AQI標(biāo)準(zhǔn)下北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其在重大活動(dòng)保障中的應(yīng)用

徐文帥,李云婷,吳其重,張大偉,王自發(fā),李金香

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心,北京 100048

2.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048

3.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875

4.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

AQI標(biāo)準(zhǔn)下北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其在重大活動(dòng)保障中的應(yīng)用

徐文帥1,2,李云婷1,2,吳其重3,張大偉1,2,王自發(fā)4,李金香1,2

1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心,北京 100048

2.大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048

3.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875

4.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

圍繞新AQI標(biāo)準(zhǔn)下環(huán)境空氣重污染預(yù)報(bào)預(yù)警工作的需求，全面優(yōu)化升級(jí)了北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了新一代天氣模式WRF，并進(jìn)一步發(fā)展污染源處理模型SMOKE，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)源、面源、機(jī)動(dòng)車源等排放源高時(shí)空分辨率制作，同時(shí)緊追空氣質(zhì)量模型(CMAQ、CAMx、NAQPMS)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在線源解析模塊的業(yè)務(wù)應(yīng)用。這一系統(tǒng)不僅在日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中有效提升了北京市空氣重污染過程的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，還成功應(yīng)用于2014年APEC會(huì)議、2015年紀(jì)念中國人民抗日戰(zhàn)爭暨世界反法西斯戰(zhàn)爭勝利70周年閱兵等重大活動(dòng)空氣質(zhì)量保障工作中，滿足了重大活動(dòng)對(duì)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警的特殊需求，為進(jìn)一步提高城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展做出有益嘗試，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

空氣質(zhì)量；北京市；預(yù)報(bào)預(yù)警；數(shù)值模式；重污染

2013年1月1日，中國正式實(shí)施新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)AQI技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633—2012)，將PM2.5、O3等污染物納入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)NO2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值加嚴(yán)。在新標(biāo)準(zhǔn)下2014年京津冀13個(gè)重點(diǎn)城市PM2.5年平均質(zhì)量濃度達(dá)到93 μg/m3，長三角25個(gè)地級(jí)市年平均質(zhì)量濃度也達(dá)到60 μg/m3[1]，均遠(yuǎn)超過國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；不僅PM2.5濃度污染較重，北京市在2014年甚至出現(xiàn)O3重度污染過程[2]。中國大氣污染出現(xiàn)復(fù)合性特點(diǎn)，大氣污染問題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。改善城市空氣質(zhì)量，除了有效控制本地及周邊城市各類污染源外，開展空氣污染預(yù)報(bào)也是污染控制工作的重要方面，尤其是在空氣重污染或重大活動(dòng)保障期間，及時(shí)準(zhǔn)確的空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警，可為管理部門提供有效的污染控制依據(jù)。針對(duì)不利于污染物擴(kuò)散的天氣作出預(yù)警服務(wù)是空氣質(zhì)量保障工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在所有預(yù)報(bào)方法中，數(shù)值預(yù)報(bào)由于包含科學(xué)與系統(tǒng)的物理化學(xué)過程，已成為美國、英國、意大利、法國等發(fā)達(dá)國家業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中使用的核心技術(shù)方法[3-6]。在AQI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以前，中國北京、上海、廣州[7-10]等重點(diǎn)城市已初步建立數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，但仍存在重污染過程模擬結(jié)果偏低等不足[10-11]。

研究根據(jù)新的AQI標(biāo)準(zhǔn)下空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的新需求，通過排放清單時(shí)空優(yōu)化處理、空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)更新與區(qū)域參數(shù)改進(jìn)、重大活動(dòng)污染控制措施快速評(píng)估方案設(shè)置，同時(shí)從業(yè)務(wù)運(yùn)行的角度全面考慮滿足空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)保障的圖形展示與模型并行計(jì)算算法要求，建立新AQI標(biāo)準(zhǔn)下北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)方法體系，有效提高了空氣重污染預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，并實(shí)現(xiàn)2014年APEC會(huì)議與2015年紀(jì)念中國人民抗日戰(zhàn)爭暨世界反法西斯戰(zhàn)爭勝利70周年閱兵(以下簡稱“9·3”閱兵)等重大空氣質(zhì)量保障活動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。研究旨在探索如何更合理、有效地應(yīng)用空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)，為特大城市或區(qū)域各城市在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)與未來重大活動(dòng)空氣質(zhì)量保障工作提供更有應(yīng)用價(jià)值的預(yù)報(bào)技術(shù)服務(wù)。

1 模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與區(qū)域設(shè)置

早在2008年北京奧運(yùn)會(huì)之前，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心就聯(lián)合中國科學(xué)院大氣物理研究所建立了空氣質(zhì)量多模式業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[7-8]。然而，近年來出現(xiàn)了應(yīng)用該多模式系統(tǒng)表現(xiàn)出典型的重污染過程大氣污染物濃度模擬偏低的問題，鑒于此，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心與相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)合作對(duì)多模式系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估改進(jìn)研究[11]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合新AQI標(biāo)準(zhǔn)下北京市空氣重污染應(yīng)急預(yù)案需求，北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)一步采用新一代的天氣研究預(yù)報(bào)模式WRF代替已停止研發(fā)的MM5氣象模式，將污染源處理模型SMOKE和空氣質(zhì)量模型(CMAQ、CAMx、NAQPMS)分別升級(jí)研發(fā)至較新版本，并新引入CAMx模型污染來源解析PAST模塊；優(yōu)化研發(fā)并行計(jì)算技術(shù)，有效提升空氣質(zhì)量數(shù)值模擬計(jì)算速度，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合SMOKE排放模型研發(fā)新一代污染控制措施快速評(píng)估系統(tǒng)，快速評(píng)估各種減排措施實(shí)施時(shí)的空氣質(zhì)量效果，反饋政府決策部門。所應(yīng)用的業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 新AQI標(biāo)準(zhǔn)下北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

氣象模式全球初始邊界條件采用美國大氣和海洋局(NOAA)的全球預(yù)報(bào)氣象場(GFS)數(shù)據(jù)集(又稱AVN分析資料)，該數(shù)據(jù)水平空間分辨率為0.5°×0.5°，日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)時(shí)長由72 h延長為APEC會(huì)議期間的96 h，并在“9·3”閱兵活動(dòng)空氣質(zhì)量保障中進(jìn)一步延長到120 h。在排放清單處理中，東亞背景排放清單基于TRACE-P[12]和INTEX-B排放清單[13]，本地排放清單根據(jù)北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目《北京市大氣排放清單研究》獲得，周邊區(qū)域及減排清單來源于京津冀及近周邊省市向京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治協(xié)作小組提供的污染統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2 模式系統(tǒng)優(yōu)化與升級(jí)

1.2.1 模型區(qū)域設(shè)計(jì)

預(yù)報(bào)系統(tǒng)將采用3層嵌套技術(shù)，最粗網(wǎng)格分辨率為27 km，最內(nèi)層分辨率仍為3 km。最外層區(qū)域仍然覆蓋整個(gè)東亞地區(qū)；中間層區(qū)域覆蓋京津冀及近周邊區(qū)域；3 km區(qū)域包含北京及近鄰城市(圖2)，以重點(diǎn)考察周邊地市對(duì)北京市PM2.5的影響。

圖2 模式區(qū)域設(shè)計(jì)

1.2.2 模型版本優(yōu)化

在新一代業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，氣象、污染源處理、空氣質(zhì)量模型均適用目前較新及應(yīng)用較成熟的版本，其中天氣研究模式WRF版本采用V 3.6[14]，WRF模式是美國大氣研究中心(NCAR)主導(dǎo)研發(fā)的新一代非靜力天氣氣候模型，其針對(duì)相對(duì)濕度與邊界層高度的模擬明顯優(yōu)于MM 5，而這2個(gè)要素是PM2.5與O3預(yù)報(bào)的關(guān)鍵氣象要素之一[15]，因此研究采用WRF替代MM 5。

排放源處理模型SMOKE[16]版本采用V 2.4，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套完整的腳本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)面源、點(diǎn)源及機(jī)動(dòng)車源3種排放處理方式的高度自動(dòng)化。

空氣質(zhì)量模型CMAQ[17]版本為V 4.7，相當(dāng)于原有多模式系統(tǒng)中CMAQv 4.4，新版本選用新一代氣相化學(xué)機(jī)制CB 5[18]，氣溶膠模塊由原有的aero 4升級(jí)為aero 5，而MCIP模塊采用V 3.6以適應(yīng)新一代天氣模式WRF。CAMx模型[19]版本采用較新的V 6.10，氣相化學(xué)機(jī)制同樣由CB 4升級(jí)到CB 5，化學(xué)機(jī)制算法由原有CMC更新為更加普適的EBI解法器，氣相反應(yīng)物種由35個(gè)增加到65個(gè)，考慮的化學(xué)反應(yīng)由原有的117個(gè)增加到156個(gè)，所考慮的物種更加詳細(xì)。NAQPMS模型版本采用最新的V 3.0，引入ISOPPOPIA氣溶膠模塊，更加完善模式對(duì)PM2.5模擬能力。

1.3 排放清單設(shè)計(jì)與時(shí)空優(yōu)化

1.3.1 面源網(wǎng)格化處理

北京市的道路揚(yáng)塵、民用化石燃料、生物質(zhì)燃燒及小工業(yè)排放等是顆粒物排放的重要來源，此類排放占北京市顆粒物排放的70%以上[20]，這類排放常以無組織形式出現(xiàn)，研究采用SMOKE模型的統(tǒng)計(jì)-分?jǐn)偟拿嬖刺幚矸绞?，結(jié)合人口、路網(wǎng)等地理信息資料，以獲得更高空間分辨率城市區(qū)域顆粒物排放源，其基本處理流程如圖3所示，除考慮空間分布特征之外，綜合考慮不同行業(yè)排放的時(shí)間變化規(guī)律、排放物種成分等因素，建立模式可用的網(wǎng)格化排放源。

圖3 SMOKE面源處理流程圖

已有研究表明，通過面源空間優(yōu)化可以有效提高北京市顆粒物的模擬效果[18]，因此研究中將原有多模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)中北京市行政區(qū)域內(nèi)的面源排放清單由區(qū)縣級(jí)進(jìn)一步優(yōu)化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道級(jí)(北京市以外的面源排放依然采用區(qū)縣級(jí)清單)。處理過程中，在SMOKE模型中按照行業(yè)相關(guān)的空間分布屬性、時(shí)間變化規(guī)律及行業(yè)排放物種分配規(guī)律，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道級(jí)排放清單的居民面源、鍋爐排放、道路揚(yáng)塵、小鍋爐燃燒、生物質(zhì)排放等不同行業(yè)類型的面源分?jǐn)偟侥Ｊ剿骄W(wǎng)格。

1.3.2 點(diǎn)源處理

點(diǎn)源處理采用“自下而上”調(diào)查匯總的方式進(jìn)行，與面源處理的主要區(qū)別在于排放源的空間分配；而物種分配機(jī)制、排放時(shí)間規(guī)律與面源處理類似(依據(jù)行業(yè)特征考慮不同行業(yè)類型排放源排放時(shí)間規(guī)律)。點(diǎn)源的空間分配包括水平分配和垂直分配。水平分配依據(jù)點(diǎn)源調(diào)查清單經(jīng)緯度位置網(wǎng)格化；垂直分配結(jié)合氣象要素模擬結(jié)果，模擬點(diǎn)源排放煙流上升過程。

研究中收集并整理了北京市及周邊城市2013年大型工業(yè)點(diǎn)源的環(huán)境統(tǒng)計(jì)排放數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上將最新并經(jīng)過GIS工具位置校驗(yàn)的排放信息導(dǎo)入SMOKE排放模型，最終獲得的點(diǎn)源排放圖如圖4所示。

圖4 SMOKE模型中SO2點(diǎn)源分布圖

1.3.3 機(jī)動(dòng)車排放源處理

在機(jī)動(dòng)車排放處理過程中，利用GIS的空間分割工具對(duì)路線位置、公路里程信息、不同公路類型設(shè)置不同權(quán)重，調(diào)用SMOKE中的mobile 6模塊，根據(jù)不同機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)類型、里程、道路信息、車流量、車速以及氣象因子等信息進(jìn)行模擬運(yùn)算，每日在線計(jì)算獲得機(jī)動(dòng)車的排放因子與排放總量。

預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的SMOKE-Mobile 6模塊依據(jù)機(jī)動(dòng)車行駛里程數(shù)據(jù)、數(shù)值模式實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)氣象輸入及Mobile 6模塊參數(shù)，動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)動(dòng)車排放因子。Mobile 6模塊計(jì)算獲得機(jī)動(dòng)車排放因子考慮了地區(qū)燃油水平、工況、車型、車速及環(huán)境溫濕度等因素影響，再結(jié)合不同等級(jí)道路不同車型機(jī)動(dòng)車行駛里程數(shù)據(jù)計(jì)算獲得機(jī)動(dòng)車排放量，機(jī)動(dòng)車尾氣排放處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)動(dòng)車源CO排放處理效果圖

1.3.4 綜合排放源的時(shí)空合成

在SMOKE排放模型中，根據(jù)已有研究成果[18]，針對(duì)電廠、居民面源、化工、燃煤采暖、鋼鐵、水泥等不同行業(yè)排放時(shí)間變化系數(shù)對(duì)研究的年排放清單進(jìn)行分配，其中各類源均具有月、日分配系數(shù)；而排放物種分配參考USEPA的物種分配數(shù)據(jù)庫。

各類排放源處理結(jié)束后，綜合考慮面源、點(diǎn)源及機(jī)動(dòng)車源排放，利用SMOKE模型中的merge模塊將合并獲得模式可用的新區(qū)域網(wǎng)格排放源，最終合并獲得未來96 h逐小時(shí)的排放量，用于每日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與應(yīng)急評(píng)估。

1.4 來源解析模塊設(shè)計(jì)

中國一些地區(qū)高濃度的O3和PM2.5同時(shí)存在，具有明顯的復(fù)合型污染特征，相比一次污染物，二次污染物在形成機(jī)理上更為復(fù)雜：輸送過程中復(fù)雜的物理(混合過程)和化學(xué)過程(氣相、液相特別是非均相反應(yīng))增加了準(zhǔn)確定量評(píng)估污染物跨境輸送影響的難度。傳統(tǒng)CMB受體模型或PMF因子分析法難以解析二次污染物的來源，研究中采用三維空氣質(zhì)量數(shù)值模型CAMx的顆粒物溯源模塊(PSAT)解析PM2.5的污染來源，與目前常用的源解析方法相比，可以更為準(zhǔn)確高效的對(duì)PM2.5的輸送源地區(qū)和污染排放源進(jìn)行解析。

PSAT是CAMx的一個(gè)重要擴(kuò)展功能，可用于追蹤的顆粒物種類主要包括硫酸鹽粒子、硝酸鹽粒子、銨鹽粒子、汞粒子、一次和二次有機(jī)氣溶膠、元素碳、地殼粒子以及其他顆粒物。 PSAT的一個(gè)基本假設(shè)是對(duì)每類顆粒物追蹤其主要的前體物(即硫酸鹽追蹤硫氧化物的排放，硝酸鹽追蹤氮氧化物的排放，銨鹽追蹤氨的排放等)。

1.5 計(jì)算機(jī)并行算法與自動(dòng)化變成設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)是各個(gè)模式運(yùn)行的基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)值模型每日業(yè)務(wù)化自動(dòng)運(yùn)行，業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用Shell腳本編程語言，輔以FORTRAN、C、PYTHON及PERL語言，實(shí)現(xiàn)NetCDF、ASCll文本、二進(jìn)制等不同數(shù)據(jù)格式的解析與轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)各氣象、污染源、空氣質(zhì)量模型輸入輸出等接口的自動(dòng)銜接，同時(shí)基于GRADS等繪圖軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)繪圖腳本代碼，實(shí)現(xiàn)每日自動(dòng)繪圖輸出功能的業(yè)務(wù)化功能。

在并行方面，研究采用MPICH消息通訊并行方式，同時(shí)引入混合并行技術(shù)等方面最新研究成果，實(shí)現(xiàn)了各模型在Infiniband網(wǎng)高效并行計(jì)算，極大提升了各個(gè)空氣質(zhì)量模式運(yùn)行效率(如同樣區(qū)域設(shè)置CMAQ模式計(jì)算耗時(shí)由110 min下降到50 min)。新計(jì)算技術(shù)的引入有效減少了模式預(yù)報(bào)時(shí)間，提高了模式時(shí)效性，使得基準(zhǔn)、減排等多情景業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)成為可能，也使得在線源解析的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)成為可能，為預(yù)報(bào)小組及專家及時(shí)提供更加豐富的數(shù)值產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)日常業(yè)務(wù)應(yīng)用效果分析

2.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用效果

2014年國控點(diǎn)位PM2.5日均質(zhì)量濃度模擬值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 PM2.5日均質(zhì)量濃度模擬與實(shí)測比對(duì)

由圖6可見，在2014年1—12月的模擬比對(duì)時(shí)段內(nèi)，模擬與觀測值變化趨勢均比較接近，模擬值略低于觀測結(jié)果。而在1月中下旬、2月下旬、3月下旬、10月上旬、10月下旬、12月等各個(gè)重污染過程中，模式系統(tǒng)均能很好地模擬出污染過程快速上升及下降過程，模擬的數(shù)值與觀測值吻合較好，模擬總體性能較好。統(tǒng)計(jì)分析表明，絕大多數(shù)優(yōu)良天模擬效果較高，極少出現(xiàn)優(yōu)良天模擬與觀測結(jié)果反向個(gè)例。

2.2 與舊系統(tǒng)重污染過程模擬比對(duì)

圖7為新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)在重污染過程中對(duì)PM2.5日均質(zhì)量濃度模擬值的比對(duì)結(jié)果。

圖7 2014年采暖季新、舊系統(tǒng)PM2.5日均值模擬比對(duì)

由圖7可見，針對(duì)在北京市空氣質(zhì)量重污染頻發(fā)的采暖季，舊系統(tǒng)針對(duì)PM2.5重度污染以上的模擬性能較差，2014年11—12月絕大多數(shù)重污染天難以模擬，而新系統(tǒng)對(duì)重污染的模擬性能大幅改進(jìn)，較好模擬出11月26日、12月9、27日重污染過程的累積及快速消散過程。

2.3 水平分布模擬校驗(yàn)效果

圖8、圖9分別為典型區(qū)域性重污染過程和優(yōu)良天氣下，系統(tǒng)模擬結(jié)果與實(shí)測效果比較。

圖8 典型區(qū)域性重污染模擬空間效果圖(左圖為CMAQ模式模擬結(jié)果，右圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的河北省環(huán)保廳空氣質(zhì)量發(fā)布平臺(tái))

圖9 典型優(yōu)良天模擬空間效果圖(左圖為CMAQ模式模擬結(jié)果，右圖為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的河北省環(huán)保廳空氣質(zhì)量發(fā)布平臺(tái))

從首要污染物PM2.5的空間分布效果看，模型系統(tǒng)針對(duì)區(qū)域性重污染過程(圖8)以及優(yōu)良天(圖 9)的模擬結(jié)果與實(shí)測均較為接近，基本可預(yù)報(bào)模擬反演出污染物的空間演變規(guī)律，可以為預(yù)報(bào)提供重要支撐。

2.4 典型O3重污染過程模擬效果

北京市在2014、2015年均發(fā)生個(gè)別O3重污染過程，尤其在2015年8月11—13日，連續(xù) 3 d空氣質(zhì)量級(jí)別達(dá)到O3中度污染以上，其中8月13日甚至達(dá)到重度污染水平。由于O3日變化較為顯著，研究中選取8月9—16日O3與NO2的小時(shí)濃度變化進(jìn)行比對(duì)分析(圖10)，以期更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ歪槍?duì)氣態(tài)污染物的模擬性能。

圖10 2015年8月9—16日(0：00)城區(qū)點(diǎn)位氣態(tài)污染物小時(shí)濃度變化比對(duì)

從圖10可以看出，城區(qū)點(diǎn)位模擬結(jié)果與實(shí)測值較為接近，尤其針對(duì)8月11—13日O3極高值模擬性能較佳，成功模擬出8月11、13日快速上升而后顯著下降的日變化特征。另一方面，NO2每日模擬的谷值均略低于實(shí)測值，可能與機(jī)動(dòng)車源略有低估有關(guān)。

3 重大活動(dòng)保障應(yīng)用

3.1 減排情景設(shè)計(jì)

不同于北京奧運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量減排效果事后模擬評(píng)估，在強(qiáng)有力的計(jì)算技術(shù)及污染控制措施排放快速設(shè)定系統(tǒng)支撐下，新系統(tǒng)采用業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的方式同時(shí)模擬基準(zhǔn)情景及各組減排情景，向預(yù)報(bào)小組、專家及決策部門提供各種情景下北京市PM2.5等各種污染物濃度。

在2014年APEC會(huì)議與2015年“9·3”閱兵活動(dòng)空氣質(zhì)量保障期間，模型系統(tǒng)根據(jù)《京津冀及近周邊區(qū)域空氣質(zhì)量保障方案》中的不同級(jí)別預(yù)警減排措施設(shè)計(jì)模擬情景。設(shè)計(jì)的模擬情景包括：①基準(zhǔn)情景，即日常不減排情景。②分階段減排情景，即分階段依據(jù)空氣質(zhì)量保障方案對(duì)北京及周邊設(shè)定不同的減排模擬方案，APEC期間，11月3—5日為第一階段，11月6日起為第二階段；“9·3”閱兵期間，8月20—27日為第一階段，8月28日—9月3日為第二階段。③基準(zhǔn)情景下的無周邊排放源情景。④減排情景下的無周邊排放源情景。在重大活動(dòng)空氣質(zhì)量保障中，需要第一時(shí)間得出不同情景下空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)效果，在2次活動(dòng)的空氣質(zhì)量保障中新一代的北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)每日均同時(shí)運(yùn)行4套情景進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.2 減排期間預(yù)報(bào)效果驗(yàn)證及效果評(píng)估

3.2.1 APEC會(huì)議空氣質(zhì)量保障

圖11展示了APEC會(huì)議期間模式系統(tǒng)對(duì)整個(gè)京津冀地區(qū)PM2.5高濃度時(shí)段模擬效果與實(shí)測值的對(duì)比情況。

圖11 APEC會(huì)議期間PM2.5高濃度時(shí)段模擬與實(shí)測比對(duì)

由圖11可見，APEC會(huì)議減排情景對(duì)于京津冀區(qū)域的空間分布特征與空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測濃度表現(xiàn)出較好的一致性(如較好地反演出10月8日京津冀區(qū)域大部分地區(qū)白天時(shí)段維持良好-輕度污染的水平分布特征)。

APEC會(huì)議減排情景在11月3—10日的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比對(duì)圖見圖12。

圖12 APEC會(huì)議期間基準(zhǔn)情景、減排情景預(yù)

由圖12可以看出，減排情景模擬與觀測的時(shí)間變化規(guī)律較為一致，模式系統(tǒng)較好地模擬出11月4日快速上升到11月6日迅速下降過程，同時(shí)也較好地模擬出7—10日緩慢上升后小幅波動(dòng)的變化特征。同時(shí)，基于基準(zhǔn)情景、減排情景2組模擬結(jié)果也很好地表征了APEC會(huì)議期間分階段減排措施效果，7、8日實(shí)際減排效果甚至超過保障方案設(shè)定的預(yù)期，8日的預(yù)報(bào)中基準(zhǔn)情景預(yù)測為中度污染，依據(jù)保障方案減排措施，可下降到輕微污染及格線附近，而實(shí)際減排效果略高于保障方案預(yù)估效果，保障了8日北京空氣質(zhì)量達(dá)到良，未出現(xiàn)輕微污染。

APEC會(huì)議期間污染減排措施對(duì)北京市PM2.5的影響如圖13所示。

由圖13可見，APEC會(huì)議期間北京及近周邊城市實(shí)施減排措施之后，空氣質(zhì)量改善比例達(dá)到24.6%～38.53%，而第二階段減排措施效果較第一階段更為明顯，減排比例最高為11月8日。減排的第一階段(11月3—5日)，減排比例為24.6%～26.41%，低于30%；第二階段開始，減排效果明顯增加，每日減排比例均高于30%，而且減排比例較為穩(wěn)定，為32.35%～38.53%之間波動(dòng)，并未隨污染物濃度高低而劇烈變化。

圖13 APEC會(huì)議期間污染減排對(duì)北京市PM2.5的影響

3.2.2 “9·3”閱兵活動(dòng)保障

2015年“9·3”閱兵活動(dòng)空氣質(zhì)量保障采用了跟APEC會(huì)議期間同樣的4組減排設(shè)置進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)及減排措施效果預(yù)估。由8月20日—9月4日減排情景下模擬與實(shí)測的比對(duì)結(jié)果可知(圖14)，模擬與實(shí)測結(jié)果非常接近，能較好模擬出8月20、23日，9月4日各階段峰值的變化趨勢，針對(duì)8月21、25、26日的極低值模擬也非常接近，基本反演出污染變化過程。同樣獲得與APEC會(huì)議期間空氣質(zhì)量保障相似的評(píng)估結(jié)果提供給預(yù)報(bào)小組、專家及決策部門使用。

圖14 8月20日—9月4日PM2.5模擬與觀測比對(duì)

3.3 在線源解析技術(shù)在空氣質(zhì)量保障中的應(yīng)用

與APEC會(huì)議期間空氣質(zhì)量保障略有不同，為了更有效地利用計(jì)算資源，在“9·3”閱兵期間，進(jìn)一步利用CAMx模型的在線源解析PSAT追蹤不同地區(qū)顆粒物排放對(duì)北京空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)。通過GIS對(duì)CAMx模式網(wǎng)格對(duì)地理區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合CAMx-PSAT工具追蹤研究了北京、天津及河北各個(gè)地級(jí)市排放污染物對(duì)模式區(qū)域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的影響共享，通過目標(biāo)點(diǎn)提取計(jì)算獲得各個(gè)城市對(duì)北京市的顆粒物貢獻(xiàn)率，如圖15所示。

圖15 北京市、天津市及河北省其他地級(jí)市對(duì)北京市PM2.5貢獻(xiàn)解析

由圖15可見，在8月20日—9月4日期間，外來輸送占20.8%，北京市本地貢獻(xiàn)占79.2%，比較全年傳輸量有所減少。這主要是由于2個(gè)活動(dòng)期間，北京市偏北風(fēng)頻率較高，北部區(qū)域空氣相對(duì)清潔，輸送到京以低濃度空氣污染物為主，因此在輸送中占比減小。從各地來源來看，在2個(gè)活動(dòng)期間，主要以偏北與偏東北向輸送為主，京津冀區(qū)域內(nèi)對(duì)北京傳輸影響最大的為唐山市，輸送占比為4.3%；其次為北部的張家口市，輸送占比為3.4%；天津市占2.9%；廊坊市占比也超過1%。而西南向輸送占比相對(duì)較小(保定市輸送占比僅為0.8%)，西南向更遠(yuǎn)的石家莊市、邢臺(tái)市與邯鄲市對(duì)北京市輸送影響均低于0.5%。

除地理來源識(shí)別，在線源解析技術(shù)也能區(qū)別不同類型排放源對(duì)目標(biāo)地區(qū)的貢獻(xiàn)。在“9·3”閱兵期間空氣質(zhì)量保障研究工作中，進(jìn)一步將模型排放源分為機(jī)動(dòng)車源、電廠、采暖鍋爐、揚(yáng)塵、居民面源、生物源、農(nóng)業(yè)源等類型結(jié)合CAMx-PSAT進(jìn)行來源解析，通過解析PM2.5中的一次粒子、二次有機(jī)氣溶膠等組分，獲得不同類型排放源的貢獻(xiàn)，可為決策部門制定污染長效措施提供幫助。

4 結(jié)論與建議

1)通過優(yōu)化升級(jí)氣象、污染源處理和空氣質(zhì)量模型，建立新AQI標(biāo)準(zhǔn)下的北京市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PM2.5、O3等多種污染物時(shí)空變化的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，大幅提升了北京市空氣重污染過程的預(yù)報(bào)性能；研發(fā)了污染在線解析模塊，豐富了預(yù)報(bào)預(yù)警應(yīng)急的手段和方式。

2)在APEC會(huì)議與“9·3”閱兵等重大活動(dòng)空氣質(zhì)量保障中，通過多情景同時(shí)模擬預(yù)報(bào)、耦合污染源在線解析模塊等方式，實(shí)現(xiàn)了在重大活動(dòng)期間開展準(zhǔn)確、及時(shí)、不同區(qū)域的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和控制措施快速評(píng)估工作，為重大活動(dòng)空氣質(zhì)量管理決策提供了強(qiáng)有力的科學(xué)技術(shù)支撐。

3) 盡管模型針對(duì)PM2.5時(shí)間變化具有較好的模擬效果，但2014年年均值模擬結(jié)果略有偏低，可能與目前模型系統(tǒng)未考慮春節(jié)煙花爆竹、外來沙塵輸送、秸稈焚燒等非常規(guī)污染排放的影響直接相關(guān)。在今后工作中還需進(jìn)一步開展非常規(guī)污染源耦合研究(如加強(qiáng)資料同化與集合預(yù)報(bào)技術(shù)研究)，為公眾與環(huán)境管理部門提供更準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

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Air Quality Numerical Forecasting System and Its Application during the Period of Guarantee for Major Events in Beijing underAQIStandard

XU Wenshuai1,2,LI Yunting1,2,WU Qizhong3,ZHANG Dawei1,2,WANG Zifa4,LI Jinxiang1,2

1.Beijing Environmental Protection Monitoring Centre,Beijing 100048,China

2.Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology,Beijing 100048,China

3.College of Global Change and Earth System Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

4.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Siences,Beijing 100029,China

This paper focused on the needs of air pollution forecasting and early warning under the newAQIstandard, comprehensive optimized and upgraded the air quality numerical forecasting system in Beijing. The system integrated a new generation weather patterns WRF, and further developed pollution processing model SMOKE, to achieved a high spatial and temporal resolution result of point, area and mobile emission sources. In the meantime, this paper followed the new development of air quality model CMAQ、 CAMx、NAQPMS, implement operational applications of online source analytical module. This system not only be effectively enhanced accuracy Beijing’s heavy air pollution process in the ordinary forecasting work, but also successfully used in APEC and the 70 anniversary of the victory of the world anti fascist war memorial day, which fulfilled special needs of the air quality forecasting and warning during the major events period. This paper had made a good attempt that enhance the development of urban air quality forecasting and early warning technology, and has accumulated rich experience.

air quality;Beijing city;forecasting and early warning;numerical model;heavy air pollution

2015-10-30;

2016-01-19

國家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科技專項(xiàng)(201409005);國家科技支撐項(xiàng)目(2014BAC23B03);北京市科技計(jì)劃課題(Z131100006113009)

徐文帥(1980-)，男，海南澄邁人，碩士，高級(jí)工程師。

吳其重

X823

A

1002-6002(2016)02- 0011- 09