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北京市气候变化与大气污染的研究论文
北京市气候变化与大气污染的研究
摘要:
本文是通过处理大批的数据对北京市气候的变化和大气的污染做出评价并对其进行预测分析，既比较合理的解决了问题，又为以后的北京市气候的变化和大气污染的治理提供一个参考。
关键字：
气候变化、大气污染、时间序列、模糊模型
一、问题的提出：
目前,环境污染的日趋严重已构成一全球性重大问题,同时也是导致气候变暖的主要因素之一。
近年来，随着大规模的城市建设以及迅猛增加的机动车辆，北京大气环境质量发生了改变，北京大气污染已由煤烟型污染转为混合型污染。
大气污染直接危害居民身体健康，破坏生态环境，不利于城市的长远发展．为了改善大气环境质量，北京市采取了一系列措施控制大气污染问题，取得了一定成
效。
我们所要做的是结合北京近十年的气候变化数据和大气中主要的几种污染物含量来完成以下任务：
第一，利用实际数据分析北京市气候变化趋势，验证北京市是否存在气候变暖现象，如果存在，请给出变暖程度的度量。
第二，分析北京市大气污染情况，请选取适当的指标评价和度量大气污染情况及其变化趋势。
第三，研究大气污染和气候变化之间的关系。
二、问题的分析：
根据问题的要求，分三步来进行分析：
（1）、北京气候变化的分析；
（2）、北京大气污染情况的评价、度量及发展趋势；
（3）、将北京气候变化和大气污染联系起来，研究它们之间的关系；
其中给出了大量的数据，通过对数据的分析，了解数据的实际意义和预测数据的变化趋势。
北京气候变化的分析：
我们根据北京市近十二年每年的气温、降水量、气压，来分析气候变化和发展趋势，主要采用时间序列分析法得到每项指标十二年的平均值，并与每年的数据和标准值进行总体对比，从而可以得出北京气候的变化趋势，并验证北京是否会出现气候变暖。
北京大气污染情况的评价、度量及发展趋势：
给出的数据主要是从1998年到2009年大气中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、总悬浮颗粒的含量，来度量大气的污染情况，以及预测未来的发展趋势，主要采用模糊单因素评价、综合评价，就可以求得判定单因素的评价等级和空气质量级，因此就可以得到大气污染的情况，并根据历年来的空气质量级别来得到大气污染的变化趋势。
三、模型的建立和求解：
〈1〉北京气候变化的分析：
数据分析：
对北京气候变化的分析【2】，主要是分析1998年—2009年北京气温、降水量、气压的数据。
1999—2009年北京市气候变化数据统计表
年份
平均气温
最低平均
气温
日照时数
平均风速
平均气压
降水量（mm）
最高平均气温
1999
13.1
-12.2
2594
2.4
1012.5
266.9
41.9
2000
12.8
-15
2667.2
2.5
1012.7
371.1
39.4
2001
12.9
-17
2611.7
2.4
1012.9
338.9
39.6
2002
13.2
-12.8
2588.4
2.3
1012.7
370.4
41.1
2003
12.9
-15
2260.2
2.5
1013.3
444.9
37.6
2004
13.5
-12.9
2515.4
2.4
1012.6
483.5
38.9
2005
13.2
-11.5
2576.1
2.4
1012.8
410.7
38.9
2006
13.4
-14.7
2192.7
2.2
1012.5
318
37.3
2007
14
-11.7
2351.1
2.2
1012.6
483.9
37.3
2008
13.4
-13.5
2391.4
2.2
1012.6
626.3
36.3
2009
13.3
-12.2
2511.8
2.2
1012.9
480.6
39.6
图1-11999-2009年平均气温
图1-21999-2009最低平均气温
图1-31999-2009最高平均气温
图1-41999-2009降水量
图1-51999-2009平均气压
模型的建立：
时间序列分析【3】是一种广泛应用的数据分析方法，它研究的是代表某一现象的一串随时间变化而又相关联的数字系列（动态数据），从而描述和探索该现象随时间发展变化的规律性。
时间序列的分析利用的手段可以通过直观简便的数据图法、指标法、模型法等来分析，而模型法应用更确切和适用也比较前两种方法复杂，能更本质地了解数据的内在结构和复杂特征，以达到控制与预测的目的。
时间序列分析方法包括：
（1）确定性时序分析：
它是暂时过滤掉随机性因素（如季节因素、趋势变动）进行确定性分析方法，其基本思想是用一个确定的时间函数
来拟合时间序列，不同的变化采取不同的函数形式来描述，不同变化的叠加采用不同的函数叠加来描述。
具体可分为趋势预测法（最小二乘）、平滑预测法、分解分析法等；
（2）随机性时序分析：
其基本思想是通过分析不同时刻变量的相关关系，揭示其相关结构，利用这种相关结构建立自回归、滑动平均、自回归滑动平均混合模型来来对时间序列进行预测。
根据时序分析的方法，我们将对1999-2009年北京市气候参数（年平均气温及年平均降水量等参数）为时序数据，进行建模并预测。
我们从画出的走势图所示我们将选取移动平均法、指数平滑法、线性回归法对北京市气候变化参数进行分析。
模型的求解与数据的处理：
1、移动平均法：
根据1998—2009年北京市气候变化数据分析及移动平均法的理解，在此我们选择2005-2009五年的只进行预测，即n=5，并对平均气温和降水量进行分析，则分析预测结果如下：
平均气温预测值（摄氏度）
平均气温实际值（摄氏度）
降水量预测值
降水量实际值
14
13.53333
404.2
483.9
13.4
13.6
476.0667
626.3
13.3
13.56667
530.2667
480.6
结果分析：
由移动平均法预测得到的数据和图象所得结果可知近五年北京市的降水量和平均气温呈上升趋势，说明近五年北京气温存在变暖现象。
2、指数平滑法：
为了进一步观察北京市气候变化情况，在移动平均法的基础上我们运用指数平滑法对北京市气候变化做进一步预测。
根据1998—2009年北京市气候变化数据分析和移动平均法中取值n=5，我们选择
=0.3即阻尼系数1-
=0.7则可得预测值为：
年份
降水量（mm）
均方差
平均气温（摄氏度）
均方差
预测值
实际值
实际值
预测值
1999
266.9
13.1
2000
371.1
266.9
12.8
13.1
2001
338.9
298.16
12.9
13.01
2002
370.4
310.382
13.2
12.977
2003
444.9
328.3874
73.302
12.9
13.0439
0.224966
2004
483.5
363.3412
79.24034
13.5
13.00073
0.165868
2005
410.7
399.3888
102.6572
13.2
13.15051
0.326449
2006
318
402.7822
96.85259
13.4
13.16536
0.301345
2007
483.9
377.3475
85.15496
14
13.23575
0.319779
2008
626.3
409.3133
78.88682
13.4
13.46503
0.462451
2009
480.6
474.4093
147.9016
13.3
13.44552
0.463092
模型分析:
由指数平滑预测得到的数据和图像所得结果可知近十年北京市的降水量和平均气温呈上升趋势，说明北京气温存在变暖现象。
3、线性回归模型：
3.1最高平均气温线性回归分析：
结果分析：
最高气温的回归性不时很好，说明每年的最高气温是有较大的波动的MultipleRRSquare不是很接近1，很明显线性度不是很好，可知F值等都很小，所以更进一步说明了线性度不好，从图中我们可以判断出未来的每年的最高温度是和预测值有偏差的而且很有可能高于预测值。
3.2最低平均气温线性回归分析：
3.3平均气温线性回归分析：
结果分析：
很明显图中表明每年的平均气温是分布是非线性的，2005年以后
开始上升既而有下降可知未来的年平均气温是有上升趋势的，但是也会有下降但是总体是上升的。
3．4降水量线性回归分析：
结果分析：
有上面综合分析可知；年最低温度的变化是非线性的，它和预测值有偏差其大多数低于预测，所以未来走向也会这样。
〈2〉北京大气污染情况的评价、度量及发展趋势：
数据分析：
北京大气污染情况的分析，只要是分析1998年—2009年北京大气中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、总悬浮颗粒这四项污染物的含量。
1998—2009年北京市大气污染指标[12]
年份
二氧化硫
二氧化氮
一氧化碳
总悬浮颗粒物
单位
1998
0.12
0.074
3.3
0.378
毫克/立方米
1999
0.08
0.077
2.9
0.364
2000
0.071
0.071
2.7
0.354
2001
0.064
0.071
2.6
0.37
2002
0.067
0.076
2.5
0.373
2003
0.061
0.072
2.4
0.252
2004
0.055
0.071
2.2
0.149
2005
0.05
0.066
2
0.142
2006
0.053
0.066
2.1
0.161
2007
0.047
0.066
2
0.148
2008
0.036
0.049
1.4
0.122
2009
0.034
0.053
1.6
0.121
模型的建立：
确定评价因素：
根据北京市空气质量监测的观测资料,选取二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、总悬浮颗粒四项污染物作为评价因素【7】。
数据处理：
以下是1998—2009年四种主要大气污染物变化曲线：
分析：
由以上四幅图可以看出来二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、总悬浮颗粒的含量在逐年下降。
根据北京市环保局公布的关于空气污染物的级别和专家评分，利用上述模糊综合评价方法,计算得北京市各项大气污染物的
单因素评价结果（仅列出1998年）,以及考虑三项污染物权重的综合评价结果见下表：
1998年北京空气环境质量评价表
1998年北京空气环境质量评价结果
污染物名称
个级别隶属度
一级
二级
三级
四级
单因素总评
二氧化硫
0.33
0.67
0
0
1.67
二氧化氮
0.84
0
0.15
0.06
1.31
一氧化碳
0.52
0
0.27
0.02
1.88
总悬浮颗粒
0
0
0.23
0.024
2.42
总评价结果
0.29
0.21
0.23
0.25
1.76
1998—2009年北京市空气环境综合评价表：
北京市空气环境综合评价表
年号
综合评价指标H
二氧化硫
二氧化氮
一氧化碳
总悬浮颗粒
三项总评
总评等级
1998
1.67
1.31
1.88
2.42
1.76
二级
1999
1.65
1.11
1.84
2.44
1.79
二级
2000
1.63
1.21
1.83
2.43
2.31
二级
2001
1.62
1.1
1.83
2.41
1.76
二级
2002
1.62
1.12
1.82
2.39
1.74
二级
2003
1.61
1.1
1.74
2.4
1.7
二级
2004
1.6
1.14
1.73
2.23
1.69
二级
2005
1.59
1.15
1.72
2.24
1.69
二级
2006
1.58
1.13
1.71
2.23
1.7
二级
2007
1.58
1
1.73
2.19
1.69
二级
2008
1.15
1
1.69
2.11
1.56
二级
2009
1.54
1
1.67
1.13
1.51
二级
结论：
北京市空气环境质量状况呈逐年提高趋势，总的来看空气环境质量基本达到二级标准。
根据环保局公布的数据我们取其每年的平均值来进行研究，经专家评分选取适当的权重来进行模糊评价，不仅能够得到单项污染物的评价结果,而且考虑到各项污染物的权重,得到北京市大气污染的综合评价结果，能够充分说明北京市空气质量较好。
参考文献：
【1】徐建华.计量地理学.高等教育出版社。
【2】[ICP备案编号:
京ICP备05083564]号版权所有北京市环境保护局《1998-2009年北京环境状况公报》2011-5-20；
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