上海環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分方法研究和應(yīng)用

胡 鳴，趙倩彪，伏晴艷

上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200235

我國自2001年啟動空氣質(zhì)量預(yù)報發(fā)布以來，已開展了多種預(yù)報手段的開發(fā)和應(yīng)用，并基本形成了由潛勢預(yù)報模式、統(tǒng)計預(yù)報模式和數(shù)值預(yù)報模式相結(jié)合的空氣污染預(yù)報系統(tǒng)框架［1-2］。隨著空氣質(zhì)量預(yù)報的業(yè)務(wù)化發(fā)展，各地也建立相應(yīng)的預(yù)報考核評估方法或系統(tǒng)客觀評價不同預(yù)報方法的預(yù)報效果［3-9］，以進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報的服務(wù)工作，不斷提高預(yù)報質(zhì)量和預(yù)報水平，但主要基于空氣污染指數(shù)(API)的預(yù)報考評。國內(nèi)較為公認(rèn)的評分辦法主要包括指數(shù)評分辦法和級別判定評分辦法［10］，對API的預(yù)報準(zhǔn)確度、級別判定、預(yù)報值與監(jiān)測值的相關(guān)性進(jìn)行分析和評判。

2012年，環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)頒布［11-12］后，新增污染監(jiān)測因子和實時發(fā)布等要求使空氣質(zhì)量預(yù)報的難度不斷加大［13］，舊的預(yù)報評分方法也難以與新的預(yù)報內(nèi)容匹配，特別是針對空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預(yù)報的考核評分尚屬空白。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，并結(jié)合上海市空氣質(zhì)量實時發(fā)布的特點，編制了一套環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分方法，以定量化反映預(yù)報結(jié)果的精準(zhǔn)度，從而科學(xué)、針對性地改進(jìn)預(yù)報方法，提高預(yù)報準(zhǔn)確率。同時，利用該方法對2013年9月以來的上海市空氣質(zhì)量預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了評估和驗證。

1 考核評分內(nèi)容

應(yīng)環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，上海市于2012年11月正式對外發(fā)布空氣質(zhì)量日報和實時報，包括 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36項污染物指標(biāo);2013年9月1日起發(fā)布未來24 h空氣質(zhì)量預(yù)報信息，并分為3個時段:當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)、次日下午(12:00—20:00)。因此，預(yù)報考核評分的時段也與之對應(yīng)，并考慮日均值(0:00至次日0:00 24 h平均值)的統(tǒng)計，評分中均以污染物的AQI參加計算。另外，根據(jù)國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分段預(yù)報僅以O(shè)31 h濃度參照對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計算AQI和首要污染物并進(jìn)行評價，日報則以O(shè)38 h濃度參照對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計算AQI和首要污染物并進(jìn)行評價，次日下午的O38 h預(yù)報結(jié)果不參與該時段預(yù)報及考核的計算。

根據(jù)近5年的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明［14］，上海市SO2和CO的日均值明顯低于國家二級標(biāo)準(zhǔn)且呈現(xiàn)總體下降趨勢，故不將CO和SO2納入考核指標(biāo)。綜合考慮，上海市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報的考核指標(biāo)包括 PM10、PM2.5、NO2和O3，同時為體現(xiàn)預(yù)報的實效性，評分方法重點關(guān)注分段預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。較之過去僅預(yù)報3項空氣污染物SO2、NO2和PM10，本考評方法在增加考核指標(biāo)PM2.5和O3的同時，又科學(xué)性地篩選出了重點考核指標(biāo)，針對性強(qiáng)。

每個時段的考核評分方法一致，包括首要污染物的正確性評分、預(yù)報級別的準(zhǔn)確性評分和預(yù)報指數(shù)的精度評分，不同于API預(yù)報的考核評分，本方法增加了污染預(yù)報加分項，強(qiáng)調(diào)對污染狀況預(yù)報能力的考核。

2 考核評分計算方法

2.1 考評時段和評分權(quán)重

過去的預(yù)報考核基于舊標(biāo)準(zhǔn)API的評價，僅對逐日空氣質(zhì)量預(yù)報結(jié)果進(jìn)行評分，而本考核評分辦法的評分時段參照分時段預(yù)報:當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)和次日下午(12:00—20:00)3個時間段，強(qiáng)化這3個分時段的預(yù)報質(zhì)量權(quán)重，同時兼顧日均值的考核，即次日的AQI預(yù)報結(jié)果?？偡諪為分時段預(yù)報得分與日均值預(yù)報得分之和，計算公式:

式中f分別代表各對應(yīng)時段的預(yù)報得分。

2.2 各時段得分統(tǒng)計方法

考慮到空氣質(zhì)量為優(yōu)級(AQI≤50)和非優(yōu)級(AQI＞50)時，有是否存在首要污染物的區(qū)別，而基于API的城市空氣質(zhì)量預(yù)報評分辦法并沒有對此進(jìn)行區(qū)分。本方法則將這2種情況分開討論，按不同的統(tǒng)計模型進(jìn)行評定。

當(dāng)實況各指標(biāo)均為優(yōu)等級(IAQI≤50)時:

式中f2為級別準(zhǔn)確性評分，f4為所有參與考核指標(biāo)的精度評分的平均，f0為污染附加分。

當(dāng)實況各指標(biāo)存在非優(yōu)等級(IAQI＞50)時:

式中f1為首要污染物正確性評分，f3為首要污染物(以實況為準(zhǔn))空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評分。

2.2.1 首要污染物正確性評分

當(dāng)實況為非優(yōu)級的情況下，考慮首要污染物的預(yù)報正確與否:如果預(yù)報首要污染物和實況完全相同，得100分;如果預(yù)報首要污染物和實況完全不同，得0分;由于空氣污染物考核指標(biāo)的增加，可能同時出現(xiàn)2個或2個以上首要污染物，若預(yù)報出現(xiàn)2個或2個以上首要污染物，實況首要污染物為其中一項，得分為 f1=100×1/N預(yù)報(N預(yù)報為預(yù)報污染物個數(shù));如果實況出現(xiàn)2個或2個以上首要污染物，預(yù)報為其中一項，得100分。

2.2.2 級別準(zhǔn)確性評分

根據(jù)分時段的預(yù)報發(fā)布內(nèi)容和該時段實時空氣質(zhì)量指數(shù)變化的符合程度進(jìn)行評價，發(fā)布內(nèi)容分為基本級別描述和變化趨勢描述。對級別描述的評價分為完全準(zhǔn)確、部分準(zhǔn)確(跨1個級別)和不準(zhǔn)確(跨2個級別以上)，實況的級別判定為該時間段內(nèi)出現(xiàn)頻次最多的相鄰2個級別(或1個級別)。

如果實況的基本級別完全被預(yù)報的基本級別覆蓋，則判定為完全準(zhǔn)確，得100分;如果實況的基本級別部分被預(yù)報的基本級別覆蓋，其他時間和預(yù)報基本級別之間有一級的差別，則判定為部分準(zhǔn)確，得50分;如果實況的基本級別完全沒有被預(yù)報的基本級別覆蓋，和預(yù)報基本級別之間有2個級別(含)以上的差別，則判定為不準(zhǔn)確，得0分。

API評價的分級及濃度限值較為寬松，一般很少出現(xiàn)跨2個級別(含)以上的情況，而新標(biāo)準(zhǔn)以AQI方法作評價，收嚴(yán)濃度限值標(biāo)準(zhǔn)的同時，級別間的濃度跨度也減小，如PM2.5從50 μg/m3到200 μg/m3變化已跨4個級別(良到重度污染)。特別是上海市空氣質(zhì)量實時發(fā)布為解決AQI的滯后效應(yīng)，顆粒物以1 h的平均濃度取代24 h滑動平均濃度，當(dāng)顆粒物濃度出現(xiàn)急劇變化時，跨級現(xiàn)象較為明顯。故本考評方法增加污染變化趨勢描述項得分，規(guī)定如果實況的級別出現(xiàn)跨2個級別以上，則需要對變化趨勢進(jìn)行描述。變化趨勢的判定為該時間段內(nèi)除基本級別以外出現(xiàn)的其他級別。如果實況需要變化趨勢描述而預(yù)報沒有，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣20分;如果實況不需要變化趨勢描述而預(yù)報有，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報描述相符，在基本級別得分的基礎(chǔ)上加20分;如果實況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報描述差一級，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報描述差2個級別(含)以上，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣20分。

2.2.3 空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度評分

各污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)精度是根據(jù)預(yù)報值與實況值之間的差別計算得到，如果差別過大出現(xiàn)得分為負(fù)數(shù)的情況，則以0分代替，具體計算公式:

式中i為納入評價范圍的各項污染物，f4的得分為所有f4i的平均值。當(dāng)實況為非優(yōu)級時，存在首要污染物空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評分f3，計算方法同f4，但提高了首要污染物的考評權(quán)重得分。

2.2.4 污染附加分

當(dāng)實況出現(xiàn)輕度及以上污染時，進(jìn)行AQI附加分評定，并加入各段的總評分。實況和預(yù)報等級對應(yīng)得分f0見表1，隨著污染程度的加劇，f0加大，實況與預(yù)報級別差別越大，相應(yīng)的f0越小，即扣分越多。由于考評更側(cè)重于對污染及污染趨勢的判斷，漏報比空報的扣分適當(dāng)加重。

表1 實況和預(yù)報等級對應(yīng)得分

3 考核評分的應(yīng)用分析

應(yīng)用該考核評分系統(tǒng)，對上海市2013年9月1日至12月31日的空氣質(zhì)量預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了考核。圖1顯示的是總體得分的比例分布，主要集中在50～90分，其中71～80分的比例最高，達(dá)22%。得分情況基本呈負(fù)偏態(tài)分布，考慮到目前基于AQI的空氣質(zhì)量預(yù)報工作尚處于起步階段，本方法作為預(yù)報水平的基本考核科學(xué)適用。隨著預(yù)報技術(shù)的發(fā)展，基于本方法的考核得分將提高，得分將更趨于合理化分布。

圖1 總體得分比例分布

從不同AQI等級的考評得分情況(圖2)來看，總體得分50～80分，優(yōu)級時段的得分最低，平均為59.5分;嚴(yán)重污染時段的得分最高，平均為75.1分，其次是等級為良的時段，平均得分為72.7。由于空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度得分計算與實況值的大小相關(guān)，在預(yù)測和實況差值相同的情況下，實況值越大，得分越高，可能導(dǎo)致優(yōu)級時段的總體考評得分較低?？紤]到公眾對于空氣質(zhì)量的關(guān)注點更注重于是否污染以及污染趨勢如何，該評分方法也更側(cè)重強(qiáng)調(diào)預(yù)報員對于污染趨勢的判斷。

圖2 不同AQI等級的考評得分

4 結(jié)語

空氣質(zhì)量預(yù)報考核評分是衡量預(yù)報水平的客觀依據(jù)，便于對預(yù)報質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分析，同時能進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報的業(yè)務(wù)化工作，滿足環(huán)境管理的需要。針對目前國內(nèi)AQI預(yù)報考核評分方法的空白，結(jié)合上海市環(huán)境空氣質(zhì)量的特點，制定本預(yù)報考核評分方法。該法具有以下特點:考慮到預(yù)報的實效性，分時段進(jìn)行評價，提高分時段的評分權(quán)重并兼顧日評價;將優(yōu)級時段和非優(yōu)級時段分開考核，更側(cè)重于對污染日的評估，同時突出首要污染物的權(quán)重，強(qiáng)化對首要污染的預(yù)報精確度;增加級別變化趨勢的描述評分以及污染加分項，突出預(yù)報員對污染時段及變化趨勢的預(yù)報;考評預(yù)報員的預(yù)報水平既可以對某一時段的預(yù)報進(jìn)行打分，也可對一天甚至一周作平均得分考評。同時該考評方法也可用于數(shù)值模式預(yù)報的驗證。

應(yīng)用于上海市的空氣質(zhì)量預(yù)報質(zhì)量評估，效果理想，貼近預(yù)報工作的實效與公眾的感受，有利于對城市空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)進(jìn)行管理和考核。從預(yù)報評價周期而言，可逐步拓展到未來48 h、72 h或者一周預(yù)報。該方法也可進(jìn)一步推廣到其他城市地區(qū)，但由于該評分方法主要針對上?？諝赓|(zhì)量的實時發(fā)布，其他城市可根據(jù)自身的空氣質(zhì)量狀況和污染特征，適當(dāng)調(diào)整考核指標(biāo)。

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