沈陽市采暖期空氣質(zhì)量預(yù)報模式預(yù)報效果對比與評估

王 闖，于曉東

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

近年來，隨著城市化規(guī)模的擴大和工業(yè)化的迅速發(fā)展，大氣環(huán)境日益惡化，環(huán)境空氣質(zhì)量問題越來越被廣大人民群眾所關(guān)注[1-3]。2013 年起國家實施環(huán)境空氣質(zhì)量新標準，完善了污染物項目和監(jiān)測規(guī)范，提高了數(shù)據(jù)有效性要求，有利于進一步保護公眾健康，環(huán)境空氣質(zhì)量管理由一次污染物控制向二次污染物為主的復(fù)合污染控制轉(zhuǎn)變。同年，國家頒布并實施《大氣污染防治行動計劃》[4]明確提出重點省市需要建立重污染天氣監(jiān)測預(yù)警體系，提升空氣質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警能力，環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報工作作為大氣污染防控及重污染預(yù)警的基礎(chǔ)工作，已成為環(huán)境監(jiān)測部門核心業(yè)務(wù)之一，而預(yù)報方法的準確性決定了其可用性，對預(yù)報模式效果評估是實現(xiàn)預(yù)報預(yù)警的前提。

目前應(yīng)用范圍較廣的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報方法有統(tǒng)計預(yù)報法[5]和數(shù)值預(yù)報法[6-7]。統(tǒng)計預(yù)報法[8-10]簡單易行、成本低，適合短期預(yù)報，但缺少確定性污染機理，難以捕捉重污染過程且重污染預(yù)報準確率偏低；數(shù)值預(yù)報法對于區(qū)域性長期預(yù)報有一定優(yōu)勢，但在技術(shù)及硬件設(shè)施方面投入較大。其中，集合預(yù)報法同時運行多個空氣質(zhì)量預(yù)報模式，準確率較高。目前數(shù)值預(yù)報是包括沈陽市在內(nèi)新疆[11]、江蘇[12]和河南[13]省多城市預(yù)報工作選擇的主要預(yù)報手段。沈陽市2018 年建立環(huán)境空氣質(zhì)量多模式預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)選取系統(tǒng)中國際主流預(yù)報模式中第三代空氣質(zhì)量預(yù)報和評估系統(tǒng)空氣質(zhì)量模式（congestion mitigation and air quality, CMAQ）及國內(nèi)應(yīng)用較多的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)（nested air quality prediction model system, NAQPMS）空氣質(zhì)量預(yù)報模式的預(yù)報數(shù)據(jù)，進行定量評估，對比2 種預(yù)報模式在沈陽市2019 年采暖季（1～3 月、11 月和12 月）的預(yù)報效果，以期為東北地區(qū)城市大氣污染變化和空氣質(zhì)量預(yù)報工作的發(fā)展提供經(jīng)驗借鑒。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究監(jiān)測數(shù)據(jù)來自沈陽市11 個環(huán)境空氣自動監(jiān)測國控站，儀器監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計嚴格參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準：GB 3 095—2012》[14]《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）：HJ 633—2012》[15]《環(huán)境空氣質(zhì)量技術(shù)評價規(guī)范(試行)：HJ 663—2013》[16]等相關(guān)標準執(zhí)行。

數(shù)值預(yù)報模式為嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)NAQPMS 模式及區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ模式。2 種模式均為前一日20 時發(fā)布未來3 日預(yù)報，包括污染物濃度、AQI 和首要污染物。本研究選取2 種模式的24 h、48 h 和72 h 預(yù)報結(jié)果進行評估。

1.2 預(yù)報方法介紹

區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型（CMAQ）是由美國環(huán)境保護局（Environmental Protection Agency, EPA）開發(fā)的第三代空氣質(zhì)量預(yù)報和評估系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評估、污染成因分析、決策研究和空氣質(zhì)量預(yù)報等方面。CMAQ 模式突破了傳統(tǒng)模式針對單一物種和單相物種的模擬，是一種適用于模擬城市或區(qū)域尺度臭氧、酸沉降、能見度和氣溶膠等的多尺度綜合空氣質(zhì)量模式，模式以WRF等中尺度氣象模式作為氣象驅(qū)動模型，以SMOKE等源排放處理模型作為源處理模型。主要由邊界條件模塊、初始條件模塊、光分解速率模塊、氣象-化學(xué)預(yù)處理模塊和化學(xué)傳輸模塊構(gòu)成[17]?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化模塊是CMAQ 模式的核心模塊，其綜合考慮了污染物在大氣中的空氣動力學(xué)過程、氣象化學(xué)過程、氣溶膠過程和云化學(xué)與動力過程。

嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報模式系統(tǒng)（NAQPMS）由中國科學(xué)院大氣物理研究所研制，是區(qū)域和城市尺度三維歐拉化學(xué)傳輸模式[18]?？赡M細顆粒物、臭氧、氮氧化物、二氧化硫和一氧化碳等大氣痕量氣體和大氣氣溶膠。被廣泛應(yīng)用于多尺度污染問題的研究，不但可以研究區(qū)域尺度的空氣污染（沙塵、酸雨等污染物的跨區(qū)域傳輸），還可以研究城市尺度的空氣質(zhì)量的發(fā)生機理及變化規(guī)律，和不同尺度區(qū)域間空氣質(zhì)量變化的相互影響。

1.3 預(yù)報評估方法

1.3.1 評估指標 目前常用的空氣質(zhì)量評估指標很多，本研究選擇平均偏差（MB）、均方根誤差（RMSE）、平均分數(shù)偏差（MFB）、平均分數(shù)誤差（MFE）和相關(guān)系數(shù)（r）等統(tǒng)計指標，具體公式見文獻[19]。對2 種數(shù)值預(yù)報模式污染物濃度預(yù)報值預(yù)報準確率進行檢驗，通過衡量預(yù)報值與實況值的偏離來評價預(yù)報結(jié)果的穩(wěn)定性及可行度。其中，MB 的大小主要表示樣本總體預(yù)報值比實況值偏大或偏小的數(shù)值；RMSE 反應(yīng)了預(yù)報值與實況值的差值，其值越接近0，表明預(yù)報效果越好；r 表示預(yù)報值與實況值逐漸變化趨勢的吻合程度，其值越接近1，表示預(yù)報效果越好；MFB、MFE 是2 個無量綱的統(tǒng)計量，合理預(yù)報范圍為-60%≤MFB≤60%、MFE≤75%；理想水平范圍-30%≤MFB≤30%、MFE≤50%。

1.3.2 城市預(yù)報評估 依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報成效評估方法指南》[20]要求，常規(guī)業(yè)務(wù)預(yù)報評估可使用城市AQI 范圍準確率、AQI 級別準確率及首要污染物準確率。

AQI 范圍準確率評估，當(dāng)預(yù)報級別為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染時，預(yù)報范圍以實況值±15 為正確；當(dāng)預(yù)報級別為重度污染、嚴重污染時，預(yù)報范圍以實況值±30 為正確，見式（1）：

式（1）中，n表示AQI 范圍預(yù)報準確的天數(shù)，N表示評估預(yù)報總天數(shù)。

AQI 級別準確率評估，當(dāng)實況AQI 級別在預(yù)報結(jié)果范圍內(nèi)，包含跨級別預(yù)報，則預(yù)報正確，否則錯誤，見式（2）：

式（2）中，n表示AQI 級別預(yù)報準確的天數(shù)，N表示評估預(yù)報總天數(shù)。

首要污染物準確率評估，當(dāng)實況首要污染物為單一時，預(yù)報首要污染物為1 個，且與實況相同，則預(yù)報正確；若預(yù)報首要污染物為2 個，且其中1 個與實況一致，則預(yù)報正確。當(dāng)實況首要污染物為多個，若預(yù)報首要污染物與預(yù)報一致，則預(yù)報正確；若預(yù)報首要污染物為1 個，與實況出現(xiàn)首要污染物中1 個相同，也記為預(yù)報正確。當(dāng)實況為優(yōu)，無首要污染物，不做首要污染物預(yù)報評估，見式（3）：

式（3）中，n表示首要污染物預(yù)報準確的天數(shù)，N表示評估時段內(nèi)非優(yōu)預(yù)報總天數(shù)。

2 沈陽市采暖期空氣質(zhì)量特征

2019 年1～3 月、11 月和12 月為沈陽市采暖期，占全年總天數(shù)41.4%。對比6 項主要污染物，采暖期僅臭氧濃度低于非采暖期，由于臭氧作為二次污染物，主要受溫度、太陽輻射影響，由于冬季氣溫及太陽輻射較夏季均偏低，臭氧光化學(xué)反應(yīng)減弱，臭氧濃度明顯低于夏季，見圖1。

圖1 2019 年采暖期與非采暖期主要污染物濃度變化對比

其他5 項污染物濃度均高于非采暖季，其中，細顆粒物（PM2.5）濃度升高幅度最大，達到100%，二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）和可吸入顆粒物（PM10）濃度上升幅度分別為75.0%、50.0%、57.1%和47.0%。2019 年采暖期與非采暖期不同空氣質(zhì)量類別天數(shù)占比，采暖期優(yōu)良天數(shù)占全年優(yōu)良天數(shù)的39.8%，中度及以上污染天數(shù)占全年80%，見圖2。進一步對比采暖期不同污染類別首要污染物變化，見圖3。

圖2 2019 年采暖期與非采暖期各級別天數(shù)占比

圖3 2019 年采暖期不同污染類別首要污染物對比

當(dāng)AQI ＞50 時（良，輕度及以上污染），出現(xiàn)3 種首要污染物分別為NO2、PM10和PM2.5，PM2.5為首要污染物天數(shù)占總天數(shù)55.9%；AQI ＞100（輕度及以上污染）出現(xiàn)2 種首要污染物（PM10和PM2.5），PM2.5為首要污染物天數(shù)占總天數(shù)94.7%；AQI ＞150（中度及以上污染）僅出現(xiàn)PM2.5一種首要污染，占總天數(shù)100%。

空氣質(zhì)量類別及污染物濃度對比結(jié)果均顯示出采暖期空氣質(zhì)量差于非采暖季。當(dāng)污染程度越重，首要污染物逐漸單一且集中表現(xiàn)為PM2.5，PM2.5成為采暖季的主要污染物。因此本文以PM2.5來分析采暖季的2 種預(yù)報模式及其預(yù)報效果。

3 預(yù)報結(jié)果評估分析

3.1 AQI 預(yù)報效果評估

沈陽市采暖期中CAMQ、NAQPMS 模式未來24、48 和72 h 的AQI 范圍預(yù)報、AQI 級別預(yù)報及首要污染物預(yù)報準確率，見表1。

表1 CAMQ、NAQPMS 模式AQI 預(yù)報效果評估對比

表1 可知，2 種模式的AQI 范圍預(yù)報、AQI 級別預(yù)報均表現(xiàn)出預(yù)報準確率隨預(yù)報時次延長準確率下降，即24 h 準確率高于48、72 h。首要污染物預(yù)報準確率表現(xiàn)為各預(yù)報時次準確率相差不大。AQI 范圍預(yù)報、AQI 級別預(yù)報準率最高的為CAMQ模式的24 h 預(yù)報，準確率分別為43.7%、74.2%；首要污染物預(yù)報準確率最高的為NAQPMS 模式48 h預(yù)報，準確率為60.9%。

2 種預(yù)報模式中僅48 h 首要污染物預(yù)報NAQPMS 模式略高于CAMQ 模式，其他各預(yù)報時次的AQI 范圍預(yù)報、AQI 級別預(yù)報及首要污染物預(yù)報均表現(xiàn)為CAMQ 模式準確率高于NAQPMS 模式。綜合3 種評估分析，CAMQ 模式預(yù)報準確率優(yōu)于NAQPMS 模式。

3.2 PM2.5 預(yù)報效果評估

3.2.1 時間序列對比 分別利用未來24、48 和72 h PM2.5預(yù)報濃度值與PM2.5實況濃度進行2019 年采暖季PM2.5日均濃度對比分析。通過預(yù)報及實況濃度時間序列對比，來評估預(yù)報模式對污染物濃度累積及清除的預(yù)報能力。CAMQ、NAQPMS 模式在3 種預(yù)報時次中對PM2.5濃度預(yù)測值與實況值的變化趨勢基本相似，說明2 種模式對PM2.5濃度累積及清除過程具有一定的預(yù)報能力，但預(yù)報值與實況值仍存在一定偏差，預(yù)報模式均有優(yōu)化空間，見圖4。

圖4 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 日均值預(yù)測與實況對比

2 種預(yù)報模式在24、48 和72 h 預(yù)報中，在11 月19～21 日、12 月7～8 日、12 月13～15 日和12 月20～21 日均出現(xiàn)明顯預(yù)報偏高情況，且預(yù)報趨勢與實況相反。2 種模式還存在對PM2.5濃度的峰值預(yù)判過度情況，1 月10～12 日、3 月19～21 日和11 月19～20 日出現(xiàn)預(yù)報濃度過高情況。

3.2.2 散點圖分析 散點圖用于對比成對的數(shù)值，對模型的模擬值與實況監(jiān)測值間時空配對后，用來分析模式預(yù)報值與實況值的吻合程度，并可反映出預(yù)報值對實況值的高估或低估。設(shè)預(yù)報值處于實況值的0.5～2 倍范圍內(nèi)認定為預(yù)報值可接受，采用FAC 表示預(yù)報值在實況值0.5～2 倍范圍內(nèi)的比例。

2019 年采暖期CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報效果優(yōu)于NAQPMS 模式，CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報值基本集中在y=x 附近，且呈收斂趨勢；而NAQPMS 模式PM2.5濃度預(yù)報值呈現(xiàn)明顯偏高情況，多數(shù)集中在y=x 于y=2x 間，且隨預(yù)報時間延長，預(yù)報高估情況愈加明顯。2019 年采暖期CAMQ模式的PM2.5濃度預(yù)報值FAC 整體高于NAQPMS模式，隨預(yù)報時長增加而降低。CAMQ 模24 h 預(yù)報FAC 最高，達到88.7%，NAQPMS 模式48 h、72 h的FAC 最低，為65.6%，見圖5。

圖5 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 日均值散點圖

3.2.3 統(tǒng)計分析 通過統(tǒng)計分析對CAMQ、NAQPMS模式PM2.5日均濃度預(yù)測能力進行定量評估。2 種預(yù)報模式的預(yù)報效果，見表2。

表2 2019 年采暖期CAMQ、NAQPMS 模式PM2.5 濃度預(yù)報統(tǒng)計分析

對比多種統(tǒng)計指標，CAMQ、NAQPMS 模式對PM2.5的預(yù)報能力均表現(xiàn)出預(yù)報時次越短，預(yù)報效果更優(yōu)，24 h 預(yù)報效果最優(yōu)，48 h 次之，72 h 最差。從2 種預(yù)報模式預(yù)報值與實況值的MB 來看，CAMQ、NAQPMS 模式預(yù)報值均高于實況值，偏離程度隨預(yù)報時長增加而增大，CAMQ 模式PM2.5濃度預(yù)報偏高在1.25～11.38 μg/m3之間，NAQPMS模式預(yù)報偏高在26.52～35.19 μg/m3之間。NAQPMS模式預(yù)報值的偏離程度大于CAMQ 模式。2 種預(yù)報模式對PM2.5濃度預(yù)報的NMB、NME 和R2均符合-50%＜NMB＜80%，NME＜150%，R2＞0.3 要求，CAMQ 模式的NMB、NME 均＜50%，預(yù)報效果優(yōu)于NAQPMS 模式。2 種預(yù)報模式對PM2.5濃度預(yù)報的RMSE 表現(xiàn)為CAMQ 模式每個預(yù)報時次的RMSE 均小于NAQPMS 模式，CAMQ 模式預(yù)報值與實況值偏差小于NAQPMS 模式。2 種預(yù)報模式MFB 及MFE 評估結(jié)果顯示，CAMQ 模式3 個預(yù)報時次的MFB 及MFE 均處于理想范圍內(nèi)，NAQPMS模式的MFB 及MFE 則落于合理范圍。綜合多種統(tǒng)計指標，CAMQ 模式對PM2.5濃度預(yù)報效果優(yōu)于NAQPMS 模式。

4 結(jié)論

本研究基于2019 年采暖期（2019 年1～3 月、11 月和12 月）空氣質(zhì)量實況值，采用CAMQ、NAQPMS 模式模擬了沈陽市PM2.5濃度，評估了2 種模式對單一污染物的預(yù)報能力。以統(tǒng)計等級、范圍和首要污染物準確率評估了預(yù)報模式對污染物綜合預(yù)報能力。以上結(jié)果均表現(xiàn)出CAMQ 模式優(yōu)于NAQPMS 模式，可為人工訂正預(yù)報提供參考。

（1）沈陽市采暖期環(huán)境空氣質(zhì)量污染程度重于非采暖期，采暖期除臭氧外其他5 項污染物濃度均高于非采暖季，采暖期細顆粒物濃度較非采暖期上升幅度達到100%。采暖期中度及以上污染占全年80%，首要污染物以細顆粒物為主。

（2）CAMQ、NAQPMS 模式等級、范圍和首要污染物準確率均為24 h 預(yù)報準確率最高，而CAMQ模式的24 h 等級、范圍和首要污染物準確率高于NAQPMS 模式，CAMQ 模式綜合預(yù)報能力更優(yōu)。

（3）時間序列對比結(jié)果顯示2 種預(yù)報模式預(yù)報值與實況值總體時間變化趨勢一致，但仍存在偏差，均表現(xiàn)為預(yù)報值明顯高估。散點圖對比結(jié)果顯示2 種模式對細顆粒物濃度預(yù)報均存在不同程度高估，隨預(yù)報時次增加，偏高程度增大。CAMQ 模式24 h 預(yù)報的可接受度最高，為88.7%。

（4）利用統(tǒng)計分析對比2 種模式對細顆粒物預(yù)報效果進行定量評估，CAMQ、NAQPMS 模式對PM2.5的預(yù)報能力均表現(xiàn)出預(yù)報時次越短，預(yù)報效果更優(yōu)。CAMQ 模式預(yù)報效果優(yōu)于NAQPMS 模式。CAMQ 模式3 個預(yù)報時次預(yù)報效果均達到理想水平。