美國 AIRNow空氣質(zhì)量動態(tài)發(fā)布技術(shù)在上海的應(yīng)用

陸 濤

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心,上海 200030)

·環(huán)境預(yù)警·

美國 AIRNow空氣質(zhì)量動態(tài)發(fā)布技術(shù)在上海的應(yīng)用

陸 濤

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心,上海 200030)

美國 EPA開發(fā)的A I RNow系統(tǒng)是國際先進的環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理自動化、環(huán)境產(chǎn)品豐富、發(fā)布及時、質(zhì)量保證和控制 (QA/QC)數(shù)據(jù)審核快速等優(yōu)點,可通過明確的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和原則,實現(xiàn)地區(qū)性數(shù)據(jù)交換和共享。該技術(shù)在上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日報預(yù)報系統(tǒng)中得到應(yīng)用、整合和二次開發(fā),并實現(xiàn)了 2010年上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時發(fā)布,為中國未來環(huán)境空氣質(zhì)量的動態(tài)發(fā)布提供了重要的技術(shù)示范。

環(huán)境空氣質(zhì)量;日報;預(yù)報;A IRNow;上海

在上海市外專局外資辦項目和美國 EPA支持下,中美雙方通過互訪,就 A I RNow關(guān)鍵技術(shù)進行了多次技術(shù)交流和培訓(xùn),通過多方籌備和積極努力,最終于 2008年 4月確定了“中美合作——上海市環(huán)境空氣質(zhì)量發(fā)布系統(tǒng) (A I RNow-I)示范項目”。在美國 EPA資助的 A I RNow-I系統(tǒng)基礎(chǔ)上,上海市環(huán)境監(jiān)測中心就環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入模塊進行了自主開發(fā),通過進一步完善現(xiàn)有的日報發(fā)布和查詢功能,整合了現(xiàn)有分散的空氣質(zhì)量日報管理系統(tǒng),最終形成較為完整的、高效的上海市空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)。

1 概述

1.1 上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日報預(yù)報進展

自上世紀 80年代末以來,包括上海在內(nèi)的中國少數(shù)大城市開始建設(shè)空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)[1]。上海市環(huán)境空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)歷了 30余年,從僅由 5個環(huán)境空氣自動監(jiān)測點組成的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)發(fā)展到今天能基本覆蓋全市各類功能區(qū)的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建成和發(fā)展,為跟蹤分析上海市空氣污染特征與變化趨勢,為污染預(yù)警和污染源控制管理措施的制定提供了重要的寶貴基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

隨著上海市環(huán)境空氣監(jiān)測、日報和預(yù)報業(yè)務(wù)工作的深入開展,目前,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)報系統(tǒng)每天動態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達 2萬余條,產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品約 10 G,海量數(shù)據(jù)為環(huán)境空氣質(zhì)量管理決策奠定了堅實的基礎(chǔ),但是,同時也給大氣環(huán)境空氣質(zhì)量日報、預(yù)報的信息化管理系統(tǒng)帶來前所未有的壓力,現(xiàn)有的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)快速審核、輔助綜合分析、快速加工發(fā)布和海量數(shù)據(jù)管理等方面已不能滿足正在蓬勃發(fā)展中的環(huán)境空氣質(zhì)量日報、預(yù)報業(yè)務(wù)的需求。

與中國的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和管理工作相比,發(fā)達國家和地區(qū)如美國、歐洲、日本、韓國、香港等環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速加工和發(fā)布業(yè)務(wù)起步較早,所取得的經(jīng)驗也更為豐富。其中,以美國國家級環(huán)境空氣質(zhì)量 (A IRNow)系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛[2,3],其涉及的技術(shù)也更為先進。A I RNow系統(tǒng)采用了先進的空氣質(zhì)量日報實時發(fā)布技術(shù)和預(yù)報方法,作為一項全國性公益環(huán)境項目獲得美國國家最受歡迎金獎。1997年以來,為美國、加拿大、墨西哥等國家和地區(qū) 2 000余個環(huán)境監(jiān)測站提供O3和顆粒物 (PM2.5)的實時空氣質(zhì)量通報服務(wù),并為美國 300多個城市發(fā)布 24 h的空氣質(zhì)量預(yù)報。

1.2 A I RNow和 A IRNow-I簡介

美國 EPA開發(fā)的 A I RNow系統(tǒng)是國際先進的環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有以下顯著優(yōu)點:自動化的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理,提供豐富生動的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品;為政府和公眾提供空氣質(zhì)量實時狀況,并對空氣污染事件作出應(yīng)急反應(yīng)和采取適當?shù)拇胧?快速成熟的監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量保證和控制 (QA/QC),數(shù)據(jù)審核實現(xiàn)自動化;成熟的預(yù)報方法和系統(tǒng);明確數(shù)據(jù)交換協(xié)議和原則,使地區(qū)性數(shù)據(jù)交換和共享成為現(xiàn)實。

A IRNow-I是在A I RNow系統(tǒng)的基礎(chǔ)上總結(jié)其通用性,由美國 EPA資助,上海參與開發(fā)的A I RNow國際版,主要由 DMS和 IMS兩個模塊構(gòu)成。

A I RNow-IDMS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊是 A I RNow-I系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的核心,它有效提升了環(huán)境空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)控制和管理能力。主要由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、自動數(shù)據(jù)審核、人工輔助數(shù)據(jù)審核、站點管理等功能構(gòu)成。DMS模塊可以通過Web Service方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布,為數(shù)據(jù)使用者提供方便的數(shù)據(jù)接口[4,5]。

A IRNow-I IMS信息管理系統(tǒng)模塊的主要目的是生成濃度空間分布圖等各種地圖產(chǎn)品,并且具有靈活的控制和管理接口,能夠自動生成和發(fā)布地圖產(chǎn)品。報、預(yù)報信息管理發(fā)布平臺,從而幫助實現(xiàn)了環(huán)境空氣質(zhì)量信息產(chǎn)品的快速瀏覽和及時預(yù)報,實現(xiàn)了空氣質(zhì)量日報、預(yù)報信息的快速處理和發(fā)布,整合已有的分散式的環(huán)境空氣質(zhì)量日報、預(yù)報子系統(tǒng),重新構(gòu)建了較為完整的上海市空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng),系統(tǒng)框架如圖 1所示。

圖1 上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

2 上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)框架

基于“中美合作——上?？諝赓|(zhì)量發(fā)布系統(tǒng)(Airnow-I)示范項目”的實施,成功地將 A I RNow-I兩大主要功能模塊——DMS、 IMS應(yīng)用于上海。此外,上海還配套開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)氣象資源下載模塊、數(shù)值模式產(chǎn)品集成模塊及預(yù)報結(jié)果分析模塊等預(yù)報輔助工具,并研究開發(fā)了上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速自動審核技術(shù)

數(shù)據(jù)自動審核對于海量空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)尤為重要。A I RNow DMS的質(zhì)量控制 (QC,以下簡稱“質(zhì)控”)檢查可以快速對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的有效性進行判斷,從而實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速自動審核。質(zhì)控檢查方法主要包括:最小值、最大值、零值、穩(wěn)定值、變化率、幅度和相鄰檢查 7種。上海市環(huán)境空氣信息管理系統(tǒng)可以根據(jù)以上規(guī)則自動對空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常情況進行判斷,從而達到快速自動審核的目的。結(jié)合系統(tǒng)具備的人工數(shù)據(jù)審核,對自動審核結(jié)果中的懷疑值進行進一步人工判斷,可得到更高質(zhì)量的審核數(shù)據(jù)。

具體功能如下:

(1)最小值質(zhì)控檢查 (Minimum QC check):檢查數(shù)據(jù)是否超過用戶設(shè)定的某一最小值。

(2)最大值質(zhì)控檢查 (Max imum QC check):檢查數(shù)據(jù)是否超過用戶設(shè)定的某一最大值。

(3)零值質(zhì)控檢查 (Zero QC check):檢查數(shù)據(jù)在零值附近的漂移情況并作出相應(yīng)處理。漂移值小于合理范圍值 X(通常為 -5)時將被標記為無效值。例如,如果臭氧含量為 X—0,臭氧值為 0。如果 ozone≤X,標記為無效。漂移值在漂移正常范圍之內(nèi)的負數(shù)可以直接賦值為需要的正值,如1/2檢出限。

(4)穩(wěn)定值質(zhì)控檢查 (Sticking QC check):檢查數(shù)據(jù)是否保持不變。夜間檢測值小于 X(對臭氧而言通常為 40)時通常為一固定值,不再進行檢查。即 ozoneX且 Y持續(xù)時間 (通常為 3 h)內(nèi)沒有發(fā)生變化,標記為無效。

(5)變化率質(zhì)控檢查 (Rate of Change QC check):比較某小時到下一小時的污染物變化率。當不同點 (或變化)超過每小時每站點標準值時,則標記為無效或者懷疑值。

(6)幅度質(zhì)控檢查 (Range QC check):檢查某站點的小時最高值。例如,如果 ozone>maximum,臭氧被標記為無效或者懷疑值。

(7)相鄰質(zhì)控檢查 (BuddyQC check):將數(shù)據(jù)與周邊具有相似環(huán)境條件的站點 (如城區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等)的平均值進行比較。相鄰站點數(shù)可以為 0～5個。如果檢測值不在相鄰站點值的用戶設(shè)定范圍內(nèi) (例如臭氧,其范圍通常設(shè)定為 20～40),數(shù)據(jù)標記為無效。在此檢查中,需要設(shè)定一個必須完成檢查的相鄰站點的最小值 (如果相鄰站點數(shù)設(shè)定為 5個,則通常最少站點數(shù)為 3個)。如果臭氧濃度減相鄰站點的絕對值大于檢測閾值,則標記為無效或懷疑值。

3.2 多數(shù)據(jù)源處理和多模式信息集成技術(shù)

上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)整合了多種采集儀傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、多個數(shù)值預(yù)報模式數(shù)據(jù)和分散的網(wǎng)絡(luò)資源 (如氣象數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)源種類繁多,信息量龐大。系統(tǒng)提供兩種靈活的數(shù)據(jù)交換方式,一種為 CVS格式文件,另一種為Web service。其他各種數(shù)據(jù)源可以通過這兩種交換方式進入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的屬性信息,即測點編碼、參數(shù)編碼、均值時間長度、監(jiān)測值、計量單位、現(xiàn)場標志位、QC標志位等信息,這樣可以保證不同時段的數(shù)據(jù) (如1 min均值、5min均值或小時均值的數(shù)據(jù))均可納入到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理,同時可以保證數(shù)量不限的新的監(jiān)測參數(shù) (如大量種類的微量有機物監(jiān)測數(shù)據(jù))根據(jù)未來業(yè)務(wù)需要隨時導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。

靈活方便的數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式使系統(tǒng)具有更強的生命力,不同時間粒度的任意監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)均能導(dǎo)入到系統(tǒng)中進行管理。目前,自動導(dǎo)入系統(tǒng)進行管理的有各種采集系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)自動下載的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù) (全國重點城市日報數(shù)據(jù)、氣象局自動站氣象數(shù)據(jù)、機場氣象數(shù)據(jù)等),以及空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模型數(shù)據(jù)等,詳見圖2。

圖2 上海市空氣質(zhì)量日報、預(yù)報系統(tǒng)的多數(shù)據(jù)源、多模式數(shù)據(jù)集成

3.3 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的 GIS處理與表達技術(shù)

采用 ARCGIS Server 9.2作為 GIS引擎進行空氣質(zhì)量地圖制作。

3.3.1 自動化地圖處理

系統(tǒng)通過向?qū)Х绞绞褂脩暨M行不同地圖產(chǎn)品的自動化定制,能夠產(chǎn)生的地圖產(chǎn)品主要有濃度或API空間分布圖、GIF動畫、shapefile、GR ID文件(netCDF格式)、K ML等,系統(tǒng)能夠通過界面瀏覽監(jiān)控任何一個地圖產(chǎn)品在自動化過程中的狀態(tài)。系統(tǒng)還能夠通過管理 (修改、替換)自動化過程中的各個環(huán)節(jié)中的程序來自定義插值等參數(shù)和方式。

3.3.2 空間濃度分布圖時間軸插值

空間時間軸插值技術(shù)是在時間軸上生成時間分辨率更密的空間分布圖,使得空間濃度分布圖動畫更平滑。目前,數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測數(shù)據(jù)為小時數(shù)據(jù),通過時間軸插值技術(shù)能得到 10 min、5 min、1 min甚至更密的空間分布圖。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日報、預(yù)報業(yè)務(wù)工作和發(fā)布

基于 A I RNow-I開發(fā)的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)主要用來完成該市日報、預(yù)報業(yè)務(wù)工作和信息發(fā)布。該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)加工處理、日報預(yù)報、查詢統(tǒng)計、信息發(fā)布等業(yè)務(wù)內(nèi)容。上海市 67個監(jiān)測站點 (包括世博園區(qū)站點)已在該系統(tǒng)的管理之下,目前進入該系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)因子有 SO2、NO2、PM10、PM2.5、PM1、NOX、NO、O3、CO等 ,另外還有風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、能見度等氣象因子。系統(tǒng)能夠完成臭氧日報、全市日報、分區(qū)日報、全市預(yù)報、一周點評等全部任務(wù),并直接將結(jié)果通過傳真、E-mail、短信或其他數(shù)據(jù)形式發(fā)布給國家總站、媒體、對外網(wǎng)站等。系統(tǒng)每小時能夠自動生成全上海濃度空間分布圖并發(fā)布于對外網(wǎng)站,如圖 3所示。

圖3 濃度空間分布

4.2 上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量專欄

世博空氣質(zhì)量專欄內(nèi)容主要包含世博區(qū)域?qū)崟r空氣質(zhì)量、世博區(qū)域日報、全市日報、全市預(yù)報、分區(qū)日報和長三角空氣質(zhì)量日報?；?A I RNow-I開發(fā)的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)實時為上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量專欄提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和污染物空間分布動態(tài)變化圖。世博空氣質(zhì)量專欄成為國內(nèi)首次實時發(fā)布空氣質(zhì)量的典范[6,7],如圖 4所示。

圖4 上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量專欄實時空氣質(zhì)量發(fā)布

5 結(jié)論

通過 A IRNow-I系統(tǒng)模塊的開發(fā)及應(yīng)用,多樣化監(jiān)測數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入管理程序的開發(fā),以及數(shù)據(jù)質(zhì)量自動審核方法的研究等技術(shù)工作的開展,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)了多樣化監(jiān)測數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入與集中管理、數(shù)據(jù)自動化審核加工、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)快速空間插值等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用突破。系統(tǒng)研發(fā)了集空氣質(zhì)量日報、預(yù)報信息瀏覽和信息發(fā)布于一體的工作平臺,為區(qū)域空氣質(zhì)量聯(lián)合日報、預(yù)報工作的開展提供技術(shù)基礎(chǔ)。由于其卓越的數(shù)據(jù)庫管理性能和充分的擴展性,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量管理信息系統(tǒng)將為上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的未來發(fā)展提供重要的信息化管理平臺。該系統(tǒng)不僅為 2010年上海世博會提供了實時環(huán)境空氣質(zhì)量信息發(fā)布服務(wù),并可以滿足上海未來 5～10年間交通環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、光化學(xué)污染物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、霾污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的后臺數(shù)據(jù)管理需求,并可為中國未來開展實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)布及區(qū)域環(huán)境信息的共享提供技術(shù)示范。

[1]方剛,王瑞斌,李鋼,等.中國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2004,20(6):8-10.

[2]WAYLAND R A,DYE T S.A IRNOW:America's resource for real-time and forecasted air quality information[J].Environmental Manager,2005(September):19-27.

[3]HUSAR R B,PO I ROT R.DataFed and Fastnet:Tools for agile air quality analysis[J].EnvironmentalManager,2005(September):39-41.

[4]HUSAR R B,FALKE S R,HOIJARV I K H.Interoperability of web service-based data access and processing:experience using the DataFed system[C]//ESTO MEET ING.2006.

[5]DOMEN ICO B,CARON J,DAV IS E.GALEON:Standards-based web services for interoperability among earth sciences data systems[C]//IEEE International Conference on Geoscience and Remote Sensing Symposium.2006.

[6]蔡新華.中美合作高效管理保世博空氣質(zhì)量上?？諝赓|(zhì)量發(fā)布系統(tǒng)投運[N].中國環(huán)境報,2010-06-02.

[7]劉彬.上海將實時監(jiān)控世博園區(qū)環(huán)境質(zhì)量并向公眾發(fā)布[N].燕趙都市報,2010-5-6.

Application of A IRNow Ambient A ir Quality Notification System of USA in Shangha i

LU Tao
(Shanghai EnvironmentalMonitoring Center,Shanghai 200030,China)

A IRNow developed byUS EPA is the advanced air quality notification system in the world,which processes the advantages of automatic datamanagement,rich products,real-t ime notification and fast automaticQA/QC.Based on the clear data exchange protocol,A IRNow is the most successful air quality notification system for the regional data sharing in North American.The real-time air quality data has been published by theAirnow-A pilotproject betweenUS EPA and SEPB for the area around Expo park during 2010 Shanghai EXPO,which provided the important demonstration for the national real-time data notification in China.

ambient air quality;API reporting;API forecasting;A IRNow;Shanghai

X84

A

1674-6732(2011)-01-0004-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.002

2010-11-02

上海市環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金[滬環(huán)科(08-29)]。

陸濤 (1974—),男,工程師,碩士,從事環(huán)境信息化開發(fā)和應(yīng)用工作。