大气环境质量评价与预测模型
大气污染物浓度预测模型的建立与评估
大气污染物浓度预测模型的建立与评估随着工业化和城市化的发展，大气污染问题已经成为全球关注的焦点，特别是我国的大部分城市。
大气污染的严重程度越来越高，给人们的健康和生存环境带来了极大的威胁。
因此，建立起有效的大气污染物浓度预测模型，对于科学地掌握大气污染的过程和趋势，及时采取有效的控制措施，保护环境和人类健康至关重要。
一、大气污染物浓度预测模型的目的和意义大气污染物浓度预测模型是一种利用多种因素和技术手段，以预测未来一段时间大气污染物浓度水平的方法，包括PM2.5、O3等。
其主要目的是为了能够及早预测化学或物理污染物在空气中的分布、浓度和气象参数之间的关联，以便预先制定出相应的当地环保政策，从而有效地降低大气污染的程度。
大气污染物浓度预测模型是一个综合性的技术，需要涉及数据分析、数学模型、计算机编程等多个领域。
只有建立优良的模型，才有可能更准确地了解大气污染物的分布、变化规律，提高环保效益，保护自然环境，促进应对气候变化等。
二、大气污染物浓度预测模型的建立模式1.数据采集和处理大气污染物浓度的预测需要获取足够的数据，这些数据包括大气污染物数据、气象数据、地表数据等。
大气污染物数据的获取可以通过空气自动监测站或机动车尾气检测站等手段进行。
气象数据可以通过气象台或者气象卫星获得等途径。
地表数据可以通过地图、地理信息系统、遥感等手段获取。
数据的采集需要保证足够的精度和时效性，保证数据的完整性和准确性，使其得以建立一个可靠的数据样本库。
2.建立模型大气污染物浓度的预测模型一般包括线性和非线性的建模方法，特别是机器学习算法已经成为主流，因其无须人工干预，可以通过自我学习来优化模型效果。
在这些模型中，支持向量回归（SVR）、随机森林（RF）和梯度提升树方法（GBM）均是主流的建模工具，可以有效地提高预测能力和精度。
3.模型评估模型预测值的准确性和精度对后续应应用产生的影响十分重要。
模型的评估可以涉及到各种指标，例如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、相关系数（RC）等。
空气质量监测与预测模型的建立与应用
空气质量监测与预测模型的建立与应用随着城市规模的扩大和经济的发展，空气质量日益成为人们关注的话题。
为了及早发现空气质量问题，为公众提供及时、准确的空气质量信息，各地纷纷建立起空气质量监测站，实时监测空气质量。
但是，仅依靠实时监测并不足以满足人们对空气质量的需求，需要建立空气质量预测模型，以实现全面、深入的空气质量管理。
一、空气质量监测与现状空气质量监测是指采集大气环境中有害物质的种类、浓度和颗粒物等物理性能变化的方法。
空气质量监测可分为定点监测和移动监测两种方式。
目前，我国的空气质量监测网络覆盖面积已经逐渐扩大，至2019年底，全国共有190个城市开展了PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等5项主要污染物的监测，覆盖了3100余个监测站点。
监测结果表明，我国的空气质量总体处于不良或污染状态，特别是经济发达地区和重点城市，大气环境状况相对较差。
二、空气质量预测模型的建立空气质量预测模型是建立在大量观测数据基础之上的，它是一套系统工程，它以时间变化为特殊环境的试验结果为指导，研究气象场、污染物的时间/空间分布规律及其相互关系，并对未来时间和空间作出预测。
1. 建立气象预测模型气象因素对空气质量有着直接而复杂的影响。
比如，风速和风向的变化可以对空气质量的分布和传输产生较大的影响；温度变化也会导致大气混合程度的变化，进而影响PM2.5、O3等污染物的浓度。
因此，建立气象预测模型是空气质量预测的重要组成部分。
气象预测模型的建立需要依赖于大量的气象数据和高精度的气象分析模型，可以结合气象分析模型和时间序列分析模型等多种方法进行预测。
2. 建立污染物扩散模型大气污染物的传输和扩散是一个极其复杂的过程，与地表高度、地形、风速、大气稳定度等多种因素有关。
建立污染物扩散模型，可以对污染物的传输和扩散过程进行模拟，预测未来某一时刻某一区域的空气污染状况。
污染物扩散模型的建立需要依赖于各种动力学模型、经验模型以及基于统计学的预测方法，针对不同类型的污染源和不同的地形条件，建立相应的扩散模型。
大气环境污染模型构建与预测
大气环境污染模型构建与预测随着工业化与城市化的不断发展，大气环境污染问题日益突出。
为了有效应对大气环境污染，建立并预测大气环境污染模型成为重要任务。
本文将探讨大气环境污染模型构建的方法以及预测环境污染趋势的技术。
1. 大气环境污染模型构建大气环境污染模型是基于大气环境的物理、化学和气象学原理建立起来的数学模型。
下面将介绍两种常见的大气环境污染模型构建方法。
1.1 统计模型方法统计模型方法是通过分析历史数据中的相关因素和环境污染数据之间的关系，建立统计模型来预测大气环境污染。
常用的统计模型方法有线性回归模型、逻辑回归模型、支持向量机模型等。
线性回归模型是一种用来建立一个自变量与一个因变量之间线性关系的模型。
通过分析大气环境中的污染物浓度与一些因素（如温度、湿度、风向、风速等）之间的关系，构建线性回归模型可以判断这些因素对大气环境污染的影响程度。
逻辑回归模型是一种用来处理分类问题的模型。
逻辑回归模型可以从大气环境中的一系列数据变量中，预测一个二元输出变量，例如判断污染水平是高、中、低三种程度。
支持向量机模型是一种用来处理分类与回归问题的模型。
支持向量机模型通过找到一个最优超平面，将不同类别的数据样本分隔开，以实现对大气环境污染的分类和预测。
1.2 物理模型方法物理模型方法是基于大气环境的物理原理建立模型，通过模拟和模仿真实环境来预测大气环境污染。
常用的物理模型方法有数值模型、物理过程模型等。
数值模型是基于大气物理学、气象学、传热学和化学反应动力学等方面原理建立起来的数学模型。
它能够模拟大气中污染物的传输、扩散和化学反应过程，预测环境中的污染物浓度分布和变化趋势。
物理过程模型是通过描述大气环境的物理过程而构建的模型。
该模型模拟了大气中的各种物理过程（如辐射传输、湍流扩散、湍流混合等），以及大气与地表的相互作用，从而预测大气环境中的污染物浓度。
2. 大气环境污染预测大气环境污染预测是通过模型构建得到的模型，基于已有的环境数据和相关因素，预测未来污染物浓度变化趋势。
环境监测领域中的大气污染模型使用教程
环境监测领域中的大气污染模型使用教程大气污染是当前全球范围内面临的重要环境问题之一。
为了保护人类健康和环境可持续发展，科学家们开发了各种大气污染模型来预测和评估不同因素对空气质量的影响。
本文将介绍环境监测领域中常用的大气污染模型以及如何使用它们进行预测和分析。
1. 模型介绍在环境监测领域中，常用的大气污染模型包括：CMAQ模型、WRF-Chem模型、AERMOD模型等。
这些模型基于物理、化学和数学原理，通过模拟大气过程、污染物传输和变化，提供了对大气污染的准确预测和评估。
- CMAQ模型（Community Multiscale Air Quality Model）是一种广泛应用于大气环境模拟和预测的模型。
它可以模拟大尺度到细尺度的空气流动和污染物传输，包括气溶胶、氧化物、二氧化氮等。
- WRF-Chem模型（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）是一种将大气动力学模拟和化学传输过程相结合的模型。
它可以模拟气象过程和污染物分布，有助于理解不同气象条件下的空气污染形成和传播机理。
- AERMOD模型是一种广泛用于工业源排放和城市环境中污染物传输建模的模型。
它基于高斯模型原理，能够预测工业源的排放对周围地区空气质量的影响。
2. 模型使用教程为了能够准确有效地使用这些大气污染模型，以下是一些基本的使用教程和注意事项：2.1 数据准备在使用大气污染模型之前，首先需要准备好相关的输入数据。
这些数据包括气象数据、地理信息、土地利用数据、废气排放数据等。
可以从气象台、环境保护部门等机构获取这些数据，也可以使用开源数据集和模型提供的默认数据。
2.2 模型配置配置大气污染模型是一个重要的步骤，决定了模型的运行方式和输出结果的准确性。
在配置模型时，需要设置模型的运行时间、空间范围、污染物的初始浓度和排放源信息等。
每个模型都有相应的配置文件和参数，使用者需要根据应用需求进行相应的设置。
cmaq空气质量模型
cmaq空气质量模型
CMAQ空气质量模型是一种描述大气污染物空气质量的复杂数值模型，它对大气环境细节（如化学反应、湍流以及源/物种特殊反应）具有良好的描述性能。
CMAQ模型拥有一个用来模拟源至去除处的CO、NOX、挥发性有机物（VOC）以及
S01的特性，它可以预测各种大气污染物的持续暴露水平与趋势，用来评估空气污染扩散、颗粒物沉降、污染对细节的影响等。
CMAQ模型的主要用途在于对大气气象过程及其与污染物相关的观测数据进行多重分析，其用于空气污染物模型数值模拟以及辅助决策和规划研究。
此外，CMAQ 模型还可以用于评估空气质量管理策略，以及实施空气污染控制的有效性。
CMAQ 模型的实施一般分为三个阶段：数据前处理、模拟和分析。
CMAQ空气质量模型的众多优点使它成为空气污染控制、污染定量风险评估和污染防控最常见且最佳的数值模型。
首先，它可以准确地模拟空气污染物扩散，用于研究空气污染暴露水平；其次，CMAQ可以模拟特定条件下单个颗粒物细胞中物种浓度的发展趋势；最后，该模型克服了历史上许多模型的科学瓶颈，给了研究者一个更健壮的用于减少污染的支持。
CMAQ空气质量模型在减少污染排放，改善空气质量方面发挥着极大作用。
CMAQ模型能较为准确地模拟空气污染物扩散，可以作为空气污染防治政策的指导性模型，帮助相关部门制定出更有效的治霾政策，以扭转大气污染的态势，得到最佳的防治成效。
大气环境质量评价与预测模型
（4）把每一个子箱子都看作混合均匀的体系；
（5）各子箱子的浓度分布处于平衡状态。
3.2 大气环境影响预测模型
对子箱1：
式中：E1,2为高度方向上第一个箱子与第二个箱 子间的湍流系数。
对子箱2：
大气质量多箱模型示意图
对子箱3： 对子箱4：
3.2 大气环境影响预测模型
0.25
0.30
0.30
m
乡村
0.07
0.07
0.10
0.15
0.25
0.25
3.2 大气环境影响预测模型
3.2.2 大气环境影响评价预测模型
（1）点源扩散的高斯模型
A、 连续点源高斯模型的推出
式中：C——污染物质的平均浓度， mg/m3；
x，y，z——三个方向的坐标分量，m ；
3.2 大气环境影响预测模型
分级
大气质量指数的分级
清洁
轻污染
中污染
I上 大气污染水平
＜0.6 清洁
0.6～1.0 大气质量标准
1.0～1.9 警戒水平
重污染 1.9～2.8 警报水平
极重污染 ＞2.8
紧急水平
3.1 大气环境质量现状评价
（2）均值型大气质量指数
式中： C——表示实测浓度；
S——表示相应的环境质量标准。
3.1 大气环境质量现状评价
对于实源，p点在以实源为原点的坐标 系中的垂直坐标为（zHe）。如果不考虑地 面的影响，可知在p点的污染物浓度为：
式中He为污染源有效高度，等于烟囱的高度H和烟气的抬升高度H之和，m。 对于像源，p点的垂直坐标为（z+He），浓度为：
3.2 大气环境影响预测模型
环境影响评价06-大气环境影响预测与评价
2013-8-23
6
2013-8-23
7
第6章
4．大气环境影响预测模型选用的一般步骤
大气环境影响预测与评价
确定预测因 子
确定预测范 围及计算点
确定污染源 参数
落实污染气 象参数
地形数据确 定
设定预测情 景
其他相关参 数的确定
选择预测模 型
预测模型验 证
确定预测模 型
2013-8-23 8
第6章
我们更为关心的是烟羽扩散对地面的影响。高架连续点源烟羽落地时，Z=0
He2 y2 c( x, y,0, H e ) exp( 2 ) exp( ) 2 U y z 2 y 2 z Q
若为地面源
y2 c( x, y,0) exp( 2 ) U y z 2 y Q
2 地面轴线浓度
ay 2
c c0 e
bz 2
（6.1）
a
1
2 2 y
b
1 2 z2
⑵大气流动有主导风向，风速在预测范围均匀稳定，即U＝常数 ⑶在x轴方向上，平流输送作用远大于扩散作用，故在x轴方向的扩散作用 可以忽略不计。 ⑷污染源强连续且均匀，污染物质量守恒
Q
cUdydz
2013-8-23 9
第6章
⑶确定污染源计算清单
大气环境影响预测与评价
包括污染源的几何形态、空间位置、烟囱参数、源强、污染物性质等 ⑷落实污染气象参数 ⑸确定地形复杂程度
简单地形 距离污染源中心点5km 内的地形高度（不含建筑物） 低于排气筒高度的地形 。
起伏地形 排气筒高度 排气筒
在此范围内地形高度不超过排气筒基底高度时，
空气污染的监测与预测模型
空气污染的监测与预测模型近来，随着人们生活水平的提高，工业、交通等活动不断增加，导致空气污染问题成为社会公众关注的焦点。
大气通常是人类最重要的资源之一，但是吸入污染空气会严重影响人类健康和生活质量。
面对这一问题，空气污染监测与预测模型变得越来越受欢迎。
本文将着重探讨空气污染的监测与预测系统及其作用。
空气污染监测系统空气污染监测系统是为了收集和记录和评估大气环境的质量，这使得对大气环境质量的控制和管理成为可能。
现在，空气污染监测已经成为政府和环保机构的重点任务，以帮助优化信息收集和传递，并协调与各地的环保组织进行沟通，同时也能促进实施环保控制措施的有效性。
空气质量的监测是基于大气环境的先进技术、仪器和方法。
常用的监测参数包括常规大气污染物、重金属和挥发性有机物。
在城市中，还需要监测车辆尾气中的排放物、建筑施工和垃圾填埋场的排放、火力发电和工业设施以及其他人类活动的污染物的排放。
通过这些监测，监测机构可以及时获取大气质量数据，并向公众发布相关信息，以便公众采取必要的保护措施。
空气污染预测模型与空气质量监测不同，空气污染预测模型是基于公共和经验性的方法，通过复杂的算法和数学模型来预测未来的污染水平。
这些模型根据过去的数据、经验，以及天气和其它因素，预测未来污染水平及主要污染物。
空气污染预测同样也被广泛应用于环保政策制定、应急响应和环境规划。
目前，空气质量预测主要分为三大方向：基于物理模型、统计模型和人工智能模型。
物理模型是一种基于物理方程的理论模型，强调环境系统中的物理、化学和生物过程本质上是物理方程的解。
统计模型则是一种基于统计研究的方法，它利用大量过去的观测数据和统计方法估计大气污染物的空间和时间规律。
而人工智能模型则是一种基于神经网络、支持向量机等的数据驱动方法，通过大量的数据集对模型进行训练，从而对未来趋势进行预测。
结论空气质量监测和预测是现代环保监管的关键目标之一，监测系统和预测模型有助于预测和处理污染问题。
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温度层结 ：
大气在垂直 方向的温度 分布 。四种
情况：正常 ；中性；等 温；逆温。
烟羽形状
a、波浪型 b、锥形 c、长带型 d、屋脊型 e、漫烟型 f、受限型
3.2 大气环境影响预测模型
（3）大气边界层风场
u2
u1
z2 z1
m
式中 ：u2——烟囱出口处平均风速，m/s；
z2——烟囱出口处的高度，m；如果z2>200，则取z2=200； u1——气象站z1高度处的平均风速，m/s； z1——测风仪所在的高度，m； m——指数，其数值与大气稳定度有关。
≤0.40
54～35
第四级 （污染级）
第五级 （重污染级）
浓度
平
分级
分
＞40
＞0.50
＞0.50 5
＞0.20
＞12
＞0.40
34以下
第五级 （重污染级）
3.1 大气环境质量现状评价
（5）美国橡树岭大气质量指数
I橡
5 5.7 i1
Ci Si
1.37
式中：Ci ——第i种污染物24小时平均浓度； Si——第i种污染物的大气质量标准。
0.06
0.3
1.5
烟雾系数（COH单位/305m）
0.9
3.0
10.0
污染指数
25
50
100
3.1 大气环境质量现状评价
3.1.3 大气污染生物学评价
根据植物叶片症状
植物受污染 物影响后会出现 特征症状，这些 症状可以作为环 境污染状况的一 种度量指标。
根据受害植物的不同
有些植物对不 同污染物的抗性和 敏感性不同，因此， 根据受害植物的种 类不同可判断污染 物的种类。
3 大气环境质量评价
主要内容：
1 大气环境质量现状评价 2 大气环境影响预测模型 3 大气环境影响评价
3.1 大气环境质量现状评价
3.1.1 大气污染监测评价
（1）大气环境质量现状评价的程序
大气环境质量现状评价的程序
调查准备阶段
污染监测阶段
评价分析阶段
成果应用阶段
3.1 大气环境质量现状评价
（2）大气污染监测评价 评价因子的选择
质量分级 I橡
优良 ＜20
I橡与大气环境质量分级
好
尚可
差
20～39 40～59 60～79
坏 80～100
危险 ＞100
3.1 大气环境质量现状评价
（6）美国污染物标准指数（PSI）
PSI选择了SO2、颗粒物、CO、臭氧、NOX、SO2与 颗粒物的乘积等6个参数。PSI与6个参数的关系是分段线 性函数。已知各污染物浓度后可用内插值法计算各污染 物的分指数，然后选择各分指数中最大的作为PSI。
用综合生态指标
可以根据植 物种类和生长情 况选择一些综合 性的指标作为评 价参数，并以此 划分大气污染等 级。
3.2 大气环境影响预测模型
3.2.1 气象要素和气象条件
气压
气温
湿度
(1)主要气 象要素
云
风
3.2 大气环境影响预测模型
（2）大气边界层温度场 气温垂直分布 干绝热直减率
温度层结与烟羽形状
≤0.25
≤0.05
≤0.15
≤0.25
25
20
15
≤0.02
≤0.05
≤0.10
≤2
≤4
≤
≤0.05
≤0.1
≤0.20
分级评分法分级标准
100～95
第一级 （理想级）
94～75
第二级 （良好级）
74～55
第三级 （安全级）
第四级 （污染级）
浓度
平
分级
分
≤40
≤0.50
≤0.50 10
≤0.20
≤12
背景浓度
0.02
NOX 0.01
飘尘 0.05
Pb 0.0001
标准
0.15
0.13
0.15
0.0007
明显危害浓度
2.0
1.0
1.0
0.01
沈阳大气质量指数分级
质量等级 极重污染 重污染 中等污染
轻污染
清洁
I沈
＜31
31～40
大气污染水平 紧急水平 警报水平
40～55 警戒水平
55～61 大气质量标准
I广1 3C SS S2 O 2 OC S漂 漂尘 尘 C C S S2 2 O OC C 漂 漂尘 尘
式中： C——表示实测浓度；
S——表示相应的环境质量标准。
3.1 大气环境质量现状评价
（3）沈阳大气质量指数
I沈阳 1.12105i 41C Sii 0.40
沈阳大气质量指数评价参数
参数
SO2
不同大气稳定度下的m值
大气稳定度级别
A
B
C
D
E
F
城市
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.30
m
乡村
0.07
0.07
0.10
0.15
0.25
0.25
3.2 大气环境影响预测模型
3.2.2 大气环境影响评价预测模型
I1 2 (I1 I2) 4.0 2 S 0 .43 1 1.3 3 C 0 .576
式中：S——SO2实测日均浓度，10-6g/g；
C——实测日均烟雾系数，COH单位/305m； a1、b1、a2、b2——确定指数尺度的常数。
格林建议的SO2和烟雾系数日均浓度标准
污染物
希望水平
警戒水平
极限水平
SO2（×10-6，体积比）
＞61 清洁
3.1 大气环境质量现状评价
（4）分级评分法
大气中污染物浓度分级与评分（单位：mg/m3）
参数
降尘 飘尘 SO2 NOX CO 总氧化剂
M 大气质量等级
第一级 （理想级）
浓度 平 分级 分
第二级 （良好级）
浓度
平
分级
分
第三级 （安全级）
浓度 平 分级 分
≤8
≤12
≤20
≤0.10
≤0.15
评价标准的选择
监测
① 布点 ② 采样、分析方法 ③ 监测频率 ④ 同步气象观测 ⑤ 评价
3.1 大气环境质量现状评价
3.1.2 大气环境质量现状评价的数学方法
（1）上海大气质量指数 I上 XY
式中：XmaC Sxii)(Y , K 1iK 1C Sii
Ci——第i种污染物的实测浓度； Si——第i种污染物的环境质量标准； K——评价因子总数。
分级
大气质量指数的分级
清洁
轻污染
中污染
I上 大气污染水平
＜0.6 清洁
0.6～1.0 大气质量标准
1.0～1.9 警戒水平
重污染 1.9～2.8 警报水平
极重污染 ＞2.8
紧急水平
3.1 大气环境质量现状评价
（2）均值型大气质量指数
I北
1CSO2 2 SSO2
C漂尘 S漂尘
I南1 3 C SS SO O 2 2 C S漂 漂尘 尘 C SN NO O 2 2
PSI是在全面比较6个因子后，选择污染最重的分数指 数报告大气环境质量的，突出了单因子的作用，使用方便， 结果简明。
3.1 大气环境质量现状评价
（7）格林大气污染综合指数
I1a1Sb 1 8.0 4S0.431 I2a2C b 2 2.6 6 C 0 .576
然后将两个污染物指数加以平均，得到污染综合指数（I）：