區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的一般方法和基本原則

王曉彥，劉 冰，李健軍，丁俊男，汪 巍，趙熠琳，魯 寧，許 榮，朱媛媛，高愈霄，李國剛

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2013年，大范圍、長時(shí)間的霧霾過程在我國中東部地區(qū)頻繁發(fā)生，京津冀區(qū)域空氣污染尤為嚴(yán)重，對公眾健康、大氣能見度和交通運(yùn)輸造成顯著的負(fù)面影響。為應(yīng)對廣大公眾和環(huán)境管理部門對空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的緊迫需求，中國環(huán)境監(jiān)測總站采用數(shù)值預(yù)報(bào)模式開展了近半年的京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)測試。在預(yù)報(bào)測試期間，不斷探索和完善區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法，并逐漸形成空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的基本原則。該文詳細(xì)闡述區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的一般方法和基本原則，以期為各地開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供借鑒和參考。

1 區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)

我國環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)研究始于20世紀(jì)70年代，但多局限于城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。長三角重點(diǎn)區(qū)域在世博會期間曾開展過短期的區(qū)域范圍空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，但未形成長期的、系統(tǒng)化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)［1-2］。而京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)是首次面向區(qū)域尺度范圍嘗試建立的長期業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，旨在預(yù)測區(qū)域范圍內(nèi)未來幾天的空氣質(zhì)量，把握區(qū)域空氣質(zhì)量總體變化趨勢，并重點(diǎn)關(guān)注存在重度以上污染可能的城市和地區(qū)，及時(shí)提供空氣質(zhì)量預(yù)警信息。鑒于大氣污染物可跨城市長距離輸送的特點(diǎn)，單個城市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)已經(jīng)無法滿足區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的需求。因此，有必要開展區(qū)域性的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，通過對區(qū)域大范圍大氣污染形勢的預(yù)測，科學(xué)合理地啟動區(qū)域內(nèi)多個城市協(xié)同的重污染應(yīng)急措施，最大限度地降低重污染的影響程度。

為了最大限度地降低空氣污染對人體健康的損害，在預(yù)測到未來可能出現(xiàn)重污染過程時(shí)，管理部門需及時(shí)發(fā)布污染預(yù)警信息，并伴隨相應(yīng)的短期應(yīng)急措施和區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，而污染防控措施的制定均依賴于大氣污染物的來源識別和貢獻(xiàn)分析。數(shù)值預(yù)報(bào)模式具備污染來源解析和去向追蹤的功能，是區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的主要方法［3］。

2 區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)一般方法

京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)包括未來2 d空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和后續(xù)3 d的污染潛勢預(yù)測［4］，方法主要包括數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果分析、客觀訂正和預(yù)報(bào)信息發(fā)布等環(huán)節(jié)，即以數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果為基礎(chǔ)，以客觀訂正為綜合分析過程，以預(yù)報(bào)信息發(fā)布為最終目的。

2.1 數(shù)值預(yù)報(bào)模式

京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式采用的中科院大氣物理所自主研發(fā)的區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)(NAQPMS)［5］，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域和城市PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO 等 6 項(xiàng)常規(guī)污染物的未來2～5 d的空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)。目前，京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的形式相對粗泛，將京津冀區(qū)域分為北京、天津、冀北、冀中和冀南共5個分區(qū)，首先依據(jù)數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果，采用“跨級(空氣質(zhì)量指數(shù)級別)”預(yù)報(bào)的方式，如表1所示，依次列出各分區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果。

表1 2014年2月14—18日京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)實(shí)例

2.2 客觀訂正

由于氣象場和污染源清單等輸入數(shù)據(jù)的不確定性，導(dǎo)致數(shù)值模式的預(yù)報(bào)結(jié)果會存在一定偏差。此時(shí)預(yù)報(bào)員需根據(jù)對天氣形勢、污染源排放情況、物理化學(xué)過程、空氣質(zhì)量歷史變化規(guī)律的了解，憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行客觀訂正，并適時(shí)聯(lián)系相關(guān)部門或?qū)＜议_展預(yù)報(bào)會商。模式預(yù)報(bào)結(jié)果經(jīng)過一系列客觀訂正后，最終得到區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果。

2.2.1 天氣形勢分析

天氣形勢分析是空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的重要前提，為全面把握區(qū)域天氣形勢，需從不同高度由高到低、有針對性地分析各層氣象條件。以高空大氣運(yùn)動形勢判斷區(qū)域大范圍的天氣過程，以低空大氣運(yùn)動趨勢分析局地氣象條件影響，綜合評估天氣形勢對空氣質(zhì)量變化的影響。表2簡要列出了不同高度天氣形勢分析的要點(diǎn)，包括各層的分析對象、形勢特征和參考資料等［6-8］。

表2 不同高度天氣形勢分析要點(diǎn)

2.2.2 污染源排放分析

污染源排放清單是數(shù)值預(yù)報(bào)模式關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)?，F(xiàn)行的排放清單缺乏動態(tài)更新機(jī)制，無法對特殊污染過程進(jìn)行及時(shí)跟進(jìn)和自動調(diào)整。因此，預(yù)報(bào)員需根據(jù)污染源排放在短期內(nèi)大幅度的變化過程，對數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行“加重”或“減輕”等人為修正。特殊污染源排放變化過程包括沙塵暴、秸稈燃燒、森林大火、節(jié)假日煙花爆竹燃放，以及因重大賽事臨時(shí)關(guān)停重污染工廠而導(dǎo)致的污染源排放變化等。此時(shí)，不僅要考慮污染源排放變化對本地空氣質(zhì)量的影響，應(yīng)同時(shí)分析其對下風(fēng)向區(qū)域空氣質(zhì)量的影響程度。以2014年春節(jié)前后北京農(nóng)展館點(diǎn)位為例(見圖1)，受除夕夜間至春節(jié)凌晨煙花爆竹集中燃放影響，PM2.5和PM10小時(shí)濃度在3～4 h內(nèi)明顯升高，最大小時(shí)濃度分別高達(dá)426 μg/m3和 591 μg/m3，顯著影響當(dāng)日的空氣質(zhì)量指數(shù)等級，在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)時(shí)需著重考慮。

圖1 2014年春節(jié)前后煙花爆竹燃放對北京農(nóng)展館點(diǎn)位PM2.5和PM10小時(shí)濃度影響

2.2.3 物理化學(xué)過程分析

在污染源相對穩(wěn)定的情況下，氣象條件是影響大氣污染物濃度的關(guān)鍵因素，影響方式包括物理過程和化學(xué)過程。物理過程主要指風(fēng)速、風(fēng)向、降水等氣象條件對大氣污染物的擴(kuò)散、傳輸和清除作用，例如秋冬季節(jié)伴隨西北強(qiáng)冷空氣的大風(fēng)天氣可顯著促進(jìn)京津冀區(qū)域污染物的擴(kuò)散，實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量可在幾小時(shí)內(nèi)從重度污染跨越到優(yōu)良級別。以2013年11月24日天津市監(jiān)測中心點(diǎn)位為例(見圖2)，受冷空氣帶來的強(qiáng)西北風(fēng)影響，在7～8 h內(nèi)，PM10和PM2.5小時(shí)濃度從空氣質(zhì)量指數(shù)嚴(yán)重污染降為優(yōu)良水平。

圖2 2013年11月大風(fēng)天氣對天津市監(jiān)測中心點(diǎn)位PM小時(shí)濃度影響

此外，不同程度的降水對污染物濃度影響程度不同，降水量越大，持續(xù)時(shí)間越長，清洗作用越明顯，當(dāng)降水量小于1 mm時(shí)，對大氣的凈化作用非常有限［9］?；瘜W(xué)過程主要指特定氣象條件可促進(jìn)或抑制大氣污染物之間的化學(xué)反應(yīng)過程，影響二次污染物的生成。例如夏季強(qiáng)烈的太陽輻射導(dǎo)致O3濃度迅速上升，容易出現(xiàn)光化學(xué)污染;而當(dāng)大氣相對濕度較高時(shí)，硫酸鹽和硝酸鹽易吸濕增長，有利于二次顆粒物生成，促進(jìn)霧霾的形成［10］。因此，預(yù)報(bào)員應(yīng)熟練掌握在特定氣象條件下，因物理化學(xué)過程而導(dǎo)致的大氣污染物濃度定性變化。

2.2.4 空氣質(zhì)量變化規(guī)律分析

大量的污染物濃度和氣象參數(shù)歷史觀測數(shù)據(jù)的規(guī)律性分析是開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)?？諝赓|(zhì)量歷史變化規(guī)律作為一面“鏡子”，對于不確定性的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)具有重要的參考意義。對區(qū)域內(nèi)歷史觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可總結(jié)出不同氣象條件下污染物濃度的變化趨勢，通過分類匯總形成若干條經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律作為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的訂正依據(jù)。如當(dāng)前形勢具備與上一年某次大氣污染過程前期類似的污染物濃度和氣象條件，預(yù)報(bào)時(shí)可在很大程度上參考該次污染過程中空氣質(zhì)量的變化趨勢;此外，短期內(nèi)歷史數(shù)據(jù)分析對空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果具有更加直接的借鑒意義，如在海陸風(fēng)的作用下，天津市不易發(fā)生重度污染，即使數(shù)值模式預(yù)報(bào)未來2 d京津冀區(qū)域總體形勢為重度以上污染時(shí)，如果前一個月內(nèi)類似形勢下天津市并未隨之出現(xiàn)重度污染，則本次預(yù)報(bào)應(yīng)將天津市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)訂正為重度污染以下級別。

2.2.5 預(yù)報(bào)會商

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的不確定性是客觀存在的。在預(yù)測到有重污染發(fā)生的可能時(shí)，如果貿(mào)然發(fā)布重污染預(yù)警信息并啟動短期應(yīng)急預(yù)案，很可能因?yàn)椤板e報(bào)”而導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失和社會負(fù)面影響。預(yù)報(bào)會商機(jī)制可起到群策群力、溝通預(yù)報(bào)思路、交流預(yù)報(bào)技術(shù)等信息交換和思想交流的作用，是避免錯報(bào)、提高預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率的有效方式［11］。預(yù)報(bào)會商是重污染過程預(yù)報(bào)客觀訂正的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，參與預(yù)報(bào)會商的人員應(yīng)具備氣象學(xué)、大氣科學(xué)、預(yù)報(bào)模式、統(tǒng)計(jì)學(xué)等深厚的專業(yè)背景，從而獲取來自不同領(lǐng)域的多方意見，最終達(dá)成全體認(rèn)可的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果。

2.3 預(yù)報(bào)信息發(fā)布

向公眾及時(shí)發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息是預(yù)報(bào)工作的最終目的。預(yù)報(bào)信息應(yīng)圖文結(jié)合，以使公眾能夠直觀、準(zhǔn)確地加以理解。在信息爆炸時(shí)代，可通過多種方式發(fā)布預(yù)報(bào)信息，包括網(wǎng)絡(luò)、郵件、傳真、手機(jī)、電視和熱線電話等，盡可能使公眾隨時(shí)隨地獲取預(yù)報(bào)預(yù)警信息，根據(jù)未來空氣質(zhì)量狀況及時(shí)調(diào)整日常出行計(jì)劃。

3 區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)基本原則

3.1 預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立原則

預(yù)報(bào)定位在科學(xué)預(yù)測。業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)是執(zhí)行符合科學(xué)預(yù)測的預(yù)報(bào)程序，不是無科學(xué)依據(jù)的主觀猜測。

以最接近準(zhǔn)確水平的預(yù)報(bào)模式為依據(jù)。以區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式為例，模式結(jié)合了迄今為止氣象預(yù)報(bào)、污染物源和匯、大氣化學(xué)反應(yīng)以及物理傳輸和清除過程等領(lǐng)域最高水平的認(rèn)知，基于全方位的統(tǒng)籌考慮和綜合分析，是在現(xiàn)有條件下能夠達(dá)到的最接近準(zhǔn)確水平的空氣質(zhì)量客觀預(yù)測，是業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)依據(jù)。

預(yù)報(bào)偏差源于不準(zhǔn)確的模式初始場。模式初始場主要包括氣象場和污染源排放清單，由于觀測不全面和氣象模式本身的偏差，氣象預(yù)報(bào)存在一定不確定性;同樣，污染源排放清單也因時(shí)間滯后和空間分辨率低而無法準(zhǔn)確反映大氣污染物真實(shí)的排放情況。存在偏差的氣象預(yù)報(bào)和不夠完整細(xì)致的排放清單是導(dǎo)致數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況不符的主要因素。

3.2 預(yù)報(bào)結(jié)果確定原則

以模式預(yù)報(bào)為主，以客觀訂正為輔。對于模式本身而言，空氣質(zhì)量模式預(yù)報(bào)結(jié)果是客觀準(zhǔn)確的。但存在偏差的氣象預(yù)報(bào)和排放清單等初始場仍會導(dǎo)致錯誤的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果。因此，需要基于對大氣污染物實(shí)況監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣化學(xué)反應(yīng)過程、污染物傳輸和沉降規(guī)律等人為的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識，對模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)目陀^訂正。

客觀訂正以規(guī)律分析為主。對模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行客觀訂正，主要基于對氣象條件、污染源排放清單、污染物大氣化學(xué)反應(yīng)、傳輸和沉降過程等多方面的規(guī)律性分析，而以上規(guī)律的獲取依賴于長期的預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

將規(guī)律分析自動化。為提高日常預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化水平，有必要將系統(tǒng)性的客觀訂正規(guī)律分類匯總，形成格式化的分析工具，并將其集約在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺中，實(shí)現(xiàn)自動化分析，減少人為重復(fù)勞動，可顯著提高客觀訂正的效率。

3.3 天氣控制形勢分析原則

把握區(qū)域總體控制形勢。區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)屬于趨勢預(yù)報(bào)，側(cè)重于對影響空氣質(zhì)量的大氣擴(kuò)散條件變好、變差或維持等總體形勢的判斷，為轄區(qū)內(nèi)城市開展精細(xì)化空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供參考。根據(jù)高壓和低壓系統(tǒng)、臺風(fēng)過境、靜穩(wěn)天氣等大型天氣形勢，將未來區(qū)域總體控制形勢劃分為好轉(zhuǎn)、維持和變差等不同類別，以便于有針對性地判斷區(qū)域空氣質(zhì)量的總體變化趨勢。

關(guān)注不同高度控制形勢的強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變。為全面掌握區(qū)域天氣控制形勢，需了解區(qū)域預(yù)報(bào)氣象場的垂直結(jié)構(gòu)特征，即從高、中、低等不同高度立體化分析。通過對各層風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度等氣象條件的評估，逐層判斷各層天氣控制形勢的類型、強(qiáng)度和變化趨勢。

不同高度控制形勢綜合協(xié)調(diào)分析。對高、中、低等不同高度天氣控制形勢協(xié)調(diào)分析和綜合評估，才能獲得全面、準(zhǔn)確的區(qū)域總體天氣控制形勢場。當(dāng)不同高度層天氣控制形勢類似時(shí)，區(qū)域總體控制趨勢單一且易于判斷;當(dāng)不同高度層天氣控制形勢出現(xiàn)強(qiáng)弱、方向等差異時(shí)，區(qū)域總體控制形勢會相對復(fù)雜。

3.4 預(yù)報(bào)信息表述原則

總體形勢與動態(tài)變化描述相結(jié)合。在描述未來區(qū)域天氣控制形勢時(shí)，應(yīng)先描述區(qū)域總體形勢，如“未來兩天京津冀區(qū)域?qū)⑹艿嚼淇諝饽舷逻^程影響”，再具體描述在總體形勢影響下的動態(tài)變化過程，可使用“維持、趨向、轉(zhuǎn)為、向……發(fā)展”等動態(tài)描述詞語，例如“大氣擴(kuò)散條件將轉(zhuǎn)為有利”。

總體污染程度和局部重污染描述相結(jié)合。在描述區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)時(shí)，首先概括性說明區(qū)域總體的空氣質(zhì)量變化和污染形勢，例如“未來兩天，京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量以良至輕度污染為主”;在局地可能出現(xiàn)重污染時(shí)，應(yīng)增加對重污染地區(qū)的具體描述，例如“河北中南部可能出現(xiàn)重度以上污染”。

跨級預(yù)報(bào)與可能性預(yù)報(bào)相結(jié)合。區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)涵蓋的范圍較大，難以做到針對各城市的精細(xì)化預(yù)報(bào)。由于對分區(qū)的劃分較粗，在空氣質(zhì)量級別預(yù)報(bào)時(shí)，同一個分區(qū)內(nèi)不同城市之間，甚至單個城市內(nèi)不同點(diǎn)位之間都有可能存在差異，跨級預(yù)報(bào)是將以上差異歸一化的有效方式，例如“明日河北南部空氣質(zhì)量為輕度至中度污染”。同時(shí)，由于沙塵暴、秸稈焚燒等局地污染源隨機(jī)變化或人為應(yīng)急措施的干預(yù)，未來局地的空氣質(zhì)量很可能發(fā)生“跳級”突變，因此要增加針對該地區(qū)具體的可能性預(yù)報(bào)。

4 結(jié)論

中國大氣污染嚴(yán)峻形勢及其聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制對區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)報(bào)預(yù)警提出了前所未有的技術(shù)支撐需求。國務(wù)院2013年頒布的《大氣污染防治行動計(jì)劃》明確要求“建立監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急體系，妥善應(yīng)對重污染天氣”，以此為契機(jī)，全國環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)在摸索中起步前行。在京津冀區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)測試過程中，初步探求出一套系統(tǒng)性的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)一般方法和基本原則，并已經(jīng)成為目前京津冀區(qū)域空氣質(zhì)量日常預(yù)報(bào)所遵循的重要技術(shù)依據(jù)。作為區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的先行者，在各地空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)如火如荼籌建之際，期望本研究中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方法能夠?yàn)槠渌麉^(qū)域和城市開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供借鑒和參考。

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