城市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)范圍預(yù)報(bào)方法初探

王曉彥，陳 佳，朱莉莉，趙熠琳，閆 慧，李健軍

1．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2．中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)是落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的新興核心業(yè)務(wù)，是重污染預(yù)警應(yīng)急和大氣污染防控不可或缺的基礎(chǔ)工作。環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預(yù)報(bào)是城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的基本內(nèi)容，是公眾了解未來(lái)空氣質(zhì)量狀況最直接的方式，成為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)部門的重要例行工作。目前，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)城市已陸續(xù)開展AQI預(yù)報(bào)［1-2］，但尚未形成規(guī)范的AQI預(yù)報(bào)方法，無(wú)法滿足城市AQI預(yù)報(bào)信息統(tǒng)一發(fā)布要求，迫切需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的AQI預(yù)報(bào)方法體系。本文以全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)2014年典型城市的實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討城市24 hAQI范圍預(yù)報(bào)方法和偏差修正的確定依據(jù)，以及相關(guān)的質(zhì)量控制技術(shù)，以期為各城市開展AQI預(yù)報(bào)提供實(shí)用方法和技術(shù)參考。

1 AQI范圍預(yù)報(bào)方法

1.1 級(jí)別判斷

在空氣質(zhì)量模式AQI預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)空氣質(zhì)量實(shí)況、天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)和污染源排放變化，初步判斷次日AQI預(yù)報(bào)級(jí)別，確定將其定位在某個(gè)級(jí)別內(nèi)還是兩個(gè)級(jí)別間。例如優(yōu)、優(yōu)～良，良、良～輕等空氣質(zhì)量級(jí)別。通常若天氣形勢(shì)穩(wěn)定或變化趨勢(shì)清晰，AQI可定位在某級(jí)別內(nèi)。若未來(lái)天氣形勢(shì)變化不明朗，例如，出現(xiàn)弱槽過(guò)境、弱降水等，可將AQI定位在級(jí)別間進(jìn)行跨級(jí)預(yù)報(bào)。

1.2 中心線設(shè)定

根據(jù)初步判斷AQI變化趨勢(shì)，設(shè)定AQI范圍中心線的大致位置，即偏向趨勢(shì)變化所向級(jí)別的低、中、高段位。通常根據(jù)好轉(zhuǎn)、穩(wěn)定、變差的趨勢(shì)，分別將AQI預(yù)報(bào)范圍的中心線定位在稍低、持平、稍高段位。例如，初步判斷AQI是跨越良到輕度污染兩級(jí)的變差趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)估的AQI變化幅度，將中心點(diǎn)設(shè)定在偏良、居中或偏輕度污染的段位。

1.3 變化幅度修正

為提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，需在設(shè)定的AQI范圍中心線上加減一個(gè)變化幅度(偏差)，最終形成AQI范圍預(yù)報(bào)。通常在中度污染以下加減10或15的幅度，中度污染以上加減20或更大的幅度。例如，初步判斷未來(lái)24 h空氣質(zhì)量級(jí)別為良，并有轉(zhuǎn)差的趨勢(shì)，AQI中心線設(shè)定為85，處于該級(jí)別的稍高段位，再加減10的變化幅度進(jìn)行修正，即最終AQI預(yù)報(bào)結(jié)果為75～95。具體預(yù)報(bào)范圍修正方法在下文詳細(xì)討論

2 AQI預(yù)報(bào)范圍訂正

2.1 AQI分級(jí)波動(dòng)范圍

為分析不同區(qū)域、不同污染程度的城市AQI分級(jí)波動(dòng)情況，選取張家口、邢臺(tái)、大連、沈陽(yáng)、舟山、濟(jì)南、長(zhǎng)沙、鄭州、?？凇V州、拉薩、成都、西寧、西安14個(gè)典型城市，分別代表華北、東北、華東、華中、華南、西南、西北地區(qū)相對(duì)清潔和污染的城市情況，采用均方差來(lái)反映一組數(shù)據(jù)離散程度的最常用量化指標(biāo)，對(duì)上述14個(gè)城市2014年的實(shí)況AQI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以分析不同空氣質(zhì)量級(jí)別的AQI波動(dòng)情況。見表1。

表1 2014年各區(qū)域典型城市不同空氣質(zhì)量等級(jí)AQI均方差統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，各區(qū)域的清潔城市和污染城市在同一級(jí)別內(nèi)的AQI均方差無(wú)明顯差別，且隨著空氣質(zhì)量級(jí)別加重，清潔城市和污染城市AQI均方差均表現(xiàn)出遞增的總體趨勢(shì)。14個(gè)城市空氣質(zhì)量為優(yōu)級(jí)別時(shí)，AQI均方差為3.6～9.1，均值為6.1;良至中度污染級(jí)別時(shí)，各城市AQI均方差相差不大，為6.4～21.7，均值為13.4，且有90%的均方差處于10～16的范圍內(nèi);在重度污染級(jí)別時(shí)，各城市AQI均方差明顯增加，為19.9～34.0，均值為26.6;在嚴(yán)重污染級(jí)別時(shí)各城市AQI均方差進(jìn)一步增加，為20.2～106.8，均值為62.4。由此可見，不同空氣質(zhì)量級(jí)別的AQI波動(dòng)范圍差異明顯，應(yīng)針對(duì)不同級(jí)別設(shè)置不同的AQI預(yù)報(bào)變化幅度。

2.2 AQI變化幅度范圍

對(duì)于空氣質(zhì)量良好、大氣化學(xué)機(jī)理單一、污染源排放量穩(wěn)定、外來(lái)傳輸影響較小的清潔城市，其每日AQI的正常波動(dòng)范圍相當(dāng)于AQI的本底變化幅度，可作為其他城市AQI預(yù)報(bào)變化幅度修正基本參考值。以三亞市2014年301個(gè)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)級(jí)天的AQI統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例，見圖1。

圖1 三亞市2014年優(yōu)級(jí)天AQI分布

由圖1可見，優(yōu)級(jí)天AQI近似服從平均值為31.8，方差為62.1的正態(tài)分布，90%的優(yōu)級(jí)天AQI集中在18.9～44.7的范圍內(nèi)，以均值31.8為中心，上下均浮動(dòng)12.9，設(shè)定AQI在優(yōu)級(jí)天的本底變化幅度為10，在一定程度上可視為城市AQI預(yù)報(bào)的基本波動(dòng)范圍。

對(duì)于空氣質(zhì)量一般的城市，AQI預(yù)報(bào)較易受到氣象條件、污染源排放、大氣復(fù)合污染程度、季節(jié)等因素變化的影響，每日AQI波動(dòng)范圍較大。以機(jī)動(dòng)車尾氣污染為主的杭州市2014年110 d輕度污染AQI的分布為例，如圖2所示。AQI分布較為分散，均方差為13.3，超過(guò)78%的AQI集中在輕度污染(101～150)的中低位區(qū)間(101～130)，設(shè)定輕度污染AQI預(yù)報(bào)較合理的變化幅度范圍為15。

圖2 杭州市2014年輕度污染天AQI分布

通?？諝赓|(zhì)量較差的城市，本地污染源排放量大，且大氣污染物不易擴(kuò)散，AQI預(yù)報(bào)更多考慮氣象條件和季節(jié)變化(如冬季北方采暖燃煤)的影響，在空氣質(zhì)量重度及以上污染時(shí)，AQI波動(dòng)明顯以煤煙污染為主的邢臺(tái)市2014年74 d重度污染AQI分布為例，如圖3所示。AQI分布明顯分散，均方差為26，超過(guò)86%的AQI集中在重度污染(201～300)的中低位區(qū)間(201～270)，設(shè)定重度污染AQI預(yù)報(bào)較合理的變化幅度范圍為25。

圖3 邢臺(tái)市2014年重度污染天AQI分布

2.3 AQI模式預(yù)報(bào)偏差分析

城市空氣質(zhì)量模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況AQI的偏差在一定程度上也有助于指導(dǎo)AQI預(yù)報(bào)變化幅度的設(shè)定。以2014年中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)的NAQPMS數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)北京市的24 hAQI預(yù)報(bào)為例，統(tǒng)計(jì)每日預(yù)報(bào)AQI與實(shí)況AQI偏差的絕對(duì)值，經(jīng)過(guò)3輪異常值剔除(與平均值的偏差大于2倍均方差的視為異常值)，不同空氣質(zhì)量等級(jí)的偏差絕對(duì)值的均方差分布如圖4所示。由圖4可知，從優(yōu)級(jí)至嚴(yán)重污染，比偏差絕對(duì)值的均方差在4.4～32.7。空氣質(zhì)量越好，均方差越小，反之亦然。空氣質(zhì)量?jī)?yōu)級(jí)時(shí)，均方差小于5。輕度污染至嚴(yán)重污染級(jí)別的均方差在29.1～32.7范圍內(nèi)，各等級(jí)差別不明顯。比較現(xiàn)實(shí)，有必要區(qū)分優(yōu)良等級(jí)和污染等級(jí)的AQI預(yù)報(bào)變化幅度范圍。

圖4 2014年NAQPMS模式對(duì)北京市AQI預(yù)報(bào)偏差分布

綜上所述，不同空氣質(zhì)量等級(jí)對(duì)應(yīng)的AQI范圍區(qū)間大小有所不同，并根據(jù)實(shí)況統(tǒng)計(jì)分析和模式預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論是AQI實(shí)況波動(dòng)范圍，還是模式預(yù)報(bào)偏差，不同空氣質(zhì)量級(jí)別差別明顯。因此，在開展城市AQI預(yù)報(bào)時(shí)，有必要針對(duì)各級(jí)空氣質(zhì)量等級(jí)分別設(shè)定不同的AQI變化幅度，力求合理并準(zhǔn)確地反映未來(lái)AQI的變化范圍。建議空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良等級(jí)設(shè)定AQI變化幅度為10，輕度和中度污染等級(jí)設(shè)定為15，重度和嚴(yán)重污染等級(jí)設(shè)定為25。

3 AQI預(yù)報(bào)質(zhì)量控制討論

為保證城市AQI預(yù)報(bào)的有序開展，應(yīng)建立一套完善的質(zhì)量控制體系，對(duì)城市例行的AQI業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)進(jìn)行全過(guò)程的質(zhì)量控制。1)建立預(yù)報(bào)日常值班制度，每日值班人員分為主班和副班2人，主班負(fù)責(zé)預(yù)報(bào)結(jié)果確定和會(huì)商啟動(dòng)等，副班負(fù)責(zé)預(yù)報(bào)信息和值班日志的編寫，并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果提出參考性意見，減少主班的個(gè)人盲區(qū)。2)建立預(yù)報(bào)會(huì)商制度，在預(yù)測(cè)到可能出現(xiàn)重污染時(shí)，聯(lián)合相關(guān)預(yù)報(bào)部門和氣象部門等機(jī)構(gòu)開展預(yù)報(bào)會(huì)商，集思廣益，從不同專業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)背景獲取多方意見，最終達(dá)成全體認(rèn)可的預(yù)報(bào)結(jié)果，避免錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)等預(yù)報(bào)失誤。3)建立嚴(yán)格的工作流程，最大程度地減少人為干預(yù)，以控制預(yù)報(bào)的隨意性。盡可能實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)自動(dòng)化分析，避免過(guò)多人工參與，提高預(yù)報(bào)客觀性和客觀訂正效率［3］。4)采用集合預(yù)報(bào)方法，降低單一模式預(yù)報(bào)的不確定性誤差，通過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合利用各模式的優(yōu)勢(shì)，縮小預(yù)報(bào)的誤差范圍，從而改善預(yù)報(bào)效果［4-5］。5)定期開展預(yù)報(bào)效果回顧，一方面可評(píng)判預(yù)報(bào)模式對(duì)各項(xiàng)污染物預(yù)報(bào)的系統(tǒng)誤差及誤差范圍，便于模式的后續(xù)改進(jìn)，另一方面有利于預(yù)報(bào)員總結(jié)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，糾正個(gè)人傾向，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率［6-7］。

4 總結(jié)

目前，全國(guó)重點(diǎn)城市已不同程度地開展AQI預(yù)報(bào)能力建設(shè)?？紤]到國(guó)內(nèi)城市間空氣質(zhì)量水平差異較大和預(yù)報(bào)模式多樣化等特點(diǎn)，為保證各城市AQI預(yù)報(bào)的規(guī)范性和可比性，急需建立一套標(biāo)準(zhǔn)化并可統(tǒng)籌兼顧的AQI預(yù)報(bào)方法體系，包括AQI預(yù)報(bào)方法、預(yù)報(bào)流程、預(yù)報(bào)范圍訂正、質(zhì)量控制等一系列技術(shù)規(guī)范。文中通過(guò)對(duì)典型城市2014年每日AQI實(shí)況分析的基礎(chǔ)上，闡述了針對(duì)不同空氣質(zhì)量等級(jí)設(shè)定不同的AQI預(yù)報(bào)范圍變化幅度的必要性，并建議性地提出分級(jí)變化幅度參考值，同時(shí)對(duì)加強(qiáng)預(yù)報(bào)過(guò)程的質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行了討論，期望能夠?yàn)楦鞒鞘虚_展AQI預(yù)報(bào)提供借鑒和參考。

［1］程念亮，李云婷，孫峰，等．北京市空氣重污染天氣類型分析及預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)介［J］．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38(5)：189-194．

［2］劉閩，王帥，林宏，等．沈陽(yáng)市冬季環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型建立及應(yīng)用［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，30(4)：10-15．

［3］王曉彥，劉冰，李健軍，等．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［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2015，31(1)：134-138．

［4］王自發(fā)，吳其重，cbaguidi A，等．北京空氣質(zhì)量多模式集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立及初步應(yīng)用［J］．南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，1(1)：19-26．

［5］王茜，伏晴艷，王自發(fā)，等．集合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)在上海市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(4)：1-11．

［6］胡鳴，趙倩彪，伏晴艷．上海環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分方法研究和應(yīng)用［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2015，31(4)：54-57．

［7］朱莉莉，晏平仲，王自發(fā)，等．江蘇省級(jí)區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式效果評(píng)估［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2015，31(2)：17-23．