（工程力学专业论文）城市灰霾预测和控制方法的研究及应用.pdf

城市灰霾预测和控制的方法研究及应用 工程力学( 智能交通方向) 博士生：刘永红 指导老师：余志教授 摘要 随着近年来珠江三角洲地区机动车保有量的快速增长，灰霾在广州、深圳、 佛山、东莞、香港等地频繁出现，不仅严重危害这些城市居民健康，还不同程度 地降低交通安全，引发交通事故。如何解决灰霾污染问题，其中必不可少的环节 是开展灰霾预测和控制方法的研究。 本文首先提出了一种灰霾预测方法。该方法以p m l o ( 直径在l o a m 以下的 颗粒物) 日平均浓度为灰霾判定依据，来预测不同等级灰霾发生概率。研究以广 州为试点，采用s p s s ( s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o r t h es o c i a ls c i e n c e s ) 对城市空气质 量、气象参数的监测数据和灰霾天气记录的收集数据进行频数和描述性分析，得 出灰霾与p m l o 日平均浓度之间的影响关系，归纳出灰霾从形成到消失通常需要 经历的“灰霾累积期专出现灰箍专灰霾持续期专灰霾消失”的过程，确定了以 p m l o 日平均浓度为灰霾形成的判定依据：并根据中国大陆p m l o 污染指数的分级 标准将灰霾划分为5 个等级，建立了灰霾等级指数。 p m l o 日平均浓度预测是灰霾预测方法的主要内容之一。本文建立了基于b p 神经网络的p m l o 日平均浓度预测模型。该模型以被预测日的风速、风向、气压、 气温、湿度、太阳辐射强度、降雨量和被预测日前4 天的p m l o 日平均浓度为输 入神经元，以被预测日的p m l o 日平均浓度为输出神经元。并将预测值与实测值 进行比较，结果表明，预测值与实测值的平均相对误差较小，且预测值与实测值 具有较理想的相关性，验证了该模型的可靠性，从而验证了灰霾预测方法的可靠 性。 减少污染物排放量是最直接的控制灰霾途径之一。由于在广州等大城市机动 车尾气成为引发城市灰霾的主要因素之一，且机动车尾气排放地点集中在城区的 交通主干线上，因此，本文在假定其它污染源排放保持不变的条件下，根据灰霾 形成所需的累积效应，提出了一种基于城市当量机动车容量的灰莛控制方法。首 先在高斯点源扩散模型的基础上推导出道路线源扩散模式，建立了污染源排放与 区域内p m l o 日平均浓度之间的响应关系；再分析在p m l o 日平均浓度达到灰霾控 制目标的情况下，在控制周期内该区域所能容纳的污染物允许排放量，最后根据 当量机动车定义、年平均行驶里程等参数，折算出控制周期内所能容纳的当量机 动车数目。 最后，在上述理论研究的基础上进行了应用开发的研究，开发了具有一定特 色功能和应用价值的城市空气质量预测与控制系统。系统通过交通源模拟模块、 工业源模拟模块、灰霾预测模块和容量控制模块等对城市空气质量进行预测和对 大气环境容量进行测算与分配，来实现城市空气预测与控制的功能。并通过三个 较为典型的p r a i n a i c s 交通仿真与机动车尾气扩散模型结合的实例应用、在惠州 市大气环境监测优化布点上的实例应用、基于城市当量机动车容量灰霾控制实例 应用，在一定程度上表现了该系统的功能特色和应用领域。 关键词：灰霾预测和控制；p m l o 日平均浓度；当量机动车容量；b p 神 经网络：s p s s s t u d ya n da p p l i c a i o no ft h em e t h o df o rp r e d i c t i n ga n d c o n t r o l l i n gt h eu r b a n h a z e e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：l i uy o n g h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uz h i a b s t r a c t w i t hv e h i c l e si n c r e a s i n gr a p i d l ya m u n dp e a dr i v e rd e l t a ，t h eh a z eo c c u r s f r e q u e n t l yi nm e t r o p o l i s ，s u c ha sg u a n g z h o u ，s h e n z h e n ，f o s h a n ，d o n g g u a n g 。 a n dh o n gk o n g t h eh a z ep u t st h eh e a l t ho ft h eu r b a nr e s i d e n t sa td s k ，a n d h a sa na d v e r s ea f f e c t so nt r a f f i c o n ea ft h en e c e s s a r ya n de f f i c i e n tw a y st o p r e v e n ta n dc u r et h eh a z ei st h ef o c u so ns t u d y i n gt h em e t h o df o rp r e d i c t i n g a n dc o n t r o l l i n gt h eh a z e am e t h o do fp r e d i c t i n gt h eo c c u r r e n c eo fh a z ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , o fw h i c hp r o b a b i l i t yo ft h eh a z eo c c u r r e n c ew i t hd i f f e r e n tl e v e l si sp r e d i c t e d a c c o r d i n gt op m l 0d a i l ya v e r a g ec o n c e n t r a t i o n a f t e rt h ec o n c e n t r a t i o no f p o l l u t a n t s ，m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dh a z er e c o r d si ng u a n g z h o ua r e s t a t i s t i c a l l ya n a l y z e di nd e s c r i p t i v ea n df r e q u e n c yb ys p s s ，t h ec o n c l u s i o ni s d r a w nt h a tt h eh a z eo c c u r r e n c eh a sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pw i t hp m l 0d a i l y a v e r a g ec o n c e n t r a t i o n ，a n dt h es t e a d ya c c u m u l a t i o n o ft h e p o l l u t a n t i s g e n e r a l l yn e c e s s a r yt ot h e h a z eo c c u r r e n c e s ot h ep m l 0d a i l ya v e r a g e c o n c e n t r a t i o ni sc o n f i r m e da st h ei n d e xf o rd e f t n i n gt h eh a z e a n dt h e nt h e h a z eg r a d ew i t hf i v el e v e l si se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt op m l o a p ic l a s s i f i c a t i o n i nc h i n e s em a i n l a n d o n eo ft h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h i sm e t h o di st op r e d i c tt h ep m l od a i l y a v e r a g ec o n c e n t r a t i o n t h ea r t i f i c i a lb pn e u r a ln e t w o r km o d e lo fp r e d i c t i n g t h ep m l 0d a i l ya v e r a g ec o n c e n t r a t i o ni se s t a b l i s h e d ，i nw h i c hw i n ds p e e d ，w i n d d i r e c t i o n ，a i rp r e s s u r e ，a t m o s p h e d ct e m p e r a t u r e 。r e l a t i v eh u m i d i t ya n ds o l a r r a d i a t i o no ft h ep r e d i c t e dd a ya n dt h ep m l 0d a i l ya v e r a g ec o n c e n t r a t i o no ff o u r d a y sb e f o r et h ep r e d i c t e dd a ya r ea d o p t e da si n p u tn e t w o r kc e l l s ，a n dt h e p m l 0d a i l ya v e r a g ec o n c e n t r a t i o n i s a d o p t e da so u t p u t n e t w o r kc e l l s m c o m p a n s o n sb e t w e e np r e d i c t e da n da c t u a lr e s u l t sa r em a d ea n dp r e d i c t e d e r r o rc a l c u l a t e da st h ea b s o l u t ep e r c e n te r r o ri si i t t l e w h a t sm o r e t h e p r e d i c t e dv a l u e sh a v eac o m p a r a t i v e l yi d e a lr e l a t i o nw i t ha c t u a lv a l u e s s oi t i s c o n f i r m e dt h a tt h em o d e lo fp r e d i c t i n gt h ed a i l ya v e r a g ep m l 0c o n c e n t r a t i o n a n dt h em e t h o df o rp r e d i c t i n gt h eh a z ea r er e l i a b l e o n eo ft h ed i r e c ta n de f f i c i e n tw a y st oc o n t r o lt h eh a z ei st or e d u c e e m i s s i o n s f o rv e h i c l ee m i s s i o n sg e n e r a t e di nm a i nt r a f f i cr o a do ft h ec i t yz o n e i so n eo ft h em a j o rf a c t o r st or e s u l ti nt h eh a z eo c c u r r e n c e ，am e t h o df o r c o n t r o l l i n gt h eh a z eb a s e do nu r b a ne q u i v a l e n tv e h i c l ec a p a c i t yi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ea c c u m u l a t i v ee f f e c ti nt h eh a z ef o r m a t i o np r o c e s s e s f i m to f a 1 1 t h e r ei sa na s s u m p t i o nt h a tt h eo t h e re m i s s i o n sa r ec o n s t a n t t h ei i n e a r r e s o u r c ed i s p e r s i o nm o d e lb a s e do nt h eg a s u s s i a np o i n te m i s s i o nd i s p e r s i o n m o d e li sf i r s t l yd e v e l o p e dt oe s t a b l i s ht h er e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e n v e h i c l ee m i s s i o n sa n dt h ep m l 0d a i l yc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h e nt h ev e h i c l e e m i s s i o n sc a p a c i t yi nt h ec o n t r o l l i n gr e g i o ni sa n a l y z e d 计t h ep m l 0d a i l y c o n c e n t r a t i o nr e a c h e st h ew a m i n gl e v e lo fc o n t r o l l i n gt h eh a z e a tl a s t ，u r b a n e q u w a l e n tv e h i c l ec a p a c i t yi sc a l c u l a t e di ft h ee m i s s i o nf a c t o ro fe q u i v a l e n t v e h i c l ea n da n n u a lt r a v e ld i s t a n c e sa r ek n o w n a tl a s t ，t h es y s t e mo fp r e d i c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h eu r b a na i rq u a l i t yi s d e v e l o p e do nt h eb a s i so fa b o v et h e o d e s t h es y s t e mf u n c t i o ni si m p l e m e n t e d b yt h em o d u l eo fv e h i c l ee m i s s i o nm o d e l i n g ，i n d u s t r i a le m i s s i o nm o d e l i n g ，t h e h a z ep r e d i c t i n ga n dt h es u b s y s t e mo fe q u i v a l e n tv e h i c l ec a p a c i t yc o n t r o l l i n g 。 w h i c hc a np r e d i c tt h eu r b a na i rq u a l i t y , c a l c u l a t ea n dd i s t r i b u t et h ec a p a c i t y a n dt h e nt h es y s t e mi sa p p l i e dt od i f f e r e n to c c a s i o n s t h r e er e p r e s e n t a t i v e a p p l i c a t i o nc a s e sa r ef o i l o w e d ，t h ef i r s ti st h ec o m b i n a u o no fp r a m a i c sa n d v e h i c l ee m i s s i o nd i s p e r s i o nm o d e l ，t h es e c o n di st h eo p t i m u ms e t u po ft h e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o d n gs t a t i o n si nh u i z h o uc i t y , a n dt h et h i r di s a n a p p l i c a t i o no fc o n t r o l l i n gt h eh a z eb a s e do nu r b a ne q u i v a l e n tv e h i c l ec a p a c i t y t h e s ec a s e ss h o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n da p p l i c a t i o n si ns o m e e x t e n t k e yw o r d s ：p r e d i c t i o na n d c o n t r o lo ft h eh a z e ；t h ep m l 0d a i l y c o n c e n t r a t i o n ；t h ee q u i v a l e n tv e h i c l ec a p a c i t y ；t h ea r t i f i c i a lb pn e u r a ln e t w o r k ； s p s s 1 1 研究背景 第1 章绪论 城市是人类社会经济和文化发展的产物，世界各国国际大都市发展的历程， 实际是经济与资源和环境的协调发展过型”。在经济高速发展的今天，城市作为 贸易、金融、交通、信息的中心，使世界经济系统逐步演变为城市系统。以高经 济增长速度和高人口密度为特征的城市，是当今环境问题的焦点，解决城市环境 问题是世界各国面临的长期任务【2 】。 中国是一个发展中国家，在经济高速发展过程中，大气环境污染问题越来越 凸现出来。据2 0 0 2 年统计，全国5 0 0 多座城市中，空气质量符合世界卫生组织标 准的不到1 ，城市空气污染已成为一个日益严重的问题p 】。但近几年来，随着 政府对环境污染问题的重视，加大了大气环境污染治理与控制力度，城市空气质 量开始逐渐好转。从国家环境保护总局公布的( 2 0 0 5 年中国环境状况公报可知 4 ：2 0 0 5 年城市空气质量总体较上年有所好转，但部分城市污染仍然严重。在监测 的5 2 2 个城市中，地级以上城市3 1 9 个，县级城市2 0 3 个。其中，空气质量达到一 级标准的城市2 2 个( 占4 2 ) 、二级标准的城市2 9 3 个( 占5 6 1 ) 、三级标准 的城市1 5 2 个( 占2 9 1 ) 、劣于三级标准的城市5 5 个( 占1 0 6 ) 。与上一年相 比，城市空气质量达到或优于二级的城市比例比上年增加1 2 6 个百分点；劣于三 级的城市比例比上年减少9 9 个百分点。 但是，多方资料表明，旧的城市空气污染问题未能得到彻底的解决，新的问 题又呈现出来圈。我国是一个以煤炭为主要能源结构的国家，其污染类型一直表 现为煤烟型污染特征，城市大气环境污染问题主要由工业污染排放造成的。然而， 随着近年来能源结构的变化、工业污染源治理技术和手段的日趋成熟、大型污染 排放企业搬离城区，工业污染排放得到了有效的控制。但随着机动车保有量的迅 速增长，机动车尾气已经成为城市大气的主要污染源，严重影响城市空气质量， 并导致了城市严重空气污染情况频繁发生，尤其在珠江三角洲地区，广州、东莞、 佛山灰霾频繁出现。 1 1 1 机动车保有量持续快速增长 自1 9 9 9 年以来，全国机动车保有量持续增长，每年增长率达1 0 ，私家车 保有量也在快速增长，每年增长率高达2 0 。截至到2 0 0 4 年底，全国机动车拥 有量达到l1 5 4 4 1 2 万辆，私家车保有量1 4 8 1 万辆旧。我国机动车保有量的变化 见表1 1 。 全国机动车保有量分布呈现明显的地域特征。在北京、上海、广州等大城市， 机动车保有量较高。从2 0 0 4 年这个三个城市的机动车保有量来看，机动车拥有 量超过了1 7 0 万辆，占全国机动车保有量的1 6 。并且，机动车保有量和私家车 保有量的快速增长趋势在这三个城市尤其明显。表1 - 2 、表l 一3 表示了近年来北 京、上海、广州机动车保有量、私家车的变化。 表1 - 1近年来全国机动车保有量和私家车保有量的变化 ( 注：资料来源于2 0 0 0 年2 0 0 5 年中国统计年鉴【6 卜一【1 1 】，表中“n a ”表示记录“空”， 其它表均同) 表1 2 近年来北京、上海、广州机动车保有量的变化 2 ( 注：资料来源于2 0 0 0 年2 0 0 5 年中国统计年鉴嗍【l l 】，2 0 0 0 年2 0 0 6 年广州统计 年鉴1 1 2 【1 8 】，2 0 0 6 年北京统计年鉴 1 9 1 ，2 0 0 6 年上海统计年鉴) 表1 - 3 近年来北京、上海、广州私家车保有量的变化 ( 注：资料来源于2 0 0 0 年 2 0 0 5 年中国统计年鉴【6 j 【l i 】，2 0 0 0 年 2 0 0 6 年广州统计 年鉴1 1 2 】【，2 0 0 6 年北京统计年鉴【1 9 】，2 0 0 6 年上海统计年鉴) 1 1 2 机动车尾气排放对城区空气质量的影响 随着机动车保有量和行驶里程的迅速增加，机动车尾气排放量也逐年增加。 与排放地点主要分布在城郊的工业排放源不同，机动车尾气排放地点多数发生在 道路网密集、交通繁忙的城区，因此，在城市中心区域的大气污染物排放量中， 机动车尾气排放量所占比例高。 以上海市为例，2 0 0 2 年上海市共有6 3 6 3 个固定源，消耗燃煤3 0 8 0 x 1 0 4 t a ，燃 油2 0 9 , , 1 0 4 t a 和燃气3 7 x 1 0 s m 3 a 2 。固定源共排放n o 。3 1 1 3 x 1 0 4 t a ，其中高架源排 放占5 8 ，中架源排放占2 4 ，其余为低架源和面源排放。机动车n 仉排放总量 为8 1 5 x 1 0 4 t a ，主要来源于重型柴油车，据统计重型柴油货车排放占机动车排放总 量的4 0 ，重型柴油客车排放占2 3 ，小汽车排放约占9 。从排放量的区域分 布可见，在上海市中心城区内( 内环线以内地区) 机动车是n o x 的最直接排放源， 达至j 8 1 ；而在内外环间的城市化地区和外环外郊县地区，固定源排放为主要来 源，机动车排放分别占3 0 和1 3 ；从全市平均水平看，机动车排放远不如固定 源明显，仅为2 1 左右。表l - 4 表示了2 0 0 2 年上海市n o ，排放总量情况。 表1 - 4 2 0 0 2 年上海市n o 。排放总量( 单位：x 1 0 4 t a - i ) ( f l z ：资料来源于上海市城市交通白皮书f 2 a 1 ) 由于机动车尾气排放地点集中在城区，因此，城区机动车尾气污染高于城 市其它区域，污染物浓度超标的区域往往集中在人口稠密、道路网密集、交通繁 忙的地区。上海市自1 9 9 7 年实施车用汽油无铅化、严化新车排放标准、加强机 动车排污管理以来，全市和城区n o i 污染开始缓解。2 0 0 2 年全市和城区n o ；年 平均浓度为o 1 0 6 9 m g m 3 和0 1 0 8 4 m g m 3 ，与1 9 9 7 年相比分别下降了5 和1 4 。但中心城区的主要交通干道两侧n o 。小时平均浓度保持在0 1 2 9 1 1 6 8 m g m 3 ，日均值超标率为1 0 0 ( 按g b 3 0 9 5 2 1 9 9 6 原n o , 日平均浓度二级标 准：0 110 m g m 3 计算) 。随着城市化和机动化进程加快，机动车尾气排放分担率 和浓度分担率将呈现逐渐增加的趋势。 另外，存在其它三方面的原因加重了机动车尾气对城区空气的污染程度：( 1 ) 由于城市交通道路建设严重滞后于机动车发展速度，道路通行能力低，经常出现 塞车情况，交通不畅导致机动车尾气排放污染物增加；( 2 ) 由于机动车特别是 出租车、公交车行驶大多集中在城市中心区道路，出租车、公交车持续行驶距离 4 很短，怠速和减速的运行时间长，大部分行驶里程依靠加速过程来完成，增加了 机动车尾气排放量；( 3 ) 由于城市的快速扩张，道路两旁建筑物布局、高度设 计不当，并且气候条件恶化等不利于尾气扩散的因素，加重了机动车尾气的污染 程度。 1 1 3 机动车尾气引发灰霾现象日趋严重 从上一节中可知，城市机动车数量的快速增加所导致的城市机动车尾气排放 量的不断上升，不仅对城区空气质量造成影响，而且在一些城市，由于客观上造 成的污染扩散能力差，还常常引发城市严重污染事件。如地处珠江三角洲北端的 广州频繁发生灰霾现象主要由此引发。 灰霾又可称为霾或烟霞【2 3 1 。在气象词典中霾被解释为；大量极细微的干尘 粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于l o k m 的空气普遍混浊现象。霾使远 处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体微带蓝色。在国内实际气象业务中，如何 来判定灰霾，全国没有统一的标准，广东省则以能见度 l o k m 和湿度 7 0 为灰 霾判定标准。 目前我国霾现象形势相当严峻，许多大大小小的城市都有霾现象的发生。 2 0 0 4 年是我国有史以来霾现象报道最多的一年，其中发生较严重的城市有广州、 北京、南京、杭州、上海、大连、青岛、重庆、怀化、西安、香港等。从大的区 域范围看，我国存在着4 个明显的灰霾区：黄淮海地区、长江河谷、四川盆地、 珠江三角洲。此外，由于中国地域宽广，观测力量有限，还存在大量未观测区域， 因此，实际发生过灰霾的地区比有记录的要多得多【硎。 虽同为灰箍，珠江三角洲出现的灰霾却与其它三个地区有不同之处：黄淮海 平原等地，灰霾只出现于一年当中的某个时段，是季节性的，而珠三角的灰霾却 是春、夏、秋、冬常年存在；而且，由于特殊的逆流层常年存在，珠三角灰霾比 其它三个地区严重得多。尤其是每年秋、冬、春三季，如果没有冷空气翻越南岭 带来降水，灰霾几乎成为了人们生活的常态，频频出现。近年来，珠江三角洲灰 霾日趋严重，灰霾持续出现的天数逐年增加，其分布以广州为中心。图1 1 为2 0 0 5 年灰霾日在广东的分布图，图1 - 2 为广州灰霾日的外观图。 珠江三角洲各城市出现灰霾情况如下 2 4 2 5 】 2 6 j ： ( 1 ) 广州 近年来，广州地区出现灰霾的天数有逐年增大的趋势，能见度已日趋恶化， 空气质量交得越来越糟糕，令人担忧。据广东省气象局近3 年的统计数据：2 0 0 2 年，广州灰霾8 5 天；2 0 0 3 年，9 8 天；2 0 0 4 年，广州灰霾达到了1 4 4 天，2 0 0 5 年 这个数字有所回落，为1 3 2 天。图1 3 为1 9 5 4 2 0 0 5 年广州灰霾出现的天数分布。 分析表明，在过去的两年中，每五天，广州市民就有两天是在灰霾中度过的，也 就是说，广州5 天中就有两天灰霾，比2 0 0 3 年出现次数多了近5 0 。在灰霾的 总天数增加的过程中，灰霾连续出现的天数也在逐年增加。2 0 0 3 年连续灰霾最 长是1 5 天，2 0 0 4 年增至2 0 多天。 图1 - 12 0 0 5 年灰霾日在广东的分布 图1 - 2 灰霾笼罩下的广州城 ( 图中颜色越深的地区，灰霾天越多) ( 注：图片来源于文献【2 5 】 2 6 】) 曩 、 f i 。、p f 一 y h ， 一- 图1 3 广州1 9 5 4 2 0 0 4 年灰霾出现天数分布 ( 注：图表来源于文献【2 4 】) 6 ( 2 ) 佛山、东莞 从已统计出的灰霪天数上看，广州还不是珠三角地区灰霾最严重的城市。 2 0 0 3 年，佛山灰霾天数最多，有1 5 9 天；2 0 0 4 年东莞超越了佛山成为第一，有 1 9 0 天出现灰霾；2 0 0 5 年东莞继续保持第，不过数量回落到了1 6 5 天。 ( 3 ) 深圳 2 0 0 3 年，有1 3 1 天出现灰霾天气，也就是说，在这一年中，每三天，深圳 人就有一天多是在灰霾中度过的。在建市初的1 9 8 0 年，这个数字为零。1 3 1 天 的灰霾，也是深圳历史上从没有过的。在2 0 0 4 年的前四个月里，灰霾依旧：一 月，2 3 天；二月，1 2 天；三月，1 3 天；四月8 天，其中3 0 天有轻雾。历史上 全年霾日超过1 0 0 天的仅有3 次，分别为2 0 0 3 年，1 9 9 9 年和1 9 9 6 年。其中2 0 0 3 年1 2 月份共有2 9 天出现了霾，是历史上出现霾现象最多的月份。 ( 4 ) 香港 灰霾的逐年加重，不仅在广州。2 0 0 5 年1 月香港天文台公布了当地的能见 度长期变化趋势，显示出近年来香港的浑浊天数正逐年增多，2 0 0 4 年，低能见 度天气出现率达到了创历史纪录的1 8 ，也就是5 - 6 天里有一天灰霾。 频繁出现的灰霾现象，不仅影响居民生活，严重危害城市居民健尉拥。灰 霾粒子很容易沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起鼻炎、支气管炎等病症，长期 处于这种环境还会诱发肺癌，且灰霾日能见度非常低，还容易引发交通事故，降 低交通安全水平等。 1 2 研究目标和内容 基于上述研究背景，本文将以城市空气质量监测、气象参数的监测和灰霾天 气记录的收集为主要内容的大气灰霾实验为基础来开展灰霾预测和控制方法的 研究。因此，本论文的研究目标建立一套灰霾预测与控制方法，不仅为其它学者 开展灰霾预测、控制、危害评价等理论研究提供了可参考的资料和研究思路，还 为政府部门防治灰霾提供了一定的技术支持。 主要研究内容包括：灰霾形成过程及其影响因素的研究、确定灰霾判定依据 和灰霾等级指数、城市机动车容量测算方法、研究城市空气质量预测与控制系统、 系统应用实例分析等。 1 3 论文结构 本文内容组织如下： 第一章为绪论，主要阐述了论文的研究背景及意义、研究目标和内容、论 文结构。 第二章为文献综述。首先从灰霾化学成分分析、灰霾与空气污染的关系、健 康危害等叙述了灰霾预测方法的研究进展，接下来从大气环境总量测算方法的角 度叙述了大气环境容量总量控制方法的研究进展，最后对现有研究进行了总结。 第三章主要讲述灰霾预测方法。该方法以p m l o 日平均浓度为灰霾判定依据， 来预测不同等级灰霾发生概率。研究以广州为试点，采用s p s s 对城市空气质量、 气象参数的监测数据和灰霾天气记录的收集数据进行频数和描述性分析，得出灰 霾与p m l o 日平均浓度之间的影响关系，归纳出灰霾形成通常需要经历一定的累 积过程的规律，从而确定了以p m l o 日平均浓度为灰霾形成的判定依据；并根据 中国大陆p m l o 污染指数的分级标准将灰霾划分为5 个等级，建立了灰霾等级指 数与警报等级。 p m i o 日平均浓度预测是灰霾预测方法的主要内容之一。本章建立了基于b p 神经网络的p m l o 日平均浓度预测模型。该模型以被预测日的风速、风向、气压、 气温、湿度、太阳辐射强度、降雨量和被预测日前4 天的p m i o 日平均浓度为输 入神经元，以被预测日的p m l o 日平均浓度为输出神经元。并对模型进行了验证。 第四章主要讲述基于城市机动车容量的灰霾控制方法的研究。首先提出了基 于城市机动车容量的灰霾控制方法：假定其它污染源排放保持不变，在现有机动 车尾气排放格局条件下，根据当地灰霾累积期内的气象条件，建立污染源排放与 区域内p m l o 日平均浓度之间的响应关系，分析在p m l o 日平均浓度达到灰霾控制 目标的情况下，区域内所能容纳的机动车数量。并在高斯点源扩散模型的基础上 推导出道路线源扩散模式，建立了污染源排放与区域内p m l o 日平均浓度之间的 响应关系，推导出区域内所能容纳的当量机动车数量的计算公式，从而实现了基 于城市当量机动车容量的灰霾控制方法。 第五章主要叙述了城市空气质量预测与控制系统的开发，是第三章和第四 章理论研究结果的应用。主要从系统功能结构、软件设计架构、开发技术等方面 阐述了城市空气质量预测与控制系统的开发。从系统的软件设计架构上来说，系 统具有应用层、业务逻辑层、数据服务层；从功能上讲，系统可通过交通源模拟 模块、工业源模拟模块、灰霾预测模块来对城市空气质量进行预测，并可通过容 量控制子系统的模块对预测结果进行容量测算和容量分配，从而实现气质量控制 功能。该系统具备一定的实用价值。 第六章为系统应用实例分析。通过三个较为典型的p r a m a i c s 交通仿真与机 动车尾气扩散模型的结合实例应用、在惠州市大气环境监测优化布点上的实例应 用、基于城市当量机动车容量灰霾控制实例应用，在一定程度上表现了该系统的 功能特色和应用场合。 第七章总结了论文的主要创新点与贡献，并对进一步的研究工作提出了建议 和设想。 参考文献 1 马光环境与可持续发展导论北京：科学出版社，2 0 0 0 2 常元勋环境中有害因素与人体健康北京：化学工业出版社，2 0 0 4 3 吴忠标，李伟，王莉红城市大气环境概论北京：化学工业出版社，2 0 0 2 年 4 国家环保总局2 0 0 5 年中国环境状况公报h t t p ：w w s e p a g o v c n e i e 6 4 9 3 6 8 3 1 1 7 7 9 2 9 5 2 3 2 2 0 0 6 0 6 1 2 1 8 6 7 2 s h t m l 2 0 0 6 年6 月 5 张远航，邵敏，俞开横机动车尾气排放、环境影响及控制一以广州市为例 北京：化学工业出版社，2 0 0 4 6 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 5 北京：中国统计出版社， 2 0 0 5 年 7 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 4 北京：中国统计出版社， 2 0 0 4 年 8 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴- 2 0 0 3 北京：中国统计出版社， 2 0 0 3 年 9 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 2 北京：中国统计出版社， 2 0 0 2 年 1 0 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴- 2 0 0 1 北京：中国统计出版社， 2 0 0 1 年 1 i 中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 0 北京：中国统计出版社， 9 2 0 0 0 年 1 2 广州市统计局广州统计年鉴- 2 0 0 0 北京：中国统计出版社，2 0 0 0 1 3 广州市统计局广州统计年鉴2 0 0 1 北京：中国统计出版社，2 0 0 1 1 4 广州市统计局广州统计年鉴2 0 0 2 北京：中国统计出版社，2 0 0 2 1 5 广州市统计局广州统计年鉴2 0 0 3 北京：中国统计出版社，2 0 0 3 1 6 广州市统计局广州统计年鉴- 2 0 0 4 北京：中国统计出版社，2 0 0 4 1 7 广州市统计局广州统计年鉴- 2 0 0 5 h t t p ：w w w g z s t a t s g o v e u t j s j t j n j 2 0 0 6 1 0 2 3 1 61 6 10 h t m 1 8 广州市统计局广州统计年鉴- 2 0 0 6 h t t p ：w w w g z s t a t s g o v c n t j s j t j n j 2 0 0 7 3 5 1 0 4 7 43 h t m 1 9 北京市统计局北京统计年鉴一2 0 0 6 h t t p ：w w w b j s t a t s g o v c n t j n j 2 0 0 6 - t j n j 2 0 上海市统计局2 0 0 6 年上海统计年鉴h t t p ：w w w s t a t s s h g o v c n 2 0 0 4 s h t j t j n j t j n j 2 0 0 6 h t m 2 1 上海市人民政府上海市城市交通白皮书上海：上海人民出版社，2 0 0 2 年 2 2 吴兑关于霾与雾的区别和灰霾天气预警的讨论气象，2 0 0 5 ，3 1 ( 4 ) ：3 0 2 3 世界气象组织气象学词典科学出版社1 9 7 7 ，1 1 6 - - 1 1 7 2 4 张保安，钱公望中国灰霾历史渊源和现状分析环境与可持续发展，2 0 0 7 年 第1 期：5 6 5 8 2 5 中国评论新闻网h t t p ：w w w e h i n a r e v i e w n e w s t o m 2 0 0 6 4 2 0 2 6 南方网h t t p ：w w w s o u t h c n c o m n e w s g d n e w s g d t o d a y i m p o r t a n t 2 0 0 5 0 3 1 6 0 2 0 5 h t m 2 0 0 5 3 1 6 2 7 r e b e c c al ，w e n d ym ，n i c h o l a sh ，e ta 1 n i 仃o g e nd i o x i d ei n d u c e sd e a t hi nl u n g e p i t h e l i a lt e n si nad e n s i t y - d e p e n d e n tm a n n e r a m e r i c a nj o u r n a lo fr e s p i r a t o r y c e l la n dm o l e c u l a rb i o l o g y , 2 0 0 1 2 4 ：5 8 3 ，5 9 0 1 0 第2 章文献综述 2 1 城市灰霾预测方法研究进展 灰霾作为一种污染现象，其形成主要有三方面因素。一是水平方向静风现象 的增多。近年来随着城市建设的迅速发展，大楼越建越高，增大了地面摩擦系数， 使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气污染物向城区外围扩展稀 释，并容易在城区内积累高浓度污染。二是垂直方向的逆温现象。逆温层好比一 个锅盖盖在城市上空，使上空出现了高空比近空气温更高的逆温现象。污染物在 正常气候条件下，从气温高的近空向气温低的高空扩散，逐渐循环排放到大气中。 但是逆温现象下，近空的气温反而更低，导致污染物停留在近空，排放不出去。 三是近些年来，随着工业化、城市化、交通运输现代化的迅速发展，化石燃料( 煤、 石油等) 的消耗量迅猛增加，汽车尾气、燃油、燃煤、废弃物燃烧等直接排放量 大大增加，直接导致了能见度降低，造成空气严重污染，严重危害人们健康。 作为一种特殊的污染现象，灰霾越来越受到国内外研究学者们的关注，逐渐 开展了灰霾来源、化学成分分析、形成机理、健康危害等方面的研究。但到目前 为止，国内外对灰霾天气造成的长距离大气浑浊现象的机理尚不清楚，国内外对 灰霾预测方法的研究文献相对较少，并且己开展与灰霾相关的研究主要融合在空 气污染和大气科学研究之中。但这些研究成果是灰霾预测方法研究的基础，因此， 本节将从灰霾与空气污染的关系、灰霾的健康效应、如何解决灰霾危害等方面来 阐述。 ( 1 ) 灰霾与空气污染、气象条件的关系 一些学者从灰霾的定义上表明了灰霾与空气污染的关系。美国沙漠所 w a t s o n 博士指出【1 】：霾是颗粒物和气体污染物导致的可察觉到的能见度降低的 污染天气现象。吴兑贝u t 2 认为，空气中的灰尘、硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、 有机碳氢化合物等粒子能使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，当水平能见 度小于1 0 k i n 时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾或灰 霾( a s hh a z e ) 。白志鹏等【3 】通过对灰霾现象的研究指出，灰霾是在空气相对湿度 小于8 0 9 0 ，尤其是在大气逆温等稳定气象条件下，由气溶胶和气体污染 造成的一种城市和区域性空气污染现象。 灰霾与空气污染程度的变化密切相关【4 】。早期的研究就表明，城市能见度降 低是由p m l 0 、p l v l 2 5 【5 】和n 0 2 t 6 引起的。我国细粒子背景浓度较高，p m 2 5 占t s p ( t o t a ls u s p e n d e d p a r t i c u l a t e ，总悬浮颗粒物) 的比例在个别城市达3 2 6 8 ， 日平均质量浓度一般都超过o 1 0m g m 3 用。魏复盛等脚研究发现，广州、武汉、 兰州、重庆四大城市p m 2 5 年日均值为0 0 4 6 0 1 6 0 r a g m 3 ，是美国标准值 ( o 0 1 5r a g m 3