（环境工程专业论文）西安市采暖季PMlt10gt污染预报研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安市采暖季p 。污染预报研究 专业：环境工程 硕士生：鄣尚媛 指导教师：张承中教授 摘要 本文以西安市2 0 0 1 2 0 0 4 年采暖季各监测点逐日p m l o 浓度监测值以及西安市 采暖季同期地面气象要素监测值为研究对象，进行西安市采暖季p m i o 污染预报研究。 根据空气污染指数的分级及其浓度限值，用概率统计方法对西安市p m l o 污染现 状和采暖季p m l o 污染特征进行分析。 本文根据西安市2 0 0 1 2 0 0 4 年采暖季气象资料，对采暖季气象特征作出分析； 对2 0 0 1 2 0 0 4 年四年采暖季中a p i 1 5 0 的日子，即空气质量属轻度及其以上污染的 日子所对应的气象要素进行统计分析比较，找出其分布规律，并与常规日的气象要 素分布情况进行对比，从而初步探讨采暖季可能出现污染天气的气象条件。 p m l o 浓度同气象条件关系密切，本文采用一元统计方法对二者进行相关性分析， 从而得到对p m l o 污染影响显著的气象要素，作为后续进行p m l o 浓度预报的依据。 考虑到传统的逐步回归方法不能消除自变量( 回归变量) 间存在的共线性，使 得回归方程不稳定。另外，通常的污染预报仅对模型数据按季节分类，分别建立模 型，其目的是为减小预报数据波动较大而带来的模型不稳定，这种分类方法人为因 素及随机性较大。本文采用主成分回归法来建立预报方程，它将主成分分析和逐步 回归相结合，克服了回归问题中由于自变量之间的高度相关而产生的分析困难，建 模过程使用了m a t l a p 工程计算软件，使预报模型程序化，更利于推广和使用。经过 1 2 1 天的检验，模型预报的准确率为7 9 6 。 关键词：p m o 污染相关分析主成分分析预报模型 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d y o ff o r e c a s to fp m t 0p o l l u t i o ni nh e a t i n gs e a s o ni nx i a nc i t y s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g u o s h a n g y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h e n g z h o n g a b s t r a c t t h ef o r e c a s to fp m l op o l l u t i o ni nx i a nc i t yh a db e e ns t u d i e da c c o r d i n gt ot h ep m i o c o n c e n 灯a t i o nv a l u et h a tm o n i t o r e df r o m2 0 0 1t o2 0 0 4i nh e a t i n gs e a s o na n dt h eg r o u n d m e t e o r o l o g i c a ld a t af r o m2 0 0 1t o2 0 0 4i nh e a t i n gs e a s o no fx i a nc i t y w h e nt h ea i r p o l l u t i o ni n d e x ( a p i ) 15 0 ，a i rq u a l i t yb e l o n g st ol o w - g r a d ea n d u p w a r d s ，i tw i l lb d n ga d v e r s ei m p a c tt op h y s i c a lh e a l t h y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，s t a t i s t i c a l a n a l y s i sh a db e e nd o n ef o rt h ep o l l u t e dd a y s ( a p i 1 5 0 ) m e t e o r o l o g i c a ld a t ai nt e r mo f s e a s o n a n dc o m p a r e dw i t l lt h ed i s t r i b u t i o no fn o n e p o l l u t e dd a y s m e t e o r o l o g i c a ld a t a o n t h eb a s i so fc o n t r a s t , c o n f i r mp o s s i b l em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o nt h a tc a na r i s ep o l l u t e dd a y i nd i f f e m n ts e a s o f l s t h e r ei sac l o s ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e np m l 0c o n c e n t r a t i o na n dm e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n ，s oo n e - m e m b e rs t a f f s t i c a lm e t h o dh a db e e nu s e dt oa n a l y s tt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h e ma c c o r d i n gt os e a s o n f r o mt h i s ，m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r sc a nb e e nf o u n d w h i c hh a sd i s t i o n c ti m p a c tf o rt h ep m t op o l l u t i o n ，w h i c hb e c o m eag i s tt oc h o i c ef o r e c a s t g e n ei nt h es t u d yo f f o r e c a s tm o d e l a f t e rc o n t r a s t e dm a n yf o r e c a s tm e t h o d ，t h ed i s s e r t a t i o nc h o o s em a i ne l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d si nt h ee x c e s s i v e m e m b e rs t a t i s t i c a lm e t h o dt ob u i l df o r e a s tm o d e li nt h eh a a t m g s e a s o n ，m o r e o v e rc o m p a r e dt h ev e r a c i t ya n da p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n tm o d e l ，a n ds e l e c t e d s t a n d a r d - s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i sf i n a l l y i no r d e rt oe l i m i n a t et h et o t a ll i n e ，m a n a p 6 5t h el a n g r a g eo ft e c h n i c a lc o m p u t i n gh a db e e nu s e d t h r o u i g hc h e c k o u ti n4 8 5d a y s ， v e r a c i t yo f m o d e la c h i e v e d8 0 2 k e yw o r d s ：p m t 0p o l l u t i o n r e l a t e da n a l y s i s f o r e c o s tm o d e lm a i ne l e m e n t a n a l y s i s i l 声明 x8 4 1 8 3 5 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：弃f | 1 峻 日期： 亨5 一占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：押l 3 域导师签名：彳旁 注：请将此页附在论文首页。 日期：c 2 时，占，么 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i e t 目- _ _ 自e _ e ! _ 1 项目来源 l 绪论 本课题是陕西省自然科学基金项目“西安城市气候年变化特征及其与p m l o 污染 特征的相关分析”的部分内容。 1 2 空气污染与主要污染物 1 2 1 大气污染与大气污染杓 随着工业的发展和人口的集中，环境空气，特别是城市空气已经受到了污染。 大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足觞的浓 度，持续足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了 生态环境。人类活动包括生活活动和生产活动，自然过程则包括火山活动、山林火 灾、海啸、土壤和岩石风化咀及大气圈中空气运动等自然现象。一般说来，自然环 境具有的物理、化学和生物机能( 自然环境自净功能) 会使自然过程产生的空气污 染经过一定时间自动消除，因此，导致空气污染的主要原因是人类活动。 大气污染物的种类很多，按其存在状态可概况为两大类：气溶胶状态污染物， 气体状态污染物。气溶胶系指沉降速度可以忽略的小固体粒子、液体粒子或其它在 气体介质中的悬浮体系。按来源和物理性质分为粉尘、烟、飞灰、黑烟、雾。气体 状态污染物是以分子状态存在的污染物，简称气态污染物。总体上分为以二氧化硫 为主的含硫化合物、以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物、碳氧化物、有机化合 物及卤素化合物等。 在我国的环境空气质量标准中，还根据粉尘颗粒的大小分为总悬浮颗粒物( t o t a l s u s p e n d e dp a r t i c l e s ) 和可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e s ) 。总悬浮颗粒物( t s p ) 指 能悬浮在空气中，空气动力学当量直径1 0 0 u r n 的颗粒物。可吸入颗粒物( p m l o ) 指悬浮在空气中，空气动力学当量直径1 0 u r n 的颗粒物川。近年来，大气中的碳气 溶胶越来越受到科学家的关注。碳气溶胶主要由元素碳( e l e m e n t a lc a r b o n ，e c ，或称 黑碳，b l a c kc a r b o n ，b c ) 和有机碳( o r g a n i cc a r b o n ，o c ) 组成。e c 气溶胶的粒径 一般为0 1 2 0 u m ，在1 0 附近的比例最大 o c 气溶胶的粒径一般为0 1 2 5 u m ， 在1 o 附近的比例最大”1 。 在1 o 附近的比例最大”1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 目_ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 目_ 目! e _ _ 目- _ _ _ _ - t _ i 目目e ! ! e 目日_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ | 自_ i 1 2 2 戎国城市的主要污染榴及危害 1 2 2 1 我国城市的主要污染物 我国大气环境污染的主要问题是以颗粒物和二氧化硫为代表的煤烟型污染，并 向煤烟与机动车尾气混合型污染发展。近年来，我国城市空气质量总体上有好转趋 势，但仍有近三分之二的城市空气质量未达n - - - 级标准。特大、超大型城市空气污 染明显重于中小城市，尤以人口规模在1 0 0 2 0 0 万的特大型城市空气污染最重。空 气中主要污染物二氧化硫和颗粒物浓度超标的特大、超大城市比例明显高于中小城 市，空气质量达标城市的比例则低于中小城市。 颗粒物是影响城市空气质量的主要污染物，部分城市二氧化硫污染严重，南方 地区酸雨污染较重。2 0 0 2 年颗粒物是影响城市空气质量的主要污染物，6 3 2 的城 市颗粒物浓度超过国家空气质量二级标准，北方城市颗粒物污染总体上重于南方城 市，颗粒物污染较重的城市主要分布在华北、西北、东北和中原及四川东部、重庆 市。2 0 0 3 年影响城市空气质量的主要污染物仍是颗粒物，5 4 4 的城市颗粒物浓度 超过二级标准：空气质量劣三级的城市中8 0 的城市颗粒物超过三级标准。颗粒物 污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部。与上年相比，颗粒物浓 度达n - 级标准的城市比例增加9 1 个百分点，超过三级的城市比例减少8 6 个百分 占【3 】 m0 1 2 2 2 可吸入性颗粒物( p m l o ) 的危害 颗粒物的大小对人体健康的危害有所不同，小颗粒因能更深入地进入呼吸系统 而较大颗粒的危害要大的多。一般，粒径在1 0 0 i j , m 以上的尘粒可以很快在大气中沉 降，l ohm 以上的尘粒可滞留在呼吸道中，5 1 01 tm 的尘粒则大部分在呼吸道中沉 积，被分泌的粘液吸附，并可以随痰排出；而小于5 um 的微粒能深入肺部，o o l 0 1l im 的尘粒，5 0 0 o 以上将沉积在肺腔里，引起肺病。 p m l o 因粒小体轻，能在大气中长期飘浮，飘浮范围从几公里到几十公里，可在 大气中造成不断蓄积，使污染程度逐渐加重。e c 和o c 对能见度的影响和辐射效应 正受到越来越多人的关注与研究。 ( 1 ) 对人体健康的影响 p m l o 随人们呼吸空气而进入肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道不 同的部位，粒径小于5 微米的多滞留在上呼吸道。滞留在鼻咽部和气管的颗粒物， 与进入人体的二氧化硫( s 0 2 ) 等有害气体产生刺激和腐蚀粘膜的联合作用，损伤粘 西安建筑科技大学硕士学位论文 膜、纤毛，引起炎症和增加气道阻力。持续不断的作用会导致慢性鼻咽炎、慢性气 管炎。滞留在细支气管与肺泡的颗粒物也会与二氧化氮等产生联合作用，损伤肺泡 和粘膜，引起支气管和肺部产生炎症。长期持续作用，还会诱发慢性阻塞性肺部疾 患并出现继发感染，最终导致肺心病死亡率增高。p m 】o 还能直接接触皮肤和眼睛， 阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎或造成角膜损伤f 4 】口 ( 2 ) 降低能见度 自7 0 年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门所关注的问题之 一。美国在1 9 7 7 年制定的空气净化法就有专门条款来保护国家“联邦一类区”的能 见度，使其免受人为的大气污染源的影响( e l d r e d 等，1 9 8 9 ) 。虽然气溶胶只占大气的 很小的一部分，在城市中气溶胶对大气的光学性质影响甚至可达9 9 ( h o r v a t h ， 1 9 9 4 ) 。 p m l o 可以降低大气透明度，减少地面紫外线的照射强度；紫外线照射不足，会 间接影响儿童骨骼的发育。此外，能见度的降低会使农作物收成减产，由此会对国 家的社会、经济产生长远、深刻的影响。 ( 3 ) 辐射效应 单就辐射强迫直接驱动因子而言，e c 已超过c h 4 ，成为全球大气系统中仅次于 c 0 2 的增温组份。h a n s e n e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 认为，自1 8 8 0 年以来全球升温的2 5 可归因于 e c 【5 】。e c 颗粒的表面活性可以影响s 0 2 、n o x 、0 3 和其它气态化台物的均相和非均相 化学反应，对对流层和低层平流层臭氧的非均相转化消耗有重要贡献，对全球气候 变化起到重要作用，成为气候预测中最不确定的因子之一【6 】。 环境空气质量控制标准按其用途可分为环境空气质量标准、大气污染排放标准、 大气污染控制技术标准及大气污染警报标准等。按其使用范围可以分为国家标准、 地方标准和行业标准。此外，我国还实行了大中城市空气污染指数报告制度。本文 对环境空气质量标准以及空气污染指数作一介绍。 1 3 1 环境空气质量标准( g j 3 3 0 9 5 - - - 1 9 9 6 ) 环境空气质量标准是以保护生态环境和人群健康的基本要求为目标而对各种污 染物在环境中的允许浓度作的限制规定。它是进行环境空气质量管理、大气环境质 量评价，以及制定大气污染防治规划和大气污染物排放标准的依据。 我国1 9 8 2 年制定并于1 9 9 6 年修订的环境空气质量标准g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ，规 西安建筑科技大学硕士学位论文 定了二氧化硫( s 0 2 ) 、总悬浮颗粒物( t s p ) 、可吸入颗粒物( p m l o ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、 一氧化碳( c o ) 、臭氧( 0 3 ) 、铅( p b ) 、苯并【a 】芘( b a l p ) 和氟化物( f ) 9 种污染 物的浓度限值( 见表1 3 ) 。该标准根据对空气质量要求的不同，将环境空气质量分 为三类： 一级标准为保护自然生态和人群健康，在长期接触情况下，不发生任何危害影 响的空气质量要求。 二级标准为保护人群健康和城市、乡村的动、植物，在长期和短期接触情况下， 不发生伤害的空气质量要求。 三级标准为保护人群不发生急、慢性中毒和城市一般动、植物( 敏感者除外) 正常生长的空气质量要求。 表1 1环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - 1 9 9 6 ) 浓度限值( m g m n 3 ) 污染物名称 取值时间一级标准二级标准三级标准 年平均 o 0 80 2 0o 3 0 总悬浮微粒t s p 日平均+ o 1 20 3 0o 5 0 年平均0 ，0 4 0 1 0o 1 5 可吸入颗粒物p m l o 日平均0 0 50 1 5 0 2 5 年平均 0 0 20 0 6 o 1 0 二氧化硫s 0 2 日平均 o 0 5o 1 50 2 5 年平均 0 0 5o 0 5o 1 0 氮氧化物n o x 日平均 o 1 0o 1 00 1 5 日平均 4 o o4 o o6 0 0 一氧化碳c o 1 小时平均 +1 0 0 01 0 0 0 2 0 o o 光化学氧化剂( 0 3 ) 1 小时平均 o 1 2o 1 6 0 2 0 + “年平均”为任何一年的日平均浓度均值不许超过的限值。 “日平均”为任何一日的平均浓度不许超过的限值。 “1 小时平均”为任何l 小时采样测定不许超过的浓度限值。 1 3 2 空气污染指数( 艘1 ) a 空气污染指数分级及其浓度限值 为客观反映我国空气污染状况，近年开展了城市空气污染指数( a p i ) 日报工作。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 e _ i i 目目e 自_ j - 目前计入空气污染指数的项目定为：可吸入颗粒物( p m l o ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、二氧化 氮( n 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 和臭氧( 0 3 ) 。空气污染指数的范围从0 到5 0 0 ，其中5 0 、 1 0 0 、2 0 0 分别对应于我国环境空气质量标准中的一、二、三级标准的污染物平 均浓度限值，5 0 0 则对应于对人体健康产生明显危害的污染水平。 空气污染指数分级的浓度限值如表1 2 ，相应的空气质量级别及对人体健康的影 响如表1 3 【7 】： 表1 2空气污染指数对应的污染物浓度限值 空气污染指数 污染物浓度( m g ，m n 3 ) p m l 0s 0 2 n o ，c o 0 3 a p i ( 日均值) ( 日均值)( 日均值) ( 小时均值) ( 小时均值) 5 00 0 5 00 0 5 00 0 8 05o 1 2 0 1 0 00 1 5 00 1 5 00 1 2 01 00 2 0 0 2 0 00 3 5 00 8 0 00 2 8 06 00 4 0 0 3 0 00 4 2 01 6 0 00 5 6 59 00 8 0 0 4 0 00 5 0 02 1 0 00 7 5 01 2 01 o o o 5 0 0o 6 0 02 6 2 00 9 4 01 5 01 2 0 0 b 空气污染指数的计算方法污染物的分指数i k ，可由其实测浓度值所按照分 段线性方程计算。对于第k 种污染物的第j 个转折点( n ， ，) 的分指数和相应的 浓度值，可由表2 1 确定。当第k 种污染物浓度为, o k ，风, o k ，+ 。时，则其分指数 为 l = 等也，一+ ， 一k j + l - 一k j 式中：，。一第k 种污染物的污染分指数； 凤一第k 种污染物平均浓度的监测值，m g m n 3 ； 。第k 种污染物j 转折点的污染物分指数值； 厶。一第k 种污染物j + 1 转折点分指数值； 所，一第j 转折点上k 种污染物的浓度限值( 对应于，) ，r a g r a n 3 n ，+ 1 第j + 1 转折点上k 种污染物的浓度限值( 对应于丘h ，) ，m g m n 3 。 污染指数的计算结果只保留整数，小数点后的数值全部进位。各种污染物的污 染分指数都计算出之后，取最大者为该区域或城市的空气污染指数a p i ，则该种污染 物即为该区域或城市空气中的首要污染物。a p i 3 0 0v重污染低，有明显强烈症状， 提前出现某些疾病 按照我国的环境质量标准，用l m 3 空气中含污染物毫克量划分等级标准，p m o 污染等级划分标准和空气质量描述如表1 4 。 近年来，全国开展了创建环境保护模范城市的活动，按照“国家环境保护模范 城市考核指标”规定，全年a p i 1 0 0 ( 即空气质量达n - 级标准) 的天数要大于全 年天数的8 0 ( 即2 9 2 天) 。西安市要达到a p i 1 0 0 这一标准，要求p i d m 日均浓度 限值 0 1 5 0 m g m 3 的天数，即空气质量达n - 级的标准要达到2 9 2 天。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 4p m ，o 污染等级划分标准和空气质量描述 ( m g m 3 ) 污染指数a p i空气质量级别控制质量描述 0 0 0 5 0o 5 0i优 o 0 2 1 0 1 5 05 1 1 0 0良 0 1 5 1 0 3 5 01 0 1 2 0 0i i i 轻微污染、轻度污染 0 3 5 t 一0 4 2 02 0 1 3 0 0中度污染、中度重污染 o 4 2 1 0 5 0 03 0 1 4 0 0v 重度污染 1 4 国内外研究动态及现状 1 4 1 空气污染预报方法 同天气预报一样，空气污染预报将成为民众日常生活和工作出行时一个重要的 参考标准。 ( 1 ) 潜势预报 潜势预报的方法是以天气形势及其气象要素指标为依据，对未来大气环境质量 状况进行定性或半定量的分析。污染潜势预报实质是预报未来不同程度污染的气象 条件，也称为污染气象条件预报，是从气象学角度出发，对未来大气污染物的稀释、 扩散、聚积和清除能力的预报，它是由气象因子定义，不考虑是否有污染物排放， 在人烟稀少的地方也可能出现高污染潜势，但实际空气品质却很好。制作空气污染 潜势预报，首先要确定可能导致强污染的气象因子弘】。 ( 2 ) 经典统计预报 这种方法用来制作大气污染浓度预报。采用逐步回归、多元方程、多层递阶预 报等方法，求出预报方程的数学模型，这种方法的主要特点是从初始条件下的各种 气象要素场及物理量场中选择预报因子。 例如：1 9 8 6 年沈阳市环境检测中心站研制的沈阳市s 0 2 空气污染预报，就是选 择了气温、气压、2 4 h 变温、2 4 h 变压、主导风向、风速、最低气温、锋面8 个因子， 利用逐步回归制作预报方程，进行s 0 2 空气污染浓度预报1 9 】。 ( 3 ) 相似预报方法 这种方法有较好的实用价值，尤其对空气污染浓度预报。因为使用统计方法预 报，由于污染源的变化大，不能使用长时间的历史资料，只有近期资料才有代表性， 所以，统计方法的效果受到影响。相似预报方法是用预报日前一天的各种气象资料 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 送历史资料库中找相似，找出相似日后，相似日次日的空气污染浓度值做为预报值。 沈阳市环境检测中心站是利用预报日前一天的七个气象因子从历史资料库中逐日计 算前一天的七个气象因子从历史资料库中逐日计算相关系数，取相关系数最大曰做 为相似日，次日的空气污染浓度作为预报值。 香港环境保护署在相似分析中是把污染物浓度及相关的气象参数视为一矢量单 元，其中包括四个气象变量 矢量x = ( 先前的污染物浓度，温度，风速，日照，温度变化) 当天的矢量与数据库中其他日子的所有矢量差可用欧几里得距离法计算： 距离( x 、y ) = 平方根( x i - y i ) 2 与当天矢量差最小的矢量被选入成为最佳相似曰，相似日次日的空气污染浓度 值作为预报值。 ( 4 ) 数值预报 污染物浓度数值预报是以大气物理，边界层大气动力学以及大气化学理论相结 合为其理论基础，以中小尺度大气动力学模型，污染源排放率分析模型，大气中化 学物质( 包括气相与气溶胶物质) 的化学反应模型以及各类污染物的干、湿沉降模型为 基本部分组成的。中小尺度大气动力学模型还必须以天气尺度数值预报产品为依托， 常使用的模式为【1o 】：高斯模式，要求能估计烟型的几何参数6 。6 z ；k - 理论模式，要 求能估计三维扩散率k x ，k ，k z ；另外还有求解物质守恒方程的动力模式等。 ( 5 ) 扩散模式预报 这种方法是根据污染源的排放量及各种气象参数，依据物理原理及实验得出的 经验参数，设计出数学模型，进行空气污染分布的预报，这种方法适用于单个比较 大的污染源，或者高低度、面积较大，不适合用统计方法处理的面源。我国进行原 子弹爆炸实验时，进行放射性污染预报时，就是使用扩散模式。 1 4 2 国外研究动态及现状 对城市颗粒物的研究，很重要的一个方面就是污染预报，在发达国家，早在七 十年代，许多国家就开始进行大气污染综合分析和质量预报。 美国于1 9 7 1 年4 月开始进行全国性的大气环境调查，首次颁布了全国统一的环 境质量标准( n a a q s ) 之后，又进行了多次修订和调整，从7 0 年代开始开展大气 污染潜势业务预报u “。 美国国家气象局( n w s ) 【1 2 】依据天气预报的风、天气状况、大气稳定度、混合 层高度等气象因子，用一个简单的箱式模型及污染源源强来进行未来2 4 小时的扩散 西安建筑科技大学硕士学位论文 计算。k e r m a n g l ( 1 9 7 5 ) 为此建立了一个花费损失比决策模式。由于限制污染排放 必然造成工业生产的损失，而严重的污染又可能对人体有害，与大气污染预报可信 度相结合，就产生决策最经济的问题。k e r m a n 的模式就试图解决这一科学决策难题。 这一模式在加利福尼亚的大气污染预报中进行了应用。 m a r t i n b r a n i s c ”3 等人对位于捷克共和国中部的- d , 村镇环境中的p m l o 和b c ( 黑 碳) 的浓度进行为期将近一年监测，期间包括两个冬季和一个夏季，得到结论：p m l o 和b c 在两个采暖季均有显著的相关性，而夏季两者的相关性不十分显著。采暖季 b c 还与风速具有十分显著的负相关，而夏季则无相关性。p m l o 和b c 采暖季与夏季 均与最低气温有十分显著的相关性。1 9 6 1 年，美国国家气象局的h o s l e r 就对美国大 陆的低空逆温频率进行了统计，从而为寻找逆温与大气污染的关系奠定了基础【l4 1 。 目前国外多采用多模型相结合的组合预报方法【1 5 】。【2 ”。美国空气资源实验室 ( a r l ) d r a r i e ls t e i n 等提出将l a g r a n g e 法的扩散模型同e u l e r 法描述的化学模型相 结合预报；香港某研究机构从p m l o 的发生源入手将其分为三类，分别采用箱式模型、 抛物线模型预测出后，再与实验p m l o 值回归，得到预报模型等。 1 4 3 国内研究动态及现状 北京市气象科学研究所孟燕军【2 2 】等对北京地区大雾日大气污染状况及气象条件 进行分析，得到北京地区雾目数空间分布是南郊较多，山前平原少等结论，并得到 大雾日逆温层强度大、厚度厚、风速小，地面气压场多为不利于扩散的天气型等结 论。杨舵l 等对乌鲁木齐s 0 2 浓度的时空分布进行分析，得到气象条件是影响鸟鲁 木齐s 0 2 污染的重要因素。中国气象科学院的徐大海瞳4 1 等利用大气平流扩散的箱格 预报模型，引入空气污染潜势指数，来进行空气污染潜势预报。 气象条件与污染物浓度关系的研究为城市污染预报提供了依据，北京市气象科 学研究所王淑英【2 5 】对p m l o 同气象条件的相关性进行分析，并采用多元回归统计分析 进行p m l o 污染预报；中国气象科学院灾害天气研究中心的采用c a p p s 城市大气数 值预报系统，大连环境检测站利用k a l m a n 滤波法结合逐步回归法建立预报模 型；兰州市环境检测站采用主分量与逼近法相结合预报。西安建筑科技大学李新令【2 7 】 对模型数据按污染等级分类，采用逐步回归法分别建立模型。西安建筑科技大学魏 欣【2 8 1 对模型数据按季节分类，采用标准化逐步回归法建立模型。西安市环境监测站 现行预报模式是采用回归法建立的，模型级别命中率为7 0 左右。由此可见，现阶 段多采用多种模式相结合预报模式，其中统计预报方法占有相当大的分量。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 5 论文研究的目的和意义 西安市的空气污染一直以来较为严重，自2 0 0 0 年6 月5 目西安市环境监测站正 式向社会发布空气质量日报以来，基本上每日的首要污染物都是可吸入颗粒物 ( p m l o ) ，因此，西安市的空气质量等级可以用p m l o 污染等级来描述。 p m l o 污染的研究以往多集中于污染排放清单，而与气象条件的相关分析较少， 但是随着人们环境意识的增强，空气质量的优劣变化与气象条件之间的密切关系越 来越受到人们重视，所以，探讨p m l o 污染特征及其与气象条件的相关关系，并加强 这方面的研究对改善城市空气质量具有重要的作用。 通过对西安市的监测数据进行观察后发现，不同季节p m l o 污染表现出的特征有 所变化，采暖季污染最为严重，西安市采暖季是指从每年的1 1 月1 5 日到来年的3 月1 5 日，所以研究西安市采暖季p m l o 污染与气象条件的相关关系，建立采暖季p m i o 污染预报模型体系，使社会有关各方及时了解可能出现的污染情况，使对大气污染 物敏感的人群及时作好预防措旌，同天气预报一样，成为民众日常生活和工作出行 时一个重要的参考标准，并为p m l o 综合防治和环境管理决策提供科学依据。 1 6 论文研究的内容和方法 本文根据西安市环境监测站发布的2 0 0 1 年2 0 0 4 年采暖季西安市空气质量日报 和同期气象观测资料，分析西安市采暖季p m l o 污染的特征和各气象要素的变化特征， 研究采暖季p m l o 污染浓度与各气象要素的相关性，建立西安市采暖季p m l o 污染预 报模型体系。 本论文包括以下四部分内容： ( 1 ) 西安市采暖季蹦。污染特征分析通过西安市大气环境监测站发布的2 0 0 0 年6 月2 0 0 5 年3 月空气质量日报的调查汇总，研究西安地区p m i o 污染的年、月变 化特征和采暖季p m l o 污染特征。 ( 2 ) 西安市采暖季气象要素特征分析通过对西安市2 0 0 1 年至2 0 0 4 年采暖季 气象资料调查分析，分析西安市近年采暖季的气象因子变化特征，探讨采暖季气象 要素变化对函安市p m l o 污染的影响。 ( 3 ) 西安市采暖季p m 。污染与气象要素的相关分析分析采暖季p m l o 污染与各 个气象要素的相关性，找出对p m l o 污染浓度产生较大影响的气象要素。 ( 4 ) 西安市采暖季州。污染预报模型建立和检验采用主成分回归法建立采暖季 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 p m l 0 浓度预报模型并进行模型检验。 对应以上四部分内容，本论文所采用的研究方法为： ( 1 ) 根据空气污染指数的分级及其浓度限值，用概率统计方法对西安市p m 】o 污 染现状和采暖季p m l o 污染特征进行分析。 ( 2 ) 采用概率统计方法，通过对2 0 0 1 2 0 0 4 年采暖季和非采暖季备气象要素的 对比和采暖季污染日、常规日各气象要素的统计分析，得到不同污染等级条件下各 气象要素的取值范围，进而推断出采暖季易出现污染天气时各气象要素的取值区间。 ( 3 ) 采暖季p m l o 污染与单个气象要素的相关分析采用一元线性回归的方法，建 立p m l o 浓度和各个气象要素的一元相关方程并绘制相关趋势图。 ( 4 ) 采用主成分分析和回归分析相结合的主成分回归法来建立采暖季p m l o 浓度 预报方程。 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i ii i p 目目e s _ $ _ _ 目目皇自e e _ _ _ _ # ，e _ _ _ _ _ 2 西安市采暖季阴。污染特征分析 2 1 数据的来源和分析方法 本文所采用的p m l o 数据为西安市大气环境自动监测站所提供的2 0 0 1 年1 月 2 0 0 5 年3 月1 5 日共5 1 个月的p m l o 实测资料。 西安市大气自动监测点位共有五个，分别为：1 号点位西安高压开关厂( 西郊工 业区) 、2 号点位兴庆小区( 居民文教区) 、3 号点位纺织城( 东郊工业区) 、4 号点位小 寨( 商业区) 、5 号点位草滩( 清洁对照点) 。p m l o 的实测资料为西安市五个国控监测点 的每日实测值和全市平均值，其中5 号点位远离城区，为西安市的清洁对照点，故 该点的监测值不包括在p m l o 浓度全市平均值之中。 各监测点周边环境状况介绍如下： 1 ) 高压开关厂高压开关厂位于莲湖区，莲湖区面积4 2 8 7 k r n 2 ，人口5 6 8 万， 人口密度1 3 2 x 1 0 4 人k m 2 ，区内有大中型企业2 0 0 余家。近年来进行低洼地改造、 北大街拓宽改造、土门街心花园等工程项目，共完成建筑面积3 8 9 x1 0 5 ，铺设人 行道6 0 8 x1 0 5 m e 。 2 ) 兴庆小区兴庆小区位于碑林区，碑林区面积2 5 k i n 2 ，人口7 1 万，人口密度 2 8 4 1 0 4 人k m 2 ，区属商业企业1 6 家，现有专业批发市场6 8 个，区内有西安市最 繁华的商业街东大街、南大街。 3 ) 纺织城纺织城位于灞桥区，灞桥区总面积3 3 2k m z ，人口4 3 万， 人口密 度1 3 1 0 3 人k m 2 。近年建设项目包括：“三纵六横”公路网络实施：洪庆、席王、 十里铺、红旗等工业园区建设等。 4 ) 小寨小寨位于雁塔区，雁塔区总面积1 5 2k m 2 ，人口5 1 万，人1 ：3 密度3 4 1 0 3 a k m 2 ，区内现有大中型企业3 0 余家， 雁塔区境内还有西北最大的植物园林景观 群一西安植物园、西安盆景园、西安春晓园等。近年坚持加快以道路为主的市政设施 建设，二级公路雁环路，西巷道路改造，省市重点项目绕城高速公路南线、西影路 拓宽改造等工程项目。 5 ) 草滩草滩位于未央区，未央区总面积2 6 1 k r n 2 ，人口3 6 万，人口密度1 4 l o 人k m 2 。近年来，已修建各类道路4 1 条，目前全区平均每平方公里拥有公路1 1 4 k m ， 高于全市平均水平2 8 倍。 各采样点的具体位置参见附图一。 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 对p m i o 污染相关数据的分析主要依据空气污染指数的分级及其浓度限值，数据 分析主要是依据概率论原理和方法。 2 2 西安市p 污染现状 2 2 1 西安市空气质量状况 西安市的空气污染一直以来较为严重，自2 0 0 0 年6 月5 日西安市环境监测站 正式向社会发布空气质量日报以来，基本上每e t 的首要污染物都是可吸入颗粒物 ( p m l o ) ，因此，西安市的空气质量等级可以用p m l o 污染等级来描述。 表2 1 为2 0 0 1 2 0 0 4 年西安市p m l o 污染等级的统计分析，列出各年度不同污 染等级的出现频率。从表中可以看出：西安市的可吸入颗粒物污染正在逐年向好的 方向发展。 表2 1西安市p m ，o 污染等级频率分布表 ( 单位：) 表中数据显示：西安市的空气质量以二、三级为主，其中二级天数在四年内都 基本占到了全年的5 0 以上，在2 0 0 3 年占到了6 5 4 8 ，在2 0 0 4 年占到了6 9 9 5 ； 空气质量为四级、五级的天数在2 0 0 2 年明显增加，2 0 0 t 年和2 0 0 3 年，四级、五级 天气的出现频率都是0 5 5 和o 2 7 ，2 0 0 4 年四级天数出现频率仅为0 2 7 ，五级 天数出现频率为零。二、三级天数的的提高和四五级天数的下降，说明西安市的空 气质量总体状况正在向好的方向发展。 近几年西安市政府在防治环境空气污染方面力度加大，开展了创建国家环境模 范城市活动，力争尽早进入全国环保模范城市行列。按照国家对环保模范城市的2 7 项指标规定，全年a p i 1 0 0 ，即空气质量属于轻微污染及其以上的日子作为 研究对象，西安市2 0 0 1 年2 0 0 4 年采暖季a p i 1 0 0 的天数具体分布情况见表2 4 表2 42 0 0 1 2 0 0 4 年西安市采暧季、非采暖季 p i 1 0 0 分布表( 单位：天) 由表2 4 可以看出，四年来采暖季污染日天数明显比非采暖季污染日天数多，四 年采暖季a p i 1 0 0 的天数为2 8 5 天，占到采暖总天数4 8 5 天的5 8 7 6 ；非采暖季 a p i 1 0 0 的天数为2 6 3 天，占非采暖季总天数9 7 6 天的2 6 9 5 。采暖季a p i 1 0 0 的日子所占比例是非采暖季a p i 1 0 0 的日子所占比例的2 1 8 倍。综合图2 3 和表2 4 可知，采暖季是西安市p m l o 污染严重的季节，这与冬季采暖燃煤有赢接的关系。 1 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 3 3 西安市采暖季空气质量状况 西安市采暖季p m l o 污染严重，将2 0 0 1 2 0 0 4 年采暖季p m l o 污染等级分布进行 统计分析，得出采暖季空气质量分布状况，如表2 5 所示： 表2 5 西安市2 0 0 1 2 0 0 4 年采暖季州，o 污染等级分布频率表( 单位：) 由表2 5 可看出，2 0 0 1 2 0 0 3 年采暖季空气质量三级的天数占到了5 0 以上，2 0 0 4 年采暖季空气质量二级的天数高达6 7 7 7 ，三级天数占到3 1 4 0 ，二级天数是三 级的2 1 6 倍，这与西安市逐步采取集中供热，进行燃煤锅炉改造有直接关系，也可 能与近二年大气环流较弱，沙尘暴不活跃的气象原因有关。 2 4 小结 通过前面的分析，可以得出以下几点结论： 1 ) 西安市空气质量以二、三级为主，二级天数在四年内都基本占到了全年的5 0 以上，在2 0 0 3 年占到了6 5 4 8 ，在2 0 0 4 年占到了6 9 9 5 ，2 0 0 1 年和2 0 0 3 年， 四级、五级天气的出现频率都是0 5 5 和o 2 7 ，2 0 0 4 年四级天数出现频率仅为o 2 7 ，五级天数出现频率为零。二、三级天数的的提高和四五级天数的下降，说明西 安市的空气质量总体状况正在向好的方向发展。按照国家对环保模范城市的2 7 项 指标规定，全年a p i 1 0 0 的天数为2 6 3 天，占非采暖季总天数9 7 6 天 的2 6 9 5 。采暖季a p i 1 0 0 的日子所占比例是非采暖季a p i 1 0 0 的臼子所占比 例的2 1 8 倍。 5 ) 西安市2 0 0 1 , - - 2 0 0 3 年采暖季空气质量三级的天数占到了5 0 以上，2 0 0 4 年 采暖季空气质量二级的天数高达6 7 7 7 ，三级天数占到3 1 4 0 ，二级天数是三级 的2 1 6 倍，空气质量呈改善趋势，这与西安市逐步采取集中供热，进行燃煤锅炉改 造有直接关系，也可能与近二年大气环流较弱，沙尘暴不活跃的气象原因有关。 西安建筑科技大