中小城市空氣質(zhì)量預報試驗與問題研究

汪 巍，高愈霄，趙熠琳，許 榮，朱莉莉，李健軍，李國剛，翟超英

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

近年來，中國中東部地區(qū)多次發(fā)生大范圍、長時間的連續(xù)重污染過程，對公眾健康、生態(tài)環(huán)境、交通運輸、生產(chǎn)生活等造成重大影響，引起全社會的廣泛關注［1-3］。按照環(huán)境空氣質(zhì)量新標準評價，2014年京津冀、長三角、珠三角區(qū)域(以下簡稱“三區(qū)”)以及直轄市、省會城市和計劃單列市共74個城市的超標天數(shù)為34%，其中重度及以上污染天數(shù)比例約為6%［4］，與2013年相比，74個重點城市空氣質(zhì)量總體改善，大氣污染治理工作初顯成效。但由于當前復合型的大氣污染成因十分復雜，大氣污染來源、形成機理、擴散規(guī)律等一系列基礎科學問題尚在研究探索階段，空氣重污染尚未得到有效遏制，大氣污染形勢仍然十分嚴峻，大氣污染防治工作依然任重而道遠。

環(huán)境空氣質(zhì)量預報能夠為廣大公眾的日常生活提供咨詢建議，能夠為管理部門制定區(qū)域大氣污染防治政策、在重污染天氣來臨之前及時采取預警應急措施提供關鍵技術支撐，是環(huán)境保護工作的一個重要領域。國務院2013年頒布的《大氣污染防治行動計劃》(以下簡稱《計劃》)明確指出，三區(qū)各省市及其他省(區(qū)、直轄市)、副省級市和省會城市環(huán)保部門要建立重污染天氣監(jiān)測預警體系，形成環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警能力并及時發(fā)布監(jiān)測預警信息［5］。由于大氣污染問題的區(qū)域性特征，國內(nèi)廣大中小城市(尤其是中東部地區(qū))同樣受到區(qū)域性大氣污染的直接影響，也同樣有開展空氣質(zhì)量預報預警的現(xiàn)實需求。然而，與直轄市、省會城市和計劃單列市等大城市相比，大部分中小城市尚不具備按新標準開展環(huán)境空氣質(zhì)量預報的能力。同時，由于各地污染狀況、地理位置與類型以及氣候條件等客觀因素不同，不同地區(qū)的預報方法和流程難以標準化，也會給中小城市預報工作的推動帶來一定困難。

為深入了解中小城市開展空氣質(zhì)量業(yè)務預報的基礎條件和可行性、調(diào)研全國預報業(yè)務體系建設相關中小城市對預報軟硬件和技術方法的實際需求，總站聯(lián)合中科院大氣物理研究所，在8個有典型地域代表性的中小城市開展了為期一個月的預報試驗工作。針對中小城市環(huán)境監(jiān)測站開展預報能力建設和業(yè)務工作面臨的困難、問題進行調(diào)研和初步分析，并提出了相應的對策和建議，以期為中小城市空氣質(zhì)量預報工作的開展提供參考與借鑒。

1 空氣質(zhì)量預報試點

1.1 試驗城市

綜合考慮不同地域地理和氣候特征、城市規(guī)模、監(jiān)測站業(yè)務基礎條件等代表性因素，選取8個中小城市作為預報試驗城市，如表1所示。這些城市基本覆蓋了中國大部分地區(qū)的地理、氣候類型以及污染水平，其人員編制、技術能力也能夠代表中小城市的平均水平。

表1 空氣質(zhì)量預報試驗城市概況

8個試驗城市中，南寧自2014年9月起初步探索開展新空氣質(zhì)量標準AQI預報，為廣西南寧東盟峰會提供空氣質(zhì)量預報保障，但為期時間很短;西安具備原標準空氣質(zhì)量API預報經(jīng)驗，但不具備AQI預報經(jīng)驗。其他城市均無任何預報經(jīng)驗。目前，8個城市具備全國空氣質(zhì)量預報水平的平均代表性。

1.2 預報方法

1.2.1 計算機系統(tǒng)預報方法

計算機模式預報方法是開展環(huán)境空氣質(zhì)量預報的重要基礎，目前主要有數(shù)值模式、統(tǒng)計模式兩種基本方法。

數(shù)值模式能夠以較高的時空分辨率反映大氣污染的形成機理、時空分布、變化趨勢，但專業(yè)性較強、硬件要求高，運行維護復雜，并且需要持續(xù)更新大氣污染物排放清單，因此比較適用于區(qū)域和省際尺度的空氣質(zhì)量形勢研判，為城市精細化預報提供初始場和邊界條件等，而普通中小城市自行建立運行數(shù)值模式開展預報的可操作性不高。

統(tǒng)計模式以統(tǒng)計學方法為基礎，利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)研究大氣污染的變化規(guī)律，建立大氣污染物濃度與氣象參數(shù)等影響因子之間的統(tǒng)計模型，以此來預測大氣污染物濃度。與數(shù)值模式相比，統(tǒng)計模式預報結果準確率高，硬件要求低，但無法反映污染過程的來龍去脈，且預報結果的時空分辨率低，難以為城市和區(qū)域尺度的大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作提供足夠的技術支持。

試驗工作采用的預報系統(tǒng)是中國科學院大氣物理研究所研發(fā)的基于數(shù)值預報基礎的統(tǒng)計模式預報方法，設計將數(shù)值模式與統(tǒng)計模式相結合，可利用國家平臺下發(fā)的數(shù)值預報格點數(shù)據(jù)在GIS平臺上展示影響城市空氣質(zhì)量的污染過程和演變趨勢，同時可利用系統(tǒng)內(nèi)的統(tǒng)計預報模塊開展城市各監(jiān)測點位的空氣質(zhì)量預報，可充分利用兩種預報方法的優(yōu)勢。各試驗城市預報系統(tǒng)用于展示污染趨勢變化的格點數(shù)據(jù)由國家預報預警中心的數(shù)值預報平臺下發(fā)，無需各城市另行運轉復雜的數(shù)值模式。

1.2.2 人工客觀訂正方法

人工客觀訂正方法應用總站預報中心基于空氣質(zhì)量預報通用技術和經(jīng)驗框架總結的五步法，如圖1所示。流程包括數(shù)值和統(tǒng)計預報模式產(chǎn)品分析、本地和區(qū)域污染源變化分析、大氣擴散條件分析、實時和歷史監(jiān)測資料分析、人工客觀訂正五個步驟，具體方法參見文獻［6］。試驗工作前期，總站派員赴各試驗城市開展了五步法培訓，同時每日下發(fā)總站測試平臺模式預報初步指導產(chǎn)品(中東部地區(qū)未來5日空氣質(zhì)量分布圖)供各試驗城市參考。

圖1 預報方法流程

各城市預報員基于上述預報系統(tǒng)的預報結果，結合網(wǎng)絡上各種國內(nèi)外大氣條件形勢產(chǎn)品等資料，對轄區(qū)大氣污染規(guī)律、地理地形條件、大氣擴散條件影響因素、城市污染源和周邊地區(qū)污染傳輸?shù)冗M行綜合分析判斷，初步開展人工客觀訂正。

1.3 配置要求

試驗采用的統(tǒng)計模式預報系統(tǒng)作為各城市監(jiān)測站的業(yè)務預報平臺，能夠接收國家、區(qū)域或省級預報中心下發(fā)的數(shù)值預報模式指導產(chǎn)品及格點數(shù)據(jù)，在此基礎上結合經(jīng)訓練后適用于當?shù)氐慕y(tǒng)計預報模式，通過系統(tǒng)內(nèi)的GIS平臺展示未來48 h城市轄區(qū)各國控點位的預報結果及區(qū)域空氣質(zhì)量污染變化形勢。

按數(shù)據(jù)有效存儲時間(最低2年)和運算速度的最低要求，采用系統(tǒng)硬件配置的基本要求詳見表2。該系統(tǒng)所需服務器配置為目前商用小型服務器的主流配置。

表2 動力統(tǒng)計模式預報系統(tǒng)所需的硬件基本配置

2 預報結果評估

2.1 各城市空氣質(zhì)量代表性

試驗時間為2014年12月—2015年2月，大部分城市均開展了為期一個月左右的預報工作。見圖2。

圖2 試驗期間各城市空氣質(zhì)量級別天數(shù)比例

除西寧和嘉峪關出現(xiàn)良和輕度污染兩種污染級別之外，其他城市試驗期間的空氣質(zhì)量均覆蓋了4種以上的污染級別，其中滁州、眉山試驗期間空氣質(zhì)量由優(yōu)至重度以上污染均有出現(xiàn)。衡水空氣質(zhì)量狀況最為嚴重，重度及以上污染的天數(shù)比例達到46%。嘉峪關空氣質(zhì)量相對最好，空氣質(zhì)量為良的天數(shù)比例為83%。佳木斯空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)比例相對最高，達到26%。預報試驗工作選取的8個城市中既有供暖城市，也有非供暖城市，試驗期間各城市的空氣質(zhì)量狀況覆蓋了所有的污染級別，因此具備很好的空氣質(zhì)量預報試驗代表性。

2.2 試驗城市預報結果級別準確率

2.2.1 模式預報效果評估

各試驗城市普遍反映試驗工作采用的統(tǒng)計模式預報系統(tǒng)能夠提供所在城市的24、48 h的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預報以及各項污染物濃度預報，同時還能反映城市及鄰近地區(qū)大氣污染的演變過程，系統(tǒng)界面簡潔明了，操作簡單易于掌握。

示范期間內(nèi)，各城市統(tǒng)計模式的級別預報準確率見表3。

表3 各城市試驗預報系統(tǒng)的24、48 h預報結果級別準確率 %

由表3可知，統(tǒng)計模式系統(tǒng)對8個城市的24、48 h時預報級別準確率普遍不高。由于該系統(tǒng)目前還處于初步研發(fā)和不斷改進階段，其中的統(tǒng)計預報模塊尚待進一步優(yōu)化，且統(tǒng)計預報模塊需要當?shù)乜諝馕廴疚?、氣象等較長時期的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)加以訓練，因而導致上述預報準確率偏低。

系統(tǒng)對嘉峪關、西寧的預報級別準確率為零，主要是總站臨時業(yè)務測試平臺的數(shù)值預報模式缺乏西北地區(qū)的污染源清單以及高原地區(qū)氣象條件復雜等因素所造成。

2.2.2 人工客觀訂正效果評估

預報試驗工作期間，各城市預報員基于動力統(tǒng)計模式的預報結果，并結合總站預報指導產(chǎn)品和大氣條件形勢產(chǎn)品等，結合總站培訓的預報方法開展人工預報，各城市人工訂正后的級別預報準確率見表4。

表4 各城市24、48 h人工訂正預報結果級別準確率 %

由表4可以看出，經(jīng)過人工客觀訂正后預報結果的準確率普遍都有不同幅度的提升。廣西區(qū)站、西寧、西安3個市站預報成效相對較高，24 h預報超過80%，48 h預報超過50%，其中廣西區(qū)站在試驗期間對南寧的24 h級別預報準確率達到100%。嘉峪關的預報效果較好，24 h預報成效67%，48 h預報成效83%。滁州、眉山、衡水、佳木斯4個城市24 h預報準確率普遍低于60%，48 h預報準確率低于50%。由于預報人員技術水平和經(jīng)驗差異、有無指導產(chǎn)品支持差別、污染形勢和地理環(huán)境復雜程度不同，各城市的人工級別預報準確率存在一定差異。

2.3 預報系統(tǒng)運行情況

總站下發(fā)數(shù)值預報模式指導產(chǎn)品與城市統(tǒng)計模式預報系統(tǒng)相結合的試驗設計，在8個城市的預報試驗工作過程中運行穩(wěn)定，可靠性較高，除偶爾出現(xiàn)因總站平臺氣象數(shù)據(jù)下載延遲導致的數(shù)值預報產(chǎn)品數(shù)據(jù)推送不及時外，未出現(xiàn)其他系統(tǒng)性問題。因此，試驗結果表明，只要服務器配置滿足前述要求，并且網(wǎng)絡和氣象數(shù)據(jù)等條件有保障，該試驗系統(tǒng)基本能夠穩(wěn)定可靠運行。

3 問題與對策和建議

3.1 空氣質(zhì)量預報方法需不斷完善

各預報試驗城市普遍認為試驗工作采用的預報模式系統(tǒng)成本較低、界面簡潔、操作簡單、易于掌握，比較適用于中小型城市地區(qū)的空氣質(zhì)量預報。但由于該系統(tǒng)還處于初步研發(fā)階段，目前還存在一些技術問題，如部分城市濃度值偏差較大、準確率低、網(wǎng)格分辨率低等，在一定程度上影響到預報結果的準確率。

建議統(tǒng)計模式研發(fā)部門針對上述問題開展研究，不斷優(yōu)化完善預報系統(tǒng)，結合地方城市預報需求增加完善系統(tǒng)功能，不斷提高預報準確率，滿足中小城市空氣質(zhì)量預報的需求。

如前所述，數(shù)值模式和統(tǒng)計模式各有優(yōu)缺點，考慮到中小城市的規(guī)模大小不同、空氣質(zhì)量污染類型和復雜程度不同，并且各中小城市環(huán)境監(jiān)測部門的預報基礎條件、技術能力水平差異較大，建議各城市根據(jù)各自實際情況，參考總站編寫的《環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警技術指南》，自行選用適合轄區(qū)實際情況和條件的數(shù)值模式、統(tǒng)計模式等方法開展城市精細化空氣質(zhì)量預報。各地開展轄區(qū)趨勢預報或精細化預報所需的周邊大范圍數(shù)值模擬指導產(chǎn)品可由國家、區(qū)域或有條件的省級環(huán)境監(jiān)測部門下發(fā)，以節(jié)約成本，提高工作效率。

3.2 中小城市開展預報工作基礎條件有待提高

盡管“大氣十條”并未要求3個重點區(qū)域以外的地級城市開展預報預警工作，而國內(nèi)部分地區(qū)，尤其是污染形勢嚴重的中東部地區(qū)的中小城市也有開展空氣質(zhì)量預報業(yè)務的現(xiàn)實需求。但由于沒有國家明確的業(yè)務要求，大部分中小城市無法獲得預報業(yè)務所需的技術人員、能力建設、業(yè)務經(jīng)費等方面的政策保障。

試驗結果表明，因無政策安排，目前大部分中小城市監(jiān)測站還未設置預報科室和相關工作人員，試驗工作大部分由各城市監(jiān)測站臨時由自動室、大氣室、信息室等科室抽調(diào)人員承擔。統(tǒng)計模式系統(tǒng)所需服務器等硬件費用盡管不高，但部分城市無相關經(jīng)費支持，需要借用該省、市信息中心的服務器才能完成試驗工作。這些問題則導致中小城市環(huán)境監(jiān)測部門難以穩(wěn)定開展預報業(yè)務。

建議環(huán)境管理部門明確中小城市是否可以開展空氣質(zhì)量預報業(yè)務工作。如明確要求開展，應編制印發(fā)相應的實施方案并組織相關技術部門編制相應的中小城市空氣質(zhì)量預報預警業(yè)務指南和規(guī)范，支持和規(guī)范中小城市環(huán)境監(jiān)測部門開展預報業(yè)務工作。同時，為保障預報業(yè)務的穩(wěn)步開展，各地方監(jiān)測站須爭取環(huán)境管理部門政策支持，以保障業(yè)務人員和資金投入，加強預報預警系統(tǒng)能力建設，并保證業(yè)務用房空間、技術隊伍、系統(tǒng)平臺、網(wǎng)絡、供電等預報運行經(jīng)費。

3.3 中小城市空氣質(zhì)量預報人員技術水平較弱

受多種因素制約，所有計算機模擬系統(tǒng)的空氣質(zhì)量預報結果均存在一定程度的偏差?？諝赓|(zhì)量預報員對計算機模型的預報產(chǎn)品及其統(tǒng)計應用、大氣條件及其分析、污染源及其來源貢獻成因、大氣污染機理及規(guī)律認識等方面的綜合分析判斷是空氣質(zhì)量預報業(yè)務工作必不可少的重要技術環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)需要預報員具備較為全面的大氣化學、大氣物理、大氣和污染源監(jiān)測等相關專業(yè)知識。試驗工作表明，目前中小城市環(huán)境監(jiān)測部門技術人員的專業(yè)背景和知識結構主要以分析化學、環(huán)境科學等為主，與空氣質(zhì)量預報工作的需要存在差距，還需針對性的進行專業(yè)技術培訓。

試驗結果表明，各試驗單位技術人員經(jīng)過基本培訓，均能夠開展和完成初步的預報試驗工作。進一步而言，系統(tǒng)的預報技術培訓及實踐經(jīng)驗也是決定預報水平高低的重要因素。該次試驗中，廣西區(qū)站、西安、青海省站的預報技術人員曾在總站提前參加了為期一個月的空氣質(zhì)量預報理論培訓和技術實訓，其預報成效明顯高于其他地方站，而其他城市的預報準確率相對較低。總體來看，當前國內(nèi)大部分中小城市尚未積累新標準空氣質(zhì)量預報的技能和經(jīng)驗，亟需接受空氣質(zhì)量預報專業(yè)基礎知識培訓。

鑒于此，建議各地結合當前的空氣質(zhì)量預報工作的形勢需要，適當增加人員編制，大力加強人才培訓和創(chuàng)新人才引入機制。同時，環(huán)保部等上級環(huán)境管理部門應組織相關部門和專家針對中小城市空氣質(zhì)量預報開展專業(yè)技術培訓，加強技術指導和交流，不斷提高中小城市空氣質(zhì)量預報水平。

4 結語

為更好的推進全國環(huán)境空氣質(zhì)量預報體系建設，總站通過組織典型中小城市開展空氣質(zhì)量預報試驗工作，調(diào)研了中小城市開展預報工作的基礎條件、現(xiàn)實需求和存在問題。試驗結果表明，在總站指導產(chǎn)品與城市簡單平臺相結合的總體設計基礎上，各試驗單位能夠很好地完成試驗預報工作。試驗城市在掌握了初步預報技術方法的基礎上，能夠基本開展預報業(yè)務工作，預報效果取決于各方面技術培訓和專業(yè)經(jīng)驗等多種因素。

此外，開展城市預報業(yè)務面臨政策、人員、業(yè)務保障等基本問題。根據(jù)試驗調(diào)研，建議環(huán)境管理部門明確中小城市預報工作要求，在此前提下組織相關部門編制中小城市預報技術指南和規(guī)范，增加對中小城市空氣質(zhì)量預報預警能力建設的資金投入。同時保障相應的業(yè)務運行費用，加強中小城市預報人才隊伍建設，大力開展預報技術交流和培訓。建議各中小城市根據(jù)各自實際情況，建立實用可行的空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)。

［1］孫峰，張大偉，孫瑞雯，等．北京地區(qū)冬季典型PM2.5重污染案例分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30(6)：1-12．

［2］程念亮，李云婷，張大偉，等．2014年10月北京市4次典型空氣重污染過程成因分析［J］．環(huán)境科學研究，2015，28(2)：163-170．

［3］鄒強，姚玉剛，林惠娟．蘇州市區(qū)灰霾現(xiàn)象形成的氣象條件分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30(1)：37-42．

［4］環(huán)境保護部．2014年京津冀、長三角、珠三角區(qū)域及直轄市、省會城市和計劃單列市空氣質(zhì)量報告［R］．2015．

［5］國務院．大氣污染防治行動計劃(國發(fā)［2013］37號)［R］．2013．

［6］王曉彥，劉冰，李健軍，等．區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預報的一般方法和基本原則［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31(1)：134-138．