城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報要點分析

王 超（撫順市環(huán)境監(jiān)測中心站 遼寧 撫順 113006）

空氣質(zhì)量預(yù)報按預(yù)報尺度可以分為大尺度、中尺度、小尺度。大尺度主要針對全國范圍，中尺度針對省級區(qū)域，而小尺度主要是覆蓋城市范圍及郊區(qū)?？諝赓|(zhì)量的變化趨勢與氣象要素具有很高的相關(guān)性，而氣象要素只有在大尺度范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，再加以目前比較成熟的衛(wèi)星遙感技術(shù)的支持，大尺度的空氣質(zhì)量預(yù)報已經(jīng)可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度和精確度。但是，小尺度城市區(qū)域，一般涵蓋范圍只有幾十平方千米，大城市也只不過100km2左右，其局地氣象變化、地方污染源排放清單、局地環(huán)流、大氣混合層高度、城市區(qū)域地形特征、乃至城市熱島效應(yīng)等眾多具有局地特征的因素都將為空氣質(zhì)量預(yù)報帶來深刻而復(fù)雜的影響。

1 數(shù)值預(yù)報與人工預(yù)報

1.1 數(shù)值預(yù)報

數(shù)值預(yù)報是近年來發(fā)展很快的空氣質(zhì)量預(yù)報方法，在大氣污染預(yù)報中，為了定量描述空氣污染物的濃度分布和變化趨勢，通常用數(shù)學(xué)方法表示污染物在空氣中所經(jīng)歷的理化生過程，用于描述這些過程的定量數(shù)學(xué)方程系統(tǒng)。數(shù)值模式是用數(shù)值計算方法直接求解物質(zhì)守恒方程，以求得污染物濃度在環(huán)境介質(zhì)中與界面上的交換特征及分布規(guī)律，目前比較成熟流行的數(shù)值模型主要有WRF/chem，CMAQ等。數(shù)值預(yù)報模式的實現(xiàn)難度比較大，不僅取決于空氣質(zhì)量模式本身的誤差，污染源的準(zhǔn)確性和氣象模式的預(yù)報精度都會對數(shù)值結(jié)果產(chǎn)生誤差影響，但是該方法具有科學(xué)性強(qiáng)，避免了人工方法的主觀判斷誤差，最大的優(yōu)勢是在大尺度環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)判中準(zhǔn)確度相對較高，是空氣污染預(yù)報的發(fā)展方向。

1.2 人工預(yù)報

人工預(yù)報是指預(yù)報員通過研判未來的氣象條件，比如風(fēng)場、溫度、氣壓、濕度、降水、混合層高度等氣象信息，充分了解當(dāng)?shù)匚廴驹磁欧徘闆r以及周邊大氣傳輸?shù)纫?，綜合各種要素，來最終人工訂正未來幾天內(nèi)的空氣質(zhì)量等級和首要污染物的預(yù)報方法。人工預(yù)報模式的優(yōu)勢在于：能實時把握地方污染源狀態(tài)，對局地環(huán)境的小氣候變化判斷及時準(zhǔn)確，方法靈活對預(yù)報結(jié)果的研判及時。因此，人工預(yù)報更適合城市小區(qū)域的空氣質(zhì)量預(yù)報，但是人工預(yù)報也存在很多的缺陷，主觀影響比較明顯，因此需要預(yù)報員具有較高的背景知識儲備，上手難，對未來較長時段的空氣質(zhì)量的潛勢預(yù)報準(zhǔn)確度較低。

2 氣象條件的判定

氣象條件對空氣質(zhì)量預(yù)報起到?jīng)Q定性的影響，因此，對氣象條件的判斷準(zhǔn)確與否，直接影響空氣質(zhì)量預(yù)報的準(zhǔn)確度。氣象條件分為高空氣象和地面氣象，高空氣象影響大氣候變化，地面氣象則對小區(qū)域的空氣質(zhì)量影響最大，因此，對于城市空氣質(zhì)量預(yù)報，我們要把重點放在地面氣象條件的研判上。

2.1 氣象預(yù)報的思路

預(yù)報員在研判短期天氣情況時，應(yīng)當(dāng)先從分析大范圍環(huán)流背景開始，由遠(yuǎn)到近，由粗到細(xì)逐步集中到分析影響當(dāng)?shù)靥鞖獾沫h(huán)流系統(tǒng)和天氣變化過程，然后通過高低層系統(tǒng)配置和物理量配置分析來做出預(yù)報。具體的判斷思路為：

（1）首先分析和判斷近期大氣環(huán)流背景和主導(dǎo)系統(tǒng)，初步掌握城市所在區(qū)域的中大尺度大氣形勢，目前主流的參考資源有歐洲中心圖、韓國圖、日本傳真圖、T63960L東亞預(yù)報等；

（2）分析和判斷影響本地的天氣系統(tǒng)及影響部位的主要結(jié)構(gòu)特征，如槽、脊、西風(fēng)帶等結(jié)構(gòu)；

（3）分析地面等壓線走勢和地面風(fēng)場，考察其中可能存在的響應(yīng)的中小尺度系統(tǒng)的征兆；

（4）綜合當(dāng)?shù)靥鞖鈱崨r和氣象條件，做到理解、判斷和訂正數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品以及上一級指導(dǎo)意見，最終形成本地區(qū)域的氣象信息歸納結(jié)論。

2.2 主導(dǎo)系統(tǒng)與天氣

主導(dǎo)系統(tǒng)是指所顯示的（500hPa或300hPa）高空圖范圍內(nèi)、直接操縱或左右影響系統(tǒng)的移動、演變的環(huán)流系統(tǒng)。常見的主導(dǎo)系統(tǒng)包括長波槽、長波脊、阻塞高壓、極渦、副高、緯向環(huán)流等。當(dāng)主導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生變化（移動、加強(qiáng)、減弱）時，就會使天氣條件發(fā)生明顯的變化。

一般情況下，處在長波脊控制下，天氣以晴好為主；處在穩(wěn)定的長波槽或槽前鋒區(qū)控制下，通常以短波槽替換間歇性中等強(qiáng)度降水為主；當(dāng)緯向環(huán)流轉(zhuǎn)為經(jīng)向環(huán)流時，將發(fā)生轉(zhuǎn)折性強(qiáng)烈的天氣（大風(fēng)、降溫等）；當(dāng)兩段鋒區(qū)或兩段低槽同位相疊加，如北槽南渦或梅雨鋒區(qū)中有氣旋波產(chǎn)生時，可能會產(chǎn)生強(qiáng)烈的降水。

2.3 影響系統(tǒng)分析

影響系統(tǒng)是指影響本地區(qū)的直接天氣系統(tǒng)，如氣旋、鋒面、冷高壓、地面倒槽、熱帶氣旋等地面系統(tǒng)，高空常有低壓槽、切變線、冷渦、急流、高原低渦、高原切變、東風(fēng)波等高空系統(tǒng)。

影響系統(tǒng)是本地天氣的直接影響因素，通過比較和回顧這次影響系統(tǒng)與歷史上同類型系統(tǒng)模型的主要差異，可以明確當(dāng)前預(yù)報的重點，另外，通過影響系統(tǒng)的三圍結(jié)構(gòu)變化以了解天氣過程的變化和成因。具體表現(xiàn)為：一般受高壓、高壓脊控制的區(qū)域以晴好天氣為主，如若受氣旋、冷渦、切變線影響，則天氣轉(zhuǎn)為陰雨；若本地區(qū)處于槽后受西北氣流控制，則天氣晴好，處于槽前西南氣流，則轉(zhuǎn)陰雨天氣；如若兩個或兩個以上天氣系統(tǒng)共同影響時，那么天氣情況會比較復(fù)雜，雨量加大。

2.4 混合層高度

大氣混合層伸展的高度是混合層高度。混合層高度是研究地表向大氣排放污染物狀況的重要參數(shù)?；旌蠈痈叨仍礁?，越有利于污染物垂直方向的擴(kuò)散，因此，混合層高度是決定地面污染濃度的重要因子?；旌蠈泳哂忻黠@隨時間變化的特征，不同的氣象條件和天氣過程會影響混合層高度。例如，起始溫度的垂直結(jié)構(gòu)和地面增溫狀況會影響混合層高度。

一般根據(jù)混合層內(nèi)的氣象要素的分布特征，對混合層高度進(jìn)行確定，以下是幾種確定混合層高度的方法。

（1）根據(jù)混合層內(nèi)位溫、濕度等分布均勻的特征，利用探空氣球所得的位溫、濕度等繪制的垂直廓線確定。

（2）根據(jù)臭氧濃度的垂直分布與混合層的變化之間的關(guān)系，利用常規(guī)氣象探測資料與臭氧濃度探測資料確定。

（3）利用風(fēng)廓線儀和氣溶膠激光雷達(dá)反演風(fēng)或氣溶膠垂直分布確定。

（4）根據(jù)清晨探空溫度廓線和地面最高、最低氣溫，利用由Holzworth提出的干絕熱法確定。

（5）假設(shè)混合層由熱力和機(jī)械湍流共同作用，邊界層上部大氣運動狀況與地面氣象要素間存在相互關(guān)聯(lián)，估算混合層高度。

利用干絕熱曲線上升法確定混合層高度，具體為：利用探空資料，繪制氣溫隨高度分布，根據(jù)當(dāng)日地面最高氣溫，加5℃處做干絕熱線，兩條曲線的交點所在高度為混合層最大高度。

一般，混合層最大高度大于900m認(rèn)為無污染，小于900m可能出現(xiàn)不同程度的污染。

混合層最大高度因子H用評估區(qū)域夜間02時的混合層平均高度來衡量，混合層平均高度在一定程度上表征大氣的穩(wěn)定程度，根據(jù)大氣層結(jié)穩(wěn)定、中性、不穩(wěn)定的平均高度值，確定混合層高度評估因子的分級。

表1

3 本地排放源

城市污染物排放源主要包括點源、線源、面源。點源主要指城市區(qū)域的大宗工業(yè)企業(yè)：鋼鐵、電廠、水泥、石化煉制等；線源指道路機(jī)動車；面源指無組織排放及大氣揚塵、生物質(zhì)燃燒、爐灶等污染源。當(dāng)出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣即無外來傳輸影響的情況下，本地擴(kuò)散條件不利，那么本地排放源的污染貢獻(xiàn)將決定空氣質(zhì)量，此時，就需要對本地源的排放情況及時空分布有個比較全面和準(zhǔn)確的了解方能做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)論。

4 預(yù)報會商

預(yù)報會商制度是空氣質(zhì)量預(yù)報的重要環(huán)節(jié)，積極有效的會商會對預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要且積極的影響。其形式主要包括內(nèi)部會商、部門會商和專家會商。在一般的預(yù)報工作中，一次預(yù)報應(yīng)該有最少兩個以上的預(yù)報員共同參與，預(yù)報員之間的內(nèi)部會商會對當(dāng)天的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行探討、訂正進(jìn)而提高預(yù)報的準(zhǔn)確性；如果預(yù)報未來某一時間段內(nèi)可能出現(xiàn)重污染情況，需要啟動城市污染預(yù)警時，根據(jù)各地的規(guī)定需要實施部門間的會商，比如氣象部門和環(huán)保部門之間的跨部門會商，共同；必要時成立會商專家委員會進(jìn)行專家會商。最終根據(jù)會商的意見，綜合研究判斷空氣質(zhì)量預(yù)報結(jié)果及預(yù)警等級。

5 結(jié)論

數(shù)值預(yù)報是空氣質(zhì)量預(yù)報的發(fā)展趨勢，但人工預(yù)報是空氣質(zhì)量預(yù)報初級階段必然經(jīng)歷的過程。就像天氣預(yù)報一樣，早期的預(yù)報都是建立在人們的直覺和經(jīng)驗的總結(jié)；隨后初級的觀測手段開始出現(xiàn)，比如氣壓、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象要素的觀測站，通過觀測繪制原始的氣象云圖；隨著科技發(fā)展，尤其是當(dāng)下計算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星探測及遙感技術(shù)的快速發(fā)展，天氣預(yù)報的發(fā)展才從觀測法、統(tǒng)計等相對原始的方法慢慢過渡到現(xiàn)代的數(shù)值預(yù)報方式或者數(shù)值加人工訂正方法。對于剛剛處于起步階段空氣質(zhì)量預(yù)報來說，一定也是要經(jīng)歷這一過程，手工訂正的預(yù)報方式將會在一定時期內(nèi)處于主導(dǎo)地位，成熟的手工預(yù)報也會為將來的數(shù)值預(yù)報提供校正、數(shù)值模型建立提供思路，與預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)相輔相成，使我們的空氣質(zhì)量預(yù)報工作逐漸成熟起來。

〔1〕陳斌，李國剛，王自發(fā)，李建軍，等.《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報方法技術(shù)指南》（第一版）.中國環(huán)境出版社，2014，6（1）.

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