山西省重污染天氣監測預報預警系統設計

(山西省環境監測中心站，山西 太原 030022)

1 引 言

2013年1月以來，我國中東部地區多次發生了大范圍持續性灰霾污染事件，嚴重影響人們的身體健康，給生產生活帶來諸多不便，引起全社會的廣泛關注[1]。為妥善應對重污染天氣，包括山西省、內蒙古自治區、山東省省級和京津冀及周邊地區地級及以上城市需要在2014年底完成重污染天氣監測預警體系的建設任務。

山西省重污染天氣監測預報預警系統建設，以氣象數據、環境空氣質量監測數據和污染源排放數據位基礎，應用空氣質量統計預報和數值預報模式，對山西省包括11個設區市縣的環境空氣質量AQI指數和六種污染物濃度(包括阿SO2、NO2、PM10、O3、PM2.5和CO)進行未來7天預測預報(48小時精準預報和5天潛勢預報)，實現重污染天氣預警、分析、污染源追因等功能，為及時應對重污染天氣、最大限度降低重污染天氣造成的危害提供權威的預報預警信息，同時為合理調整污染源布局、切實做好大氣污染防治提供決策支持和科學依據。

2 系統設計

2.1 總體架構

山西省重污染天氣預報預警系統建設由“四層三體系”組成。“四層”為軟硬件支撐層、數據資源層、應用服務層和會商展示層；“三體系”包括環境信息標準規范體系、環境信息安全保障體系和環境信息運行管理體系。

2.2 主要模塊設計及功能

(1)數據庫系統模塊。數據庫系統模塊為系統存儲預報模擬所需的氣象數據、污染源排放數據和空氣質量監測數據，是模式運行的基礎。

(2)污染源排放清單可視化系統模塊。采用SMOKE排放源處理模型處理山西省源排放清單，直接為系統提供網格化的排放源。模塊設計按照各數值模型的特點和運算需求合理分配軟硬件資源，各空氣質量預報模型均使用統一的污染源排放清單。

(3)空氣質量統計預報系統模塊。系統建設統計模式采用BP神經網絡集成方法對40個集合預報成員進行集成。

(4)空氣質量數值預報系統模塊。空氣質量數值預報[6]系統模塊是山西省重污染天氣監測預報預警系統建設的核心部分，選用中尺度氣象模式WRF提供氣象場驅動，基于排放源處理模型制作三維網格化排放源，選用中國科學院大氣物理所自主研發的NAQPMS模式[5]，美國環保署(EPA)的Models-3/CMAQ[4]模式、美國Environ公司的CAMx模式和美國國家大氣和海洋局(NOAA)的 WRF-Chem進行空氣質量集合預報。

設置多模式預報系統區域嵌套計算網格：東亞區域(Domain1)→華中區域 (Domain2)→山西省域(Domain3)。

表1 模式計算區域網格設置

(5)重污染天氣分析預警系統。依據未來5天統計預報和數值預報結果，達到預警級別時，進行重污染天氣污染物來源進行分析、預警，為適時開展污染防治工作、正確引導公眾健康出行提供支持。

表2 重污染天氣預警響應級別劃分

(6)空氣污染來源追因系統。污染源追因系統分為遙感反演和后向軌跡模擬兩個模塊設計，實現對氣溶膠、氣態污染物的垂直方向濃度分布解譯和為水平方向污染物傳輸的追因。

3 效益分析

總而言之，山西省重污染天氣監測預報預警系統由“四層三體系”構成，基于環境空氣質量監測數據、氣象數據和污染源排放清單數據，應用空氣質量數值預報與統計預報相結合的方式，實現山西省未來5天的空氣質量分析、預報、預警和追因等功能，以期為合理調整污染源布局、切實做好大氣污染防治提供科學依據和決策支持。

山西省重污染天氣監測預報預警系統的建立，將大氣污染源監管、城市環境空氣質量監測、模型模擬分析、政策經濟技術等空氣質量管理各因素綜合考慮，在日常預報工作中可以為地市級預報系統提供污染資料同化后的準確初始場及邊界條件產品，指導各地開展精細化空氣質量預報。在極端污染天氣來臨時，重污染天氣預報預警系統可通過確定大氣污染來源和污染貢獻為管理部門建立應急預案和響應機制為公眾提供健康指引和出行參考，減少污染天氣對人體健康影響。

參考文獻：

[1]解淑艷，劉冰，李健軍.全國環境空氣質量數值預報預警系統建立探析[J].環境監控與預警，2013，5(4)：1-3.

[2]Joseph B.Klemp.Weather Research and Forecasting Model：A technical Overview[R].84th AMS Annual Meeting，Seattle，U.S.A.2004.Jan：10-15.

[3]羅淦，王自發.全球環境大氣輸送模式(GEATM)的建立及其驗證[J].大氣科學，2006，30( 3)：504-518.

[4]Institute for the Environment University of North Carolina at Chapel Hill.Operational Guidance for the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) Modeling System[M/OL].http：//www.airqualitymodeling.org/cmaqwiki/index.phptitle=CMAQ_version_5.0_(February_2010_release)_OGD.

[5]王自發，謝付瑩，王喜全，等.嵌套網格空氣質量預報模式系統的發展與應用[J].大氣科學，2006，30( 5)：778-790.

[6]韓志偉，杜世勇，雷孝恩，等.城市空氣污染數值預報模式系統及其應用[J].中國環境科學，2002，22(3)：202-206.