NAQPMS和CMAQ模式在臭氧預(yù)報(bào)應(yīng)用中的效果檢驗(yàn)

吳 瑩，王玉祥

(泰州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 泰州 225300)

1 前 言

自北京、上海等城市率先啟動(dòng)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作以后[1～5]，越來(lái)越多的城市積極開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)[6～10]。時(shí)至今日，環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作已成為地市級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)日常工作。2012～2013年，全國(guó)出現(xiàn)大范圍的顆粒物污染，因而業(yè)內(nèi)比較關(guān)注對(duì)細(xì)顆粒物的預(yù)報(bào)。泰州地處長(zhǎng)三角北翼，近幾年隨著減排措施的實(shí)施，大氣顆粒物污染現(xiàn)象得到有效控制，秋冬季節(jié)城市空氣質(zhì)量顯著改善。但新的環(huán)保問(wèn)題隨之而來(lái)，臭氧年均濃度逐年上升，主要污染物從細(xì)顆粒物逐漸轉(zhuǎn)變成臭氧?，F(xiàn)如今，空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)也逐漸向臭氧傾斜。作為光化學(xué)產(chǎn)物，臭氧預(yù)報(bào)較顆粒物預(yù)報(bào)難度增加，如何提高臭氧預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率已經(jīng)成為預(yù)報(bào)人員共同探尋的課題[11-12]。定期開(kāi)展預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)回顧，評(píng)估預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率就顯得極為重要。

泰州市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警工作于2015年啟動(dòng)，依托江蘇省級(jí)區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具備對(duì)污染物濃度未來(lái)5 d的預(yù)報(bào)能力。本研究基于2017年泰州市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析NAQPMS模式、CAMQ模式2種預(yù)報(bào)模式得出的O3日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)O3-8h)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，定量評(píng)估2種預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)效果，以期為城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 評(píng)估方法

2.1 評(píng)估時(shí)段

評(píng)估時(shí)段為2017年1月1日～2017年12月31日。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

O3-8h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自泰州市4個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)國(guó)控站點(diǎn)，空間平均后選取日數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，儀器監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ 633-2012)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

數(shù)值預(yù)報(bào)模式為中科院開(kāi)發(fā)的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)NAQPMS模式和美國(guó)環(huán)保署的區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ模式2種，前一日20時(shí)發(fā)布未來(lái)5日預(yù)報(bào)，包括污染物濃度、AQI范圍、首要污染物等，研究選取2種模式對(duì)O3-8h濃度24h預(yù)報(bào)結(jié)果。

2.3 預(yù)報(bào)評(píng)估方法

根據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站編制的《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警方法技術(shù)指南》[13]，采用相關(guān)系數(shù)(R)、標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差(NME)作為評(píng)價(jià)依據(jù)來(lái)評(píng)估預(yù)報(bào)結(jié)果。R用于衡量預(yù)報(bào)值與監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)的相關(guān)程度，NMB和NME用于衡量預(yù)報(bào)值與監(jiān)測(cè)值差異大小。

式中：Pi——第i天的預(yù)報(bào)值，μg/m3；

Oi——第i天的實(shí)際監(jiān)測(cè)值，μg/m3；

N——評(píng)價(jià)時(shí)段的總天數(shù)。

根據(jù)總站編制的《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警方法技術(shù)指南》[13]，O3-8h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：-15%0.4。

3 預(yù)報(bào)效果評(píng)估

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

選擇2017年O3-8h日數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，圖1對(duì)比了O3-8h濃度模式24h預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度，總體變化趨勢(shì)基本一致，但是預(yù)報(bào)值與監(jiān)測(cè)值存在差距。NAQPMS模式存在1～4月預(yù)報(bào)結(jié)果較監(jiān)測(cè)值偏低以及7～9月較監(jiān)測(cè)值偏高的現(xiàn)象；CAMQ模式在4月也存在預(yù)報(bào)值偏低的情況，11～12月預(yù)報(bào)值偏高較多。

圖1 O3-8h濃度模式24h時(shí)效預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)值對(duì)比Fig.1 Comparison between the 24-hour forecasted values using O3-8h model and monitoring data

評(píng)估期間，泰州市共出現(xiàn)52d O3-8h污染，其中O3作為首要污染物的天數(shù)共計(jì)49d。受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫影響，O3-8h污染時(shí)段集中在4～9月，各月污染天數(shù)依次為9d、16d、14d、7d、4d、2d。上述O3-8h污染日中，NAQPMS預(yù)報(bào)值超過(guò)160μg/m3的天數(shù)依次為2d、10d、13d、7d、4d、2d，CMAQ預(yù)報(bào)值超過(guò)160μg/m3的天數(shù)依次為0d、7d、10d、4d、2d、1d；4～9月NAQPMS對(duì)O3-8h污染日天數(shù)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)73.1%，CMAQ預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為46.2%。由此可見(jiàn)，NAQPMS模式對(duì)4～9月O3-8h預(yù)測(cè)值較CMAQ模式預(yù)測(cè)值高。

NAQPMS、CMAQ對(duì)O3-8h預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.67、0.79，圖2可見(jiàn)這2種模式對(duì)O3-8h變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)效果較好；NAQPMS、CMAQ標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB為1.1%、2.2%，標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME分別為30.5%、20.7%。整體而言，2種模式預(yù)報(bào)值高于實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度，盡管標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME均在《環(huán)境空氣質(zhì)量模型遴選工作指南(試行)》規(guī)定的范圍內(nèi)，但2種模式預(yù)報(bào)結(jié)果都與監(jiān)測(cè)值存在不小的差異。結(jié)合相關(guān)系數(shù)R、標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME 3項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)得出，2種模式均能準(zhǔn)確反映O3-8h變化趨勢(shì)，CMAQ對(duì)O3-8h預(yù)報(bào)效果稍好。

圖2 模式預(yù)報(bào)濃度與監(jiān)測(cè)濃度散點(diǎn)對(duì)比Fig.2 Comparison of model predictive and monitoring concentration dispersion

3.2 時(shí)間序列分析

按不同季節(jié)(春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季1～2月及12月)分別對(duì)2種模式O3-8h的24H預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)估分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。NAQPMS模式對(duì)O3-8h預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)R范圍為0.30～0.72，春季最高，冬季最低；CMAQ相關(guān)系數(shù)為0.57～0.78，夏季最高，冬季最低。可以看出，除冬季O3-8h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有待提升外，NAQPMS和CMAQ模式基本能準(zhǔn)確反映其它各個(gè)季節(jié)O3-8h濃度整體變化趨勢(shì)，且 CMAQ模式對(duì)O3-8h濃度預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)R基本都高于NAQPMS模式。

表 NAQPMS和CMAQ模式24h預(yù)報(bào)效果評(píng)估Tab. Evaluation of the 24-hour prediction effectiveness of NAQPMS and CMAQ model

NAQPMS模式對(duì)O3-8h濃度預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME各個(gè)季節(jié)相差較大，秋季的NMB和NME最低，與監(jiān)測(cè)值相差最小，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相對(duì)較高。CMAQ模式對(duì)O3-8h濃度預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME各個(gè)季節(jié)相差不大，所有指標(biāo)均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量模型遴選工作指南(試行)》相關(guān)的范圍標(biāo)準(zhǔn)[13]。此外，NAQPMS模式的標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB值在春季、冬季均出現(xiàn)負(fù)值，表明這2個(gè)季節(jié)NAQPMS模式預(yù)報(bào)值低于監(jiān)測(cè)值，夏、秋季節(jié)NAQPMS模式預(yù)報(bào)值高于監(jiān)測(cè)值。CMAQ模式在春、夏季節(jié)預(yù)報(bào)值低于監(jiān)測(cè)值，秋、冬季節(jié)預(yù)報(bào)值濃度偏高。

結(jié)合相關(guān)系數(shù)R、標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME 3項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)得出，2種模式對(duì)春季O3-8h預(yù)報(bào)效果相差不大；對(duì)于夏季和冬季的O3-8h濃度預(yù)報(bào)，CMAQ比NAQPMS預(yù)報(bào)效果好；NAQPMS模式對(duì)秋季O3-8h濃度預(yù)報(bào)效果較好。

3.3 季節(jié)差異原因分析

2017年，NAQPMS、CMAQ對(duì)泰州市環(huán)境空氣O3-8h預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.67、0.79，標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME分別為30.5%、20.7%，表明這2種模式對(duì)O3-8h預(yù)報(bào)效果總體情況良好，但模式預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際監(jiān)測(cè)值仍存在較大差異，且各個(gè)季節(jié)預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)差異大小有所變化。NAQPMS模式對(duì)春季O3-8h預(yù)報(bào)效果較好，秋季次之，夏季預(yù)報(bào)濃度稍高，冬季效果最差；CMAQ模式對(duì)春季、夏季O3-8h預(yù)報(bào)效果較好，冬季較差。

結(jié)合氣象條件分析，春、秋季節(jié)氣溫適中，氣象條件相對(duì)較穩(wěn)定，濃度變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，變化幅度較小，較易判斷，因而預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相對(duì)較高；夏季主要以臭氧污染為主，O3-8h濃度較高，因而對(duì)其變化趨勢(shì)的預(yù)判難度不大，但較多的對(duì)流活動(dòng)促使臭氧濃度的變化幅度較大，極易錯(cuò)估污染物濃度；冬季冷暖氣流交替出現(xiàn)，對(duì)污染物變化趨勢(shì)難以判斷，因而模式預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)并不高，但鑒于這個(gè)季節(jié)臭氧濃度偏低，故模式預(yù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差不至于相差較大。

4 結(jié) 論

4.1 對(duì)2017年泰州市環(huán)境空氣O3-8h濃度模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較分析，NAQPMS、CMAQ對(duì)O3-8h預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.67、0.79，標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差NMB分別為1.1%、2.2%，標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差NME分別為30.5%、20.7%。可見(jiàn)這2種模式對(duì)O3-8h變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)效果較好， CMAQ對(duì)O3-8h濃度預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。

4.2 O3-8h濃度模式預(yù)報(bào)顯現(xiàn)出春季效果較好、冬季預(yù)報(bào)效果較差的特征，這可能與模式的物理化學(xué)機(jī)制有關(guān)。建議根據(jù)預(yù)報(bào)城市的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)際情況、季節(jié)差異等，進(jìn)一步完善模式的本地化設(shè)置。