廣東省空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)估

沈勁，嵇萍，周亦凌，葉斯琪，陳多宏，謝敏，汪宇，潘月云，許凡，蔡日東

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510308)

廣東省空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)估

沈勁，嵇萍，周亦凌，葉斯琪，陳多宏*，謝敏，汪宇，潘月云，許凡，蔡日東

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510308)

對(duì)廣東省空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)估進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，在不區(qū)分污染等級(jí)的情況下，2016年夏季廣東各市的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差異較大，中山預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性達(dá)92%，是全省唯一一個(gè)準(zhǔn)確性超過(guò)90%的城市，云浮最低，為53%。在區(qū)分污染等級(jí)時(shí)，實(shí)測(cè)為輕度及以上污染級(jí)別的情況下，各市的準(zhǔn)確性普遍較低，僅佛山、東莞與廣州的準(zhǔn)確性達(dá)50%以上，而有11個(gè)城市的準(zhǔn)確性為0。綜合考慮不同污染級(jí)別的準(zhǔn)確性得分后，佛山市排名第1，較不區(qū)分污染等級(jí)時(shí)的排名提前9名。指出，采用區(qū)分污染等級(jí)的預(yù)報(bào)效果評(píng)估辦法更加適合廣東空氣污染較輕的區(qū)域。在首要污染物為臭氧的情況下，廣東省平均的等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性低于首要污染物為其他物種的情況。

廣東??；空氣質(zhì)量；等級(jí)預(yù)報(bào)；準(zhǔn)確性評(píng)估

隨著顆粒物與臭氧污染問(wèn)題在我國(guó)被人們廣泛關(guān)注并逐步成為研究的熱點(diǎn)[1-2]，2013年9月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(國(guó)發(fā)[2013]37號(hào)，“大氣國(guó)十條”)，要求全國(guó)各地進(jìn)一步加強(qiáng)大氣污染防控工作，顯著改善空氣質(zhì)量[3]。到2017年底，京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角細(xì)顆粒物(PM2.5)年均濃度比2012年分別降低25%，20%和15%。同年，各省、直轄市與國(guó)家簽訂《大氣污染防治目標(biāo)責(zé)任書》(環(huán)辦函[2013]979號(hào))。

為完成好國(guó)家下達(dá)的空氣質(zhì)量改善目標(biāo)任務(wù)，廣東省政府將開展大氣重污染監(jiān)測(cè)預(yù)警工作列入2013年“十件民生大事”，并定期進(jìn)行督辦。2014年省政府頒布實(shí)施了《廣東省大氣污染防治行動(dòng)方案(2014—2017年)》，該方案要求完善全省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和建立健全大氣重污染監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，進(jìn)一步加強(qiáng)大氣污染防控工作，確?？諝赓|(zhì)量改善目標(biāo)順利完成?？諝赓|(zhì)量預(yù)報(bào)能力的建設(shè)可以提高空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，尤其是提高重污染天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力，并形成大氣重污染應(yīng)急預(yù)案，有利于為市民提供更好的公共空氣質(zhì)量服務(wù)，提高人民的生活水平和生活質(zhì)量[4-5]。目前，全國(guó)不同級(jí)別的環(huán)境監(jiān)測(cè)單位都在開展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作[6-7]，預(yù)報(bào)手段主要有三維空氣質(zhì)量模型[8]、統(tǒng)計(jì)模型[9]與經(jīng)驗(yàn)判斷[10]等，但對(duì)于如何公平地評(píng)價(jià)某地空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，目前還沒有較好的辦法，如汕尾全年空氣質(zhì)量大多數(shù)處于優(yōu)良狀態(tài)，其全年的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性可達(dá)96%[11]，而對(duì)于一些污染較重的城市，無(wú)法達(dá)到這一準(zhǔn)確性。現(xiàn)針對(duì)廣東省不同城市的污染特點(diǎn)，重點(diǎn)討論如何較合理地比較不同城市的預(yù)報(bào)效果。

1 研究方法

1.1 空氣污染物實(shí)測(cè)濃度與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

使用2016年7月1日—8月31日廣東省各市空氣污染物實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)(包括SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5、O3)與各市上報(bào)的未來(lái)24 h空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)等級(jí)數(shù)據(jù)。

1.2 準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)方法

(1)傳統(tǒng)方法。首先計(jì)算出各市每天實(shí)測(cè)的AQI值及其對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)，然后對(duì)比預(yù)報(bào)等級(jí)與實(shí)測(cè)等級(jí)的差異，其中預(yù)報(bào)等級(jí)與實(shí)測(cè)吻合得1分，不吻合得0分，如預(yù)報(bào)為優(yōu)到良，實(shí)測(cè)為優(yōu)，則算1分。最后統(tǒng)計(jì)出各市每天的平均得分，得分最高的城市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性最高。這種方法忽略了各市的空氣污染變化情況，因?yàn)閷?duì)于某些空氣質(zhì)量較好的沿海城市，相對(duì)容易得到高分。

(2)對(duì)實(shí)測(cè)為不同污染等級(jí)的情況分別統(tǒng)計(jì)。即分別統(tǒng)計(jì)不同污染級(jí)別時(shí)各市的得分，計(jì)算各市在不同污染水平下的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

(3)區(qū)分實(shí)測(cè)為優(yōu)良與輕度以上污染2種情況進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)。即在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)為優(yōu)良時(shí)的平均得分與實(shí)測(cè)為輕度以上污染時(shí)的平均得分，再取兩者平均值作為最終得分，得分高者認(rèn)為其準(zhǔn)確性高。

2 結(jié)果與討論

2.1 不區(qū)分污染等級(jí)時(shí)的各市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

在不區(qū)分污染等級(jí)的情況下，2016年夏季廣東各市的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性得分差異較大(圖1)，得分最高的是中山，達(dá)0.92分，可以認(rèn)為其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性達(dá)92%，而最低的是云浮，得分僅為0.53分，可以認(rèn)為其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性只有53%?？諝赓|(zhì)量較好的云浮、湛江和汕尾等地預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較低，主要是由于其跨等級(jí)預(yù)報(bào)較少。而東莞與中山等地預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高，有部分原因是其跨等級(jí)預(yù)報(bào)情況較多。

圖1 不區(qū)分污染等級(jí)時(shí)各市的得分情況

2.2 區(qū)分污染等級(jí)時(shí)的各市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

在區(qū)分污染等級(jí)時(shí)，全省平均而言，污染等級(jí)越高，預(yù)報(bào)的等級(jí)準(zhǔn)確性得分越低(表1)，在輕度污染時(shí)，平均準(zhǔn)確性僅為29%，中度污染時(shí)，平均準(zhǔn)確性下降到4%，重度污染時(shí)，準(zhǔn)確性下降到0。污染等級(jí)為優(yōu)和良時(shí)，全省平均準(zhǔn)確性分別達(dá)到91%和76%。由此可見，優(yōu)良情況下的預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確，輕度或以上污染時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較低。

從各城市來(lái)看，在污染等級(jí)為優(yōu)的情況下，佛山準(zhǔn)確性得分最低，但也達(dá)到了0.73，有4個(gè)城市達(dá)到1.00，即百分百準(zhǔn)確。在污染等級(jí)為良的情況下，各市的準(zhǔn)確性得分比較分散，東莞與江門等達(dá)到1.00，而汕尾與湛江不足0.20，其余大部分城市在0.70以上。在污染等級(jí)為輕度污染的情況下，韶關(guān)與佛山的得分為1.00，但有10個(gè)城市得分為0。在污染等級(jí)為中度污染時(shí)，僅東莞的得分達(dá)到1.00，其他城市均為0。重度污染僅在3個(gè)城市出現(xiàn)過(guò)，得分均為0。

由于廣東省夏季污染等級(jí)為優(yōu)良的天數(shù)占比較大，中度與重度污染的占比很少(圖2)，兩者一共僅占2%，而輕度污染的概率僅為9%，個(gè)別城市幾乎不會(huì)發(fā)生中度以上污染。所以，按實(shí)測(cè)等級(jí)分5類評(píng)價(jià)不太適合廣東省的情況，一般在廣東省發(fā)生輕度以上污染即被視為污染，所以分為輕度以上污染與優(yōu)良2種情況分別評(píng)估各市準(zhǔn)確性比較合適。

表1 區(qū)分污染等級(jí)時(shí)各市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性平均得分

圖2 廣東省各市實(shí)測(cè)污染等級(jí)占比

2016年夏季，全省各市均發(fā)生過(guò)輕度以上污染，但概率較低。在實(shí)測(cè)為輕度以上污染級(jí)別時(shí)，得分最高的是佛山市(表2)，達(dá)0.86分，其一共有7 d發(fā)生了輕度以上污染，有6 d預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。而11個(gè)城市的得分為0，即多天輕度以上污染沒有1 d可以提前預(yù)報(bào)出來(lái)。這些城市中江門僅出現(xiàn)了2 d輕度以上污染，預(yù)報(bào)難度較大，但云浮出現(xiàn)了12 d輕度以上污染，反映出云浮空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)能力相對(duì)較弱。

在實(shí)測(cè)為優(yōu)良時(shí)，各市的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率普遍較高。其中中山市得分接近0.97，為全省最高，東莞與揭陽(yáng)的得分略低于中山，位列第2與第3，而得分最低的是云浮與湛江，均在0.7左右?？傮w而言，大部分城市在優(yōu)良情況下的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性要高于輕度以上污染的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。佛山市在輕度以上污染時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性略高于優(yōu)良時(shí)，表明佛山市對(duì)污染事件的發(fā)生具備較強(qiáng)的提前預(yù)報(bào)能力，但佛山市在優(yōu)良情況下的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性偏低，表明佛山市普遍存在預(yù)報(bào)結(jié)果偏高的情況。

表2 輕度以上污染和優(yōu)良狀況時(shí)各市預(yù)報(bào)平均得分①

① A代表輕度以上污染；B代表優(yōu)良。

2.3 綜合不同污染水平的各市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

若把污染水平為優(yōu)良與輕度以上污染2種情況等權(quán)重看待，即把各市在上述2種情況下的得分作平均，則可以得到一個(gè)綜合得分(圖3)。按這種方式得到的得分進(jìn)行排名，佛山市排名第1，而在不考慮不同污染水平的情況下，佛山市的排名為第10。另外，考慮不同污染水平時(shí)，廣州也有10名左右的提升，而中山與揭陽(yáng)等城市排名則有不同程度的下降，顯示出2種不同的排名方法存在較大的差異，但最后幾名的差異性較少。

總體而言，在污染等級(jí)優(yōu)良時(shí)各市的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差異較少，在輕度以上污染時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的高低決定了排名的高低。佛山、東莞與廣州等在輕度以上污染等級(jí)時(shí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高，從而得到了較高的綜合排名。

圖3 綜合考慮不同污染水平后的各市得分

2.4 區(qū)分首要污染物時(shí)的各市預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

在污染級(jí)別不為優(yōu)的情況下，廣東省夏季首要污染物主要是O3，占比高達(dá)82%，其次為PM10和PM2.5，占比約為7%和8%，而NO2占比較少，僅為3%，CO作為首要污染物的天數(shù)很少，僅惠州發(fā)生過(guò)1 d(圖4)。

首要污染物不同時(shí)，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有所差異，出現(xiàn)次數(shù)最多的O3，其等級(jí)預(yù)報(bào)難度最大，全省各市的平均得分在多個(gè)污染物中最低，僅為0.59，即廣東省各市O3平均等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不足60%。首要污染物為PM10、PM2.5和NO2時(shí)，廣東省平均等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性約為70%～80%，這些準(zhǔn)確性得分的結(jié)果顯示了O3污染預(yù)報(bào)的難度高于其他污染物，所以導(dǎo)致首要污染物為O3時(shí)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性相對(duì)較低。CO作為首要污染物出現(xiàn)的概率極低，因此沒有討論的意義(表3)。

圖4 廣東省各市實(shí)測(cè)首要污染物占比

城市O3NO2PM10PM2．5CO潮州0．530．581．00東莞0．811．00佛山0．881．001．00廣州0．781．001．00河源0．861．00惠州0．691．000．501．00江門0．781．00揭陽(yáng)0．560．901．00茂名0．250．001．00梅州0．601．00清遠(yuǎn)0．600．501．001．00汕頭0．480．670．500．50汕尾0．000．25韶關(guān)0．86深圳0．650．00陽(yáng)江0．391．000．60云浮0．121．001．001．00湛江0．000．000．75肇慶0．711．001．00中山0．88珠海0．560．501．00平均0．590．800．730．811．00

2.5 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性排名的公平性探討

由于不同城市不同污染等級(jí)出現(xiàn)概率的差異性較大，若不區(qū)分污染等級(jí)，就無(wú)法知道各市在較嚴(yán)重污染事件發(fā)生前能否成功預(yù)報(bào)；另外，對(duì)于空氣質(zhì)量常年優(yōu)良的城市，其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性可以很高，但在輕度以上污染時(shí)，其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性較低，這樣就無(wú)法發(fā)揮預(yù)報(bào)的效果，所以這種簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方法不適合用作城市之間預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的排名或?qū)Ρ取０褜?shí)測(cè)空氣質(zhì)量按污染等級(jí)分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則可以突出輕度以上污染等級(jí)時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的重要性，使得輕度以上污染級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高的城市可以得到靠前的排名，因此，建議像廣東省這樣的輕度以上污染級(jí)別發(fā)生概率相對(duì)較低的地區(qū)使用區(qū)分污染級(jí)別的準(zhǔn)確性綜合評(píng)估方法。

3 結(jié)論

(1)在不區(qū)分污染等級(jí)的情況下，2016年夏季廣東各市的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差異較大。中山預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性達(dá)92%，是全省唯一一個(gè)準(zhǔn)確性超過(guò)90%的城市，而最低的是云浮，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性只有53%;

(2)區(qū)分污染等級(jí)時(shí)，實(shí)測(cè)為輕度以上污染級(jí)別時(shí)，各市的準(zhǔn)確性普遍較低，僅佛山、東莞與廣州的準(zhǔn)確性達(dá)50%以上，有11個(gè)城市的準(zhǔn)確性為0，體現(xiàn)了廣東省城市污染較嚴(yán)重時(shí)其預(yù)報(bào)能力不足。綜合考慮不同污染級(jí)別的準(zhǔn)確性得分后，佛山市排名第1，較不區(qū)分污染等級(jí)時(shí)排名提前9名；

(3)區(qū)分首要污染物的情況下，O3為首要污染物時(shí)，廣東省平均的等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性最低，顯示了O3預(yù)報(bào)的難度較大， O3預(yù)報(bào)水平相對(duì)較低。而且O3是廣東省夏季出現(xiàn)概率最高的首要污染物，因此日后很有必要加強(qiáng)O3預(yù)報(bào)的研究；

(4)由于提前預(yù)測(cè)出輕度以上污染級(jí)別的意義更加重大，采用區(qū)分實(shí)測(cè)為優(yōu)良與輕度以上污染2種情況的預(yù)報(bào)效果評(píng)估辦法更加適合廣東等空氣質(zhì)量較好的地區(qū)。

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Discussion on the Assessment of Accuracy of Air Quality Grade Forecast in Guangdong Province

SHEN Jin，JI Ping，ZHOU Yi-ling，YE Si-qi,CHEN Duo-hong*，XIE Min，WANG Yu，PAN Yue-yun，XU Fan，CAI Ri-dong

(GuangdongEnvironmentalMonitoringCenter,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofRegionalAirQualityMonitoring,Guangzhou,Guangdong510308,China)

The accuracy assessment of air quality forecast in Guangdong province was discussed. Results showed that in case of not to distinguish the pollution levels, forecast accuracy of all cities in Guangdong Province are quite different. Forecast accuracy of Zhongshan was 92%. It was the only city whose accuracy was more than 90%. Yunfu ranked the lowest, with accuracy 53%. In case of distinguishing the pollution levels, in condition of measured air quality grade above light pollution, the accuracy was generally lower. Only the accuracy of Foshan, Dongguan and Guangzhou was more than 50%, while the accuracy of the other cities was 0. Considering the accuracy of different pollution levels, Foshan ranked first, ranking nine further than that in case of not distinguishing the pollution levels. Distinguishing pollution levels was more suitable for assessment of air quality grade forecast in Guangdong, where lighter air pollution takes place. In the case of ozone as the primary pollutant, the average forecast accuracy of Guangdong was lower than that in the case of other species as the primary pollutant.

Guangdong Province; Air quality; Grade forecast; Assessment of accuracy

10.3969/j.issn.1674-6732.2017.03.003

2016-11-08；

2017-01-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014BAC21B03)

沈勁(1985—)，男，工程師，碩士，從事空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作。

*通訊作者：陳多宏 E-mail:13710967699@139.com

X51

A

1674-6732(2017)03-0015-04