Đây là phương pháp quan trọng và có ý nghĩa xuyên suốt trong quá trình thực hiện đề tài này. Trên thế giới, việc sử dụng mô hình toán để giải bài toán khuếch tán chất ô nhiễm được bắt đầu từ năm 1859 do Angus Smith dùng để tính sự phân bố nồng độ khí CO2 ở thành phố Manchester theo phương pháp toán học của Gauss, được phát triển từ năm 1968 lại đây. Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) và chương trình môi trường của Liên hiệp quốc (UNEP) đã phân loại mô hình theo 3 hướng sau đây:
ü Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss. Các nhà toán học có công với mô hình này là Taylor (1915), Sutton (1925-1953), Turner (1961-1964), Pasquill (1962-1971), Seifield (1975) và gần đây được các nhà khoa học môi trường của các nước như Mỹ, Anh, Pháp, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc,... ứng dụng và hoàn thiện mô hình theo điều kiện của mỗi nước.
ü Mô hình thống kê thủy động. Hoặc lý thuyết nửa thứ nguyên (còn gọi là mô hình K). Mô hình này được GS.TSKH Berliand (Nga) hoàn thiện và áp dụng ở Liên Xô. Ở Việt Nam, một số nhà khoa học cũng đã và đang áp dụng cho một số các công trình, dự án.
ü Mô hình số trị: giải các phương trình vi phân bằng phương pháp số. Việc triển khai mô hình này tại Việt Nam đòi hỏi nhiều thời gian vì số liệu cho mô hình còn thiếu và phương tiện tính toán chưa đủ mạnh.
Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình hóa môi trường không khí bằng công cụ toán – vật lý và GIS đang được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Mặc dù trước đó từ những thập niên của cuối thế kỷ 20 đã có một số công trình, đề tài riêng lẻ đề cập đến hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình toán học trong việc đánh giá quá trình lan truyền chất ô nhiễm không khí thải ra từ các nguồn điểm (các ống khói nhà máy) và các nguồn đường giao thông, tuy nhiên kết quả ứng dụng vào giải quyết các bài toán thực tế còn hạn chế. Trong khuôn khổ Luận văn này, tác giả đã chọn ra 3 mô hình đưa vào nghiên cứu chính là mô hình Berliand khoa học, mô hình Berliand kỹ thuật và mô hình ISC3 để tiến hành nghiên cứu và ứng dụng nhằm tính toán phát thải từ nguồn điểm cao do hoạt động của nhà máy xi măng Luks.