对空气中 PM2.5 问题的建模研究

杨利霞

对空气中 PM2.5 问题的建模研究

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本文针对空气中 PM2.5 的相关因素分析、分布与演变及应急处理和空气质
- L8 l& y8 ?/ R9 q) s/ F量控制管理的问题，采用相关分析、回归分析、二维插值、微分方程、非线性规
划等方法，建立了相关性分析模型、多元线性回归方程模型、Shepard 二维插值
# r) k- F' R- Y6 [+ A. S模型、偏微分方程模型和多目标非线性规划模型，运用最小二乘估计算法、数值
插值算法等对问题进行了求解与分析。
问题一中，要求对 PM2.5 进行相关因素分析。首先，运用相关性分析方法，
' c6 H- U$ ]' \& C" `& `建立 AQI 中 6 个基本监测指标间的相关性分析模型，利用 SPSS 软件进行求解，
得到各指标间的相关性，如 PM2.5 与一氧化碳间相关系数为 0.822，呈显著正相
( q! P/ F. R' Q8 V% v关；然后，建立了 PM2.5 与其它 5 项分指标间的两两回归分析模型并分析；最
后，运用回归分析的方法，建立 PM2.5 与其它 5 项分指标间的多元线性回归模
! `( Y1 u* ~: I. ^% \" V型，采用最小二乘估计方法对回归系数进行估计，并对回归方程进行了残差检验，
对异常点进行了逐次剔除最终得到拟合度达到 97.1%的多元线性回归方程。
问题二中，要求对 PM2.5 的分布与演变及应急处理进行研究。针对第 1 小问，
首先，研究了 PM2.5 随时间的变化规律，建立了基于三次样条插值法的 PM2.5
随时间变化模型；然后，建立了 Shepard 二维插值模型，利用 MATLAB 软件编
程求解，得到了 PM2.5 的空间分布规律，如 PM2.5 在高压开关厂的含量最大；
9 Q. P4 Z( z% }. O( c最后，建立了分区污染评估模型，并得到了其评估结果，如属于一级区的草滩为
3 v/ ?  N. |3 e1 }* ~/ x! ]$ m中度污染，属于二级区的长安区为轻度污染。
针对问题二第 2 小问，首先，运用回归分析的方法，建立了 PM2.5 与气象
因素间的多元线性回归模型来分析气象因素对 PM2.5 的影响，如在冬季时，
PM2.5 浓度与湿度和温度呈正相关；然后，在建立 PM2.5 在边界层中扩散的物
0 G0 j2 I1 S) [# b3 C. p" l" n理模型和迁移、转化的基本模型的基础上建立了 PM2.5 扩散的偏微分方程模型，
  w! l1 @4 N5 o7 Q0 m6 P并利用 MATLAB 软件编程求解得到了 PM2.5 扩散的偏微分方程模型的解析解。3
, ^$ `2 ~$ |* b0 f g / m
4 ~* _5 V! H7 Y6 x: P/ ]) o' o2
& G7 k* i4 R7 x% T针对问题二第 3 小问，首先，建立了 PM2.5 在地面的浓度分布模型和 PM2.5
7 H0 s2 ~* K8 O污染扩散的预测模型；然后，对 PM2.5 污染扩散预测模型进行了参数估计；最
$ O: z4 C  R; f# t6 ~$ I( Z! h后，代入实例得到了各个监测点 PM2.5 浓度的预测评估结果，如高新西区为重
度污染区域，广运潭为安全区域。针对问题二第 4 小问，用残差检验与稳定性检
验了模型合理性，并总结已有研究成果给出了 PM2.5 的成因、演变等一般性规
; e! ]( b8 i: X4 K律。
问题三中，要求对空气质量进行控制管理。针对第 1 小问，引入了效用函数
$ P# k- F0 g. |- R/ y5 }% {+ D: P1 u建立以满意度最大为目标的非线性规划模型，利用了 LINGO 13.0 版优化软件进
行了编程求解，得到未来五年 PM2.5 每年的全年年终要求达标的年平均浓度分
别为：226.1835，174.89086，126.00372，79.40928，35（单位为 ）。针对
8 Q3 o/ s* c5 b" y第 2 小问，建立了以投入总费用最少和 PM2.5 减排计划实施满意度最大为目标
  N' i2 ^! N- h6 ]' M6 i: V的多目标非线性规划模型。在求解过程中，利用了主要目标法将双目标简化为单
, t) i- x; n' Z* J目标；然后利用了 LINGO 13.0 版优化软件进行了编程求解，得出了五年投入的
/ D3 j" [7 f2 S1 J总费用最少为 64.13053 费用单位（百万元），并对方案的合理性进行了论述。
本文的特色在于，在问题一中，采用了最小二乘估计方法对回归系数进行
估计，并对回归方程进行了残差检验，且对异常点进行了逐次剔除最终得到拟合
# {% O4 p- `& h& ?2 a8 o度达到 97.1%的多元线性回归方程；在问题二中，考虑了多方面情况，建立了
- f6 a0 m" G; ^4 KShepard 二维插值模型和偏微分方程模型；在问题三中，引入了效用函数建立以
满意度最大为目标的非线性规划模型，在对多目标非线性规划模型求解过程中，
利用了主要目标法将双目标简化为单目标。

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