構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警

張麗艷，郭 玲

（河北省秦皇島環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北 秦皇島 006000）

按照《大氣污染防治法》和國務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》相關(guān)要求，各地生態(tài)環(huán)境部門積極加強(qiáng)和推動(dòng)與政府各部門特別是氣象部門的合作，建立重污染天氣下的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制。通過環(huán)境監(jiān)測(cè)部門與氣象臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、信息資源共享整合，人們可以分析MICAPS 常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料和環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，創(chuàng)建預(yù)測(cè)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)AQI 和重污染天氣預(yù)警預(yù)報(bào)。

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)是監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的核心部分，建設(shè)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)是大氣污染成因及趨勢(shì)分析的需要，是跨部門會(huì)商及公眾發(fā)布的需要，是重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)的需要，也是區(qū)域性大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的需要。相關(guān)部門要對(duì)重污染天氣過程進(jìn)行趨勢(shì)分析和預(yù)報(bào)預(yù)警，及時(shí)向上級(jí)主管部門及人民政府報(bào)送預(yù)警信息，并向社會(huì)公布，最大程度減輕重污染天氣特別是霧霾天氣對(duì)民眾的影響，為公眾健康出行提供幫助。

1 國內(nèi)外空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警概況

國外的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警主要以三維空氣質(zhì)量模型為基礎(chǔ)。三維空氣質(zhì)量模型主要包括空氣動(dòng)力系統(tǒng)、云化學(xué)與動(dòng)力學(xué)模塊、氣相化學(xué)模塊、氣溶膠模塊、柵格煙羽模塊、控制方程與計(jì)算結(jié)構(gòu)、數(shù)值傳輸算法等。目前，國內(nèi)應(yīng)用于各城市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的預(yù)報(bào)方法主要有三種：統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法、數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法和綜合經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法主要是對(duì)歷史氣象、環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，常用的建模方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸等，具有簡單易用性。數(shù)值預(yù)報(bào)方法是以大氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立大氣污染濃度在空氣中的輸送擴(kuò)散模型，借助計(jì)算機(jī)來預(yù)報(bào)大氣污染物濃度在空氣中的動(dòng)態(tài)分布。其有兩種模式系統(tǒng)：一是中科院大氣物理所開發(fā)的城市空氣污染預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)，二是中國氣象局氣象科學(xué)研究院開發(fā)的城市空氣污染預(yù)報(bào)系統(tǒng)。綜合經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法主要是預(yù)報(bào)員在參考天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)、氣象要素預(yù)報(bào)和當(dāng)日污染狀況的基礎(chǔ)上，對(duì)各種方法如統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法的結(jié)果加權(quán)做出的綜合預(yù)報(bào)[1]。

2 構(gòu)建重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的思路和技術(shù)路線

該系統(tǒng)是以統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法為基礎(chǔ)，利用MICAPS常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，通過與環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的資源數(shù)據(jù)共享整合，研究氣象要素和環(huán)境空氣污染氣象條件與AQI、PM10、PM2.5、O3等環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子的相關(guān)性，建立多元線性回歸方程。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者利用該系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，開發(fā)出秦皇島市重污染天氣氣象條件模型。

污染物排放量和大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力是影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量的兩個(gè)主要因素。在污染源相對(duì)穩(wěn)定的條件下，空氣污染與氣象條件關(guān)系緊密，不同程度的空氣污染與污染物在大氣中的輸送、擴(kuò)散過程相關(guān)，氣象條件特別是環(huán)流形勢(shì)成為影響空氣污染物擴(kuò)散的主要因素。此外，地面風(fēng)向風(fēng)速也是大氣污染物稀釋擴(kuò)散的最直接因素之一。其作用表現(xiàn)在：一是風(fēng)的水平運(yùn)移作用，排入到大氣中的污染物在風(fēng)力的推動(dòng)下，被輸送到其他地區(qū)；二是風(fēng)對(duì)大氣污染物的稀釋作用，污染物隨風(fēng)力飄移并得到攪動(dòng)，不斷與周圍潔凈的空氣混合稀釋。地面風(fēng)力條件也是影響雨、霾、霧等各類天氣的基礎(chǔ)要素，風(fēng)速大小及風(fēng)向輻合、輻散對(duì)污染物積聚和擴(kuò)散具有顯著影響，風(fēng)力≤2 級(jí)是連續(xù)重污染天氣產(chǎn)生的重要?dú)庀髼l件之一[2-3]。

大氣污染因子特別是PM10、PM2.5、O3的濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)AQI 與氣象條件有著緊密的相關(guān)性。人們可以將環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)多年數(shù)據(jù)與氣象臺(tái)站歷史氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共享整合，通過逐日逐時(shí)分析氣象條件（溫度、大氣壓、濕度、風(fēng)向風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度等）和對(duì)應(yīng)空氣污染因子特別是PM10、PM2.5、O3的相關(guān)性，從中尋找規(guī)律，研究氣象要素和環(huán)境空氣污染氣象條件與AQI、PM10、PM2.5、O3等環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子的相關(guān)性，理清以下3 個(gè)關(guān)系：氣象要素與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系；氣象要素與空氣污染氣象條件等級(jí)的關(guān)系；空氣污染氣象條件等級(jí)與AQI 的關(guān)系。通過研究總結(jié)出重污染天氣與氣象條件的相關(guān)性，建立重污染天氣識(shí)別模型，隨著氣象和空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐年增加，人們可以逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的AQI 預(yù)報(bào)和重污染天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

2.1 空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理及相關(guān)性分析

綜合整理SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3等污染因子的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染日（AQI ＞300），重污染日（200 ＜AQI ≤300）各污染因子之間的相關(guān)性，特別是與PM2.5、PM10、O3之間的相關(guān)性。

2.2 氣象數(shù)據(jù)分析整理及相關(guān)性分析

根據(jù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供的空氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，收集整理同步的MICAPS 氣象資料，包括溫度、大氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度等。

定性分析氣象因子對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，統(tǒng)計(jì)分析空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染日（AQI＞300）、重污染日（200＜AQI ≤300）逐時(shí)逐日氣象條件，定性分析氣象因子對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響趨勢(shì)。

2.3 AQI 和相關(guān)監(jiān)測(cè)因子與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)性分析

定量分析各氣象要素與空氣監(jiān)測(cè)因子濃度、AQI、PM2.5、PM10 濃度之間的相關(guān)性，分析總結(jié)出不同天氣和氣象參數(shù)對(duì)空氣污染氣象條件等級(jí)的權(quán)重，再將權(quán)重輸入到系統(tǒng)進(jìn)行配置，依次得到對(duì)AQI和PM2.5、PM10 具有較大影響的氣象要素。利用主成分分析法選取出與AQI 和PM2.5、PM10 濃度相關(guān)性較強(qiáng)的氣象因子，分析O3濃度與日照時(shí)長、太陽輻射等氣象因子的相關(guān)性，建立多元線性回歸模型。主成分分析法處理環(huán)境數(shù)據(jù)客觀性強(qiáng)，能夠反映主要污染特征和與之相關(guān)的主要影響氣象要素。

2.4 建立網(wǎng)頁（網(wǎng)站）綜合研究預(yù)報(bào)系統(tǒng)

MICAPS 是現(xiàn)代化人機(jī)交互氣象信息處理和天氣預(yù)報(bào)制作系統(tǒng)，綜合應(yīng)用中國氣象部門的氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)和數(shù)值預(yù)報(bào)等產(chǎn)品，系最強(qiáng)有力的業(yè)務(wù)技術(shù)支撐平臺(tái)。MICAPS 系統(tǒng)是我國氣象部門氣象預(yù)報(bào)最主要的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

建立空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析后存入數(shù)據(jù)庫，并以圖片形式展示盡可能多的數(shù)據(jù)信息；建立氣象要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫和AQI 指數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用專用光纖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享整合，利用VPN 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸光纖，開發(fā)氣象實(shí)況數(shù)據(jù)入庫程序和空氣質(zhì)量實(shí)況數(shù)據(jù)入庫程序。設(shè)計(jì)者要分析重污染日（200＜AQI ≤300）及嚴(yán)重污染日（AQI ＞300）天氣下的氣象要素和環(huán)流形勢(shì)，開發(fā)出秦皇島市重污染天氣氣象條件模型。另外，要編寫MICAPS 配置文件，通過MICAPS 軟件調(diào)閱中國氣象局下發(fā)的空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，無縫融合現(xiàn)有綜合監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共享，完成AQI 預(yù)報(bào)和重污染天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3 結(jié)論

本文的創(chuàng)新之處是利用MICAPS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象臺(tái)站氣象數(shù)據(jù)資源信息共享整合，對(duì)重污染天氣逐日逐時(shí)氣象條件（溫度、大氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度等）與空氣污染因子特別是PM10、PM2.5、O3的相關(guān)性分析，研究總結(jié)重污染天氣與氣象條件的相關(guān)性，嘗試將空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)引入MICAPS 軟件，開發(fā)出適合秦皇島市重污染天氣氣象條件模型MICAPS。目前，秦皇島市擁有國控、省控、市控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站330 多個(gè)（國控站點(diǎn)5 個(gè)、省控站點(diǎn)10 個(gè)、市控站點(diǎn)320 多個(gè)），分布在全市各個(gè)區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)，構(gòu)成強(qiáng)大的空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用龐大的空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建設(shè)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)，推動(dòng)數(shù)據(jù)資源全面整合共享，逐步實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的AQI 預(yù)報(bào)和重污染天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

隨著氣象臺(tái)和空氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的逐年增加，未來將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)24 h、48 h、72 h 重污染天氣的時(shí)間、地點(diǎn)、范圍、預(yù)警等級(jí)、主要污染物濃度范圍及平均值、AQI 值范圍及平均值等精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及重污染天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警，從而為政府部門研判空氣污染趨勢(shì)，及時(shí)啟動(dòng)聯(lián)防聯(lián)控及應(yīng)急預(yù)案提供重要技術(shù)支撐，為公眾健康出行提供幫助。因此，為加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境科學(xué)決策，創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，完善生態(tài)環(huán)境公共服務(wù)，人們必須準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，做好重污染天氣預(yù)警預(yù)報(bào)工作。