沈陽市采暖期數(shù)值預報模式分區(qū)預報效果檢驗

孫學斌 王闖* 劉閩 于曉東 金冬青

（1. 遼寧省沈陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧沈陽 110179；2. 沈陽環(huán)境科學研究院，遼寧沈陽 110167）

1 引言

20 世紀30 年代，城市環(huán)境空氣污染問題已經(jīng)在世界范圍內(nèi)引起關(guān)注［1］。70 年代起，國際上開始出現(xiàn)多種環(huán)境空氣污染預報方法［2-3］，并取得顯著效果。2000 年左右，我國許多地區(qū)的氣象與環(huán)保部門合作，開展了空氣質(zhì)量預報業(yè)務(wù)工作，主要以潛勢預報［4-5］、統(tǒng)計預報［6-8］為主，但受到資料、模式條件不足等限制，潛勢預報存在無法考慮城市不同區(qū)域差異、不能區(qū)分不同污染物、不能細致分析污染物濃度與氣象因子聯(lián)系機制等問題；統(tǒng)計預報則適合短期預報，且缺少定性污染機理，對重污染過程預報困難。2013 年，隨著GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》的實施，《大氣污染防治行動計劃》的發(fā)布，國內(nèi)眾多城市積極開展環(huán)境空氣質(zhì)量預報工作［9-11］。目前，環(huán)境空氣質(zhì)量預報業(yè)務(wù)已成為環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)的日常工作，而數(shù)值預報模式［12-13］在區(qū)域性空氣質(zhì)量預報和分析方面具有明顯優(yōu)勢，成為當前主要預報手段之一。對城市區(qū)域空氣質(zhì)量及污染程度進行預報，可及時調(diào)整污染排放，能夠有效緩解重污染過程持續(xù)，減少重大災害的發(fā)生，是科學化、定量化環(huán)境管理的有效技術(shù)手段。

本文以2019 年11 月至2020 年3 月NAQPMS（嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預報模型系統(tǒng)）預報結(jié)果及實況監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過不同指標綜合對數(shù)值預報模式的分區(qū)預報能力進行檢驗，以期為沈陽市不同區(qū)域預報準確率的提高提供技術(shù)參考，為環(huán)境空氣污染預警預報提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本研究使用2019 年11 月至2020 年3 月采暖期沈陽市的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測項目包括PM2.5，PM10，SO2，NO2，CO，O3，數(shù)據(jù)均來自沈陽市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點位，監(jiān)測儀器運行及維護、數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計參照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》和HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》相關(guān)標準執(zhí)行。

數(shù)值預報采用中國科學院開發(fā)的NAQPMS 模式，前一日20：00 時發(fā)布24 h 預報，包括6 項污染物濃度、AQI、首要污染物。本研究選取模式的24 h預報結(jié)果進行評估。

預報區(qū)域依沈陽市行政區(qū)劃分為大東區(qū)、和平區(qū)、沈河區(qū)、鐵西區(qū)、皇姑區(qū)、渾南區(qū)、于洪區(qū)、蘇家屯區(qū)、沈北新區(qū)、新民市、遼中區(qū)、法庫縣、康平縣等13個區(qū)域，并將區(qū)域分別編號為101，102，103，104，105，106，107，108，109，110，111，112，113。

2.2 預報方法

NAQPMS 是由中國科學院自主研發(fā)的三維歐拉化學傳輸模型，充分借鑒數(shù)值預報模式的優(yōu)點，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、中尺度天氣預報系統(tǒng)、空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)、預報結(jié)果分析系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)構(gòu)成［14］。該系統(tǒng)考慮了自然源對空氣質(zhì)量的影響，設(shè)計了東亞地區(qū)的起沙機制模型，同時耦合了污染源的識別、追蹤模塊［15］，實現(xiàn)了沙塵、酸沉降、顆粒物、臭氧等復合污染的全尺度嵌套耦合建模，不僅能夠研究城市尺度的環(huán)境空氣污染問題，還能研究其發(fā)生機制、變化規(guī)律及不同尺度間的相互影響。模型已經(jīng)被國家預報預警中心，京津冀、長三角和珠三角預報預警中心，多個省、直轄市、副省級城市投入業(yè)務(wù)化運行，同時被應用在北京奧運會［16］、上海世博會［17］、南京青奧會［18］、G20 峰會［19］等重大活動的空氣質(zhì)量保障。

2.3 預報評估方法

參考《環(huán)境空氣質(zhì)量預報成效評估方法技術(shù)指南》中的城市預報評估方法，對沈陽市內(nèi)區(qū)域進行預報效果評估，評估項目分別為AQI 范圍、級別及首要污染物準確率。

污染物預報結(jié)果使用平均偏差（MB）、均方根誤差（RMSE）、標準化平均偏差（NMB）、平均分數(shù)偏差（MFB）、平均分數(shù)誤差（MFE）等模式研究中較為常見的統(tǒng)計指標進行評估。計算方法見表1。

表1 預報結(jié)果評價指標及計算方法

注：公式1～5 中Mi為第i 天的預報值；Oi為第i 天的實況值。公式1～3 中MB，RMSE，NMB 統(tǒng)計指標可反映預報值和實況值的偏差水平，當預報值與實況值差異較大時，可參考NMB，當差異較小時，可參考MB 和RMSE。公式4，5 中MFB，MFE 是2 個無量綱的統(tǒng)計量，更適合評估模型的預報效果，合理預報范圍為－60%≤MFB≤60%，MFE≤75%；理想水平范圍為－30%≤MFB≤30%，MFE≤50%。

3 采暖期沈陽市區(qū)域空氣質(zhì)量特征分析

2019 年11 月至2020 年3 月采暖期沈陽市13個區(qū)域空氣質(zhì)量受地理位置及周圍污染源不同等因素影響，空氣質(zhì)量出現(xiàn)差異。以優(yōu)良天數(shù)來比較，109區(qū)域為13 個區(qū)域最多，120 d，采暖期的優(yōu)良天數(shù)比例為78.9%；113 區(qū)域優(yōu)良天數(shù)居中，但優(yōu)級天數(shù)最多；103，106，108 區(qū)域優(yōu)良天數(shù)偏少，并且優(yōu)良天數(shù)比例低于70%；其他區(qū)優(yōu)良天數(shù)比例在70.4%～75.7%之間。見圖1。

圖1 沈陽市各區(qū)域采暖期優(yōu)良天數(shù)及優(yōu)良天數(shù)比例對比

圖2 中，13 個區(qū)域的綜合污染指數(shù)中6 項污染物單項指數(shù)占比特征相同，顆粒物占比高于氣態(tài)污染物，PM2.5，PM10占比之和在52.9%～63.1%之間，其中PM2.5單項指數(shù)占比高于PM10，說明采暖期顆粒物污染較其他4 種氣態(tài)污染物（SO2，NO2，CO，O3）更為明顯。但13 個區(qū)域綜合污染指數(shù)大小存在差異，其中108 區(qū)域綜合污染指數(shù)最高，111 區(qū)域綜合污染指數(shù)最低；以空間分布劃分，城市西南部（106，107，108，110 區(qū)域）、中部（101，102，103，105 區(qū)域）綜合污染指數(shù)偏高，在5.36～6.28 之間，北部（109，111，112，113）偏低，在4.71～5.03 之間。

圖2 沈陽市采暖期各區(qū)域綜合污染指數(shù)及污染物單項指數(shù)對比

綜合優(yōu)良天數(shù)、綜合污染指數(shù)對比分析沈陽市區(qū)域污染特征，各區(qū)域的污染特征相似，但污染程度表現(xiàn)出差異性。因此，針對城市不同區(qū)域開展空氣質(zhì)量分析及預報，可有效地為環(huán)境空氣污染預警預報提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。

4 預報效果評估

4.1 AQI 預報效果評估

通過統(tǒng)計2019 年11 月至2020 年3 月沈陽市13 個區(qū)域NAQPMS 模式預報AQI 結(jié)果的范圍、級別及首要污染物準確率，對不同區(qū)域預報結(jié)果進行對比評估（見表2）。結(jié)果顯示，13 個區(qū)域的范圍準確率為9.2%～43.8%，級別準確率為25.0%～70.8%，首要污染物準確率為40.3%～74.5%，均存在較大差異。范圍準確率、級別準確率均為102 區(qū)域最低，僅為9.2%，25.0%；101 區(qū)域次之，分別為16.4%，46.1%；111 區(qū)域2 種準確率在評估中均最高，為43.8%，70.8%；除以上區(qū)域外，范圍準確率統(tǒng)計中，109，113 區(qū)域較高，級別準確率109，110，112，113 區(qū)域較高；其余區(qū)域范圍準確率在23.8%～38.4%之間，級別準確率在53.0%～59.9%之間，處于中等水平。首要污染物準確率特點與前面2 種準確率有所不同，準確率最低的區(qū)域為110，僅為40.3%，112，113，101，102 區(qū)域次之，在52.0%～56.9%之間；準確率最高的區(qū)域為109，達到74.5%，111 區(qū)域次之，為72.9%。綜合范圍準確率、級別準確率及首要污染物準確率統(tǒng)計結(jié)果，NAQPMS 模式的AQI 預報111 區(qū)域預報效果最好，101，102 區(qū)域預報效果最差。

表2 沈陽市分區(qū)域AQI 預報效果評估對比 %

進一步對NAQPMS 模式13 個區(qū)域的AQI 預報值與實況值逐日對比結(jié)果進行分析，采暖期預報值和實況值變化趨勢基本一致，102 區(qū)域平均偏差最大。其中，101 至109 區(qū)域總體預報值出現(xiàn)不同程度的偏高，平均偏差為7.8～101.6；110 至113 區(qū)域總體預報偏低，平均偏差為－28.4～－13.4。預報準確率最差的101，102 區(qū)域在2020 年1 月中上旬出現(xiàn)明顯預報值高于實況值，而102 區(qū)域在2020 年2 月上旬再次出現(xiàn)預報值偏高的情況，從而導致準確率最低，平均偏差最大。沈陽市采暖期分區(qū)域AQI 預報與實況對比見圖3。

圖3 沈陽市采暖期分區(qū)域AQI 預報與實況對比

4.2 污染物預報效果評估

表3 為沈陽市13 個區(qū)域NAQPMS 模式對環(huán)境空氣中6 項污染物預報效果統(tǒng)計分析。

表3 沈陽市各區(qū)域采暖期主要污染物統(tǒng)計指標

PM2.5預報值與實況值的MB 在－20.1～87.8 之間，101 至109 區(qū)域預報出現(xiàn)不同程度的高估，110至113 區(qū)域出現(xiàn)不同程度的低估；NMB 在－34.5%～149.7%之間，RMSE 在33.7～129.2 之間，101 至106區(qū)域的NMB，RMSE 較高，其他區(qū)域相對較小。其中，102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；110 區(qū)域誤差、偏差最小。

PM10預報值與實況值統(tǒng)計指標特征與PM2.5相似，MB 在－50.9～158.6 之間，101 至109 區(qū)域預報出現(xiàn)不同程度的高估，110 至113 區(qū)域出現(xiàn)不同程度的 低 估；NMB 在－52.2%～179.8%之 間，RMSE 在53.8 ～234.0 之 間，101 至106、113 區(qū) 域 的NMB，RMSE 較高。其中，102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；108，111 區(qū)域誤差、偏差較小。

SO2預報值與實況值的MB 在－3.8～64.5 之間，101 至112 區(qū)域預報出現(xiàn)不同程度的高估，113 區(qū)域出現(xiàn)低估；NMB 在－22.7%～214.7%之間，RMSE 在7.2～90.6 之間，101 至103、106 區(qū)域的NMB，RMSE較高。其中，102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；111，112 區(qū)域誤差、偏差較小。

NO2預報值與實況值的MB 在3.9～39.5 之間，101 至113 區(qū)域預報均出現(xiàn)不同程度的高估；NMB在12.3%～85.3%之間，RMSE 在15.6～45.0 之間，101至108 區(qū)域的NMB，RMSE 較高。其中，102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；111 區(qū)域誤差、偏差較小。

CO 預報值與實況值的MB 在－0.1～2.0 之間，110 區(qū)域預報出現(xiàn)低估，其他區(qū)域出現(xiàn)不同程度的高估；NMB 在－7.2%～188.5%之間，RMSE 在0.4～2.9之間，101 至106 區(qū)域的NMB，RMSE 較高。其中，102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；111 區(qū)域誤差、偏差最小。

O3預報值與實況值的MB 在－28.7～－3.5 之間，所有區(qū)域預報均出現(xiàn)不同程度的低估；NMB 在－54.1%～－6.1%之間，RMSE 在18.0～35.5 之間。102區(qū)域的NMB，RMSE 較高，即102 區(qū)域預報值與實況值偏差、誤差均最大；110，111 區(qū)域誤差、偏差較小。

對比各區(qū)域6 項污染物的MFB，MFE，104，105和107 至112 區(qū)域的預報效果在合理范圍內(nèi)，102區(qū)域6 項均不在合理范圍內(nèi)；101 區(qū)域PM2.5，SO2，CO，103 以及106 區(qū)域SO2和113 區(qū)域PM10預報效果不在合理范圍內(nèi)，以上區(qū)域其他污染物預報效果均在合理范圍內(nèi)。109，110 區(qū)域有5 項污染物預報效果在 合 理 范 圍 內(nèi)；107，112 區(qū) 域 有4 項，108，111，113 區(qū)域有3 項，101 至106 區(qū)域6 項污染物預報效果均不在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本研究利用2019 年11 月至2020 年3 月采暖期的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沈陽市13 個區(qū)域污染特征進行分析，以統(tǒng)計參數(shù)對比采暖期沈陽市13個區(qū)域NAQPMS 模式預報值與實況值，評估模式對6 項污染物的預報能力，并統(tǒng)計范圍、級別及首要污染物準確率評估模式對AQI 的預報效果。得到如下結(jié)論：

（1）采暖期沈陽市13 個區(qū)域污染特征相似，均為顆粒物占比高于氣態(tài)污染物，PM2.5，PM10占比均超過50%，顆粒物污染較其他4 種氣態(tài)污染物（SO2，NO2，CO，O3）更為明顯。但不同區(qū)域污染程度存在差異，城市西南部（106，107，108，110 區(qū)域），中部（101，102，103，105 區(qū)域）綜合污染指數(shù)偏高，北部（109，111，112，113 區(qū)域）偏低。

（2）13 個區(qū)域中111 區(qū)域AQI 范圍、級別準確率均最高，分別為43.8%，70.8%，109 區(qū)域的首要污染物準確率最高，為74.5%。102 區(qū)域AQI 范圍、級別準確率均最低，分別為9.2%，25.0%，110 區(qū)域的首要污染物準確率最低，為40.3%。

（3）13 個區(qū)域?qū)τ? 項污染物預報效果的評估結(jié) 果 顯 示，110 至113 區(qū) 域PM2.5，PM10，113 區(qū) 域SO2，110 區(qū)域CO，所有區(qū)域的O3出現(xiàn)低估，其余均出現(xiàn)高估。102 區(qū)域的6 項污染物預報偏差、誤差均為最大。

（4）13 個區(qū)域6 項污染物的MFB，MFE 統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，102 區(qū)域預報效果最差，均不在合理范圍內(nèi)，109，110 區(qū)域預報效果良好，均存在5 項污染物預報效果在合理范圍內(nèi)。