漢中市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型及驗(yàn)證

胡江波，李小芳，彭詩(shī)軍，楊利霞

(1.漢中市氣象局，陜西漢中 723000；2.安康市氣象局，陜西安康 725000；3.漢中市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西漢中 723000)

漢中市北依秦嶺，南屏巴山，是著名的歷史文化名城。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣環(huán)境質(zhì)量，特別是城市環(huán)境空氣質(zhì)量，日益受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。開(kāi)展城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)一方面具有較好的社會(huì)效益，可以保護(hù)城市居民的身心健康，指導(dǎo)居民的日?；顒?dòng)和行為；另一方面具有明顯的環(huán)境效益，可以指明污染物排放量的消減和控制，防止和減少污染事件的發(fā)生[1]。近年來(lái)，關(guān)于城市空氣質(zhì)量特征及預(yù)報(bào)模型的研究成果較多，王淑云等[2]建立了城市空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)；趙秒文等[3]建立了河北省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型，并投入業(yè)務(wù)使用；許楊等[1]開(kāi)展了武漢市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)研究，建立的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型方程，預(yù)報(bào)效果良好。我國(guó)地形地貌復(fù)雜多樣，地域間空氣質(zhì)量特征及氣象條件差異很大，因此，有必要深入開(kāi)展?jié)h中市空氣質(zhì)量特征及預(yù)報(bào)模型研究。

本文利用漢中市2015—2016年2 a的空氣質(zhì)量資料和同期地面氣象觀測(cè)資料，分析了漢中市空氣質(zhì)量變化特征及其與氣象要素之間的相關(guān)性，采用逐步線性回歸法建立了漢中市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型方程。旨在為漢中市大氣污染的預(yù)報(bào)預(yù)警、綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來(lái)源

所使用資料為2015—2016年1月1日—12月31日漢中市空氣質(zhì)量資料和同期地面氣象觀測(cè)資料?？諝赓|(zhì)量資料來(lái)自漢中市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，該站自2015年1月1日起改用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)代替原來(lái)使用的空氣污染指數(shù)(API)。根據(jù)AQI日平均值可將每日空氣質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染6個(gè)等級(jí)(表1)[4]。氣象資料為漢中市國(guó)家基本氣象站同期的氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、能見(jiàn)度、水汽壓、降雨量、氣壓、地面氣溫等地面氣象觀測(cè)資料。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)等級(jí)

2 漢中市空氣質(zhì)量特征

2015—2016年漢中市空氣質(zhì)量達(dá)一級(jí)(優(yōu))的日數(shù)有140 d，占總?cè)諗?shù)的 19.2%；二級(jí)(良)有415 d，占比例最高，達(dá)56.8%；三級(jí)(輕度污染)有101 d，占比達(dá)13.8%；四級(jí)(中度污染)較少，有40 d，僅占5.5%；五級(jí)(重度污染)和六級(jí)(嚴(yán)重污染)分別為34 d和1 d，占比分別為4.6%和0.14%(圖1)。可見(jiàn)，2015—2016年漢中市空氣質(zhì)量以?xún)?yōu)良天氣為主，達(dá)到優(yōu)良的日數(shù)有555 d，達(dá)標(biāo)率為75.9%，污染天氣(輕度污染及以上)占總?cè)諗?shù)的24.1%。

圖1 2015—2016年漢中市四季空氣質(zhì)量等級(jí)日數(shù)

漢中市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，優(yōu)良天氣日數(shù)夏季最多，為181 d；其次是秋季，為164 d；春季為160 d；冬季僅50 d,且中度及以上污染天氣均出現(xiàn)在冬季，為一年中空氣質(zhì)量最差的季節(jié)(圖1)。綜合來(lái)看，漢中市空氣質(zhì)量夏季最好，秋季次之，冬季為空氣質(zhì)量最差的季節(jié)。夏季氣溫高，大氣對(duì)流活動(dòng)旺盛，有利于空氣污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)瑫r(shí)夏季降水多，降水對(duì)空氣污染物沉降作用顯著；冬季降水稀少，氣溫低，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，往往有逆溫層存在，對(duì)污染物的擴(kuò)散較為不利[ 5-8]，再加上漢中冬季燃煤取暖及道路揚(yáng)塵等影響，使本地污染程度逐漸加劇，空氣質(zhì)量為一年中最差。

3 空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與氣象要素的相關(guān)性分析

通過(guò)分析2015—2016年AQI指數(shù)與氣象要素之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(表2)，AQI指數(shù)與氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、能見(jiàn)度、水汽壓、降雨量、氣壓、地面氣溫相關(guān)性顯著。相關(guān)顯著性排序?yàn)椋旱孛孀畹蜌鉁?日最低氣溫>日平均氣溫>14時(shí)能見(jiàn)度>日最高氣溫>20時(shí)能見(jiàn)度>地面平均溫度>08時(shí)能見(jiàn)度>水汽壓>日平均氣壓>地面最高氣溫>日平均風(fēng)速>日降雨量>日最大風(fēng)速>日日照時(shí)數(shù)。

另外，各氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的影響有所不同，且不同季節(jié)內(nèi)影響程度各異?？傇屏?、風(fēng)速、能見(jiàn)度、降雨量與四季AQI總體成負(fù)相關(guān)。日日照時(shí)數(shù)在春、夏、秋季與AQI成正相關(guān)，在冬季與AQI成負(fù)相關(guān)。日最高氣溫在春、夏季與AQI成正相關(guān)，日最低氣溫在夏、秋季與AQI成負(fù)相關(guān)，日平均氣溫在春、夏季與AQI成正相關(guān)，秋冬季與AQI成負(fù)相關(guān)，且未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。水汽壓與AQI在夏秋季成負(fù)相關(guān)，冬季為正相關(guān)，日最大相對(duì)濕度、日最小相對(duì)濕度及日平均相對(duì)濕度在春、夏季均與AQI成負(fù)相關(guān)，冬季成正相關(guān)。地面最高氣溫、地面最低氣溫及地面平均溫度與AQI的關(guān)系比較復(fù)雜，在不同季節(jié)表現(xiàn)各異。

4 空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預(yù)報(bào)模型

利用回歸分析可確定幾個(gè)變量之間是否存在相關(guān)關(guān)系，還可以從多個(gè)變量中找出重要因素和次要因素。對(duì)于變量多，而且變量之間不完全相互獨(dú)立的情況可用逐步回歸分析來(lái)進(jìn)行因子篩選和模型建立[9]。得到一個(gè)對(duì)因變量有顯著影響的自變量所組成的最優(yōu)回歸方程。本文通過(guò)DPS統(tǒng)計(jì)軟件分別對(duì)春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)AQI的日均值與篩選出的20個(gè)因子進(jìn)行逐步回歸分析。

4.1 因子選取

將預(yù)測(cè)的AQI日均值(第二日值)作為因變量(Y)，將影響因子，包括氣象因子和當(dāng)日AQI值作為自變量(x)進(jìn)行逐步回歸分析。對(duì)AQI變化有直接影響的氣象因素有總云量、氣溫、風(fēng)速、日照、能見(jiàn)度、水汽壓、降雨量、氣壓等，依次篩選出19個(gè)因子，同時(shí)考慮到當(dāng)日的AQI值對(duì)第二日AQI值有重要影響，因此，將當(dāng)日AQI值也作為自變量進(jìn)行分析。

表2 AQI指數(shù)與氣象要素相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；**表示通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

20個(gè)因子包括：X1—總云量；X2—日最高氣溫；X3—日最低氣溫；X4—日平均氣溫；X5—日平均風(fēng)速；X6—日最大風(fēng)速；X7—日日照時(shí)數(shù)；X8—08時(shí)能見(jiàn)度；X9—14時(shí)能見(jiàn)度；X10—20時(shí)能見(jiàn)度；X11—水汽壓；X12—日降雨量；X13—日最大相對(duì)濕度；X14—日最小相對(duì)濕度；X15—日平均相對(duì)濕度；X16—日平均氣壓；X17—地面最高氣溫；X18—地面最低氣溫；X19—地面平均溫度；X20—當(dāng)日AQI值。

4.2 回歸模型的建立

采用逐步回歸法選取顯著變量建立春、夏、秋、冬四季最優(yōu)回歸模型方程，最優(yōu)回歸模型方程結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各季節(jié)最優(yōu)回歸模型方程及其顯著性

經(jīng)檢驗(yàn)，所建立的春、夏、秋、冬4個(gè)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型方程均通過(guò)顯著性水平0.01檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平，同時(shí)對(duì)模型方程中每個(gè)自變量的T檢驗(yàn)顯著性概率都大于0.05。相關(guān)系數(shù)(R)冬季最大，為0.831，說(shuō)明冬季地面氣象因素與空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的相關(guān)性好；夏季相關(guān)系數(shù)(R=0.543)最小，可能是由于夏季空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)不僅受日最低氣溫、08時(shí)能見(jiàn)度及當(dāng)日AQI值等因素的影響，還受其他因素的影響。另外，各個(gè)季節(jié)影響空氣質(zhì)量的氣象因素各不相同，冬季空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系密切，受氣象條件的影響較大。

4.3 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

利用2017年春季(3—5月)氣象觀測(cè)資料值進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并將空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的預(yù)報(bào)等級(jí)和同期漢中市環(huán)境監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)等級(jí)進(jìn)行了對(duì)比。

通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率總體為85.87%，沒(méi)有出現(xiàn)級(jí)別誤差在2級(jí)以上的情況，一級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高，為100%，二級(jí)、三級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為85.54%和87.5%?？梢?jiàn)，春季逐步回歸模型方程預(yù)報(bào)效果良好，該預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率超過(guò)了85%，可應(yīng)用于漢中市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

表4 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)級(jí)別準(zhǔn)確率 %

5 結(jié)論與討論

(1)2015—2016年漢中市空氣質(zhì)量狀況總體較好，以?xún)?yōu)良天氣為主，達(dá)標(biāo)率75.9%，污染天氣較少。漢中市空氣質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，各季節(jié)空氣質(zhì)量狀況排名為：夏季>秋季>春季>冬季，即漢中市空氣質(zhì)量夏季最好，秋季次之，冬季為空氣質(zhì)量最差的季節(jié)。

(2)AQI指數(shù)與氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、能見(jiàn)度、水汽壓、降雨量、氣壓、地面氣溫相關(guān)性顯著。各氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的影響有所不同，且不同季節(jié)內(nèi)影響程度各異。

(3)建立的漢中市春、夏、秋、冬四季空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型方程均通過(guò)顯著性水平0.01檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平。經(jīng)驗(yàn)證，2017年春季空氣質(zhì)量級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率超過(guò)了85%，預(yù)報(bào)效果良好，可應(yīng)用于漢中市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

(4)空氣質(zhì)量不僅與氣象條件有密切關(guān)系，還與當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧偶巴鈦?lái)源污染物的遷移輸送有重要關(guān)聯(lián)。本文是在假設(shè)污染源穩(wěn)定的情況下建立的預(yù)報(bào)模型，下一步將綜合考慮外源性污染物、二次污染物合成等因素，從而進(jìn)一步提高漢中市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

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