空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)探析

楊少紅　蔣斌　沈勁

摘 要：為應(yīng)對區(qū)域大氣復(fù)合污染的嚴(yán)峻態(tài)勢，亟需建立健全空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。本文分析了國內(nèi)外空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警的發(fā)展概況及存在的問題，以期為建立一個與國際先進(jìn)水平接軌預(yù)報的預(yù)警業(yè)務(wù)體系建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣復(fù)合污染 空氣質(zhì)量 預(yù)報預(yù)警

1. 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國不少區(qū)域已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的以PM2.5和臭氧為主要污染物的大氣復(fù)合污染，最終產(chǎn)物與前體物的關(guān)系復(fù)雜[1]。準(zhǔn)確預(yù)報空氣污染態(tài)勢對于公眾的生活與相關(guān)部門有針對性的污染控制有重要意義。

2. 國內(nèi)外空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警概況

在國外，空氣質(zhì)量預(yù)報主要是以三維空氣質(zhì)量模型為基礎(chǔ)，三維空氣質(zhì)量模型主要包括空氣動力學(xué)系統(tǒng)，云化學(xué)與動力學(xué)模塊，氣相化學(xué)模塊，氣溶膠模塊，柵格煙羽模塊，控制方程與計算結(jié)構(gòu)，數(shù)值傳輸算法等。常用于空氣質(zhì)量預(yù)報的三維模式有美國的城市氣域模型UAM、帶擴(kuò)展模塊的綜合空氣質(zhì)量模型CAMx、公共多尺度模式系統(tǒng)Models-3 CMAQ、德國的EURAD、法國的CHIMERE、芬蘭的SILAM、英國的NAME、西班牙的EOAQF、瑞典的MAQS、荷蘭的LOTOS-EUROS、丹麥的DREAM等。在美國，UAM曾是美國環(huán)保署（EPA）推薦使用的空氣質(zhì)量模型，但近年UAM已逐漸在推薦名單中消失，取而代之的是CMAQ，同時，美國ENVIRON公司開發(fā)的CAMx在多個洲都有廣泛的應(yīng)用，在美國的一些州（例如加利福尼亞、得克薩斯等）用作法規(guī)模式。CMAQ與CAMx目前已成為美國，乃至全球主流的空氣質(zhì)量網(wǎng)格模型[2]。

在國內(nèi)，目前應(yīng)用于各個城市空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)的預(yù)報方法主要有三種：數(shù)值模式預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報和綜合經(jīng)驗預(yù)報[3]。中國中科院大氣物理研究所的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報模式系統(tǒng)NAQPMS在全國多個地區(qū)均有應(yīng)用。但數(shù)值模型預(yù)報的準(zhǔn)確性在不同時期有較大波動，統(tǒng)計模型應(yīng)用也較多，采用逐步線性回歸法建立的預(yù)報模型對武漢市空氣質(zhì)量具有一定的預(yù)報能力，級別預(yù)報準(zhǔn)確率為78.1%[4]。國內(nèi)對空氣質(zhì)量預(yù)報的研究也較多。應(yīng)用基于系統(tǒng)辨識理論的實時迭代模式（RTIM）對WRF模式預(yù)報結(jié)果進(jìn)行后處理，建立了上海地區(qū)霾天氣的模式輸出-統(tǒng)計（MOS）方法[5]，結(jié)果表明，PM2.5模式預(yù)報成功率為75.0%～63.9%，PM10模式預(yù)報成功率為87.5%～81.8%，能見度模式預(yù)報成功率為71.0%～74.2%，霾日預(yù)報成功率為73.7%～72.7%。在珠三角，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到佛山的預(yù)報模型中，分季節(jié)來考慮以提高預(yù)報準(zhǔn)確性[6]。

2013年中國環(huán)境監(jiān)測總站建立全國范圍的空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，其主要依靠國內(nèi)外多個三維空氣質(zhì)量模型進(jìn)行集合預(yù)報，同時通過實測空氣質(zhì)量與氣象資料進(jìn)行加工修正，最后得出最終結(jié)果[7]。此前，不同地方也建立了城市尺度的預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。2008年，常州市氣象局和常州市環(huán)境中心監(jiān)測站聯(lián)合研制了常州空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警和大氣污染擴(kuò)散應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)[8]，建立了集環(huán)境氣象分析研究、空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警、大氣污染擴(kuò)散應(yīng)急響應(yīng)于一體的綜合性業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。在河西走廊東部，建立了武威市空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括沙塵暴預(yù)報預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)、空氣質(zhì)量統(tǒng)計預(yù)報系統(tǒng)和空氣質(zhì)量潛勢預(yù)報系統(tǒng)[9]。在北京奧運會期間，北京氣象臺采用CAPPS-3空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)取得了較好效果[10]。在林芝地區(qū)，充分考慮了空氣污染與氣象條件之間的復(fù)雜動態(tài)關(guān)系，建立了基于氣象資料的林芝地區(qū)空氣質(zhì)量動態(tài)預(yù)報方法[11]。西安地區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要依靠WRF-CMAQ，24h內(nèi)對PM2.5和PM10的逐小時模擬質(zhì)量濃度與實況的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上[12]。

3. 國內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警存在的不足

目前國內(nèi)有實力的機(jī)構(gòu)主要采用三維空氣質(zhì)量模型作為預(yù)報的基礎(chǔ)，但普遍存在預(yù)報準(zhǔn)確性偏低的問題，這主要是由于目前國內(nèi)的大氣排放源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，源清單的制作存在很大困難，更新也不及時，源清單的誤差較大，以致多種三維空氣質(zhì)量模型的表現(xiàn)都不如國外的應(yīng)用。另外，某些物理化學(xué)過程在國外也許是不重要的，國外的模型可能不作過多考慮，但這些過程在中國可能就會顯得比較重要，這也導(dǎo)致了模型誤差。在大數(shù)據(jù)時代，統(tǒng)計模型在中國的空氣質(zhì)量預(yù)報中也有較多研究與應(yīng)用，但統(tǒng)計模型的適用性較差，只適用于小范圍使用，不能預(yù)測空氣污染的面分布情況，模型表現(xiàn)也有待進(jìn)一步檢驗。國內(nèi)目前還缺乏長期業(yè)務(wù)化運行的空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，很多都僅是在初步試運行階段。

4. 結(jié)論

有效應(yīng)對和妥善處置大氣重污染過程，亟需盡快建立和完善空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警體系。本文旨在介紹國內(nèi)外空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警概況及國內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警存在的不足。使用數(shù)值模型與統(tǒng)計模型多模型相結(jié)合的方式，加之專業(yè)預(yù)報員會商訂正以作出最終預(yù)報是解決我國預(yù)報問題的主要出路。

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