郑州市空气污染及治理摘要本文对郑州空气污染程度、未来空气质量预测、城市污染主要因素进行分析，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。
郑州市人为大气污染主要为燃煤污染、扬尘污染、尾气污染。
城市空气质量与季节和气象条件的关系十分密切。
因此我们分不同月份讨论。
针对问题一，根据每月各污染物浓度及变化趋势进行统计和曲线拟合等数学建模方法得到6种横坐标为月份，纵坐标分别为PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO,O3浓度的散点图并用多项式拟合其变化趋势。
利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。
针对问题二，选取郑州观测的气象数据与WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行对比，使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。
模拟的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。
针对问题三，针对郑州市的大气质量状况，根据 2004—2015 年郑州市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。
以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。
关键词：空气污染指数、多项式拟合、嵌套网格、spss统计、WRF模拟、NAQPMS模式、库兹涅茨曲线、离子风技术一、问题重述郑州市空气污染及治理2016年7月4日上午，河南省大气污染防治攻坚动员大会召开，省委、省政府要求河南的省辖市2016年度在全国大气排名中退出后5名，明年退出后10名。
其中，河南给郑州市提出的环境空气质量改善目标为，郑州市今年的PM10下降到150微克/立方米、PM2.5下降到79微克/立方米。
郑州市自己提出的目标为，今年在全国74个城市和重点区域中大气污染排名将退出后十名。
据2015年10月份政府公布的数据，郑州市燃煤污染对空气污染的贡献率达41%,位居第一；扬尘污染对空气污染的贡献占了28%,排名第二；尾气污染对空气污染的贡献占24%，排名第三。
关于大气污染防治，河南省提出了针对大气污染“1+6+7”意见方案，其中“7”是指7个专项攻坚方案，即针对扬尘、工业大气、燃煤、挥发性有机物、黄标车和老旧车、秸秆焚烧等重点污染源治理和重污染天气应急应对方案。
在上述背景下，针对郑州市大气污染状况，建立模型，求解以下问题：1、收集相关数据，建立郑州市内源性（本地）空气污染模型，分析工业企业数量、燃煤状况、车辆保有量等因素对郑州市空气质量状况的影响。
2、大气污染跨区域传输是区域大气污染超标的一个主要原因。
收集相关数据，建立郑州市外源性（输送通道）空气污染模型，分析郑州周边地区大气污染对郑州市大气污染的影响，以及郑州对其他地区大气污染的影响。
3、根据郑州市的经济发展趋势和计划，为郑州市制定一套污染治理方案，给出未来5年的污染治理投入强度计划及预期效益，分析2016年底能否达到郑州市制定的目标并预测2020年郑州市空气质量状况。
4、请推荐一种主动型治霾的措施（如“空气捕捉”系统等）并评估其效果。
二、问题分析1.问题一的分析通过对郑州市各月空气AQI指数及空气污染物浓度处理得到各个污染物浓度散点图，并用多项式拟合的方法拟合污染物浓度变化趋势可预测短期变化情况。
利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。
2.问题二的分析选取郑州观测的气象数据与WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行对比，使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。
模拟的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。
使用SPSS统计软件计算模拟值和观测值的相关性，得到，温度：0.571，风向：0.351，风速：0.254。
3.问题三的分析针对郑州市的大气质量状况，根据 2004—2015 年郑州市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。
以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。
三、问题假设1.在内源性空气污染模型中忽略外界对当地空气污染程度的影响2.以查阅到的数据为依据，假设收集到的数据与理论是准确合理的3.气体的传播服从扩散定律，非稳态；4.假设各个污染源之间没有相互反应5.假设在研究过程中采样点浓度处于稳定状态四、问题解答问题一的解答根据每月各污染物浓度及变化趋势进行统计和曲线拟合等数学建模方法得到6种横坐标为月份，纵坐标分别为pm2.5,pm10,So2,No2,Co,O3浓度的散点图并用多项式拟合其变化趋势。
利用层次分析法对空气质量进行评价与预测，综合考虑各种因素建立如下模型，得到各种污染物按月分布变化规律。
1.对各种污染物的浓度进行曲线拟合（见图一 -图六）图一 PM2.5拟合曲线F(x)=0.004596x5-0.2219x4+3.653x3-22.96x2+33.08x+133.5图二 PM10拟合曲线F(x)=0.0005015x6-0.02524x5+0.4372x4-3.004x3+7.674x2-20.27x+236.6图三 SO2拟合曲线F(x)=9.094*10-5x6-0.003704x5+0.03904x4+0.03508x3-0.6741x2-14.17x+88.62图四NO拟合曲线F(x)= 2.798x5+2.415x4-21.4x3-8.924x2+24.36x+58.1图五 CO拟合曲线F(x)=0.1553x6+0.3701x5-0.4501x4-1.535x3+0.1729x2+1.27x+1.563图六 O3拟合曲线F(x)= -26.25x5-17.01x4+105.9x3+47.58x2-80.77x+41.77 2.查阅2015年郑州空气质量状况（见图七、表一）表一各月份平均空气污染指数3.分析拟合曲线及数据用综合分析法根据数据统计结果，对空气质量进行分析，最后给出评价结论：根据表一，分析可得。
其原因是因为郑州每年12月到次年2月为冬季，和冬季取暖增加有关。
而冬季大气层比较稳定，不利于污染物的扩散；夏季污染物浓度相对较低，因为夏季降水量大，易于污染物附着沉降，同时大气稳定性差，易于污染物扩散。
2015年1月-2016年7月郑州空气质量污染类型为“煤烟型”污染特征，首要污染物为可吸入性颗粒PM2.5、PM10，二氧化硫。
浓度拟合曲线的趋势可知：主要污染物为二氧化硫、可吸入颗粒物、二氧化氮年平均质量有所下降。
工业企业的大气污染物种类多，主要是硫的氧化物、氮的氧化物、碳化合物。
燃煤产生的空气污染物主要是二氧化硫、一氧化碳等有害物质。
汽车排放的污染物主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物。
由于冬季燃煤消耗量大故二氧化硫主要由燃煤产生。
问题二的解答1.利用嵌套网格方法对模型的建立与求解本题所使用的空气质量模式是由中科院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）,使用嵌套网格，设置了河南郑州及周边的嵌套区域。
2.模式校验为了检验NAQPMS模式的模拟性能，选取郑州观测的气象数据与WRF模拟的对应网格的风向，风速和地面的气温进行对比。
在模拟期间，网格与相应站点的观测值在变化趋势上能够较好的吻合，基本反映风及温度随时间的变化特征。
其中风向的模拟效果最好；温度普遍低几度；风速的模拟结果相对差别较大，不过可能和低风速时区域的差异性有关。
使用SPSS 统计软件计算模拟值和观测值的相关性，得到，温度：0.571，风向：0.351，风速：0.254。
（见图八-图十）图八 模拟风向与观测风向图十 模拟风速与观测风速图九 模拟温度与观测温度 3.污染过程分析本次污染过程中PM10的时空分布如图十一所示。
从模拟结果来看，首先在3月9日至11日期间，污染物逐步累积，郑州以南大部分地区PM10的浓度开始增大，从12日开始，由于风向的影响，污染物开始由南向北的输送过程，整个华北PM10浓度都很高；13日开始出现了北风；14日北风风力加大，大范围的污染物被清除，不过河南地区的PM10浓度依然偏高，15日之后才彻底清除；北风过境之后，污染物又开始了新一轮的累积，这一次并没有大范围的输送过程，不过从18日和19日的分布来看，京津冀地区的污染有向山东的一个短途输送，对河南及郑州地区影响不大；20日天气形势持续稳定，污染物进一步累积；21日北风开始出现，随后22日在北风的影响下污染物清除。
图十一PM10的时空分布图4．不同污染物的区域输送情况有较大差异。
本次模拟中PM2.5受外部区域输送影响较大，一次污染物SO2和NOx受外部区域输送影响较小。
这主要是因为PM2.5中二次组分较多，而二次污染物的寿命更长，在远程传输的过程中影响更为显著。
5．天气条件尤其是风场对区域间污染物的输送有很大影响。
由此可见，其他地区污染物的输送对郑州的影响不可忽视，要改善郑州的大气环境质量，不但要在郑州采取污染控制措施，而且需要和周边地区实行联防。
问题四的求解1. 建立经济发展与大气环境污染之间的模拟模型针对郑州市的大气质量状况，根据 2004—2015 年郑州市经济发展主要指标和大气环境污染指标的统计数据，分析了郑州市人均 GDP 与二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物(PM10)的相关关系，并建立了经济发展与大气环境污染之间的模拟模型。
以环境库兹涅茨曲线理论作为参照，探讨郑州市大气污染状况与经济发展水平之间的关系，提出针对性的意见。
2.利用环境库兹涅茨曲线演示GDP与大气污染的关系查文献可知，库兹涅茨曲线是上世纪50年代诺贝尔奖获得者、经济学家库兹涅茨用来分析人均收入水平与分配公平程度之间关系的一种学说。
研究表明，收入不均现象随着经济增长先升后降，呈现倒U型曲线关系。
当一个地区经济发展水平较低的时候，环境污染的程度较轻，但是随着人均收入的增加，环境污染由低趋高，环境恶化程度随经济的增长而加剧；当经济发展达到一定水平后，也就是说，到达某个临界点或称“拐点”以后，随着人均收入的进一步增加，环境污染又由高趋低，其环境污染的程度逐渐减缓，环境质量逐渐得到改善，这种现象被称为环境库兹涅茨曲线，如图十二。
图十二环境库兹涅茨曲线3.指标与数据选取人均 GDP 作为郑州市经济发展指标，选取了 SO2、NOX排放量和 PM10质量浓度作为大气环境指标的典型代表的发展更具指导意义，因此选取 2004—2015 年郑州市经济发展指标和环境质量指标。