對(duì)比分析法在環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

劉 冰，趙熠琳，丁俊男，汪 巍，王曉彥，李健軍，田旭東，徐圣辰

1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站利用京津冀及周邊區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)開展的經(jīng)驗(yàn)，提出了區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)一般方法和基本原則，并歸納了城市環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)范圍的預(yù)報(bào)方法[1-2]，為全國(guó)各級(jí)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)員提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。研究采用區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常用的對(duì)比分析法，從環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、污染源排放、大氣條件以及數(shù)值預(yù)報(bào)模擬數(shù)據(jù)4個(gè)方面利用時(shí)間、空間等影響因子進(jìn)行實(shí)際案例研究比較，總結(jié)區(qū)域業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和重污染過程規(guī)律，為開展區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供重要參考。

對(duì)比分析法是將客觀事物加以比較，以達(dá)到認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)和規(guī)律的目的，其源于對(duì)經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)類似情況的深刻認(rèn)識(shí)與歸納總結(jié)，目前已有很多研究應(yīng)用該方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開展相關(guān)研究，比較區(qū)域空氣質(zhì)量年際變化以及城市間空氣質(zhì)量狀況、分析重大活動(dòng)期間環(huán)境空氣質(zhì)量改善程度、對(duì)比煙花爆竹燃放與禁限實(shí)施前后空氣質(zhì)量水平、類比持續(xù)性重污染天氣下的環(huán)境氣象條件、研究秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果年際變化等[3-7]。對(duì)比分析法是開展京津冀及周邊區(qū)域空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)流程中的重要環(huán)節(jié)，有利于持續(xù)提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比法

1.1 時(shí)間同比法

時(shí)間同比法是以時(shí)間作為預(yù)報(bào)和實(shí)況監(jiān)測(cè)結(jié)果比較的參考，主要包括:①歷史同期主要污染物濃度水平的比較；②歷史同期重污染出現(xiàn)的頻次比較。

1.1.1 歷史同期主要污染物濃度水平比較

考慮歷史同期主要污染物濃度水平，通常能夠獲得在類似污染源排放量和類似氣象條件下污染物濃度的水平分布，幫助預(yù)報(bào)員判斷污染物濃度的平均水平和變化程度。研究選取北京、天津、石家莊、保定、廊坊、唐山和滄州7個(gè)城市作為京津冀中部區(qū)域的代表城市，分析2013—2016年P(guān)M2.5年均質(zhì)量濃度變化(圖1)，結(jié)果顯示代表城市PM2.5質(zhì)量濃度呈明顯下降趨勢(shì)。從各城市4個(gè)季度PM2.5平均質(zhì)量濃度來看，第一季度和第四季度PM2.5質(zhì)量濃度較高且2013—2016年呈總體下降趨勢(shì)(圖2)。O3最大8 h平均質(zhì)量濃度的季節(jié)變化見圖3，2013—2016年第二季度和第三季度呈明顯偏高情況。

注：四城市包括廊坊、保定、唐山、滄州，下同。

圖2 京津冀區(qū)域重點(diǎn)城市PM2.5季度平均質(zhì)量濃度比較Fig.2 Comparison for the quarterly concentration of PM2.5 between main cities of Beijing-Tianjin-Heibei region

圖3 京津冀區(qū)域重點(diǎn)城市O3最大8 h季度平均質(zhì)量濃度比較Fig.3 Comparison for the quarterly concentration of O3 Maximum 8-hour between main cities of Beijing-Tianjin-Heibei region

1.1.2 歷史同期重污染出現(xiàn)頻次比較

對(duì)歷史同期重污染出現(xiàn)頻次的比較，通?？梢垣@得在類似污染物排放水平和相似的氣象條件下重污染過程的發(fā)生情況，幫助預(yù)報(bào)員了解區(qū)域重污染過程的相似性。圖4所示為2016年1月和2017年1月京津冀13個(gè)城市日AQI對(duì)比圖，通過比較歷史同期重污染出現(xiàn)的頻次、持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度、影響范圍等，分析重污染過程的規(guī)律性，幫助預(yù)報(bào)員判斷重污染過程發(fā)生頻次和特點(diǎn)。

圖4 2016年1月和2017年1月京津冀區(qū)域重點(diǎn)城市日AQI對(duì)比Fig.4 Comparison of daily AQI in January 2016 and January 2017 between main cities of Beijing-Tianjin-Heibei region

1.2 空間對(duì)比法

空間對(duì)比法是以水平空間作為預(yù)報(bào)和實(shí)況監(jiān)測(cè)結(jié)果比較的參考，主要包括:①突發(fā)性沙塵暴上下游空間分布比較；②區(qū)域鄰近城市重污染傳輸?shù)挠绊懀虎鄞蠓秶廴編У膫鬏斢绊憽?/p>

1.2.1 突發(fā)性沙塵暴上下游空間分布比較

利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)獲得PM10的空間分布數(shù)據(jù)前提下，通常可以使用分辨指標(biāo)PM2.5/PM10或PM10/PM2.5，幫助預(yù)報(bào)員通過上游的PM10量級(jí)水平獲得其對(duì)下游的區(qū)域傳輸水平。圖5為2016年3月4—5日保定市某點(diǎn)位PM10/PM2.5的小時(shí)變化曲線圖，在沙塵過程前PM10/PM2.5值為1.3～1.5，平均值約為1.4，而在沙塵發(fā)生過程中，這一比值急速上升至8.1～10.5，平均值約為8。圖6為監(jiān)測(cè)的PM10和PM2.5小時(shí)濃度結(jié)果，以及根據(jù)非沙塵過程中PM10/PM2.5的值(1.4)計(jì)算的沙塵過程中PM10的小時(shí)濃度，其中灰色部分即為突發(fā)性沙塵過程產(chǎn)生的PM10增量，其為對(duì)下游區(qū)域可能造成的PM10輸送影響水平。

圖5 2016年3月4—5日保定市某點(diǎn)位PM10/PM2.5小時(shí)變化趨勢(shì)Fig.5 Hourly variation of PM10/PM2.5 for one monitoring station in Baoding city from March 4-5, 2016

圖6 2016年3月4—5日保定市某點(diǎn)位顆粒物小時(shí)變化趨勢(shì)Fig.6 Hourly variation of PM2.5 for one monitoring station in Baoding city from March 4-5, 2016

1.2.2 鄰近城市區(qū)域性重污染傳輸?shù)挠绊?/p>

通過比較城市邊界站的地面監(jiān)測(cè)結(jié)果，幫助預(yù)報(bào)員獲得鄰近城市區(qū)域污染物可能的低空傳輸水平。圖7體現(xiàn)了保定與涿州市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度序列變化情況。

如圖7所示，在2016年4月12—13日的一次PM2.5污染過程中，京津冀中部區(qū)域盛行西南風(fēng)，保定市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PM2.5濃度先于其西北方向的涿州市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位升高，表現(xiàn)出可能的區(qū)域傳輸影響，影響水平是2條曲線的差值，約為25 μg/m3。

圖7 2016年4月12—13日保定市和涿州市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度序列Fig.7 Hourly variations of PM2.5 in the monitoring stations of Baoding and Zhuozhou from April 12-13, 2016

1.2.3 大范圍污染帶的傳輸影響

大范圍污染帶的傳輸影響通常指由北向南的重污染過程，傳輸路線包括河北-河南-湖北-湖南方向，以及山東-江蘇-安徽-浙江方向。以2016年12月5日中國(guó)中東部一次明顯的PM2.5重污染過程為例，早上07：00重污染帶主要集中在京津冀區(qū)域，之后開始自北向南移動(dòng)，10：00從河北移動(dòng)到河南北部和山東西部，13：00到達(dá)安徽和江蘇北部一帶，晚上繼續(xù)向南部傳輸?shù)竭_(dá)江蘇中南部，通過大范圍污染帶的傳輸形成重污染過程影響。

2 污染源數(shù)據(jù)對(duì)比法

2.1 污染源排放水平正常和減緩的同期比較

在類似氣象條件下，獲得污染源減排對(duì)主要污染物濃度水平減緩的影響，幫助預(yù)報(bào)員分析污染源減排前后污染物的分布特點(diǎn)，作為對(duì)重大活動(dòng)和節(jié)假日的空氣質(zhì)量保障的技術(shù)支持。北京、上海、南京、杭州等很多城市都應(yīng)用空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)在重大活動(dòng)保障期間進(jìn)行敏感性分析和減排情景模擬，取得了較好的預(yù)報(bào)效果[7-12]。圖8以2016年8月杭州管控為例，通過采用基準(zhǔn)污染源、管控減排污染源2種情形對(duì)PM2.5和O3進(jìn)行模擬，并同實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示污染源減排后的模式模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果更為接近，能夠更好地支持預(yù)報(bào)員開展重大活動(dòng)和節(jié)假日期間空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

2.2 突發(fā)性污染源排放對(duì)污染物濃度的變化影響

春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放，通常可以獲得在類似的大氣條件下，突發(fā)性污染源排放對(duì)主要污染物(如PM2.5)濃度水平的影響，幫助預(yù)報(bào)員了解春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放對(duì)污染物濃度量級(jí)變化的影響程度。2016年2月7—8日北京某點(diǎn)位PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度如圖9所示，除夕(7日)夜間和初一(8日)凌晨由于煙花爆竹燃放的影響，該點(diǎn)位PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，最大小時(shí)濃度達(dá)到898 μg/m3。通過分析歷年同期煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5濃度可能造成的增長(zhǎng)程度，幫助預(yù)報(bào)員開展春節(jié)期間空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

圖8 2016年8月杭州保障期間基準(zhǔn)/減排污染源及實(shí)況污染物濃度對(duì)比Fig.8 Comparison for the concentration of PM2.5 and O3 among basic level simulation, reductive level simulation and observation in Hangzhou August, 2016

圖9 2016年2月7—8日(除夕和初一)北京某點(diǎn)位煙花爆竹集中燃放前后PM2.5濃度水平Fig.9 Concentration of PM2.5 between firework time and non-firework time in one monitoring station of Beijing from February 7 to 8, 2016

3 大氣條件對(duì)比法

大氣條件對(duì)比通常是對(duì)相似案例的比較，即對(duì)大氣條件類似的案例進(jìn)行比較的方法，基于歷史同期類似的大氣條件、槽脊過程、環(huán)流形勢(shì)等條件，分析在相似的大氣條件和污染源排放量級(jí)下，重污染過程發(fā)生的可能性，幫助預(yù)報(bào)員分析重污染的分布、污染水平和持續(xù)時(shí)間。在重污染頻發(fā)的冬季，京津冀及周邊區(qū)域在類似的大氣環(huán)流形勢(shì)和污染源排放量級(jí)水平下，重污染發(fā)生的可能性、范圍和程度是有規(guī)律可遵循的，有助于預(yù)報(bào)員開展重污染過程預(yù)報(bào)。2015年12月22日和2016年12月20日是歷史同期大氣環(huán)流形勢(shì)較為相似的2 d，通過分析比較得出這2 d京津冀及周邊區(qū)域高空均處于脊后西南氣流，中層升溫較為明顯，地面處于弱氣壓場(chǎng)控制，區(qū)域容易發(fā)生重污染過程。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2015年12月下旬污染過程持續(xù)一周以上，達(dá)到嚴(yán)重污染水平，部分城市日均AQI值為500；2016年12月下旬在類似的氣象條件下，污染過程影響范圍、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度均與2015年同期相似。

4 數(shù)值預(yù)報(bào)模擬對(duì)比法

對(duì)不同時(shí)間得到的數(shù)值預(yù)報(bào)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以獲得在類似的污染源排放條件下，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)大氣形勢(shì)變化的綜合模擬情況。若不同時(shí)間得到的模擬結(jié)果較為一致，則說明大氣環(huán)流形勢(shì)較為穩(wěn)定，若不同時(shí)間得到的模擬結(jié)果有明顯變化，則說明大氣環(huán)流可能有快速轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，幫助預(yù)報(bào)員分析判斷大氣環(huán)流形勢(shì)是穩(wěn)定的還是變化的，以及此形勢(shì)對(duì)主要污染物濃度水平的影響。2017年2月15—16日數(shù)值模式對(duì)京津冀及周邊區(qū)域PM2.5濃度的空間分布情況模擬結(jié)果如圖10所示，逐日模擬結(jié)果較為一致，表明2月19日大氣環(huán)流形勢(shì)較為穩(wěn)定，出現(xiàn)PM2.5重污染的可能性較大。

圖10 2017年2月15—16日對(duì)2月19日京津冀及周邊區(qū)域PM2.5濃度模擬Fig.10 Simulation maps of PM2.5 concentration on February 19, 2017 in Beijing-Tianjin-Heibei region at different modeling time (February 15 and 16, 2017)

5 結(jié)論

對(duì)比分析法是建立一個(gè)參考系，用于比較類似污染源排放條件下的大氣條件或是類似大氣條件下的污染源變化，幫助預(yù)報(bào)員開展進(jìn)一步的量化分析。研究結(jié)合京津冀及周邊區(qū)域空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的實(shí)際案例，從空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、污染源、大氣條件以及數(shù)值預(yù)報(bào)模擬數(shù)據(jù)4個(gè)方面闡述了對(duì)比分析法在環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

研究結(jié)果顯示，利用時(shí)間同比、空間比較和大氣條件對(duì)比的分析方法，能夠獲得在類似污染源排放和相似大氣條件下，主要污染物的濃度水平、重污染發(fā)生、影響范圍、持續(xù)時(shí)間、嚴(yán)重程度等污染特征以及污染物的水平傳輸影響等；采用污染源變化對(duì)比分析法，能夠獲得在類似大氣條件下，污染源排放的減少或劇增對(duì)主要污染物濃度水平的影響程度；通過數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)果對(duì)比分析，能夠獲得在類似的污染源排放條件下，大氣環(huán)流形勢(shì)的穩(wěn)定程度和變化情況，從而判斷其對(duì)污染物濃度水平的影響。

對(duì)比分析法利用預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和預(yù)報(bào)規(guī)律，是開展京津冀及周邊區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重要環(huán)節(jié)，有利于持續(xù)提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率；但其也具有一定的不確定性，正如大氣沒有一天是一樣的，污染源排放也在不斷地變化，在應(yīng)用時(shí)也需考慮波動(dòng)性的誤差，供全國(guó)預(yù)報(bào)員開展轄區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)時(shí)參考。