大氣污染預報問題

1、摘要本題是研究大氣污染預報問題，根據科學方法監(jiān)測出六個城市的SO2NO2PM10SO2NO2PM10 三種污染物的濃度值以及一組氣象參數值， 分析得出大氣污染物的特點并對大氣質量作出預測，根據其特點得到對于大氣治理的建議。問題一：利用 EXCEEXCE 東出各城市的 APIAPI（空氣污染指數）月平均值并畫出折線圖，分析圖表得到三種污染物的特點。再利用層次分析法得到六個城市大氣質量的排名，建立層次模型時，根據國家標準對空氣質量進行了五個檔次的劃分作為因素層， 要排名的城市作為對象層， 計算出因素層的權重比例，質量越差得到權重越大，接著按因素層的分類分別對對象層進行權值計算，最后得出總排名。問題

2、二：由于污染物濃度變化波動比較大，所以采用自適應濾波法進行預測，得到 2010-9-152010-9-15 至 2010-9-212010-9-21 各城市 SO2NO2PM10SO2NO2PM10 勺值，對于各氣象參數的值，先畫出其隨時間的變化圖，看出其數值大概在某條線左右變化，所以采用移動平均法對其進行了預測。問題三：利用典型相關性分析，得到所給氣象參數數據來源于 C C城市，采用多元線性回歸模型并考慮到季節(jié)對于大氣質量的影響，分別得到春季、冬季的 SO2NO2PM1SO2NO2PM1 叫氣象參數之間的關系。問題四：在前幾問的基礎上，總結得出大氣治理的一些方法，給相關部門以建議。關鍵詞：層

3、次分析法典型相關性多元線性回歸問題重述眾所周知，潔凈的空氣是人類生存的必要條件之一。世界衛(wèi)生組織和聯合國環(huán)境組織發(fā)表的一份報告說：“空氣污染已成為全世界城市居民生活中一個無法逃避的現實?！惫I(yè)文明和城市發(fā)展，在為人類創(chuàng)造巨大財富的同時，也把數十億噸計的廢氣和廢物排入大氣之中，人類賴以生存的大氣圈卻成了空中垃圾庫和毒氣庫。因此，對于大氣污染物的檢測預報以及防治是我們目前的重要任務。目前對大氣質量的監(jiān)測主要是監(jiān)測大氣中 SQ、NO2、懸浮顆粒物(主要為 PM10)PM10)等的濃度，在解決大氣污染物的防治問題中，我們要考慮一下兩點：(1)(1)、三種污染物 SQ、NO?、PM10PM10 的特點；

4、(2)(2)、空氣質量與氣象參數以及季節(jié)之間的關系。通過已經觀測得到的數據，我們可以預測之后的大氣，并且通過一定的分析，對于我國的大氣防治提出一些建議。二、模型基本假設本題中假設如下：1 1、題目所給的六個城市的污染物含量及各城市的氣象參數等數據都準確可靠；2 2、APIAPI 指標真實可靠，所給數據具有參考統計意義；3 3、APIAPI 的月平均值能較好的代表該月空氣質量，具有比較意義。三、符號說明API空氣污染指數I某污染物的污染指數C C該污染物的濃度C大、C小在 APIAPI 分區(qū)表中最接近 C C 值得兩個值I大、I小在 APIAPI 分區(qū)表中最接近 I I 值得兩個值CICI層次模

5、型的一致性指標RIRI隨即一致性指標CRCR一次性比率P P大氣壓力t t溫度w w濕度v v風速四、問題分析第一問是找出 A A 至 F F 城市 SQ、NO2、PM10PM10 之間的特點，并將幾個城市的空氣質量進行排序。在分析三種污染物之間的特點時，通過查閱資料，找到 APIAPI（空氣質量污染指數標準）,由此計算出每個城市各項指標的 APIAPI月平均值，再利用 EXCELtEXCELt 行統計分析，得出各個城市三種污染物的特點。在進行幾個城市空氣質量的排序時，考慮采用層次分析法進行求解。第二問是預測未來一周即 2010-9-152010-9-15 至 2010-9-212010-9-

6、21 各城市 SO2、NO2、PM10PM10 以及各象參數的值?？紤]采用自適應濾波法進行預測。自適應濾波法與移動平均法、指數平滑法一樣，也是以時間序列的歷史觀測值進行某種加權平均來預測的，但是移動平均和指數平滑法預測的數據列要求具有較為平穩(wěn)的趨勢變化，而利用 excelexcel 對所給數據進行分析發(fā)現數據隨著時間的變化呈現波動變化， 雖然各年之間數據呈現隨年份增加而下降的趨勢，但是本文只要預測最后一年 7 7 天的數據，由于前幾年的歷史數據對最后 7 7 天的預測沒任何意義， 因此也就不用考慮數據的趨勢項，只需根據最后三個月數據的波動變化來建立模型即可。它要尋找一組“最佳”的權數，其辦法是

7、先用一組給定的權數來計算一個預測值，然后計算預測誤差，再根據預測誤差調整權數以減少誤差。這樣反復進行，直至找出一組“最佳”權數，使誤差減少到最低限度。第三問是分析空氣質量與氣象參數之間的關系。 由于所給氣象參數數據只有一組，所以首先應進行典型相關性分析，得出所給數據來源于哪個城市。在研究空氣質量與氣象參數之間的關系時，由于氣象參數有四個，所以考慮APM10200軻Rg我皿二出aln皿祥6?，樏?號好五E盾B0好HET后仁身匚國廬怎snrE四m0好皿M鳥與皿毋nrET批號身乜0城皿Z腓SC將U=料M軻叱亦Mff叫T膏EnrUL肝F0登皿1酹nr-MTsncI卅日tslnrg卅eq及皿f號攀吸二科

8、80丁我四爵占訝歐rr披言耳臂善丁自國01冊5QE丁朵攵世1器nror肝3采用多元回歸線性模型找出各個空氣質量與氣象參數之間的關系。近一步考慮，空氣質量與季節(jié)有關，所以分別建立春季和冬季的多元線性回歸模型。第四問是就空氣質量的控制對相關部門提出建議。該問題是要在前三問的基礎上，找出污染物的影響因素，針對其影響因素提出合理的建議。五、模型建立及求解5.1問題一的求解5.1.1三種污染物 SQSQ、NO2、PM10PM10 的特點分析在解決 A A 至 F F 城市SC2、N02、PM10PM10 間的特點這部分問題是，通過查閱資料，可以找到 APIAPI（空氣質量污染指數標準），由此計算每個城市

9、各項指標的 APIAPI 月平均值，對各項數值進行比較，從而可分析得出各個城市三項指標的特點。表1空氣污染指數對應的污染物濃度限值污染指數污染物濃度（毫克/立方米）APISO2（日均值）NO（日均值）PM0（日均值）CO（小時均值）Q（小時均值）500.0500.0800.05050.1201000.1500.1200.150100.2002000.8000.2800.350600.4003001.6000.5650.420900.8004002.1000.7500.5001201.0005002.6200.9400.6001501.200設I為某污染物的污染指數，C為該污染物的濃度。則：I

10、I大-I-I小I=I=（C-CC-C小）+I+I?。?）C大-0 0小由表一及（1）式可計算出各城市各項指標的污染指數，由于數據量過大，我們用各月的API平均值代表該城市該項指標的污染指數，得到圖表如下所示：A502AN0215050日通BNO26PM10-通過對上圖的分析，可以得到以下結果：A A、B B、C C、DEDE 五個城市 SQSQ、NO2、PM10PM10 等污染物濃度均呈現出波動性并且有緩慢下降趨勢。A A 城市與 B B 城市的 NO2、PM10PM10 兩種污染物的濃度變化趨勢比較相近。但 A A 城市 SO2在 0303 年下半年至 0404 年上半年的濃度值非常大，說明

11、這段時間由于某些因素使得 SO2排放較多， 但在之后的幾年其排放量明顯下降， 說明該城市采取了某些積極措施進行改進。B B 城市 SQSQ 濃度呈現一定的波動性，說明該城市有一些周期性的污染源。C C、D D 兩城市三種污染物濃度的變化趨勢基本一致，說明兩城市的地理位置以及發(fā)展模式都比較相近。其中，在 0606 年時兩城市的 PM10PM10 你濃度非常大，說明這段時間的發(fā)展模式使得 PM10PM10 濃度過高，但之后其濃度有迅速下降，說明該城市的管理者能迅速采取措施來控制 PM10PM10 的濃度。E E 城市三種污染物的濃度變化比較平穩(wěn)，說明該城市的環(huán)境質量比較好。F F 城市由于其數據量

12、過于少，無法看出其變化趨勢，但從所給數據來看，該城市的污染物的濃度變化比較平穩(wěn)。DS02DNO2DPMW350fNSfPMlG燈皿小拈。I第叫亦白鐘叫E音毅哎二葉60晝nrg時告叫546。如皿蘇60笈匝TTH-nn燈卅昌ffnrEr也自目皿G分。苜皿二若回5卅5。身%肘若共詈等0叫3科g叫1卅WscfHHEOQ刀口G將。IMcrg盼。I琢Rm出。I裝叮二審E0一琢底必臥公k后皿皿眇客EIIIZ眇3k磐口TI*號一與nrE科30方它管料卜口-燈或TT料g口近nrE卅禺疔它ET批號-近CG卅5D近CE蚓5D宣皿二tt-k口F5匠1/1桿m5匠廠升國我叫口THE口館圓加50川20:QTPMID史nr

13、1tn其中3ECE野。一r北EI.EGO:月審客器口5出古tfxE壯巖封改ir好名皆哼卅若母式三多窗S皿6城首f在阻料苫tfnrTr.卅3。金口葉后由匚I田弓GFDT5戰(zhàn)5匕KWCIpUTr卅*。.工5年苫CKTH苫5匚OL時FDSTST工G.坦白T皿，亞一nE田tn守trzr勝G。 J J文m.出G。叫叫卅6口f f叫丹6。3五二卅E。混匚m時B。旦nrJT出總打皿Gar-oSUSUE E卅5 5匚II卅均口mJbgo皆orErlfru-i口召女In卅號ffnrE普號吸二卅*0E EU5卅取nrT出F0rnrOT卅E。考慮到季節(jié)對于大氣污染物的濃度隨著季節(jié)變化，所以，利用 EXCEEXCE

14、說計出四個城市在 0404 年至 0909 年取暖季以及非取暖季三種污染物濃度的平均值的比值，結果如下表所示：A地B地SO2NO2PM10SQNO2PM1004年1.7880.8411.2632.1341.1211.16106年1.6661.0480.7623.3701.3650.88107年0.9710.8781.9792.4421.0071.42208年1.6030.7281.5841.8621.4211.34709年1.5171.0561.5352.7771.2171.639C地D地SO2NO2PM10SQNO2PM1004年1.7521.2361.0322.2341.0861.2400

15、6年1.1371.4790.5662.9481.6390.63407年2.0221.1581.3352.3061.6971.67508年1.9460.6391.4181.6501.1501.47209年3.5591.3681.5565.1601.6661.591表中數據反映出的總體結果是四個城市取暖季的各項污染指數均大于非取暖季的，只有個別年份取暖季的某個污染指數小于非取暖季的；B,D兩地取暖季SO2污染明顯增強，說明這兩地冬季取暖主要以煤炭等為主且使用量較大，且隨著年份增加比例逐漸增大，說明B,D兩地屬于普通居住人口較多的城市；對于A地兩季的污染物濃度比相對來說較小，說明A地兩季污染物產生情

16、況相差不大，可以反映出A地屬于重工業(yè)型城市。5.1.2A、BCD、E、F空氣質量排序由于表中所給觀測數據中E,F兩城市沒有交叉項，所以本文分別對A、B、CD、E和A、B、CD、F進行排序，對城市A、B、CD、E排序取其觀測數據的交叉項2007-9-1號的數據到2010-9-14號，計算出每天的API值，由于數據量太大，考慮求出這個時間段內API的月平均值來反映對應城市的空氣質量。對A、B、CD、F排序取其數據交叉項2004-9-1號到2004-12-27號的數據，2004-9-1號F城市的觀測值全部為0,與實際情況不符， 為壞值剔去， 計算出2004-9-2到2004-12-27號每天各個城市的API值用以反映對應城市的空氣質量。1、將研究目標（Z Z）、因素（P P）、又t象（C C）按相關關系分成目標層 Z Z、準則層 P P、對象層 C C。層次結構圖如圖所示：空氣質量排名空氣質量排名2 2、給出空氣質量一級，二級，三級，四級，五級兩兩成對比較的判斷矩陣 P P污染級別一級二級三級四級五級1 12 23 34 45 5根據上圖得出如下例兩兩成對比較的判斷矩陣 P P一級二級三級四級