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基于灰色模型的雾霾形成机理探究——以北京为例

陈洪星 访问量: 【字号:

引言:

北京属温带半湿润大陆性季风气候,冷暖干湿四季分明,由于地形以及副热带高压的影响,北京的雾霾难以排出,目前,PM2.5已成为北京市人民身心健康的隐形杀手,基于数据的可获取性,从2014-2017年统计的数据中运用科学方法找出雾霾的关键成因,对未来的空气质量做出短期预测以及检验,从而了解如何更加有效预防和缓解首都的雾霾。

图1 北京市行政区划

研究方法:

一:灰色关联分析法:研究产业结构与雾霾污染的相关性,通过灰色关联分析评价北京三次产业结构和雾霾之间的相关性,此法为研究产业结构与雾霾之间的关系搭建了很好的桥梁。

技术路线如下:

(1)[1.产业结构的数据(参考序列);2 .致霾因素的数据(比较序列)]

(2)数据无量纲化处理

(3)计算关联系数

(4)计算关联度

二:灰色预测法:就是用灰色系统所做的预测。灰色系统是介于白色系统(全部信息已知)和黑箱系统(全部信息未知)之间的过渡系统。灰色预测法相对适合于研究数据样本量小的预测模型。技术路线:

(1)建立AQI指数序列并进行级比检验。

(2)建立GM(1,1)模型。计算发展灰度值a和内生控制灰度b,根据时间响应函数公式求得生成模型值以及还原值。

(3)模型检验,对比残差和相对误差,计算最终结果。

结果演示

由于雾霾天气大部分是由二氧化硫,氮氧化物以及组合物加上烟尘等构成的气溶胶混合物共同组成,因此选取SO2,氮氧化物作为可测指标,选取2014-2017年历年排放量来表征天气污染状况,将其与三次产业增加值做关联度分析,结果如下图所示。

简要分析

由表2得知,三次产业与雾霾关联度均大于0.5,说明本次计算有效,由结果看,近几年来,雾霾关联度最大的是第一产业,其次是第三产业,但是北京市各年第一产业增加值仅仅占地区生产总值的0.4%,可以说第一产业对于雾霾的贡献是有限的,但是在郊区以及京津冀周边的农村地区,依然存在着农业无序发展,滥砍滥伐以及家庭私自烧煤等一系列问题,这无疑对于环境是一种破坏。

那么第三产业为什么会远高于第二产业呢?我们不禁想到第三产业中依旧包含交通运输业,邮政仓储业,物流产业等等一系列对于雾霾有贡献的产业,而且根据北京市历年发展公报,这些产业年均增长依旧维持在12%左右,这就使得第三产业对于雾霾贡献率远远高于第二产业,交通和物流产业尤其是汽车尾气对于空气质量的影响,加上北京周边等城市往来北京等因素,使得大气的载荷水平远超出其自净化能力。

第二产业主要包括制造业等,不难看出,北京市近几年在传统制造业转型升级方面是下了大工夫而且卓有成效的,尤其是以首钢为代表的大型传统制造业搬迁和产业的新旧动能转换,极大地减少了制造业对于雾霾的贡献,而且从表1中也可以看出,北京市AQI年均指数逐年降低,对于雾霾贡献率最大的第一产业呈现下降趋势,对于我国即将迈入科技强国起重要作用的第三产业,其增加值逐年上升,这呈现出良好的发展势头,意味着在产业转型升级之后,不仅对经济,社会以及人民生活质量,还有我们的环境都产生了积极的影响,这也就是意味着在不就得将来,我们的子孙后代在享受经济增长带来的便利的同时,也能“看得见山,看得见水,记得住乡愁”,实现真正的可持续发展。

预测未来

科学技术的意义之一就是较高的预测准确率,基于以上计算和分析,我们通过选取2018.4.11—2018.4.20日10天的AQI数据,并利用灰色预测模型对北京未来10天(相对)的空气污染指数进行预测和检验,探究该预测模型对于预测未来AQI的适宜性,并且为治理雾霾提出相应建议。

初始时间序列X(0)=(50,78,64,122,66,104,142,144,170,173),经过一次累加生成的时间序列X(1)以及其他待计算的值均在MATLAB软件中实现,结果表明相对残差Q=0.0621,方差比检验C=0.4016,小误差概率P检验:P=0.8000。

通过检验,此法可用来预测短期内无规律的AQI指数。

绘制得到下图:

图2 灰色预测AQI指数预测值与实际值

北京市未来十天整体呈现良好状态,29日达到峰值,30日立即下降,交通管制等是有效减缓雾霾的重要原因。

北京市雾霾防治对策

(1)对市区工厂进行整治,对排放不达标的工厂强制停工整治;

(2)控制机动车污染物排放,政府加强对小排放车辆和电动车辆的补贴政策;

(3)在市区建立空气质量监测超级站,加强 PM2.5监测和研究,积极制定应急措施; (4)制定紧急预案,在重污染天气进行道路清扫、洒水以及车辆限行,敦促各企业制定应急措施等;

(5)严禁焚烧垃圾和有毒化学物质,建立专门的监督机构,鼓励市民举报,对违反的个人或机构保留追究责任的权利;

(6)在市区内和周边加大绿化面积,保证生态环境不再进一步恶化;

(7)鼓励公众绿色出行,不仅可以减轻空气污染现状,还可以缓解交通压力。