论文题目：城市空气质量评估及预测

目录

一、摘要 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 二、问题的提出 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 三、问题的分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 四、模型的建立 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1） 问题一 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1. 模型假设 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2. 定义符号说明 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3. 模型建立 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4. 模型求解 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 5. 模型的评价与推广 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2） 问题二 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

１．模型假设 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 ２．模型建立 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 ３．模型求解 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 ４．模型的评价与推广 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 ３）问题三 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

１．模型假设 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 ２．定义符号说明 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 ３．模型建立 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 ４．模型求解与分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 ５．模型的评价与推广 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

五、参考文献 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 六、附录 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

1

城市空气质量评估及预测

一、摘 要

本文对我国城市的空气污染程度、成都未来空气质量、城市空气污染的主要因素进行了分析研究。针对我国现行的空气质量评估标准——API分级制中的不足，在API评估基础上进行修改完善使之更加科学，并在API所提供的数据基础上对成都今年十一月份的空气质量进行预测，最后还收集了必要的数据来研究影响城市空气污染程度的主要因素。本文对三个问题的研究分别建立了相应的数学模型。

城市污染程度的科学评估，由于城市空气污染会对人们的健康造成重大危害，所以在评价一个城市的空气污染程度时必须重点考虑污染严重的天数，所以本文对模型采用权重系数法，以各城市每天的API指数值为基础，权重系数随污染等级的增大而加大，扩大重污染严重天数对城市污染程度的影响，这样的评估更合理更科学。另外本文考虑到空气污染程度的季节性变化，所以最后利用Excel对数据进行处理和计算，得出十个城市污染程度的季度与年度的综合排名。

空气质量预测模型基于附表中近几年来成都秋季空气质量相关数据，先预测出今年秋季的综合数据，再预测出11月份的空气质量数据。空气质量的变化与季度存在一定的关系，而相邻年度的同一季节内各个等级出现的天数差异不大，并存在一定规律，一个月份的预测则没有一个季度预测更加准确。所以我们先将每年秋季各相关数据求出，然后利用最小二乘法对数据进行拟合，略去其中偏差较远的数据，再用Matlab软件求解拟合曲线方程，根据所得的函数方程式预测2010年11月份空气质量，并将结果整数化，就得到11月份各等级质量出现的天数及其平均API指数值。

影响城市空气污染程度的主要因素建立于网上所查的国家颁布的数据之上，总的来说，大气污染源主要可分为自然源和人为源两大类。人为源包括车辆、船舶、飞机的尾气、工业企业生产排放、居民生活和取暖、垃圾焚烧等。城市的发展密度、地形地貌和气象等也是影响空气质量的重要因素。城市空气质量的好坏与季节及气象条件的关系十分密切。因此我们分不同地区及不同季节讨论。将某种污染源的所有污染物的等标污染负荷按数值大小排列，从小到大分别计算百分比和累计百分比，将累计百分比大于80%的污染物确定为该污染源的主要污染物污染源，即影响城市空气质量的主要因素。

关键词： 空气污染物； API；权重系数法；季度与年度排名；最小二乘法；等标污染负荷比

2

二、问题的提出

2.1背景介绍

环境质量是环境对人类社会生存和发展的适宜性。人类和地球上的所有生物，在长期的进化中，与环境形成了一种互相作用和相互依存的平衡关系。但是，人类的活动，尤其是自工业革命以来的工业化生产，城市规模扩大和人口的急剧增加剧烈地改变了环境的结构和功能。尤其是在城市集中了大量的工厂、车辆、人口，空气质量因为车辆、船舶的尾气，工业企业生产排放，居民生活和取暖，垃圾焚烧等原因，逐渐开始恶化。温室效应，大气污染，臭氧空洞，森林锐减，酸雨蔓延，土地荒漠化，水质污染，生物多样化和遗传多样性减少，气候现象变化异常……环境问题已经成为当今世界各国普遍关注的问题之一，也是21世纪人类面临的重大挑战。

空气污染威胁着人类的日常生活，空气中极其微少的污染物，都能对人体健康产生极大的影响，导致各种疾病的发生甚至夺取人们的生命。在工业发达国家中的大城市就多次发生大气污染公害事件，数以万计的人致病或丧生，严重危害了人体健康和生态平衡。例如：

1952年12月份的伦敦烟雾事件，夺去了四千多人的生命；

1955年以后，日本四日市被硫酸雾笼罩。1964年，该市市民哮喘病大发作，有人因哮喘病发作而死。

我国是一个人口大国，城市众多，但由于工业的发展，我们的很多城市都受到了不同程度的污染尤其是空气污染，直接对我们造成伤害。近年来，虽然我国大气污染防治工作取得了很大的成效，但由于各种原因，我国大气环境面临的形势仍然非常严峻。要实现大气环境与社会经济协调发展，开展城市环境空气质量影响因素及其影响机制的研究是十分必要的，也是改善城市环境质量迫切需要解决的实际问题。我们统计不同城市不同数据，运用数学建模方法可以对不同城市的综合空气质量进行统计和比较。

2.2需要解决的问题

1）从中国的实际情况的特点出发，利用附件中的相关数据（以及相关文献和有关补充数据），建立数学模型给出十个城市空气污染严重程度的科学排名； 2）建立模型对成都市11月的空气质量状况进行预测；

3) 收集必要的数据，建立模型分析影响城市空气污染程度的主要因素； 4) 评价所建立的数学模型中的优点和存在的不足。

三、问题的分析

3.1.1城市空气质量评估排名分析

评价城市空气污染程度主要考虑其对人体的危害程度。大气中的污染物有多种，并以二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物三者居多，评价一个城市一天的空气质量指数（API）便是只考虑它们三者对人体的危害。API指数是通过首要污染物的浓度换算过来的，所以用API指数值来评价城市一天的空气质量是比较科学的（其不科学性在模型分析中再做说明）。但如果用API来评价一个城市的长期污染程度的话，显得不是那么科学，尽管“十一五”“创模”考核指标依据“API指数”≤100的天数占全年天数的比例，但此法只是为了利于全国的城市质量管理，并不能作为长期的空气质量管理。所以我们采用权重系数法来建立此模型。又考虑到空气污染程度与季节有明显的关系，因此我们又分别建立季度与年度的污染程度模型。

3