美國加州南岸地區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行管理與借鑒

姚玉剛，董澄澄，張仁泉，鄒 強(qiáng)，張曉華，繆 青，魏 恒，顧 鈞

1.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇省環(huán)境保護(hù)空氣復(fù)合污染監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215004 2.美國塔夫茨大學(xué)弗萊徹法律外交學(xué)院，馬薩諸塞州 梅德福 02155

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確要求地級及以上城市重污染天數(shù)減少25%。理解重污染產(chǎn)生和發(fā)展的機(jī)制對重污染事件預(yù)警和治理至關(guān)重要[1-2]，因此，大力發(fā)展區(qū)域和城市尺度的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作就顯得尤為重要。通過準(zhǔn)確預(yù)測空氣質(zhì)量變化趨勢并發(fā)布預(yù)報(bào)信息，為城市啟動重污染應(yīng)急預(yù)案、實(shí)施污染物減排、減少重污染天氣提供有力的技術(shù)支撐。新形勢下空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作是一個(gè)嶄新的工作領(lǐng)域，從工作機(jī)制、業(yè)務(wù)流程、技術(shù)方法和預(yù)報(bào)評估等方面都需要學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，高水平應(yīng)用國外先進(jìn)成果，盡快趕上歐美已經(jīng)開展30多年的業(yè)務(wù)發(fā)展水平[3]。

美國加州南岸空氣質(zhì)量管理局(SCAQMD)所轄地區(qū)的大氣污染問題由來已久。在長達(dá)60多年的灰霾治理過程中，通過制定嚴(yán)于美國其他地區(qū)的地方空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]，科學(xué)管控境內(nèi)污染源，有效地改善了轄區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量，多年平均污染物濃度呈現(xiàn)逐步下降趨勢[4]。隨著轄區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量的逐漸改善，SCAQMD空氣質(zhì)量監(jiān)測[5]和預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行管理體系也發(fā)展完善，為科學(xué)管理空氣質(zhì)量提供了重要信息。筆者介紹了SCAQMD的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)現(xiàn)狀，通過借鑒加州南岸空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系(預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、技術(shù)方法、信息發(fā)布和效果評估)的運(yùn)行管理模式，為指導(dǎo)現(xiàn)階段中國城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行管理提供參考。

1 加州南岸空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)簡介

SCAQMD空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作起步于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)70年代起預(yù)報(bào)O3和硫酸鹽濃度(主觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，20世紀(jì)80年代起預(yù)報(bào)O3、NO2、CO和TSP濃度(客觀模型)，20世紀(jì)80年代起預(yù)報(bào)PM10濃度(客觀模型)，1999—2000年預(yù)報(bào)O3日最大8 h和PM2.5濃度(客觀模型)。目前SCAQMD的污染物預(yù)報(bào)涵蓋因子包括O3日最大8 h值、最大1 h值，CO日最大8 h值，NO2、PM10、PM2.5滑動24 h值等，預(yù)報(bào)覆蓋了轄區(qū)內(nèi)45個(gè)區(qū)域。

1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程

1.1.1 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型簡介

目前SCAQMD用于空氣預(yù)報(bào)的技術(shù)方法為統(tǒng)計(jì)模型法和預(yù)測模型法，并運(yùn)用主觀整合法訂正預(yù)報(bào)結(jié)果，見表1。

表1 SCAQMD空氣質(zhì)量模型簡介Table 1 Comparison of SCAQMD forecasting methods

統(tǒng)計(jì)模型采用分類回歸決策樹(CART)，基于超過30年的多年空氣質(zhì)量監(jiān)測資料和顆粒物化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)(如SCAQMD選取6個(gè)點(diǎn)位PM2.5每6 d開展1次化學(xué)組分分析)。

預(yù)測模型采用綜合排放源清單法(點(diǎn)源、道路和非道路機(jī)械等)，綜合考慮污染物化學(xué)物種和時(shí)空分布(如東部盆地顆粒物濃度梯度最高；秋季靜穩(wěn)天氣條件下各化學(xué)組分濃度均較高，夏季中后期有機(jī)碳達(dá)到最高值)。

1.1.2 例行業(yè)務(wù)流程

預(yù)測模型開始于昨日18：00(太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，PST,以下時(shí)間均為該時(shí)間)，經(jīng)過7 h的運(yùn)算，生成24、48 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品，預(yù)報(bào)結(jié)果于當(dāng)日01：00(PST)前通過互聯(lián)網(wǎng)對外發(fā)布。結(jié)合前期預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，每日09：00開始綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型、主觀整合法完善預(yù)報(bào)結(jié)果(表2)，當(dāng)日11：00通過多種媒介對外發(fā)布。

隨著季節(jié)的交替，空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的關(guān)注重點(diǎn)也相應(yīng)調(diào)整(如春、夏季關(guān)注O3，持續(xù)6個(gè)月；冬季關(guān)注CO、NO2，持續(xù)3～4個(gè)月)，PM2.5、PM10全年均需關(guān)注，且季節(jié)性因素有所不同(如春季關(guān)注揚(yáng)塵；夏季和秋季關(guān)注光化學(xué)污染；秋季關(guān)注森林火災(zāi)和秸稈焚燒；冬季關(guān)注可燃日和非可燃日預(yù)報(bào)，持續(xù)4個(gè)月)。此外，在沙漠地區(qū)還需考慮強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)及其可能影響。

表2 SCAQMD例行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作時(shí)間表Table 2 Example of SCAQMD forecastingprotocol schedule

1.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)技術(shù)方法

1.2.1 氣象條件對空氣質(zhì)量的影響

大氣中各類污染物的存在是重污染事件形成的必要條件，而氣象因素是形成重污染事件的主要誘因[1](圖1)，低壓槽通常帶來較好的空氣質(zhì)量，而高壓脊反之。

圖1 典型氣象條件與空氣質(zhì)量示意流程Fig.1 Schematic of the typical meteorological conditions and air quality

表3簡要介紹氣象條件與污染物(以O(shè)3和PM2.5為例)之間的關(guān)系，從污染源排放、化學(xué)反應(yīng)影響以及污染物堆積、擴(kuò)散、清除等3個(gè)方面予以說明。以O(shè)3、PM2.5為例，受氣象參數(shù)的影響，部分因子與預(yù)測高濃度O3、PM2.5存在關(guān)聯(lián)，詳見表4。

表3 氣象條件與O3、PM2.5之間的關(guān)系[6]Table 3 Meteorological phenomena and their influence on PM2.5 and ozone concentrations

注：“—”表示無明顯影響。

表4 參數(shù)與預(yù)測高濃度O3、PM2.5的關(guān)系Table 4 Common predictor variables use to forecast PM2.5 and ozone

注：“—”表示無明顯影響。

1.2.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)參數(shù)

SCAQMD預(yù)報(bào)所需的數(shù)據(jù)隨預(yù)報(bào)模型的不同而有所調(diào)整，表5列出了2類模型(統(tǒng)計(jì)模型和預(yù)測模型)所需的參數(shù)和來源。

表5 SCAQMD空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)所需數(shù)據(jù)類型和內(nèi)容Table 5 Data products for developing relative forecasting methods

注：“*”表示周末效應(yīng)，需改變VOC/NOx比率，且EC濃度較低；“—”表示該值既非觀測值，也非預(yù)測值。

1.3 信息發(fā)布及預(yù)警

SCAQMD每日對外發(fā)布空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息，信息發(fā)布的媒介主要有官方網(wǎng)站(GIS圖、網(wǎng)頁和PDF報(bào)告)，AirNow網(wǎng)站，Email(預(yù)警快報(bào)、推特網(wǎng))；學(xué)校旗幟信息系統(tǒng)(根據(jù)不同的空氣質(zhì)量懸掛不同顏色的旗幟)和新聞報(bào)道等?？諝赓|(zhì)量預(yù)警信息根據(jù)污染物濃度限值發(fā)布(表6)。

表6 空氣質(zhì)量預(yù)警響應(yīng)階段(以O(shè)3、PM10為例)Table 6 Air pollution emergency contingencystages (O3 and PM10) μg/m3

當(dāng)滿足空氣質(zhì)量預(yù)警發(fā)布條件時(shí)，按照級別實(shí)施應(yīng)急響應(yīng)：提前1 d的14：00前發(fā)布預(yù)警信息，隨著預(yù)警階段的變化，建議公眾信息的內(nèi)容也有所調(diào)整(如一級響應(yīng)建議公眾乘坐公共交通，減少戶外活動；二級、三級響應(yīng)則要求每日工作量減少20%，機(jī)動車?yán)锍虦p少20%，電力生產(chǎn)改用天然氣，減少兒童戶外活動，禁止生物質(zhì)燃燒)。

1.4 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)效果評估

SCAQMD定期開展預(yù)報(bào)效果評估工作(日、月、年)[6]，并填寫預(yù)報(bào)回顧表，內(nèi)容主要包括總結(jié)預(yù)報(bào)工作，詳細(xì)記錄預(yù)報(bào)的步驟、描述和分析氣象影響空氣質(zhì)量的過程，并為提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提出建議與意見(表7)。

表7 SCAQMD空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)回顧與評估內(nèi)容Table 7 Forecast verification schedule and tasks in SCAQMD

根據(jù)預(yù)報(bào)機(jī)制的不同，評估方法所使用的量化指標(biāo)不同。SCAQMD的預(yù)報(bào)驗(yàn)證包括具體污染物濃度和AQI類別。污染物濃度預(yù)報(bào)評估指標(biāo)，見表8。AQI類別驗(yàn)證又包括2級評估(達(dá)標(biāo)或不達(dá)標(biāo))和多級評估(如優(yōu)、良、輕度污染等)，要求目標(biāo)準(zhǔn)確率≥85%，具體的評估算法在此不作詳細(xì)介紹[6]。

表8 SCAQMD空氣質(zhì)量評估指標(biāo)Table 8 Verification statistics computed on discrete concentration forecast in SCAQMD

2 SCAQMD經(jīng)驗(yàn)對中國空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作的啟示

2.1 建立相對完善的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系

中國目前的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作體系中各地重復(fù)建設(shè)問題較為突出，層級預(yù)報(bào)體系尚未完全建立健全，建議借鑒氣象預(yù)報(bào)模式，自上而下逐級指導(dǎo)預(yù)報(bào)，綜合運(yùn)用時(shí)空分析方法，預(yù)報(bào)結(jié)果逐步精細(xì)化，提高預(yù)報(bào)體系運(yùn)行效率。從開發(fā)角度而言，SCAQMD空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系的建立主要包括6個(gè)步驟：滿足預(yù)報(bào)用戶需求、影響空氣質(zhì)量的過程評估、選擇預(yù)報(bào)方法、考慮數(shù)據(jù)類型及來源、執(zhí)行預(yù)報(bào)工作框架和定期開展預(yù)報(bào)驗(yàn)證工作(表9)。

表9 SCAQMD空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系開發(fā)流程Table 9 Steps for developing an air quality forecasting program in SCAQMD

中國在建設(shè)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系過程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮上述問題的內(nèi)涵和外延，聯(lián)系本地實(shí)際，從而建立相對完善的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)體系，同時(shí)建議按照預(yù)報(bào)方法/流程統(tǒng)籌設(shè)計(jì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺，并遵循人體工程學(xué)設(shè)計(jì)原則[2]。世博會期間中國曾經(jīng)在長三角地區(qū)成功運(yùn)行了空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)共享平臺，在今后區(qū)域尺度平臺的建設(shè)中，還需從數(shù)據(jù)資源共享系統(tǒng)、源排放清單、區(qū)域多模式集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、構(gòu)建區(qū)域多層面運(yùn)作機(jī)制和會商制度等方面予以完善[7]。

2.2 選擇合適的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法

在預(yù)報(bào)方法的選擇上，SCAQMD考慮了以下因素：預(yù)報(bào)費(fèi)用(開發(fā)和維護(hù))，污染問題的嚴(yán)重程度(污染物、污染程度和發(fā)生頻率)，不同方法之間的平衡(取長補(bǔ)短提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率)，新方法的引入(成本效益評估并提高準(zhǔn)確率)，專業(yè)機(jī)構(gòu)的支持(氣象和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn))。美國環(huán)保署(USEPA)使用的空氣質(zhì)量預(yù)測模型包括天氣預(yù)報(bào)模式(WRF)、排放清單模型(Emission Model)和空氣質(zhì)量模型(CMAx)。SCAQMD參考USEPA預(yù)報(bào)結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)具有相對簡單易行的特點(diǎn)，適用于污染源較為單一或污染規(guī)律明顯的城市，不需要翔實(shí)的污染源排放清單，僅需具備完整、長期的空氣質(zhì)量和氣象觀測數(shù)據(jù)[3]，適用于中國大多數(shù)城市。預(yù)測模型開發(fā)投入和難度大，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度取決于氣象和源清單變量的準(zhǔn)確率，可以預(yù)報(bào)未覆蓋監(jiān)測點(diǎn)位的區(qū)域，有利于預(yù)報(bào)污染物傳輸?shù)娜^程。除1.1.1節(jié)中提到的SCAQMD在用的3種預(yù)報(bào)方法(含主觀整合法)外，目前USEPA在用的還有5種常見空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法，表10中簡要列舉了每種方法的優(yōu)點(diǎn)和不足[4]。

表10 USEPA的其他常用空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法Table 10 Comparison of other USEPA forecasting methods

目前學(xué)術(shù)界尚未充分理解重污染天氣的發(fā)生和演化機(jī)制[8]，對其防治措施和長期控制策略缺乏堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。綜合考慮SCAQMD經(jīng)驗(yàn)，從國家、省級、市級、縣級層面統(tǒng)籌謀劃預(yù)報(bào)技術(shù)方法，明確各層級因地、因時(shí)制宜選擇合適的預(yù)報(bào)方法，重點(diǎn)考慮因素包括可用數(shù)據(jù)資源與成本關(guān)系、污染問題是否嚴(yán)重、提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率與不同方法之間的平衡、后期引入新預(yù)報(bào)方法的成本效益評估和是否有專業(yè)機(jī)構(gòu)支撐等。

2.3 評估預(yù)報(bào)效果進(jìn)而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率

SCAQMD除采用具體的公式計(jì)算預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率以外(表7)，還需要進(jìn)一步判斷預(yù)報(bào)結(jié)果偏差存在的可能性因素：①是否由監(jiān)測站周圍的排放條件變化造成的觀測值存在偏差，從而形成預(yù)報(bào)極值；②年度預(yù)報(bào)評估中有沒有納入短時(shí)系統(tǒng)性的預(yù)報(bào)偏差；③人員調(diào)動對預(yù)報(bào)的影響評估(如交叉培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)交流)；④預(yù)報(bào)員對氣象條件與空氣質(zhì)量關(guān)系的認(rèn)知是否準(zhǔn)確，觀測數(shù)據(jù)是否可用；⑤預(yù)報(bào)機(jī)制的可信度評估，包括氣象觀測值和預(yù)報(bào)、模型輸出變量等，受氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性影響較大。

為提高日常預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化水平，有必要將系統(tǒng)性的客觀訂正規(guī)律分類匯總，形成格式化的分析工具[9](如通過分析某地每日空氣質(zhì)量指數(shù)實(shí)況數(shù)據(jù)的波動范圍以及預(yù)報(bào)與實(shí)況偏差，針對不同空氣質(zhì)量級別提出建議性的空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)變化幅度修正范圍[10])。建議中國在環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中深入挖掘空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)評估指標(biāo)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析，切實(shí)強(qiáng)化預(yù)報(bào)指標(biāo)的匯總研判[11]，與科研部門加強(qiáng)業(yè)務(wù)合作，綜合采用模型、模擬和實(shí)測值相結(jié)合的方法，得出提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的管理建議，進(jìn)而提升為環(huán)境管理決策服務(wù)的水平。

2.4 在優(yōu)化預(yù)報(bào)能力的基礎(chǔ)上有序開展預(yù)警協(xié)同控制

污染物在邊界層中的擴(kuò)散、輸送、湍流運(yùn)動、積累和清除作用受到大尺度環(huán)境背景場的影響，大氣環(huán)境背景場與區(qū)域重污染現(xiàn)象密切相關(guān)[6]。鑒于大氣污染物具有跨城市長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，單個(gè)城市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)已經(jīng)無法滿足區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的需求，SCAQMD在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中參考了美國加州和USEPA的預(yù)報(bào)結(jié)果，并形成了最終的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)論，預(yù)報(bào)范圍覆蓋45個(gè)區(qū)域，具有較好的指導(dǎo)意義。

建議進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域尺度空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)能力，科學(xué)合理地配備不同層級的預(yù)報(bào)力量，防止不同層級預(yù)報(bào)能力的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，受政策、人員、業(yè)務(wù)保障等基本問題的影響，中國環(huán)境監(jiān)測總站建議中小城市根據(jù)各自實(shí)際情況，建立實(shí)用可行的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)[12]。通過對區(qū)域內(nèi)大范圍大氣污染形勢的預(yù)測，科學(xué)合理地啟動區(qū)域內(nèi)多個(gè)城市協(xié)同的重污染應(yīng)急和預(yù)警措施，有序開展預(yù)警協(xié)同控制工作，最大限度地削減重污染天氣的污染物峰值和可能影響。

3 結(jié)語

理想的空氣質(zhì)量管理模式應(yīng)當(dāng)是面向“空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)”為主要目標(biāo)，由專業(yè)機(jī)構(gòu)和人員對轄區(qū)的空氣質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理，對存在以及潛在的問題作出及時(shí)反應(yīng)的管理模式。SCAQMD在過去近60年間的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)非常值得中國借鑒和學(xué)習(xí)。中國現(xiàn)行的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警面臨諸多挑戰(zhàn)和困難，涉及管理、技術(shù)、科研、業(yè)務(wù)、人才儲備等多方面的變革和創(chuàng)新。筆者通過介紹SCAQMD的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作機(jī)制、業(yè)務(wù)流程、技術(shù)方法、信息發(fā)布和效果評估，側(cè)重從運(yùn)行管理角度提出了一些有利于中國空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作健康發(fā)展的建議，供管理部門決策參考。

致謝：感謝江蘇省環(huán)保廳“中美合作大氣質(zhì)量管理技術(shù)援助項(xiàng)目”支持，感謝美國加州南岸空氣質(zhì)量管理局規(guī)劃規(guī)范編制和區(qū)域資源部門Durkee高級工程師和Lee博士授課和悉心指導(dǎo)。

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