因子分析法解析北京市大气颗粒物PM_10_的来源_邹本东

因子所代表的污染源类型 。
因此 ,因子分析法的主要步骤为将分析得到
的环境颗粒物样品 PM10 中各化学组分的浓度分
析值作为变量代入因子模型 ,原始数据标准化 ,建
立变量的相关征向量 ,进而确
定主因子数提取初因子 ;对因子载荷矩阵进行方
差极大旋转 ,求得正交旋转矩阵 ,将初因子解转化
北京市可吸入颗粒物来源较为复杂 ,科学准 确地了解可吸入颗粒物的主要来源 ,是制定污染 控制策略的依据 ,对环境规划和控制有着重要的 指导意义 。
在大气颗粒物 PM10 的来源研究中 ,经常采用 主因子分析法对大量观测数据进行统计分析 ,在 不损失主要信息的前提下 ,将一些具有复杂关系 的变量归结为数量较少的几个公共因子 ,而这些 公共因子往往就代表了大气颗粒物 PM10 的来源 。
品中化学组分 i 的贡献大小 ; f kj 是源 k 对样品 j 所
贡献的质量浓度 (mgΠm3 ) ,它对所有的 i 种化学组
分都有贡献 ,称为公共因子 ; vi 为仅对第 i 种化学
组分有贡献的特殊源的排放量 (mgΠm3 ) ,称为唯一
因子 ; di 为唯一因子系数 (μgΠmg) ;εi 是化学组分
为具有最简结构的公因子 。
本文采用方差极大正交旋转法 ( Varimax 旋
转) ,求出最终因子载荷矩阵 : A 3 = A ·T
式中 , A 3 为方差极大正交旋转因子载荷矩
阵 ; T 表示旋转矩阵 。
1 实验部分
111 大气颗粒物 PM10 样品的采集 分别在北京市 6 个采样点 (定陵 、车公庄 、古
城 、房山 、亦庄 、奥体中心) 用中流量 TH - 16A 四 通道采样器进行 PM10 采样 。四通道智能采样器 可在相同条件上实现不同材质的滤膜同时采集样 品 ,测试参数及气象数据 (温度 、湿度 、风向 、风速 、 和大气压) 可实时记录并保存 。每天采样时间从 上午 9∶00 到次日早 8∶30 ,连续采样 23 小时 30 分 钟 。本方法选用进口石英膜 、混合纤维素滤膜作 为采样滤料 ,石英滤膜用于碳分析和离子组分的 分析 ,MF 混合纤维素微孔滤膜用于无机元素分 析。 112 大气颗粒物 PM10 质量浓度和化学组分分析
第
23 卷 第 2 2007 年 4 月
期
中 国 环 境 监 测 Environmental Monitoring in China
Vol . 23 No. 2 Apr. 2007
因子分析法解析北京市大气颗粒物 PM10的来源
邹本东 , 徐子优 , 华 蕾 , 韩玉朴 , 董淑英 , 鹿海峰 (北京市环境监测中心 , 北京 100044)
2结果与讨论211pm10来源分析21111大气颗粒物pm10主因子分析利用统计分析软件statistica610对2004?10月份?京市60个大气颗粒物pm10样品的数据进?了主因子分析主因子分析过程中所选取的变?数为22种分别是alasbacacrcufekmgmnnanipbsitiznnh4no3so42ecoc和pm10浓度根据前p个特征值之和在全部特征值之和中所占的比重即累计方差贡献率大于等于85的原则来确定主因子的个数当p取6时方差贡献率达到87120这就意味着选定了6个主要的污染源类型
的测量误差及其它误差 ; p 为公因子数 ,即对采样
点处颗粒物有贡献的污染源个数 。
用矩阵表示为 X = A ·F + D ·V + ε
式中 , F 为因子矩阵 ; A 为因子载荷矩阵 ; V
为唯一因子矩阵 ; D 为唯一因子载荷矩阵 。
11312 因子分析模型的主因子解法
因子分 析 的 基 本 问 题 就 是 从 环 境 样 本 数 据
作两部分的乘积 :一部分是污染源排放的单位质
量颗粒物中所含的该元素的量 ,另一部分是污染
源对采样点处颗粒物贡献的质量浓度 。这样 ,因
子分析的模型如下 :
p
∑ xij =
aik ·f kj + di vi + εi
k=1
( i = 1 ,2 , …, m ; j = 1 ,2 , …, n)
式中 , xij 为化学组分 i 在样品 i 中的 浓 度 (μgΠm3 ) ; aik 是化学组分 i 在源 k 排放物中的浓度 (μgΠmg) ,称为因子载荷 ,反映了源 k 对颗粒物样
摘 要 : 2004 年 10 月份在北京市 6 个采样点采集了大气 PM10 样品 ,分析了大气颗粒物的质量浓度 、元素组成 、离子 、有 机碳 (OC) 和元素碳 ( EC) 的浓度 ,并用因子分析模型对颗粒物的来源进行了研究 。结果显示 ,北京市大气颗粒物的来源 主要有 6 类 :建筑水泥尘Π机动车尾气尘Π燃煤尘 、土壤风沙尘 、二次粒子尘 、工业粉尘 、生物质燃烧尘和燃油尘 。用模型计 算得到的各源对 PM10 的贡献率分别为建筑水泥尘Π机动车尾气尘Π燃煤尘占 36157 %、土壤风沙尘占 16107 %、二次粒子尘 占 12133 %、工业粉尘占 10129 %、生物质燃烧尘占 6107 %、燃油尘占 3184 %、其它占 14184 %。其中建筑水泥Π机动车尾气 尘Π燃煤尘 、土壤风沙尘 、二次粒子尘 、工业粉尘是大气颗粒物 PM10 的主要来源 。实验表明 ,在缺少源成分谱时可以用因 子分析模型来分析大气颗粒物的来源及其相对贡献 。 关键词 : 因子分析 ; 源解析 ; 大气颗粒物 ; PM10 ; 北京 中图分类号 :X823 文献标识码 :A 文章编号 :100226002 (2007) 0220079207
传统的主因子分析法并不能直接得出有关颗 粒物污染源的定量解析结果 ,但如果采用改进后 的主因子分析法 ,即绝对主因子分析法就能很好 地 解 决 这 个 问 题 , 该 法 是 由 Thurston[11] , Keiding[12] ,Maenhaut[13 ,14] 等人在传统方法上发 展 而来 ,方法需要借助一些线性代数知识 ,对主因子
同其它受体模型一样 ,因子分析法的的数学 模型也是建立在质量守恒的基础上 。因子分析用 于颗粒物源解析的数学模型 :假设收集了 n 个大 气颗粒物样本 ,每个样本测量了 m 个化学组分的 含量 ,这样构成了一个 n ×m 阶的原始数据矩阵 :
X11 X12 … X1 m X21 X22 … X2 m X= ⁝ ⁝ … ⁝ Xn1 Xn2 … Xnm 在大气颗粒物的研究中 ,假设每一化学组分 是各类源贡献的线性加和 ,同时污染源贡献可看
Sources Apportionment of Atmospheric Particles PM10 in Beijing by Factor Analysis ZOU Ben2dong , et al (Beijing Environmental Monitoring Centre , Beijing 100044 , China) Abstract :Atmospheric particulate samples of PM10 were collected in the October of 2004 at six sites in Beijing. Mass concentration , elements , ions , organic carbon (OC) and elemental carbon ( EC) were analyzed and the data were calculated by factor analysis model to know the contributions of various sources . The result of factor analysis showing that there are six major sources of atmospheric particles in Beijing , including construction dustΠmotor vehicle exhaust dustΠcoal combustion dust , soil dust , secondary particles dust , industry dust , biomass burning dust and burning oil dust. Source apportionment results derived from factor analysis model for PM10 are construction dustΠmotor vehicle exhaust dustΠcoal combustion dust 36157 % ; soil dust16107 % ; secondary particles dust 12133 % ; industry dust 10129 % ; biomass burning dust 6107 % ; burning oil dust 3184 % ;other sources 14184 % . Construction dustΠmotor vehicle exhaust dustΠcoal combustion dust , soil dust , secondary particles dust , industry dust are the four major sources. The experiment indicating that factor analysis model can be used to estimate the sources and their relative contributions when lack of source profiles. Key words :Factor analysis ; Source apportionment ; Atmospheric particles ; PM10 ; Beijing
Xij 出发 ,根据数据的相关关系 ,对因子模型进行
求解 ,从全部变量中综合归纳出最少个数的公共
因子并计算各个因子的因子载荷 。在颗粒物的源
解析研究中 ,公共因子往往代表了大气颗粒物的
来源 ,因子分析分辨的因子数目就是污染源的个
数 ,根据因子分析解出的因子载荷的相对大小并
结合对污染源性质的了解 ,便可以定性说明公共
收稿日期 :2006209213 作者简介 :邹本东 (1974 - ) ,男 ,内蒙古赤峰人 ,硕士 ,工程师.
8 0
中 国 环 境 监 测
第 23 卷 第 2 期 2007 年 4 月
载荷矩阵及主因子得分系数矩阵进行适当处理 , 就可得到各主要污染源对颗粒物及各化学组分的 贡献值和分担率数据 。本研究采用该法对北京市 2004 年 10 月份大气颗粒物 PM10 的污染来源进行 了解析 。
因子分析法应用于大气颗粒物污染源解析最 早见 于 Blifford[1] 对 NASA ( National Air Sampling Network) 数据的分析解释 ,他们用因子分析研究 了美国 30 多个城市的气溶胶来源 ,分辨出汽车排 放 、燃料燃烧和工业污染等共 7 个污染源 ,并对其
中的 4 个 进 行 了 细 致 的 解 释 。此 后 , Hopke[2] , Grande[3] ,Salvador[4] 等人应用因子分析法对波土 顿和西班牙城市地区的气溶胶污染源进行了鉴 别 。在国 内 , 王 明 星[5] 、张 远 航[6] 、杨 玉 萍[7] 、胡 伟[8] 、柯 昌 华[9] 、李 玉 武[10] 等 人 也 针 对 北 京 、兰 州 、广州 、武汉 、重庆 、南京 、抚顺等地气溶胶的污 染鉴别开展了大量的因子分析法的研究和应用工 作 ,得到了比较满意的结果 。
采用重量法测定大气颗粒物 PM10 样品的质 量浓度 ;采用电感耦合等离子体发射光谱 、石墨炉 原子吸收光谱 、氢化物发生 - 原子荧光光谱分析 PM10 样品中 Al 、Ba 、Ca 、Cd 、Cr 、Cu 、Fe 、K、Mg、Mn 、 Na 、Ni 、Pb 、Sc 、Ti 、V 、Zn 、Si 、As、Se 等无机元素 ; 采 用离子色谱法测定 PM10 样品中的 NH4 + 、NO3 - 、 SO42 - 等水溶性二次离子 ;采用美国 Sunsetlab 有机 碳 、元素碳分析仪光热法测定 PM10 样品中的有机 碳 (OC) 、元素碳 ( EC) 含量 。 113 数学分析方法 11311 因子分析模型