多尺度環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)產(chǎn)品測試研究

趙熠琳，袁昊辰，楊靜遠(yuǎn)，王曉彥

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.中日友好環(huán)境保護中心，北京 100029 3.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082

近幾年，我國大氣污染狀況愈加嚴(yán)峻，大氣污染從單一型轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合型，頻繁出現(xiàn)的持續(xù)污染過程嚴(yán)重影響了環(huán)境空氣質(zhì)量和人體健康[1-3]。城市的局地性污染發(fā)展為城市群的區(qū)域性污染，預(yù)報工作也從預(yù)報單個城市空氣質(zhì)量發(fā)展為聯(lián)合周邊城市群、省域、重點區(qū)域(跨省)的空氣質(zhì)量預(yù)報工作，盡快完善空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警能力建設(shè)和加強各層級環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)成為我國環(huán)境保護中長期科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略需求。

當(dāng)前，我國幾個重點區(qū)域、城市(如京津冀、長三角、珠三角)均已建成了不同規(guī)模、不同尺度網(wǎng)格的環(huán)境空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)平臺，省市一級的空氣質(zhì)量預(yù)報能力建設(shè)也得到了推動和發(fā)展[4-5]，但部分省市預(yù)報業(yè)務(wù)部門的日常業(yè)務(wù)開展能力仍嚴(yán)重不足。此外，近幾年部分地區(qū)、城市在開展空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報嘗試過程中也碰到了很多問題和困難[6-7]，例如空氣質(zhì)量預(yù)報模式的建立和應(yīng)用過于復(fù)雜、昂貴；缺乏空氣質(zhì)量預(yù)報產(chǎn)品、流程等的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；各級部門缺乏上下級間的預(yù)報指導(dǎo)和產(chǎn)品共享；空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報人員嚴(yán)重缺乏；空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)支撐嚴(yán)重不足等。

因此，面向業(yè)務(wù)實際需求，本文科學(xué)選取不同尺度、有代表性地理位置和不同預(yù)報能力建設(shè)基礎(chǔ)的17家單位開展測試工作，通過使用多尺度對接的技術(shù)方法(國家-區(qū)域，國家-省，國家-省會城市，國家-其他城市)展開對不同尺度的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品進行測試研究；測試包括模式不同尺度對接產(chǎn)品在預(yù)報業(yè)務(wù)使用過程中的產(chǎn)品級別準(zhǔn)確效率[8]、重污染捕捉率、上下級預(yù)報產(chǎn)品對接效率等。測試結(jié)果可為國家-區(qū)域-省級-市級一體化的空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報體系奠定基礎(chǔ)框架，同時也可為各部分環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報能力建設(shè)提供有效技術(shù)支撐并大幅提升其數(shù)值預(yù)報能力。通過此研究明確不同地區(qū)城市預(yù)報業(yè)務(wù)需求及產(chǎn)品偏差，以期降低預(yù)報誤差，改善全國整體預(yù)報效果，為不同尺度預(yù)報部門提供日常作業(yè)工作思路、業(yè)務(wù)指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 方法

1.1 測試單位選取規(guī)則

重點抽取的全國17個省市監(jiān)測中心站，包括2個區(qū)域級監(jiān)測站(長三角和珠三角區(qū)域)、5個省級監(jiān)測站、5個省會城市監(jiān)測站和5個其他城市監(jiān)測站開展空氣質(zhì)量預(yù)報對接的重點業(yè)務(wù)示范和評估測試工作，主要測試內(nèi)容包括預(yù)報產(chǎn)品指導(dǎo)作用、產(chǎn)品下發(fā)時效性、產(chǎn)品準(zhǔn)確率、重污染捕捉率評估及新增指導(dǎo)產(chǎn)品需求建議5個方面。參與研究的17家單位見表1。

1.2 測試使用數(shù)據(jù)及方法

數(shù)據(jù)選自2016年1—12月NAQPMS模式及關(guān)于空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)產(chǎn)品進行測試研究。參與測試的預(yù)報模式產(chǎn)品包括：全國尺度污染物日均值面圖、污染物日均值面圖、京津冀PM2.5分布圖、剖面圖、AQI列表、污染物格點數(shù)據(jù)、全國500 hPa形勢圖、全國700 hPa形勢圖、全國850 hPa形勢圖、全國地面形勢圖、區(qū)域500 hPa形勢圖、區(qū)域700 hPa形勢圖、區(qū)域850 hPa形勢圖、區(qū)域地面形勢圖、氣象場格點數(shù)據(jù)等。使用統(tǒng)計方法對對接技術(shù)中環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對接收數(shù)據(jù)信息單位產(chǎn)生的產(chǎn)品準(zhǔn)確率、產(chǎn)品重污染捕捉率、指導(dǎo)作用、產(chǎn)品下發(fā)時效性評估等4方面進行研究。

表1 各層級測試代表單位Table 1 Representative test units in each level

2 測試單位預(yù)報業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

2.1 測試單位預(yù)報工作基礎(chǔ)

截至2016年底，參與研究的17家省市監(jiān)測中心站從建設(shè)預(yù)報業(yè)務(wù)平臺、數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)、高性能計算系統(tǒng)及會商業(yè)務(wù)4個方向進行預(yù)報能力建設(shè)。

區(qū)域級：2個區(qū)域級監(jiān)測站，包括上海環(huán)境監(jiān)測中心(屬長三角區(qū)域中心)和廣東省環(huán)境監(jiān)測中心(屬泛珠三角區(qū)域中心)，重點建設(shè)預(yù)報業(yè)務(wù)平臺、數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)、高性能計算系統(tǒng)及會商中心，在空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)平臺的建設(shè)和業(yè)務(wù)開展上起到很好的示范作用。

省級：5個省級監(jiān)測站通過提高現(xiàn)有高性能計算平臺的計算能力和儲存能力，更新大氣污染物高分辨率排放源清單，開發(fā)統(tǒng)計預(yù)報模型，集成各類數(shù)值預(yù)報模型或總站下發(fā)全國空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品等基礎(chǔ)研究工作的開展，極大地提升了省級范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量預(yù)報能力水平，均建成了空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)平臺。

省會城市：5個地級市監(jiān)測站中，西安市環(huán)境監(jiān)測站和南寧市環(huán)境保護監(jiān)測站2個站的空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)平臺因個別原因，建設(shè)仍在審批階段，其他3個站均已建成空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警平臺。

其他城市：衡水市環(huán)境監(jiān)測站、南通市環(huán)境監(jiān)測中心站和中山市環(huán)境監(jiān)測站基本均已建成空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，并不斷維護和升級等，其他站仍在開發(fā)和建設(shè)過程中。

2.2 測試單位業(yè)務(wù)預(yù)報工作方法

各省市監(jiān)測中心的環(huán)境空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)化預(yù)報工作始于2013—2016年。在預(yù)報方式上，除青海省環(huán)境監(jiān)測中心、沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站和衡水市環(huán)境監(jiān)測站仍以統(tǒng)計模式預(yù)報為主外，其他14個省市監(jiān)測中心站均實現(xiàn)了數(shù)值模式與其他統(tǒng)計模式相結(jié)合的方式進行預(yù)報，建立了空氣質(zhì)量多模式預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。

采用的數(shù)值模式主要包括NAQPMS、CMAQ、CAMx以及WRFChem 4種。目前，預(yù)報平臺向?qū)崿F(xiàn)排放清單動態(tài)更新、統(tǒng)計預(yù)報、綜合預(yù)報、預(yù)報發(fā)布、預(yù)報評估優(yōu)化、污染診斷分析和重污染天氣預(yù)警應(yīng)急評估、預(yù)警預(yù)報會商一體化的方向發(fā)展，基本實現(xiàn)了為污染控制和治理以及管理部門綜合決策提供技術(shù)支撐。

3 產(chǎn)品準(zhǔn)確率測試

各參與測試單位分別抽取了預(yù)報時間段內(nèi)相關(guān)預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報數(shù)據(jù)，并與各站點實況相關(guān)監(jiān)測因子進行對比分析，評估選取時段內(nèi)空氣質(zhì)量級別預(yù)報準(zhǔn)確率。評估標(biāo)準(zhǔn)以當(dāng)天空氣質(zhì)量級別是否在產(chǎn)品預(yù)報范圍內(nèi)進行判斷，在范圍內(nèi)則預(yù)報準(zhǔn)確，不在范圍內(nèi)則為出現(xiàn)偏差。

各參與測試單位接收的預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率情況匯總?cè)绫?所示。其中，廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站和南寧市環(huán)境保護監(jiān)測站的預(yù)報產(chǎn)品信息由于該部分提交的資料不滿足統(tǒng)計需要，暫不計入統(tǒng)計。

表2 預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率評估情況匯總Table 2 Summary of forecast product accuracy evaluation

各參與測試單位抽取結(jié)果顯示預(yù)報產(chǎn)品平均準(zhǔn)確率為50.21%。2個區(qū)域級單位平均準(zhǔn)確率為53.72%；4個省級單位(廣西除外)平均準(zhǔn)確率為46.43%，4個省會城市(南寧除外)平均準(zhǔn)確率為43.17%，5個其他城市平均準(zhǔn)確率為57.46%。其中，預(yù)報準(zhǔn)確率在50.21%以下的有8家省市監(jiān)測中心站，高于50.21%的有7家監(jiān)測中心站。預(yù)報準(zhǔn)確率最低的是江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，準(zhǔn)確率僅為3.37%；準(zhǔn)確率最高的為廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，達84.72%。黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心預(yù)報準(zhǔn)確率與廣東省環(huán)境監(jiān)測中心相近，也達到80.34%，結(jié)果顯示如圖1。

從各參與測試單位的預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率評估來看，預(yù)報的誤差污染物主要涵蓋了PM2.5、PM10、O3、NO2、SO25種污染物。出現(xiàn)誤差頻率最高的為PM2.5，統(tǒng)計內(nèi)的所有站點均出現(xiàn)預(yù)報誤差；其次為O3，共9家單位出現(xiàn)誤差預(yù)報；NO2預(yù)報結(jié)果出現(xiàn)誤差的單位有4家；PM10、SO2在其他某些站點均出現(xiàn)過預(yù)報結(jié)果偏高或偏低的情況。

圖1 17家測試單位測試預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率Fig.1 The forecast products’ accuracy rate of 17 test units

預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率評估各參與測試單位抽取的評估天數(shù)為61～182 d，預(yù)報期間，除中山市環(huán)境監(jiān)測站外，其他省市監(jiān)測中心站均出現(xiàn)過數(shù)據(jù)缺失情況。參與評估的單位數(shù)據(jù)平均缺失率為9.81%，其中缺失率最高的為保定市環(huán)境保護監(jiān)測站(23.84%)，最低的為黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心(2.55%)。

4 重污染過程捕捉

各參與測試單位的空氣質(zhì)量預(yù)報開展和有效應(yīng)用以來，抽取的有效時間段內(nèi)，各參與測試單位統(tǒng)計的污染天氣發(fā)生天數(shù)合計為193 d，預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確捕捉天數(shù)為101 d，捕捉準(zhǔn)確率為52.33%。

其中準(zhǔn)確捕捉的污染事件包括輕度污染16 d，中度污染3 d，重度污染60 d，嚴(yán)重污染22 d；首要污染物預(yù)報誤差未能準(zhǔn)確捕捉的天數(shù)合計為92 d，預(yù)報結(jié)果偏高的為11 d，預(yù)報結(jié)果偏低的為81 d。污染事件未準(zhǔn)確捕捉主要原因是預(yù)報結(jié)果偏低。

從參與測試單位來看，污染事件捕捉平均準(zhǔn)確率為52.33%，其中高于捕捉準(zhǔn)確率的有6家，準(zhǔn)確率低于平均捕捉準(zhǔn)確率的有9家。其中廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站和中山市環(huán)境監(jiān)測站在評估時間段內(nèi)未發(fā)生重污染事件。污染事件捕捉準(zhǔn)確率最高的為青海省環(huán)境監(jiān)測中心和西安市環(huán)境監(jiān)測站，達100%；準(zhǔn)確率最低的有4家單位，分別為江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心、黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心、南寧市環(huán)境保護監(jiān)測站和寧波市環(huán)境監(jiān)測中心，準(zhǔn)確率均為0%?？傮w而言，全年重污染天數(shù)少的區(qū)域，捕捉率比較低(或基本捕捉不到)，東三省的捕捉率最低，京津冀及西北區(qū)域的捕捉率相對較高。預(yù)報產(chǎn)品污染過程捕捉匯總情況如表3所示。

表3 重污染過程捕捉情況匯總表Table 3 Summary of heavy pollution process capture sheet

5 產(chǎn)品作用評估及時效測試方法

5.1 產(chǎn)品作用評估

各省市監(jiān)測中心站預(yù)報所接收的產(chǎn)品大體相似，也存在一定的差異，此次測試方法研究中使用了關(guān)于空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)產(chǎn)品共15類，各類產(chǎn)品主要為省市監(jiān)測中心的空氣質(zhì)量日常預(yù)報業(yè)務(wù)提供支撐。目前主要在6項污染物和AQI日常預(yù)報基礎(chǔ)、污染氣象條件分析、區(qū)域污染形勢、垂直擴散條件分析、數(shù)據(jù)備份及長期回顧評估等方面作出了重要的貢獻。

表4 產(chǎn)品作用評估Table 4 Evaluation on the function of forecast product

5.2 測試產(chǎn)品接收時間段

所有參與測試單位預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品接收頻率均為每天接收，指導(dǎo)產(chǎn)品時長一般為5～7 d，大多數(shù)為5 d，僅個別監(jiān)測中心站或個別產(chǎn)品為6～7 d。各監(jiān)測中心接收和發(fā)布產(chǎn)品的時間也有所不同，其中單位發(fā)布時間也受接收產(chǎn)品時間的影響，除青海省環(huán)境監(jiān)測中心和西安市環(huán)境監(jiān)測站在下午14:00完成外，其他15家省市監(jiān)測中心均可以在上午12:00前完成。各單位預(yù)報發(fā)布時間有5家能在上午11:00—12:00期間完成發(fā)布，其他12家均需在下午完成預(yù)報結(jié)果發(fā)布。

5.3 產(chǎn)品接收時效性評價

選取上海市環(huán)境監(jiān)測中心、廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站、鄭州市環(huán)境監(jiān)測中心及保定市環(huán)境保護監(jiān)測站4家單位分別代表區(qū)域尺度、省域尺度、省會城市尺度和其他城市尺度，測試接收數(shù)值數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時效性，接收產(chǎn)品總體平均獲取時間均在2.5 h左右，下載成功率為68%～98%，各單位獲取時效描述：上海環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)接收基本保持在30～210 min，評估時段2016年1月1日至11月30日，數(shù)據(jù)包下載的成功率為73%，平均每日下載耗時為2.3 h。廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站評估時間為2016年5、8、11月，產(chǎn)品接收用時基本保持在9～318 min，平均用時2.7 h。鄭州市環(huán)境保護監(jiān)測中心站產(chǎn)品接收時間為10～289 min，受網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)帶寬影響產(chǎn)品接收時間差別較大。2016年1月1日至11月30日，鄭州市站預(yù)報產(chǎn)品接收成功率68%(8月由于鄭州市站網(wǎng)絡(luò)調(diào)整特殊情況，接收預(yù)報產(chǎn)品率僅為16%，拉低了整體接收成功率)，累計耗時499.4 h。保定市環(huán)境保護監(jiān)測站產(chǎn)品接收時間基本為30～200 min，評估時段2016年1月18日至12月1日，數(shù)據(jù)包下載成功率為98%，平均每日下載耗時2.4 h。

6 結(jié)論

1) 測試產(chǎn)品的作用及時效性較強。此次所有參與研究單位接收預(yù)報產(chǎn)品共計15類，各類產(chǎn)品均為各省市監(jiān)測中心空氣質(zhì)量日常預(yù)報業(yè)務(wù)的開展做出了重要貢獻。產(chǎn)品接收時間一般可在上午12:00前完成，單位預(yù)報結(jié)果發(fā)布時間一般為下午。對上海市環(huán)境監(jiān)測中心、廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站、鄭州市環(huán)境監(jiān)測中心及保定市環(huán)境保護監(jiān)測站4家測試單位進行了接收指導(dǎo)產(chǎn)品的時效性數(shù)據(jù)測試統(tǒng)計，接收產(chǎn)品總體平均獲取時間均在2.5 h左右，下載平均成功率為80%，下載成功率為68%～98%。原因包括個別市站(如鄭州市環(huán)境監(jiān)測中心)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整影響及參與評估的示范單位產(chǎn)品本身平均缺失率為9.81%。

2) 空氣質(zhì)量預(yù)報及重污染過程準(zhǔn)確率仍需加強。各示范單位對預(yù)報產(chǎn)品準(zhǔn)確率進行評估，抽取結(jié)果顯示，17個省市監(jiān)測中心站預(yù)報產(chǎn)品平均準(zhǔn)確率為50.21%。其中，2個區(qū)域級單位平均準(zhǔn)確率為53.72%，4個省級單位(廣西除外)平均準(zhǔn)確率為46.43%，4個省會城市(南寧除外)平均準(zhǔn)確率為43.17%，5個其他城市平均準(zhǔn)確率為57.46%。預(yù)報平均準(zhǔn)確率最低、最高的分別是江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心(3.37%)和廣東省環(huán)境監(jiān)測中心(84.72%)。各示范單位對參與測試研究的預(yù)報產(chǎn)品重污染過程捕捉準(zhǔn)確率進行評估，結(jié)果顯示，重污染過程的平均捕捉準(zhǔn)確率為52.33%。污染事件未準(zhǔn)確捕捉主要是預(yù)報結(jié)果偏低。指導(dǎo)產(chǎn)品能基本反映污染物形成、發(fā)展及變化趨勢，但在PM2.5和O3預(yù)報準(zhǔn)確率和重污染過程捕捉預(yù)報結(jié)果偏低等方面有待加強。預(yù)報過程存在預(yù)報誤差的污染物主要為PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2，其中出現(xiàn)頻率最高的為PM2.5和O3。

3) 多尺度數(shù)值空氣質(zhì)量預(yù)報模型的利弊?？傮w而言，全年重污染天數(shù)少的區(qū)域捕捉率比較低或基本捕捉不到，東三省的捕捉率最低，京津冀及西北區(qū)域的捕捉率相對較高的原因：此次測試使用的是NAQPMS數(shù)值預(yù)報模型，此模型為多層級不同尺度的網(wǎng)格嵌套方法，細(xì)網(wǎng)格主要覆蓋在京津冀及周邊等工業(yè)重污染頻發(fā)地區(qū)，重污染天數(shù)少的區(qū)域覆蓋數(shù)值預(yù)報模式網(wǎng)格尺度較大，不能做到像京津冀及周邊地區(qū)重污染過程傳輸?shù)募?xì)網(wǎng)格數(shù)值過程模擬，加之當(dāng)?shù)靥厥獾谋镜着欧?，如秸稈燃燒等特殊情況下污染物排放及過程傳輸，增加了重污染過程的次數(shù)。