市大气污染监测数据的统计模型及应用
近年来，随着工业化和城市化的发展，我国的大气污染状况越来越严重，为了给大气污染的治理提供有效的参考，阻止我国大气状况的恶化，寻找出一种有效可行的大气污染预测方法具有重大意义。本文以淮安市大气污染为例，我们以PM2.5为分析目标，选取自回归移动平均模型（ARMA模型）为预测模型,利用全年时间序列模型和分时段时间序列模型对pm2.5浓度作出预测，将分时段时间序列分析模型与全年时间序列分析模型对比，我们发现前者预测效果较好，并以此为根据，结合淮安大气状况提出可行性建议。关键词 PM2.5，大气污染预测，时间序列，ARMA模型
目录
1.1引言 1
1.1大气污染简介 1
1.2研究背景 1
1.3研究意义 2
1.4国内外研究现状 3
1.4.1国内研究现状 3
1.4.2国外研究现状 4
1.5淮安大气污染概况 4
2预备知识与基本理论 4
2.1大气污染预测模型概述 5
2.2模型介绍 5
2.3算法步骤 6
3 ARMA模型在淮安市大气污染预测中实证分析 6
3.1数据处理 6
3.1.1绘制时序图 7
3.1.2单位根检验 7
3.1.3自相关图和偏自相关图检验 8
3.1.4模型定阶与参数估计 10
3.1.5残差检验 11
3.1.6模型预测 12
3.2分时段时间序列模型 13
3.3预测结果比较 14
3.4模型改进方向 15
结论 16
致谢 18
参考文献 19
附录一 20
附录二 20
1 引言
1．1 大气污染简介
大气污染在人们眼中一直是一个笼统、单一的名词，有的人认为大气污染就是单纯的雾霾，有的人认为大气污染就是一些有害气体，然而事实却并不是如此，大气污染之所以会存在，是因为人与自然的日常活动产生了一些有害物质，这些物质进入了大气，当这些物质的浓度到达了一定水平之后，就会影响人类的正常发展和生存，破坏 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
生态平衡，对人和自然造成危害。大气污染至今已经慢慢由单一污染向复合型污染转化，复合型大气污染比起单一型大气污染危害更大，治理难度更高。在日常的大气污染监测中，常用的检测指标有总悬浮颗粒物，二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳和光化学氧化剂，因为它们出现比例比较高，危害也较大。
1．2 研究背景
近年来，我国的经济发展越来越迅速，一步一步的向工业化大国靠拢，城市化步伐也在逐渐加快。但快速发展带来的除了收益外还有严重的大气污染。如今，大气污染在我国已经成了热门话题。我国大气中的悬浮颗粒物浓度普遍超标，其后果就是雾霾天气在我国各地是屡见不鲜。二氧化硫排放总量急剧上升，华中、华南、华东等地区形成了多个酸雨地带，其中以华中地区最为严重，严重威胁着各个产业发展。此外，每年城市大气中二氧化氮、臭氧、一氧化碳浓度超标的天数也在同比例增长。
截止到2017年2月份，中华人民共和国环境保护部发布了重点区域和城市空气质量状况文件，该文件显示全国338个地级及以上城市平均优良天数比例为69.8%，同比上月下降2.6个百分点。PM2.5浓度为62微克/立方米，同比上月上升6.9%；PM10浓度为98微克/立方米，同比持平。环保部发布的最新环境状况公报中也显示我国338个地级市中，近265个城市环境空气质量超标，480个城市（区、县）酸雨城市占比22.5%，酸雨频率为14%。在超标天数中，细颗粒物、可吸入颗粒物、臭氧分别占据66.8%、16.9%、15.4%，以二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳为首的主要污染物的天数分别占据0.5%、0.5%、0.3%。在如此严峻的大气污染问题下，利用好现有的大气污染物监测数据，寻找切实有效的统计学模型进行分析预测是当下急需解决的问题，这也与本文主旨不谋而合。
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图 1
在如今全球大气污染严重的时代背景下，先进的大气污染监测技术为我们大气污染的预测打下了良好的基础。统计学作为一门综合性学科，将数学计算与推理方法结合起来，伴随着计算机技术的发展，效率大大提升，在数据分析与预测方面有着无可比拟的优势，所以运用统计学模型对大气污染物浓度进行分析预测十分可行。一个成功的大气污染预测模型不仅可以有效分析大气状况，更有利于决策者以此为依据制定防治措施。
1．3 研究意义
在人们如今的生活中，口罩已经成为一部分人出门必不可少之物，更有甚者甚至调侃自己缺少一个防毒面具，从人们的行为已经可以看出大气污染给人们生活带来了极大的不便，与人们的生活息息相关，运用统计学模型研究大气污染的意义可以概括为以下几个方面，第一，对于统计学者来说，运用统计学模型对大气污染进行研究可以丰富统计学在这一领域的研究，通过对比不同模型对大气污染的预测结果，可以得到相对较优的模型。大气污染如今是热门话题，也是急需解决的问题，大气污染预测是重中之重，一个好的模型就好比一剂良药，能够对大气污染对症下药。第二，对于决策者来说，好的预测模型无疑会为其提供很大的帮助，决策者可以以此为据，分析大气状况，并以此制定防治措施，改善大气质量，为人民生产和生活创造清洁的环境，保护人民的健康。第三，对于人民来说，我国是一个以经济建设为中心的国家，严重的大气污染会让国家在大气的治理上花费大量的人力和财力，阻碍我国的经济发展，影响我国的现代化进程。倘若大气污染得到了有效的治理，将会大大减轻国家的负担，国家可以将更多的人力和财力投入到经济建设和改善人民生活质量上去，我国人民能够更早的进入全面小康社会，实现共同富裕的目标。除此之外，大气污染不仅有害人类的健康，还会破坏地球上各种生物的生存环境。就拿最常见的几种污染物来说，可悬浮颗粒物浓度过高的话容易引起大规模雾霾，人类长期处在这种环境下易引发各种呼吸道疾病，雾霾还会降低能见度，不利于交通运输。二氧化硫浓度过高就会导致酸雨的形成，有害人类健康自不必多说，还会腐蚀建筑物，不利于名胜古迹的保存。一氧化碳和氮氧化物如果吸入过多的话，就会发生呼吸困难，严重者会中毒死亡。臭氧有着净化大气和过滤紫外线的作用，臭氧层遭到破坏，紫外线就会长驱直入，易引发皮肤癌。
1．4 国内外研究现状
1.4.1 国内研究现状
截止到目前为止，我国在大气污染的研究上也取得了一定的成果。对于可悬浮颗粒物污染，如今已经被推到了风口浪尖，早在2014年的时候环保部就要求所有省会城市开展颗粒物源解析工作，这项研究的普及和推广在我国雾霾的治理方面起到了很大作用，同时也表明了有关部门治理雾霾的决心。除此之外，我国在可悬浮颗粒物的监测和传输机制方面也有一定的建树。2012年科技部和环保部颁布《蓝天科技工程“十二五”专项规划》，构建了天空地一体化检测网络，该网络被广泛用于工业排放、机动车尾气等等污染源的监测，为有关部门决策提供了信息支撑，算得上是我国大气污染研究路上的一个显著成果。我国在悬浮颗粒物传输机制研究也较深入，这是雾霾治理的关键环节，研究结果显示淮河南北两侧悬浮颗粒物浓度差异明显，我国大气污染渐渐由单一型污染转换为复合型污染。对于酸雨，我国在酸雨的输送成因和致酸氧化剂方面的研究已持续十余年，该研究成果在国际都处于领先地位。对于光化学氧剂，早在上世纪，我国就曾组织过一场研究，该研究证实了光化学烟雾在我国是存在的，并分析其成因，建立了相关模型，提出了防治对策，此举被其他国家广为学习。
目录
1.1引言 1
1.1大气污染简介 1
1.2研究背景 1
1.3研究意义 2
1.4国内外研究现状 3
1.4.1国内研究现状 3
1.4.2国外研究现状 4
1.5淮安大气污染概况 4
2预备知识与基本理论 4
2.1大气污染预测模型概述 5
2.2模型介绍 5
2.3算法步骤 6
3 ARMA模型在淮安市大气污染预测中实证分析 6
3.1数据处理 6
3.1.1绘制时序图 7
3.1.2单位根检验 7
3.1.3自相关图和偏自相关图检验 8
3.1.4模型定阶与参数估计 10
3.1.5残差检验 11
3.1.6模型预测 12
3.2分时段时间序列模型 13
3.3预测结果比较 14
3.4模型改进方向 15
结论 16
致谢 18
参考文献 19
附录一 20
附录二 20
1 引言
1．1 大气污染简介
大气污染在人们眼中一直是一个笼统、单一的名词，有的人认为大气污染就是单纯的雾霾，有的人认为大气污染就是一些有害气体，然而事实却并不是如此，大气污染之所以会存在，是因为人与自然的日常活动产生了一些有害物质，这些物质进入了大气，当这些物质的浓度到达了一定水平之后，就会影响人类的正常发展和生存，破坏 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
生态平衡，对人和自然造成危害。大气污染至今已经慢慢由单一污染向复合型污染转化，复合型大气污染比起单一型大气污染危害更大，治理难度更高。在日常的大气污染监测中，常用的检测指标有总悬浮颗粒物，二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳和光化学氧化剂，因为它们出现比例比较高，危害也较大。
1．2 研究背景
近年来，我国的经济发展越来越迅速，一步一步的向工业化大国靠拢，城市化步伐也在逐渐加快。但快速发展带来的除了收益外还有严重的大气污染。如今，大气污染在我国已经成了热门话题。我国大气中的悬浮颗粒物浓度普遍超标，其后果就是雾霾天气在我国各地是屡见不鲜。二氧化硫排放总量急剧上升，华中、华南、华东等地区形成了多个酸雨地带，其中以华中地区最为严重，严重威胁着各个产业发展。此外，每年城市大气中二氧化氮、臭氧、一氧化碳浓度超标的天数也在同比例增长。
截止到2017年2月份，中华人民共和国环境保护部发布了重点区域和城市空气质量状况文件，该文件显示全国338个地级及以上城市平均优良天数比例为69.8%，同比上月下降2.6个百分点。PM2.5浓度为62微克/立方米，同比上月上升6.9%；PM10浓度为98微克/立方米，同比持平。环保部发布的最新环境状况公报中也显示我国338个地级市中，近265个城市环境空气质量超标，480个城市（区、县）酸雨城市占比22.5%，酸雨频率为14%。在超标天数中，细颗粒物、可吸入颗粒物、臭氧分别占据66.8%、16.9%、15.4%，以二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳为首的主要污染物的天数分别占据0.5%、0.5%、0.3%。在如此严峻的大气污染问题下，利用好现有的大气污染物监测数据，寻找切实有效的统计学模型进行分析预测是当下急需解决的问题，这也与本文主旨不谋而合。
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图 1
在如今全球大气污染严重的时代背景下，先进的大气污染监测技术为我们大气污染的预测打下了良好的基础。统计学作为一门综合性学科，将数学计算与推理方法结合起来，伴随着计算机技术的发展，效率大大提升，在数据分析与预测方面有着无可比拟的优势，所以运用统计学模型对大气污染物浓度进行分析预测十分可行。一个成功的大气污染预测模型不仅可以有效分析大气状况，更有利于决策者以此为依据制定防治措施。
1．3 研究意义
在人们如今的生活中，口罩已经成为一部分人出门必不可少之物，更有甚者甚至调侃自己缺少一个防毒面具，从人们的行为已经可以看出大气污染给人们生活带来了极大的不便，与人们的生活息息相关，运用统计学模型研究大气污染的意义可以概括为以下几个方面，第一，对于统计学者来说，运用统计学模型对大气污染进行研究可以丰富统计学在这一领域的研究，通过对比不同模型对大气污染的预测结果，可以得到相对较优的模型。大气污染如今是热门话题，也是急需解决的问题，大气污染预测是重中之重，一个好的模型就好比一剂良药，能够对大气污染对症下药。第二，对于决策者来说，好的预测模型无疑会为其提供很大的帮助，决策者可以以此为据，分析大气状况，并以此制定防治措施，改善大气质量，为人民生产和生活创造清洁的环境，保护人民的健康。第三，对于人民来说，我国是一个以经济建设为中心的国家，严重的大气污染会让国家在大气的治理上花费大量的人力和财力，阻碍我国的经济发展，影响我国的现代化进程。倘若大气污染得到了有效的治理，将会大大减轻国家的负担，国家可以将更多的人力和财力投入到经济建设和改善人民生活质量上去，我国人民能够更早的进入全面小康社会，实现共同富裕的目标。除此之外，大气污染不仅有害人类的健康，还会破坏地球上各种生物的生存环境。就拿最常见的几种污染物来说，可悬浮颗粒物浓度过高的话容易引起大规模雾霾，人类长期处在这种环境下易引发各种呼吸道疾病，雾霾还会降低能见度，不利于交通运输。二氧化硫浓度过高就会导致酸雨的形成，有害人类健康自不必多说，还会腐蚀建筑物，不利于名胜古迹的保存。一氧化碳和氮氧化物如果吸入过多的话，就会发生呼吸困难，严重者会中毒死亡。臭氧有着净化大气和过滤紫外线的作用，臭氧层遭到破坏，紫外线就会长驱直入，易引发皮肤癌。
1．4 国内外研究现状
1.4.1 国内研究现状
截止到目前为止，我国在大气污染的研究上也取得了一定的成果。对于可悬浮颗粒物污染，如今已经被推到了风口浪尖，早在2014年的时候环保部就要求所有省会城市开展颗粒物源解析工作，这项研究的普及和推广在我国雾霾的治理方面起到了很大作用，同时也表明了有关部门治理雾霾的决心。除此之外，我国在可悬浮颗粒物的监测和传输机制方面也有一定的建树。2012年科技部和环保部颁布《蓝天科技工程“十二五”专项规划》，构建了天空地一体化检测网络，该网络被广泛用于工业排放、机动车尾气等等污染源的监测，为有关部门决策提供了信息支撑，算得上是我国大气污染研究路上的一个显著成果。我国在悬浮颗粒物传输机制研究也较深入，这是雾霾治理的关键环节，研究结果显示淮河南北两侧悬浮颗粒物浓度差异明显，我国大气污染渐渐由单一型污染转换为复合型污染。对于酸雨，我国在酸雨的输送成因和致酸氧化剂方面的研究已持续十余年，该研究成果在国际都处于领先地位。对于光化学氧剂，早在上世纪，我国就曾组织过一场研究，该研究证实了光化学烟雾在我国是存在的，并分析其成因，建立了相关模型，提出了防治对策，此举被其他国家广为学习。
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