濟南市環(huán)境空氣質量預報業(yè)務探討

呂波 李敏 孫鳳娟 王治非 張文娟

摘要：為規(guī)范環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作流程，降低不同預報員間預報產品的主觀誤差，濟南市建立了以監(jiān)測實況分析、大氣條件分析、模式預報參考、內外聯(lián)合會商、預報客觀訂正五個部分為核心的環(huán)境空氣質量預報產品制作流程“五步法”。文章以濟南市建立起來的環(huán)境空氣質量預報業(yè)務“五步法”為基礎，就如何更加規(guī)范地開展城市尺度的環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作開展了詳細的討論，為各地開展環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作提供參考。

關鍵詞：空氣質量預報;五步法;城市尺度

中圖分類號：X830.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.107

Discussion the ambient air quality forecasting in Jinan

Lü Bo，Li Min，Sun Fengjuan，Wang Zhifei，Zhang Wenjuan

（Jinan Eco-environmental Monitoring Center of Shandong Province，Jinan Shandong 250101，China）

Abstract：In order to standardize the working process of ambient air quality forecasting operations and reduce the subjective errors of forecasting products among different forecasters，Jinan had established five parts：monitoring situation analysis，atmospheric condition analysis，model forecast reference， internal and external federation consultation，and forecast objective correction. It was called the “five-step forecasting method”.Based on the “ five-step forecasting method “ ，Jinan carried out environmental air quality forecast.This article discussed how to carry out environmental air quality forecasting work on a city scale in a more standardized manner， and provided references for local air quality forecasting work.

Key words：Ambient air quality;”Five-step Method”;City scale

2013年9月，國務院出臺《關于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》 （國發(fā)〔2013〕37 號），提出大氣污染防治的總體要求、奮斗目標和政策舉措。其中明確指出要建立監(jiān)測預警應急體系，妥善應對污染天氣[1]。要求京津冀、長三角、珠三角區(qū)域之外的?。?區(qū)、市） 、副省級市、省會城市于2015年底要建立空氣質量監(jiān)測預報預警體系。環(huán)境空氣質量預報是落實《大氣污染防治行動計劃》的新興核心業(yè)務，是重污染預警應急和大氣污染防控不可或缺的基礎工作。準確預報空氣質量對管理部門掌握未來一段時間大氣污染發(fā)展趨勢并做出科學決策應對重污染天氣開展區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控，以及公眾及時掌握空氣質量都具有重要作用[2]。歷經五年時間，我國幾個重點區(qū)域（ 如京津冀、長三角、珠三角）、城市均已建成了不同規(guī)模、不同尺度網格的環(huán)境空氣質量業(yè)務預報系統(tǒng)平臺，省市一級的空氣質量預報能力建設也得到了推動和發(fā)展[3-4]。但由于我們國家開展環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作起步較晚，各地開展預報工作流程也各不相同，不同預報員的預報產品存在一定主觀誤差，從而導致部分省市預報業(yè)務部門的日常業(yè)務水平相差較大。

濟南市自2000年起開展環(huán)境空氣質量數(shù)值預報研究以來，積累了大量的預報經驗，同時，借鑒了中國環(huán)境監(jiān)測總站提出的預報業(yè)務五步法，并結合地方開展預報業(yè)務實際工作經驗，創(chuàng)建了適用于省市一級開展環(huán)境空氣質量預報方法流程，以期降低預報產品誤差，提高全國各地預報結果的準確性，為各地開展空氣質量預報業(yè)務工作和研究提供參考和借鑒。

1 空氣質量預報業(yè)務流程概述

開展空氣質量預報業(yè)務要以科學為依據，執(zhí)行符合科學預測的預報程序。先要掌握預報區(qū)域及周邊的環(huán)境空氣質量現(xiàn)狀，并結合不同高度尺度的大氣條件分析，作為預報初始場，研判預報區(qū)域的大氣擴散條件及污染傳輸?shù)?。開展空氣質量預報業(yè)務要以技術為基礎，以最接近準確水平的預報模式客觀預測產品為依據，并結合環(huán)保內部及環(huán)保與氣象之間的會商情況，進一步來分析未來幾天預報區(qū)域的空氣質量情況。開展空氣質量預報業(yè)務要以客觀為依據，預報員要基于對天氣形勢、污染源排放情況、污染物大氣化學反應、傳輸和沉降過程等多方面的規(guī)律性分析來客觀的訂正預報結果，最后制作完成預報產品。

濟南市自2009年起開始開展環(huán)境空氣質量數(shù)值預報工作，2013年1月開始進行內部試預報，在試預報過程中通過模式預報值與實際監(jiān)測值的對比分析，不斷調整模式參數(shù)以及基礎源清單，使得預報結果在量值和趨勢上基本符合實際情況，為正式的業(yè)務化預報工作奠定了基礎。2013年9月19起正式對外發(fā)布新空氣質量標準下的空氣質量預報工作。2017年11月，濟南市環(huán)境空氣質量集合預報預警系統(tǒng)及三維展示系統(tǒng)完成并運行，建立和完善現(xiàn)有的城市空氣質量預報預警與重污染應急管理平臺，對重點的顆粒物、臭氧等復合污染物來源進行溯源分析，為濟南市大氣污染治理、大氣重污染應急和空氣質量管理工作提供技術支撐和指導。

在空氣質量業(yè)務預報實踐中，基于眾多先行地區(qū)的預報經驗，借鑒中國環(huán)境監(jiān)測總站提出的預報業(yè)務五步法，逐漸形成濟南市完整全面的空氣質量預報業(yè)務“五步法”，即：

2 預報業(yè)務“五步法”技術要點

2.1 監(jiān)測實況分析

環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測數(shù)據能夠快速、準確、全面地反映出不同區(qū)域的空氣質量變化情況，是開展環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作的基礎。因此，要以監(jiān)測數(shù)據資料同化為開展預報業(yè)務分析的起點。

依托全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺的空氣質量實況監(jiān)測數(shù)據，建立重點城市監(jiān)測數(shù)據歷史資料數(shù)據庫。每日開展城市空氣質量預報工作時首先掌握之前5～7d的空氣質量歷史變化趨勢，了解當前城市及周邊城市的空氣質量現(xiàn)狀，作為開展城市業(yè)務預報工作的初始場，使預報員對之前的區(qū)域空氣質量變化有一個基本的認知和了解，以便結合大氣條件情況，能夠更加精準的判斷各類污染物的傳輸、擴散和沉降的過程，提高預報的準確率。

2.2 大氣條件分析

大氣條件分析是整個業(yè)務預報流程中較為重要的一個環(huán)節(jié)。眾所周知，氣象條件對污染物在大氣中的擴散起著重要作用，并且由于目前的空氣質量數(shù)值模型在污染源排放清單和自身參數(shù)化方案上都有一定的誤差，直接導致了預報結果特別是對重污染過程的預報存在很大程度的不確定性。因此，這就需要通過大氣條件分析對數(shù)值模型的預報結果進行修正和補充。

大氣條件分析分為當前實況天氣形勢分析和未來7d天氣形勢分析。當前實況天氣形勢分析所用到的氣象資料可參考中央氣象臺的天氣實況產品，包括基本天氣圖、衛(wèi)星云圖、降水分布、風、能見度等，未來天氣形勢分析用到的氣象資料主要來自ECWMF和韓國氣象預報產品。

由于氣象要素受天氣系統(tǒng)和天氣形勢的支配，而天氣系統(tǒng)又是在一定的大氣環(huán)流背景下產生的。因此，在分析基本天氣圖時采用自上而下的順序，即先高空后地面，先天氣形勢后氣象要素。高空天氣圖一般分析4個層次：500hPa高層、700hPa中層、850hPa低層和地面。

500hPa主要分析環(huán)流形勢的變化，包括槽脊的位置（槽后脊前、槽前脊后、平直）、走向（東移南壓、北抽）、強弱（等高線疏密程度、風速大?。?、影響范圍等，槽前脊后暖空氣活躍，多雨雪天氣，槽后脊前冷空氣控制，多大風降溫，當無槽脊活動時，大氣環(huán)流變得平直，對應的是一種穩(wěn)定的大氣狀態(tài)，不利于污染物的擴散。

700hPa是一個承上啟下的層次，主要分析氣旋性、反氣旋性環(huán)流的發(fā)生發(fā)展以及對應水汽條件的情況。

850hPa主要關注天氣系統(tǒng)的發(fā)展以及冷暖平流的情況，包括風場的變化（風向、風速大小）、是否有低渦切變線（強弱、位置）、濕度場的變化（若有系統(tǒng)，配合濕度大值區(qū)可產生降水）、冷暖平流的變化，從而判斷是否有降水以及降水強度、冷空氣的強弱以及靜穩(wěn)天氣。當中高層環(huán)流平直或槽脊交替出現(xiàn)，而850hPa為南風且有暖平流或暖脊時，對應的就是一種典型的靜穩(wěn)天氣形勢。

地面主要分析天氣型以及具體的氣象要素，從天氣型以及配合的風場可以直觀得到未來風場的強弱、冷空氣影響的時間等信息，除此以外還有近地面相對濕度、氣溫、降水量等氣象要素的分析，由此獲得如風向的轉變、風速大小、是否出現(xiàn)逆溫及強弱變化、是否出現(xiàn)降水及降水的強度、出現(xiàn)降水的時段、是否有冷空氣及冷空氣的強弱情況等。在秋冬季節(jié)，近地面風場和相對濕度對霧的預報有很好的指示意義，而當有區(qū)域性霧天出現(xiàn)時，一般會出現(xiàn)一次重污染過程。

大氣條件分析應把握3個要點，一是把握區(qū)域總體控制形勢，區(qū)域空氣質量預報屬于趨勢預報，側重于對影響空氣質量的大氣擴散條件變好、變差或維持等總體形勢的判斷;二是關注不同高度控制形勢的強度和轉變，為掌握區(qū)域天氣控制形勢，需了解區(qū)域氣象場的垂直結構特征，即從高、中、低等不同高度立體化分析;三是不同高度控制形勢綜合協(xié)調分析，對高、中、低等不同高度天氣控制形勢協(xié)調分析和綜合評估，方可獲得全面、準確的區(qū)域總體天氣控制形勢場。通過對大氣條件的綜合分析，判斷未來大氣擴散條件的變化趨勢（維持、好轉、惡化）。

2.3 模式預報分析

模式預報參考是根據空氣質量數(shù)值預報模式結果來分析城市未來幾天空氣質量形勢變化，該環(huán)節(jié)依托于業(yè)務化運行的城市空氣質量預報預警平臺。

濟南市空氣質量預報預警平臺采用國內國際比較主流的NAQPMS、CMAQ、CAMx和WRF-Chem4種數(shù)值預報模式，耦合清華大學建立的MEIC全國污染源清單以及濟南市本地污染物源清單，實現(xiàn)了多模式空氣質量集合預報，可提供濟南市未來7d逐小時空氣質量預報、未來10d趨勢預報。預報產品包括中國、山東、濟南3層嵌套區(qū)域的AQI預報以及PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3六項污染物濃度預報。

通過空氣質量數(shù)值預報產品，首先分析區(qū)域污染形勢預報，記錄未來7d濟南市及其周邊區(qū)域特別是上游區(qū)域AQI變化趨勢（秋冬主要是細顆粒物濃度）。根據預報經驗將影響濟南市的周邊區(qū)域分成北京、天津、冀中、冀南、魯西北、魯西南六部分，在出現(xiàn)區(qū)域性重污染時重點關注污染氣團的發(fā)生發(fā)展和傳輸路徑。其次分析各個模式對濟南市未來7d AQI的具體預報數(shù)值，對比其差異和共同點，重點關注預報出的污染過程，在接下來的預報環(huán)節(jié)中對其進行進一步的分析研判。通過對以上模式預報產品的分析，就可以對未來空氣質量的變化趨勢做出一個初步的判斷。

2.4 內外聯(lián)合會商

環(huán)境空氣質量預報是一項主觀性較強的業(yè)務工作，建立完善的聯(lián)合預報會商機制是空氣質量預報的重要環(huán)節(jié)，能夠有效地提高預報結果的準確性。結合目前國內開展環(huán)境空氣質量預報業(yè)務的實際情況，會商形式建議包括業(yè)務科室內部會商、環(huán)保系統(tǒng)體系內預報產品共享、與氣象部門間的聯(lián)合會商3個部分。

業(yè)務科室內部會商是由開展預報業(yè)務科室每日至少2名預報員以上（有條件的城市可安排盡量多的預報員）參與的內部會商討論，各預報員給出預報結論并詳述判定依據，并在預報平臺內填寫存檔，以便回顧分析。由多名預報員共同參與的內部會商能夠在最大程度上消除單一主班預報員的主觀性預報誤差，大大提高了預報結果的系統(tǒng)性和準確性。

目前，我國環(huán)保系統(tǒng)內部尚未建立自上而下的會商機制，但由中國環(huán)境監(jiān)測總站組織搭建起了“國家-區(qū)域-省級-城市”四層級間的預報產品交換共享系統(tǒng)，實現(xiàn)了預報產品自上而下和自下而上的雙向交換共享。[5]例如：由國家預報中心下發(fā)的中東部地區(qū)空氣質量預報產品成為跨區(qū)域、大范圍、長時間的大氣污染過程預報的重要參考依據和指導中東部地區(qū)預報的技術服務基礎。因此，目前環(huán)保系統(tǒng)內部的預報產品共享可暫代會商機制，為城市開展環(huán)境空氣質量預報業(yè)務提供有力的結論參考。

氣象部門經過幾十年的發(fā)展，已經形成了已形成了完善的氣象預報體系、會商制度以及預報產品推送制度，發(fā)揮著其作為綜合載體的作用。[6]氣象條件是影響城市空氣質量預報結果的關鍵因素，建立環(huán)保與氣象部門之間良好的合作共享機制，對空氣質量預報過程氣象因素準確度的把握及分析是十分有利的，預報員可充分參考氣象部門提供的天氣條件分析，重點對環(huán)境空氣能夠產生較大影響氣象要素進行分析，如氣旋、鋒面、冷高壓、地面倒槽、熱帶氣旋等地面系統(tǒng)，高空常有低壓槽、切變線、冷渦、急流、高原低渦、高原切變、東風波等高空系統(tǒng)，[7]以進一步提高預報員對氣象影響因素把握的準確性。

2.5 預報客觀訂正

預報的客觀訂正就是主班預報員要基于對天氣形勢、污染源排放情況、污染物大氣化學反應、傳輸和沉降過程等多方面的規(guī)律性分析，并結合預報模式結果和會商結論最后確定預報結果的過程，是預報產品生成的最后關鍵一步。

建立完善的預報客觀訂正流程，能夠最大限度地減少人為干預，以控制預報的隨意性，提高預報客觀性和客觀訂正效率。[8]另外，建立定期開展預報效果回顧和評估制度，不僅可以評判預報模式對各項污染物預報的系統(tǒng)誤差及誤差范圍，便于不斷調整各個模式結果在集合預報中的比重，提高集合預報準確性，而且有利于預報員在日常業(yè)務預報過程中總結預報經驗，糾正個人主觀誤差，提高預報準確率[9-10]。

3 結論

歷經多年的不斷探索實踐，各地先行城市的預報部門都已形成了較為完善的環(huán)境空氣質量預報業(yè)務體系，培養(yǎng)了大批具備實踐經驗優(yōu)秀預報員，為我國將來更加規(guī)范地開展空氣質量預報業(yè)務工作提供了大量寶貴的業(yè)務經驗。但是，目前我國預報業(yè)務工作尚無規(guī)范的業(yè)務工作流程標準，各地開展城市空氣質量預報水平參差不齊，因此，建立規(guī)范的城市環(huán)境空氣質量預報業(yè)務工作制度， 將有效地降低人為主觀因素對預報結果的影響，提高預報產品的準確率。

城市環(huán)境空氣質量預報產品直接參與到生產、生活領域，會直接關系到社會、企業(yè)的經濟效益。因此，各個城市十分有必要加強并規(guī)范預報業(yè)務工作流程，來提高城市環(huán)境空氣質量的預報準確率特別是高污染預報能力，為管理部門環(huán)境政策制定、環(huán)境科學研究等提供科學依據和技術支持。

參考文獻

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收稿日期：2020-09-30

基金項目：山東省省級環(huán)保產業(yè)技術研發(fā)（No.SDHBYF-2012-01）;濟南市科技計劃社會民生專項（No.201807008）;泉城產業(yè)領軍人才支持計劃（創(chuàng)新團隊）。

作者簡介：呂波（1980-），男，碩士，工程師，研究方向為環(huán)境空氣質量監(jiān)測及預報預警。