西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估

楊曉春,吳其重,趙 榮,杜萌萌,郭慶元,唐文哲

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估

楊曉春1,吳其重2,趙 榮1,杜萌萌1,郭慶元1,唐文哲1

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

利用2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)(XAWRF-CMAQ)預(yù)報(bào)產(chǎn)品及國(guó)家氣象中心空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品,按照中國(guó)氣象局發(fā)布的《城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估和考核辦法(試行)》對(duì)XAWRF-CMAQ進(jìn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估。結(jié)果顯示:在評(píng)估時(shí)段內(nèi),XAWRF-CMAQ空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分為61.1,空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)分為71.0,重污染預(yù)報(bào)能力評(píng)分為0.36,達(dá)到中國(guó)氣象局的要求。另外,XAWRF-CMAQ的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)粗顆粒物存在一定程度的偏低估計(jì),這可能是由于系統(tǒng)對(duì)顆粒物排放估計(jì)偏低所引起。

:西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng);運(yùn)行評(píng)估;準(zhǔn)確性

西安地區(qū)高速城鎮(zhèn)化的發(fā)展,導(dǎo)致大氣污染物大量排放,引起嚴(yán)重的空氣污染問題,影響著公眾的健康[1]?；诃h(huán)境氣象業(yè)務(wù)的需求,西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)(XAWRF-CMAQ)[2]于2013年8月開始業(yè)務(wù)化運(yùn)行,該系統(tǒng)每日提供未來(lái)72 h逐小時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。為了檢驗(yàn)XAWRF-CMAQ的精度,更好地滿足業(yè)務(wù)化的需求,根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的 《城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估和考核辦法 (試行)》(以下簡(jiǎn)稱 《辦法》),結(jié)合西安市空氣質(zhì)量實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及國(guó)家氣象中心下發(fā)的空氣質(zhì)量24 h預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品,對(duì)XAWRF-CMAQ的產(chǎn)品進(jìn)行業(yè)務(wù)化評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)與方法

文中所采用的數(shù)據(jù)包括:2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局13個(gè)監(jiān)測(cè)站逐時(shí)實(shí)況數(shù)據(jù)(其中有效數(shù)據(jù)為161 d),相應(yīng)時(shí)段XAWRF-CMAQ的24、48 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品及國(guó)家氣象中心下發(fā)的24 h預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品。為了便于比較評(píng)估,實(shí)況和XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)均選用日平均值,其中,實(shí)況數(shù)據(jù)由西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)逐時(shí)實(shí)況數(shù)據(jù)24 h平均計(jì)算得到, XAWRF-CMAQ采用與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相近的模式網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行24 h平均;國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品采用西安地區(qū)逐日預(yù)報(bào)值。

在此基礎(chǔ)上,參照 《辦法》中制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算評(píng)分,實(shí)現(xiàn)對(duì)XAWRF-CMAQ的業(yè)務(wù)評(píng)估。

1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分和AQI預(yù)報(bào)Ts評(píng)分方法

1.1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分 《辦法》中逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分計(jì)算公式為

式中,R為逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)分,S1為資料傳輸時(shí)效評(píng)分,S2為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)精確度評(píng)分。S2的計(jì)算公式為

式中,f1為首要污染物預(yù)報(bào)正確性評(píng)分,若預(yù)報(bào)的首要污染物與實(shí)況一致,則判定為首要污染物預(yù)報(bào)正確,得100分,否則為錯(cuò)誤,得0分;若有兩種或多種污染物并列為首要污染物,預(yù)報(bào)出其中一種即判定為首要污染物預(yù)報(bào)正確。f2為空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index,AQI)預(yù)報(bào)級(jí)別正確性評(píng)分,若預(yù)報(bào)與實(shí)況級(jí)別相同得100分,相差一個(gè)等級(jí)得50分,相差兩個(gè)等級(jí)得25分,其余不得分。首要污染物預(yù)報(bào)技巧評(píng)分f3、AQI等級(jí)預(yù)報(bào)技巧評(píng)分f4的規(guī)則為:國(guó)家氣象中心指導(dǎo)預(yù)報(bào)與地方預(yù)報(bào)均為正確或錯(cuò)誤的情況下,得分為0;指導(dǎo)預(yù)報(bào)正確,地方預(yù)報(bào)錯(cuò)誤,得分為-100;指導(dǎo)預(yù)報(bào)錯(cuò)誤,地方預(yù)報(bào)正確,得分為100。AQI預(yù)報(bào)數(shù)值誤差評(píng)分f5的評(píng)分規(guī)則如表1所示。

1.1.2 AQI預(yù)報(bào)Ts評(píng)分 《辦法》參照降水Ts評(píng)分計(jì)算方法,制定了AQI的Ts評(píng)分規(guī)則,用以衡量高濃度污染(AQI為五、六級(jí))的預(yù)報(bào)能力。例如AQI為五級(jí)的預(yù)報(bào)Ts評(píng)分公式為

其中,Ac為評(píng)分時(shí)段內(nèi)AQI預(yù)報(bào)與實(shí)況均為五級(jí)的天數(shù),Af為評(píng)分時(shí)段內(nèi)AQI預(yù)報(bào)為五級(jí)的天數(shù),Ao為AQI實(shí)況為五級(jí)的天數(shù)。若Af+Ao-Ac=0,則Ts=0。

1.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)分方法

為了進(jìn)一步評(píng)估XAWRF-CMAQ的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性,剔除“預(yù)報(bào)技巧”因素,將f3、f4的系數(shù)按公式(2)中原有比例分配到其他三項(xiàng),則逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)分S3為

2 XAWRF-CMAQ業(yè)務(wù)考核結(jié)果

2.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分和AQI預(yù)報(bào)TS評(píng)分

2.1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分 根據(jù)公式(1),對(duì)XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分。對(duì)于資料傳輸時(shí)效評(píng)分S1, XAWRF-CMAQ在每日10時(shí)前完成所有預(yù)報(bào)產(chǎn)品的計(jì)算和制作,完全滿足 《辦法》對(duì)預(yù)報(bào)時(shí)效的要求,可認(rèn)定S1的得分為100。

在評(píng)估時(shí)段內(nèi),XAWRF-CMAQ對(duì)于首要污染物預(yù)報(bào)正確的僅有31 d,因此,S2中首要污染物預(yù)報(bào)正確性評(píng)分f1的總分為3 100。通過分析表明,首要污染物預(yù)報(bào)錯(cuò)誤主要是由于系統(tǒng)對(duì)PM10、PM2.5顆粒物的漏報(bào),說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)顆粒物污染的預(yù)報(bào)存在不足。

統(tǒng)計(jì)分析了評(píng)估時(shí)段內(nèi)XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品AQI預(yù)報(bào)等級(jí)分布(表2)。由表2可以看出,當(dāng)AQI為二、三級(jí)時(shí),XAWRF-CMAQ的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高;AQI為一級(jí)和五級(jí)時(shí), XAWRF-CMAQ漏報(bào)較明顯。進(jìn)一步分析表明, AQI為一級(jí),XAWRF-CMAQ漏報(bào)13 d,主要原因是XAWRF-CMAQ點(diǎn)源的SO2排放過高,這與近幾年我國(guó)大型工礦企業(yè)脫硫工程的逐步實(shí)施,而系統(tǒng)中所使用污染源清單數(shù)據(jù)收集年份較早有一定關(guān)系[3];而AQI為五級(jí),系統(tǒng)漏報(bào)6 d,漏報(bào)的主要原因是系統(tǒng)對(duì)PM2.5濃度的峰值低估所引起。XAWRF-CMAQ的AQI預(yù)報(bào)級(jí)別正確性評(píng)分f2的平均分為76.0。

XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品首要污染物預(yù)報(bào)技巧f3的平均分為-11.9,造成負(fù)技巧的主要原因有兩方面。一方面是由于系統(tǒng)中點(diǎn)源的SO2排放過高,導(dǎo)致SO2預(yù)報(bào)濃度偏高。當(dāng)實(shí)況AQI為一級(jí)時(shí),系統(tǒng)誤判為AQI二級(jí)或三級(jí)且首要污染物為SO2。另一方面是由于系統(tǒng)的污染源清單中揚(yáng)塵過少,導(dǎo)致PM10預(yù)報(bào)濃度偏低。當(dāng)實(shí)況AQI為二級(jí)或三級(jí),且首要污染物為PM10時(shí),系統(tǒng)將首要污染物誤判為PM2.5。

AQI等級(jí)預(yù)報(bào)技巧f4的平均分為12.9,表明在AQI等級(jí)預(yù)報(bào)中,XAWRF-CMAQ優(yōu)于國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品。AQI預(yù)報(bào)數(shù)值誤差f5的平均分為88.4。

綜上可得,評(píng)估時(shí)段內(nèi),XAWRF-CMAQ的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分Rxa=61.1?！掇k法》要求空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分60分為合格,因此,在完全沒有預(yù)報(bào)員人工干預(yù)的情況下, XAWRF-CMAQ每日自動(dòng)生成的預(yù)報(bào)產(chǎn)品在時(shí)效和精度上滿足 《辦法》要求,同時(shí)也滿足西安市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)需求。

2.1.2 AQI預(yù)報(bào)Ts評(píng)分 對(duì)XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品及國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品的重污染天氣預(yù)報(bào)能力進(jìn)行評(píng)分。實(shí)況資料顯示,在評(píng)估時(shí)段內(nèi)AQI為五級(jí)的重污染天氣共出現(xiàn)10 d,首要污染物均為PM2.5。依據(jù)公式(3)計(jì)算獲得,XAWRF-CMAQ的產(chǎn)品和國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品Ts評(píng)分分別為Ts(xa)=0.36,Ts(bi)= 0.17。結(jié)果顯示,兩種預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)重污染天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性均偏小,對(duì)高濃度污染物的預(yù)報(bào)能力有限。在日常檢驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn),西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于污染物的峰值預(yù)報(bào)偏低,這與系統(tǒng)的污染源數(shù)據(jù)收集范圍還存在一定的不足導(dǎo)致排放量偏小有直接關(guān)系。

2.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)分

公式(5)去除了預(yù)報(bào)技巧評(píng)分,可以表征預(yù)報(bào)產(chǎn)品客觀的預(yù)報(bào)性能,利用該公式分別對(duì)XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品及國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)分,計(jì)算得到XAWRFCMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)確性評(píng)分S3(xa)=71.0,國(guó)家氣象中心預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品準(zhǔn)確性評(píng)分S3(bi)= 67.2?？梢钥闯?XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品。同理利用公式 (5)計(jì)算得到XAWRF-CMAQ的48 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)確性評(píng)分為65.2,由此可見,隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加,XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品的精度也有所下降。

3 結(jié)論

采用2014年8月至2015年1月西安市環(huán)保局實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、XAWRF-CMAQ的預(yù)報(bào)產(chǎn)品以及國(guó)家氣象中心下發(fā)的預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品,參照《城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估和考核辦法 (試行)》對(duì)西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估,得到結(jié)果。

(1)在完全沒有預(yù)報(bào)員人工干預(yù)的情況下,西安市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)每日自動(dòng)生成的產(chǎn)品質(zhì)量考核評(píng)分為61.1,達(dá)到《辦法》的要求,滿足業(yè)務(wù)需求。

(2)XAWRF-CMAQ的重污染過程Ts得分為0.36,略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品的0.17。

(3)XAWRF-CMAQ預(yù)報(bào)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性評(píng)分為71.0,略優(yōu)于指導(dǎo)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性評(píng)分。

(4)在評(píng)估中發(fā)現(xiàn),XAWRF-CMAQ對(duì)粗顆粒的預(yù)報(bào)存在不足。下一步工作將考慮在系統(tǒng)中開展粗顆粒物排放敏感性測(cè)試實(shí)驗(yàn),以期改善XAWRF-CMAQ在PM10預(yù)報(bào)方面的效果。

[1] 世界衛(wèi)生組織關(guān)于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估概要[EB/OL]. (2005)[2006-04-15].http://whqlibdoc.who. int/hq/2006/WHO-SDE-PHE-OEH-06.02 -chi.pdf?ua=1.

[2] 楊曉春,趙榮,吳其重,等.西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)及檢驗(yàn)[J].陜西氣象,2014(2):10-13.

[3] 陳煥盛,吳其重,王自發(fā),等.華北大電廠脫硫?qū)W運(yùn)期間區(qū)域空氣質(zhì)量影響 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(3):598-605.

P457

:A

楊曉春,吳其重,趙榮,等.西安空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行評(píng)估[J].陜西氣象,2015(5):41-43.

1006-4354(2015)05-0041-03

2015-04-27

楊曉春(1984—),女,漢族,陜西安塞人,碩士,工程師,主要從事天氣氣候研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(NO.41305121)