類的情況下去分析此種分類方式的合理性。因此在分4類時(shí)（between_SS/total_SS=70.2%），每個(gè)類之間的差別較為顯著，最后得到的分類結(jié)果見表2。

針對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，將上述K均值分析結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示。

可知可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）這三項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出的顯著性（p<0.05），說明這三項(xiàng)指標(biāo)在聚類分析中有顯著性的作用，即按照這幾項(xiàng)指標(biāo)對(duì)16個(gè)主要城市進(jìn)行分類的。而空氣質(zhì)量達(dá)到及好于二級(jí)的天數(shù)（天）這一項(xiàng)的p值則是明顯地大于0.05，說明在聚類過程中此項(xiàng)指標(biāo)不顯著，雖不能作為明顯的劃分的依據(jù)，但其實(shí)際意義依然顯著。

因?yàn)楸疚牡哪康氖窃诖_定分類后，針對(duì)不同類別的城市提出相應(yīng)的綠色發(fā)展建議，在R軟件中可得到類均值，即可具體分析4個(gè)類之間的差別，見表4。

第1類只有昆明一個(gè)城市。昆明是云南省的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展中心，是云南省唯一的特大型城市。由于人口高度集聚，其PM10的年平均濃度達(dá)到了571μg/m3位居4類第一，而二氧化氮（NO2）年平均濃度達(dá)到316μg/m3同樣位居4類第一，空氣質(zhì)量整體上低于省內(nèi)其他主要城市。

第2類中有香格里拉市、大理市、麗江市、普洱市。前3座城市都是云南省的傳統(tǒng)旅游城市，旅游業(yè)作為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)比較不發(fā)達(dá)，普洱市則是近幾年憑借普洱茶成為名揚(yáng)國內(nèi)的新興旅游城市，此類中的各項(xiàng)均值均位于4類中的最后，即這3項(xiàng)指標(biāo)均為最優(yōu)，說明4個(gè)城市空氣質(zhì)量總體位于全省前列。

第3類中有景洪市、芒市、瀘水市、保山市、臨滄市和文山市，這6個(gè)城市是沿邊州市所在地，臨近緬甸、老撾邊境線，空氣中二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）年平均濃度均不高，空氣質(zhì)量整體較好。

第4類中有楚雄市、蒙自市、昭通市、曲靖市和玉溪市，這5個(gè)城市基本處于滇中地區(qū)，傳統(tǒng)工業(yè)較為發(fā)達(dá)，工業(yè)體系較為完善，因此空氣中二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）年平均濃度較高，空氣質(zhì)量一般。

2?提升城市空氣質(zhì)量的建議

2.1?第1類城市

昆明作為云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中心，應(yīng)將綠色發(fā)展作為首要目標(biāo)。一是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)鋼鐵、有色金屬等行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，從源頭上控制污染源；二是積極倡導(dǎo)民眾綠色生活方式，推進(jìn)綠色低碳出行；三是加強(qiáng)生態(tài)園林、生態(tài)小區(qū)建設(shè)，提高綠地占有率。

2.2?第2類城市

作為云南省主要的旅游城市，香格里拉市、大理市、麗江市和普洱市應(yīng)繼續(xù)錨定旅游興市，建設(shè)生態(tài)文明旅游名城，一是因地制宜發(fā)展旅游業(yè)，利用地理文化優(yōu)勢打造宜居城市；二是保護(hù)生態(tài)綠地，共享生態(tài)福祉，將綠色作為發(fā)展的底色，積極建設(shè)生態(tài)文明示范市；三是結(jié)合脫貧攻堅(jiān)與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有效銜接，推動(dòng)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展。

2.3?第3類城市

此類城市為沿邊州市所在地，臨近緬甸、老撾邊境線，一產(chǎn)、三產(chǎn)所占比重較大，因此應(yīng)利用地域優(yōu)勢和當(dāng)?shù)刎S富的自然資源推進(jìn)綠色發(fā)展。一是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)林草生態(tài)建設(shè)，重點(diǎn)發(fā)展地方特色農(nóng)特產(chǎn)品；二是利用沿邊優(yōu)勢，加強(qiáng)與緬甸、老撾等地的邊境貿(mào)易，開發(fā)旅游產(chǎn)業(yè)；三是進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)保宣傳教育，開展全民性綠色活動(dòng)，提高民眾環(huán)保意識(shí)。

2.4?第4類城市

作為傳統(tǒng)工業(yè)城市，應(yīng)注重產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造，發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展思路。一是加大對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保資金投入，逐步轉(zhuǎn)型升級(jí)，堅(jiān)決遏制“兩高”產(chǎn)業(yè)盲目發(fā)展；二是堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)園區(qū)和開發(fā)區(qū)向綠色化、低碳化、循環(huán)化轉(zhuǎn)型；三是傳播綠色發(fā)展理念，提升全民低碳意識(shí)，共建美麗家園。

3?結(jié)論

本文對(duì)云南省16個(gè)主要城市的空氣質(zhì)量進(jìn)行了聚類分析，并根據(jù)分類結(jié)果對(duì)4類城市提升空氣質(zhì)量提出建議。本文在查找數(shù)據(jù)上存在一定缺陷，在后續(xù)研究中可以查找較多指標(biāo)，建立更加復(fù)雜的對(duì)比及預(yù)測模型，從而增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)分析的針對(duì)性，為各州市提高空氣質(zhì)量，推動(dòng)綠色發(fā)展提供更有建設(shè)性的意見和對(duì)策。

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