本文利用西北地区城市空气污染物SO2、NO2和PM10年均浓度的实测数据,分析比较了GM(1,1)和等维灰数递补模型拟合精度预测精度,建立了兰州、西安、西宁、银川、乌鲁木齐的污染物年均浓度预测方程；利用灰色统计模型分析了各城市空气质量等级,用上海大气质量指数法计算出污染负担率,然后根据污染负担率判断城市空气污染类型。结果表明：等维灰数递补模型拟合值的相对误差逐渐减小,拟合精度是在逐渐提高的,拟合能力优于GM(1,1)模型。在2007-2009年等维灰数递补模型的相对误差小于GM(1,1)模型,说明新的预测数据的引入和旧数据的剔除能提高模型的预测能力。兰州市、西安市、西宁SO2、NO2的浓度有增加的趋势,PM10的浓度则处于减小趋势。兰州市空气质量处在轻度污染等级；西安市空气质量处在尚清洁的等级；西宁地区空气质量处在尚清洁的等级；银川市SO2、NO2和PM10的浓度都将呈现减小的趋势,污染有减轻趋势,空气质量处在尚清洁的等级；乌鲁木齐市SO2、NO2和PM10的浓度都将呈现增加的趋势,空气质量处在轻污染等级,并且空气质量会逐年变坏。西北地区大城市整体空气质量处于二级和三级的不稳定波动状态,但未来空气质量呈改善的趋势。兰州市、西安市、乌鲁木齐市的空气污染类型从以SO2为主的煤烟型污染向汽车尾气型污染过渡,即为混合型污染。西宁市为汽车尾气型污染。银川市空气污染类型为煤烟型污染。上海大气质量指数法与灰色统计方法分析得到的空气质量结果基本一致。