法國(guó)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

李紅霞+徐偉嘉+黃建彰

摘要：介紹了法國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，其由法國(guó)巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）直接負(fù)責(zé)，在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)與科研工作方面具有先進(jìn)與豐富的經(jīng)驗(yàn)， 并建立了標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)報(bào)技術(shù)體系和業(yè)務(wù)流程。指出了ESMERALDA系統(tǒng)是法國(guó)包括巴黎大區(qū)在內(nèi)的6個(gè)地區(qū)共同開發(fā)和目前正在使用的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和可視化平臺(tái)，包括法國(guó)自主研發(fā)的CHIMERE模型、小尺度模型和統(tǒng)計(jì)多元回歸模型。巴黎大區(qū)AIRPARIF先進(jìn)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)和預(yù)報(bào)技術(shù)、良好的業(yè)務(wù)運(yùn)行機(jī)制，對(duì)國(guó)內(nèi)大城市空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)具有很好的啟發(fā)與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：PM2.5；空氣質(zhì)量；污染預(yù)報(bào)；空氣質(zhì)量管理中心

中圖分類號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0025-03

1 引言

我國(guó)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，是大氣環(huán)境污染治理工作的基礎(chǔ)。自2012年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，我國(guó)重點(diǎn)城市和地區(qū)的PM2.5污染形勢(shì)嚴(yán)峻，臭氧污染日益突出，廣大市民對(duì)頻發(fā)的重污染預(yù)警也提出了更高的要求。近一兩年，從國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)到各地監(jiān)測(cè)部門都已開始加強(qiáng)預(yù)報(bào)能力的建設(shè)，應(yīng)對(duì)和滿足公眾和管理的需求。

美國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較完善，并從多樣化空氣監(jiān)測(cè)、區(qū)域污染特性及趨勢(shì)分析、突發(fā)應(yīng)急管理、酸沉降與臭氧趨勢(shì)分析、光化學(xué)煙霧、氣溶膠污染、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、多元污染策略減排、達(dá)標(biāo)與空氣管理、減排效益與健康評(píng)估方面實(shí)現(xiàn)了全方位的管控[1～3]。此外，由24個(gè)歐盟成員國(guó)組成的國(guó)際性組織歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 簡(jiǎn)稱 ECMWF）通過(guò)由世界氣象組織（WMO）維護(hù)的全球通信網(wǎng)絡(luò)向世界所有國(guó)家發(fā)送部分有用的中期數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，通過(guò)將空氣質(zhì)量有關(guān)的資料系統(tǒng)、預(yù)報(bào)模式、預(yù)報(bào)系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和評(píng)估系統(tǒng)等有機(jī)地結(jié)合在一起，為政府、企業(yè)和公民提供有力的大氣環(huán)境信息支持和服務(wù)[4～8]。

我國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)尚處于起步階段。目前，我國(guó)已建成覆蓋全國(guó)338個(gè)地級(jí)市由1398個(gè)站點(diǎn)組成的全國(guó)城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)外提供信息服務(wù)（http：//113.108.142.147：20035/emcpublish），并于2016年1月1日起對(duì)外發(fā)布全國(guó)京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角3大區(qū)域、27個(gè)省域、46個(gè)城市的未來(lái)2～3 d空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息（http：//106.37.208.228：8082/）。根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站截至2014年4月底的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（《關(guān)于印發(fā)各地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)開展情況調(diào)查結(jié)果的通知（總站預(yù)報(bào)字[2014]02號(hào)）》）全國(guó)已開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的省級(jí)站為11個(gè)（北京、天津、上海、江蘇、浙江、福建、山東、湖北、湖南、陜西和青海），省會(huì)城市站9個(gè)（太原、沈陽(yáng)、南京、杭州、濟(jì)南、武漢、廣州、成都和西安），計(jì)劃單列市2個(gè)（青島和深圳）。有預(yù)報(bào)能力籌建計(jì)劃的單位包括15個(gè)省級(jí)站、省會(huì)城市13個(gè)以及計(jì)劃單列市3個(gè)。此外，有10個(gè)省級(jí)或省會(huì)城市站暫無(wú)開展預(yù)報(bào)工作的計(jì)劃或?qū)⒃擁?xiàng)工作劃歸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之外的環(huán)境部門負(fù)責(zé)。在已經(jīng)開展空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的省市中，采用的技術(shù)架構(gòu)普遍由三部分組成：統(tǒng)計(jì)模式、數(shù)值模式以及主觀訂正。其中，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)主要應(yīng)用的是各地研發(fā)的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式、采用動(dòng)力統(tǒng)計(jì)修正方法的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)等。數(shù)值預(yù)報(bào)則主要以WRF或MM5驅(qū)動(dòng)的美國(guó)CMAQ、CAMx[9，10]、WRF-chem以及中科院大氣所的NAQPMS[11～13]等模式為主，很多地方集成了不止一個(gè)數(shù)值模式。

在這種情況下，如何盡快的適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)的發(fā)展、如何提高為環(huán)境管理服務(wù)的水平、如何不斷提升自身的技術(shù)能力、如何更加及時(shí)準(zhǔn)確地做出預(yù)報(bào)預(yù)警、為政府決策提供重要科學(xué)依據(jù)，是各省市監(jiān)測(cè)中心迫切需要解決的問(wèn)題。當(dāng)前解決這一問(wèn)題最快速有效的方法就是借鑒國(guó)外先進(jìn)科學(xué)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)和技術(shù)手段，本研究以法國(guó)AIRPARIF為例詳細(xì)闡述了其空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系、模型技術(shù)及其系統(tǒng)建設(shè)情況。

2 AIRPARIF預(yù)報(bào)體系

法國(guó)巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）成立于1979年，是一家法國(guó)環(huán)境部許可的獨(dú)立機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有員工60人，從1990年代開始，直接負(fù)責(zé)向公眾和管理機(jī)構(gòu)提供整個(gè)巴黎地區(qū)的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與分析工作，其主要職責(zé)有：對(duì)包括巴黎市在內(nèi)的巴黎大區(qū)開展空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)（人口約1200萬(wàn)）；每天進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，給出污染物的空間分布狀況；每天通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等方式對(duì)市民、媒體、管理部門發(fā)布空氣質(zhì)量信息；對(duì)于已經(jīng)實(shí)施的或計(jì)劃實(shí)施的污染控制措施進(jìn)行評(píng)估。AIRPARIF在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)與科研工作方面具有先進(jìn)與豐富的經(jīng)驗(yàn)， 并建立了標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)報(bào)技術(shù)體系和業(yè)務(wù)流程。圖1為法國(guó)的預(yù)報(bào)技術(shù)體系流程圖。

3 AIRPARIF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

ESMERALDA系統(tǒng)是法國(guó)包括巴黎大區(qū)在內(nèi)的6個(gè)地區(qū)共同開發(fā)和目前正在使用的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和可視化平臺(tái)。ESMERALDA這個(gè)詞為“跨區(qū)域大氣研究”？的法語(yǔ)縮寫。這個(gè)跨地區(qū)的預(yù)報(bào)平臺(tái)從2004年春天著手部署，于2005年5月1日開始連續(xù)運(yùn)行，2008年增加了顆粒物模塊。目前數(shù)據(jù)的集中處理、計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)行和維護(hù)等工作由6個(gè)地區(qū)之一的巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，但是每一個(gè)成員單位都可以訪問(wèn)全部數(shù)據(jù)并且利用該平臺(tái)計(jì)算自己地區(qū)的污染場(chǎng)景并進(jìn)行信息發(fā)布。該平臺(tái)建設(shè)的目的一方面是為6個(gè)地區(qū)提供空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和污染分布地圖的信息發(fā)布資料，另一方面也是為了進(jìn)行跨區(qū)域污染傳輸?shù)哪M研究。

ESMERALDA系統(tǒng)模擬的區(qū)域是一個(gè)東西長(zhǎng)438 km，南北長(zhǎng)552 km的矩形，涵蓋6個(gè)地區(qū)（圖2）。這6個(gè)地區(qū)人口占法國(guó)總?cè)丝诘?8%，氮氧化物、二氧化硫、非甲烷VOC、二氧化碳、可吸入顆粒物、一氧化碳等污染物的排放量分別占法國(guó)總排放量的37%、43%、22%、30%、17%和26%。模型系統(tǒng)每天運(yùn)算并產(chǎn)出前一天、當(dāng)天和之后一天的污染物濃度分布圖和空氣質(zhì)量指數(shù)地圖，以及每一個(gè)單站的預(yù)報(bào)結(jié)果?？臻g分布圖的分辨率為6 km，重點(diǎn)地區(qū)的NO2和O3分辨率為3 km。

ESMERALDA系統(tǒng)基于開放源代碼軟件產(chǎn)品建立，全部由AIRPARIF完成定制和二次開發(fā)。系統(tǒng)內(nèi)部采用CHIMERE作為化學(xué)傳輸模型（CTM）。氣象場(chǎng)方面采用MM5中尺度氣象預(yù)報(bào)模型。污染源清單方面采用9 km分辨率的跨區(qū)域綜合排放清單，機(jī)動(dòng)車排放由HEAVEN系統(tǒng)計(jì)算生成。系統(tǒng)目前的硬件運(yùn)行環(huán)境為基于INTEL Xeon處理器的兩臺(tái)并行DELL服務(wù)器。操作系統(tǒng)為CentOS，編譯器采用INTEL處理器優(yōu)化的IFORT。目前運(yùn)行每天的常規(guī)預(yù)報(bào)大約需要6 h。ESMERALDA系統(tǒng)在近期計(jì)劃的主要工作包括：評(píng)估WRF的適用性、使用CAMx進(jìn)行源解析以及污染源清單敏感性方面的研究。AIRPARIF預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)采用ISO9001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制，預(yù)報(bào)結(jié)果使用R語(yǔ)言進(jìn)行性能評(píng)估。初步的評(píng)估結(jié)果顯示模型結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果總體吻合，但是在冬季高污染場(chǎng)景時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較明顯的低估。

3.1 區(qū)域空氣質(zhì)量模型（CHIMERE）

CHIMERE模型是法國(guó)研發(fā)的空氣質(zhì)量數(shù)值模型，該模型為三維嵌套歐拉區(qū)域性光化學(xué)輸送模式，由來(lái)自IPSL/LMD、INERIS和LISA等科研機(jī)構(gòu)的工程師聯(lián)合開發(fā)，主要應(yīng)用于對(duì)區(qū)域尺度內(nèi)臭氧、氣溶膠及其他污染物的濃度預(yù)測(cè)，并可以用來(lái)評(píng)價(jià)污染源控制措施的實(shí)施效果。在空間上，CHIMERE可實(shí)現(xiàn)從區(qū)域尺度（幾千公里）到城市尺度（100～200 km）范圍的模擬，分辨率可從1 km到100 km，目前主要應(yīng)用在歐洲。從空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型發(fā)展角度看，相對(duì)于第三代模型（如Model-3/CMAQ）的多物種模擬而言，該模型主要針對(duì)光化學(xué)反應(yīng)的氣態(tài)或固態(tài)污染物以及對(duì)二次氣溶膠的模擬。

與模型相關(guān)的物理和化學(xué)過(guò)程包括：水平與垂直輸送，擾動(dòng)混合，氣溶膠的液相化學(xué)和非均相化學(xué)模式，凝結(jié)、吸收、聚核等物理過(guò)程，二次氣溶膠形成的氣液分配及熱動(dòng)力學(xué)模式，云層對(duì)光分解作用的影響，干濕沉降等。AIRPARIF主要將CHIMERE模型用于法國(guó)國(guó)家區(qū)域尺度模擬，基于MM5的氣象場(chǎng)以及本地排放源處理模塊進(jìn)行區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

（1）氣象模塊，主要是運(yùn)用MM5提供的二維和三維預(yù)報(bào)結(jié)果，計(jì)算出CHIMERE所需的用于計(jì)算光化學(xué)反應(yīng)，混合、沉降和傳輸?shù)确矫娴膮?shù)。CHIMERE具有自己的水平嵌套和垂直分層，METEO模塊實(shí)現(xiàn)MM5與其銜接，即模擬區(qū)域與天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)區(qū)域的耦合，包括時(shí)間分辨率的插值和空間區(qū)域的擬合。

（2）EMIS模塊。主要負(fù)責(zé)處理點(diǎn)源、面源數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并執(zhí)行清單輸入文件向CHIMERE認(rèn)可文件之間的格式轉(zhuǎn)換；交通源和生物源分別采用CONPERT模型與MEGAN模型進(jìn)行輸入處理。

（3） CHIMERE所需的各種相關(guān)模塊。氣相化學(xué)機(jī)制MELCHIOR2（含44個(gè)物種及120多種反應(yīng)）；水平輸送模塊PPM；全球尺度的邊界條件采用GOCART結(jié)果；區(qū)域尺度邊界條件采用LMDz-INCA2化學(xué)輸送模式，執(zhí)行氣態(tài)污染物和氣溶膠的物種輸出等；非有機(jī)氣溶膠形成的吸收過(guò)程采用ISORROPIA區(qū)域和全球尺度的氣溶膠熱力學(xué)模式計(jì)算結(jié)果；有機(jī)氣溶膠的吸收過(guò)程參照熱動(dòng)力平衡方程。初始場(chǎng)目前通過(guò)邊界濃度插值形成。

AIRPARIF主要用CHEMERE模型進(jìn)行歐洲國(guó)家區(qū)域的模擬預(yù)報(bào)與評(píng)估工作，比重可重點(diǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)對(duì)巴黎影響較大的東北向德國(guó)的工業(yè)區(qū)輸送、東向波蘭的重點(diǎn)工業(yè)區(qū)輸送、西向農(nóng)業(yè)氨源輸送、兼顧考慮南部沙哈拉沙漠的沙塵遠(yuǎn)距離輸送，同時(shí)為城市小尺度模型提供預(yù)報(bào)背景濃度場(chǎng)。

3.2 城市小尺度模型

隨著污染治理措施的不斷加強(qiáng)，各國(guó)超大城市的工業(yè)源排放均會(huì)顯著下降，機(jī)動(dòng)車排放源的作用將會(huì)逐步加大，為了更準(zhǔn)備預(yù)報(bào)與評(píng)估道路上行駛機(jī)動(dòng)車源排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響，城市小尺度空氣質(zhì)量模型已經(jīng)是超大城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與評(píng)估業(yè)務(wù)部門必不可少的模型工具。AIRPARIF分別采用ADMS、CALPUFF兩個(gè)模型進(jìn)行小尺度模擬預(yù)報(bào)。在CHEMERE模型提供3 km分辨率背景濃度的基礎(chǔ)上，疊加小尺度模型模擬機(jī)動(dòng)車排放污染物的演變規(guī)律，從而得出精細(xì)化的污染物空間分布結(jié)果。其中ADMS模型用于巴黎整個(gè)主市區(qū)的模擬計(jì)算，CALPUFF模型用于機(jī)場(chǎng)局地模擬預(yù)報(bào)與評(píng)估。

4 統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)技術(shù)

AIRPARIF目前針對(duì)數(shù)值模型結(jié)果采用多元回歸模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)訂正預(yù)報(bào)，主要輸入?yún)?shù)分為幾個(gè)部分：①氣象參數(shù)：溫度（最大溫度、最小溫度）、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等。②數(shù)值模擬結(jié)果，其中顆粒物細(xì)化至各個(gè)組分，此外還有臭氧、NO2、CO、SO2等污染物。③預(yù)報(bào)前一天各個(gè)站點(diǎn)的顆粒物、臭氧、NO2等觀測(cè)結(jié)果。由于歐洲整體排放源變動(dòng)較小，AIRPARIF基本不考慮直接訂正排放源清單來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)，而是利用統(tǒng)計(jì)模型訂正數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，從預(yù)報(bào)結(jié)果看，統(tǒng)計(jì)訂正預(yù)報(bào)可以明顯增加預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，尤其是針對(duì)長(zhǎng)期模擬偏低的站點(diǎn)，因此，針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的統(tǒng)計(jì)訂正預(yù)報(bào)技術(shù)也是AIRPARIF整個(gè)預(yù)報(bào)體系的重要一環(huán)。

綜上，巴黎大區(qū)AIRPARIF先進(jìn)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)和預(yù)報(bào)技術(shù)、良好的業(yè)務(wù)運(yùn)行機(jī)制，對(duì)同為人口密集的國(guó)內(nèi)大城市具有很好的啟發(fā)與借鑒意義。

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