貴陽市環境空氣質量預報預警系統建立的探討

馬琳達

(貴陽市環境監測中心站, 貴陽 550002)

貴陽市環境空氣質量預報預警系統建立的探討

馬琳達

(貴陽市環境監測中心站, 貴陽 550002)

分析了貴陽市空氣質量預報中污染物、地形及下墊面、植被等關鍵影響因素。提出了貴陽市環境空氣質量預報預警系統的整體架構，分別對排放源監測與管理系統、環境空氣質量預報系統和污染預警與控制決策支持系統等三個核心部分進行闡述，進一步提出了貴陽市大氣污染防控措施及防控機制。

環境空氣質量；大氣污染；預報預警；數值模式

2013年1 月，全國發生了罕見的大范圍、長時間的霧霾天氣過程，影響全國中東部和西南部的很多城市。貴陽市是受此霧霾天氣影響較嚴重的西南地區城市之一，出現了連續數日的污染天氣，給人民群眾的健康造成不同程度的影響，同時也給生產生活帶來諸多不便，引起政府和公眾的廣泛關注[1]。

2013年9月，國務院出臺《關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》(國發〔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測預警應急體系，妥善應對污染天氣[2]。2013年底，貴陽市政府與貴州省政府簽訂了《貴州省環境保護重點工作目標責任書》。貴州省人民政府于2014年5月印發《貴州省大氣污染防治行動計劃實施方案》(黔府發〔2014〕13號)，方案中高度重視環境空氣質量預報預警體系的建立。

各級政府建立有效的大氣污染防治體系迫在眉睫，而環境空氣質量預報預警系統是大氣污染防治體系的關鍵和基礎。

1 國內外空氣質量預報進展

1.1 國際研究情況以及空氣質量預報的主要方法

國外從20世紀50年代就開始了城市空氣污染預報理論和方法的研究。從60年代開始，美國、英國、日本、荷蘭、前蘇聯、新加坡等國家相繼開展空氣污染預報，當時大都采用污染潛勢預報進行定性分析。70 年代，美國國家氣象局根據天氣預報的風、渦度及天氣狀況、大氣穩定度、混合層高度等氣象因子，用數值預報模式對污染源強進行未來24 h的擴散計算，做出空氣污染潛勢預報。20 世紀80 年代后，國際上開始致力于定量的空氣污染預報，包括統計預報和數值預報。目前，國際上空氣質量預報的方法主要有兩種。

一種是空氣質量統計預報方法。該方法以大氣污染物和氣象觀測資料為基礎，利用現有數據，研究大氣環境的變化規律，將歷史上的污染物濃度數據及同期氣象資料利用統計方法進行數學分析，建立具有一定可信度的統計關系或數學模型。統計預報方法運算量少、易于操作、簡單實用、經濟高效，但統計預報的時間精度、時間長度和空間尺度上均有局限性。統計預報由于忽略污染源排放和變化影響，無法反映大氣污染物在大氣中的傳輸、擴散、沉降以及其他非線性化學轉化過程。

另一種是空氣質量數值預報方法。該方法以大氣動力學理論為基礎，在給定的氣象場、源排放以及初始和邊界條件下，建立大氣污染物在空氣中的各種物理化學過程的數值模型，預報污染物濃度動態分布和變化趨勢，提供時空污染濃度區域分布，同時可用于污染源追蹤與分析。由于數值預報可以評估和預測局地和區域環境空氣質量狀況、污染影響空間范圍，對潛在的重污染事件進行預警，可為管理部門及時采取科學防范控制措施、減少空氣污染對人體健康和人們生產生活的影響提供科學與技術支持。數值預報模式是大氣污染預報的主流發展方向。目前，用于空氣質量預報的主流模式有WRF-Chem、CMAQ、CAMx和NAQMPS等，這些模式都有各自的特點，為了避免某一模式在特定的條件下產生較大的誤差，可將這些模式聯合起來進行集成預報，提供預報的準確率。

1.2 國內城市以及貴陽市研究情況

中國城市空氣質量預報工作始于20 世紀80年代，北京、沈陽、蘭州、天津、南京等城市利用城市環境觀測資料和對應的氣象資料，通過統計方法建立了空氣質量預報模型來預測城市內空氣質量。2000 年開始，中國環境監測總站組織47個環境保護重點城市開展城市環境空氣質量預報工作[1，3]。

貴陽市作為47個環境保護重點城市之一，開展了基于統計預報方法的API和SO2、NO2、PM10老3項環境空氣污染物監測項目日均濃度值的24h預報。2012年，貴陽市作為全國第一批執行新GB 3095—2012《環境空氣質量標準》的城市之一，于2012年12月開展對新標準規定的6項污染物的監測和發布，并于2013年初停止了對API和老3項日均濃度值的24h預報。

近幾年，環境空氣預報預警系統發揮了重要作用，通過預測空氣污染的發生和變化趨勢，使政府部門及時啟動大氣污染應急減排措施，以最低經濟成本實現最大的社會效益。在北京、上海、廣州等城市實現了環境空氣質量預報預警的業務化運行，為北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等重大活動提供了有力的保障。

2 貴陽市空氣質量預報關鍵影響因素

2.1 污染源

污染源是空氣質量污染的根本源頭，控制和治理空氣質量的根本是對污染的防治。自從2000年國家公布實施修訂后的《中華人民共和國大氣污染防治法》以來，貴陽市大量民用生活鍋爐改用燃氣，一些燃煤量大的電廠、鋼鐵廠、水泥廠逐步遷出城區，同時大規模的城市建筑施工和燃油交通工具(汽車、飛機)運行量迅速擴張，工業源、生活源、建筑源和交通源的結構均有一定的變化。建立貴陽市污染源清單，掌握貴陽市及其周邊污染源的排放情況，并且動態更新源清單，對空氣質量預報有至關重要的影響。

目前，貴陽市桐木嶺(清潔對照點)、太慈橋、市環境監測站、新華路、紅邊門、馬鞍山、中院村、碧云窩、鑒湖路、燕子沖等10個國控環境空氣質量自動監測站對空氣中的污染物SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5進行24 h實時監測。貴陽市空氣質量預報系統建立可以充分利用現有貴陽市環境空氣質量監測網和污染源排放在線監測和管理系統提供的大量客觀、可靠的歷史監測數據，把監測網絡數據進行同化，建成有一定技術梯度、功能完整、優勢互補、滿足環境空氣管理科學性需求的環境空氣質量預報預警和決策支持系統，并利用覆蓋全市的環境空氣質量監測系統對預報數據進行校驗和修正，從而提高環境空氣質量預報的準確性和可靠性。

2.2 氣象條件

氣象條件是影響空氣質量預報的關鍵因素之一。在監測工作中常常發現，同一地點來自同一污染源的空氣污染物，在固定監測點其濃度監測結果有時很高，有時很低，不同時間的測量值也有很大差異。一方面這與污染源排放條件的變化有關，但主要是氣象條件影響所致。由于氣象條件改變，大氣對污染物的擴散稀釋能力也隨氣象條件的變化而發生巨大變化。因此在不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染濃度相差巨大。因此氣象條件的預測準確度直接影響到空氣質量預報的準確度。掌握準確的氣象條件信息，是空氣質量預報基礎。因此在建立模型時，應充分考慮貴陽市當地氣候特點和氣象條件，把氣象參數納入系統進行同化，提高空氣質量預報的準確度。

2.3 復雜地形和下墊面

地形和下墊面的非均勻性，對氣流運動和氣象條件會產生動力和熱力的影響，從而改變空氣污染物擴散條件。貴陽市地處云貴高原，位于貴州省中部、云貴高原東斜坡上，屬于全國東部平原向西部高原過渡地帶。貴陽市為典型的喀斯特地貌，城市建設受喀斯特地形地貌影響，山地多，平地少，地形起伏大，西北部為高地，中部為海拔較低的喀斯特盆地，地勢較平坦，但盆地四周山地地形高差變化大，城鎮建設分散[4]。由于貴陽市特殊的山地地形，形成了其復雜氣象特征和局地氣象情況，污染物擴散場比較復雜。加上貴陽盆地面積小而周邊山地坡度大阻礙了城市空間的向外發展，隨著城市規模的不斷擴大，建設用地緊張，主城區人口、建筑和交通高度集中，建筑向高空發展，形成污染物擴散的不利條件。綜上所述，復雜地形、城市建筑、交通環境等同時造成了貴陽市污染擴散復雜環境。在一定的氣象條件下，大氣污染物和氣象相互影響與作用，形成了復雜的大氣污染狀況，加上大氣區域性輸送，形成大氣復合污染。

統計預報由于忽略污染源排放和變化影響，無法反映大氣污染物在大氣中的傳輸、擴散、沉降以及其他非線性化學轉化過程，不能滿足需求。可采用數值預報或者集合預報方式，預報污染物濃度時空分布，建模應充分考慮貴陽特殊地形和下墊面特征，結合高精度氣象場預報，模擬大氣污染物擴散。

2.4 植被

植被對污染物沉積和產生有很大的影響。一方面，植被通過對水氣輸送的影響調節區域的降水，降水直接影響污染物的濕沉積，同時植被自身又影響著污染物的干沉積，植被對污染物干濕沉積的作用對降低污染物的濃度有著重要貢獻；另一方面，植被通過光化學反應又可以促進臭氧的生成，起到了加重環境空氣污染的作用。在監測工作中發現，貴陽市近年來臭氧的污染呈上升趨勢。在晴朗的夏秋季節，日照強、云量少、風力弱的時候，空氣中臭氧濃度值比較高，城市郊區、風景區的臭氧濃度往往比市中心高。臭氧不是污染源直接排放的一次污染物，而是通過污染源排放的氮氧化物、揮發性有機物在大氣中通過光化學反應生成的二次污染物。因此在空氣質量預警系統中，需要考慮植被對空氣質量的雙重作用和注意對臭氧前體物的控制， 在建立預報模型系統中應考慮當地大面積植被對空氣質量的影響。

3 預報預警系統整體架構

空氣質量預報預警系統由三體系和五層組成。三體系是系統建設實施的指導規范，包括數據標準規范體系、安全保障體系和運行維護體系。五層為硬件支撐層、數據支撐層、公用組件層、模式層和應用展現層，其系統結構設計如圖1所示。

圖1 空氣質量預報預警系統結構設計

該系統的核心是排放源監測與管理系統、空氣質量預報系統、空氣質量預警與控制決策支持系統等三部分。

3.1 排放源監測與管理系統

排放源監測與管理系統主要任務有：建立排放源清單的入庫、查詢、更新，排放源實時監控數據解析、分析和管理等內容。在環境空氣質量預報預警工作中，污染源調查與排放源清單的建立是環境空氣質量預測預報的重要前提，同時也是研究城市環境空氣質量變化成因和污染排放控制管理的重要基礎工作之一。大氣污染物排放源清單及時更新，可為區域明確階段性環境污染整治方向、出臺污染控制措施、及時評估各項污染控制措施的效果提供重要的技術支撐。同時，排放源定期更新，對于科學制定區域環境污染控制決策、推行污染物排放總量控制和開展排污許可證發放、污染物排放標準建立和污染預警聯動等工作具有深遠的意義。

3.2 環境空氣質量預報系統

環境空氣質量預報是空氣質量預報預警系統的核心工作，只有準確的預報，才能夠準確的預警。預報系統可以設立氣象、大氣化學、資料處理和大氣源解析等模塊。通過建立數值預報模式或者集合預報模式，可預報污染物濃度動態分布和變化趨勢，提供污染濃度時空分布；同時還可用于污染源追蹤與分析，對區域尺度天氣過程、氣象要素、關鍵大氣污染物及其產生的環境效應時空分布特征進行模擬。在此基礎上追加大氣污染物行業、地區來源解析；對大氣污染監測網和空氣自動監測網反饋的實時觀測數據、排放源資料集進行動態處理，對關鍵參數實時修正，有效減少模擬的不確定性，提高對潛在的重污染事件預報的準確性。

3.3 污染預警與控制決策支持系統

環境空氣質量預警與控制決策支持是大氣防治工作中的核心，建立預警指標體系、空氣污染分析、優化控制對策等內容。根據實時監測數據和數值預報結果，對污染天氣進行分析，得出造成污染天氣的排放源及貢獻率，根據優化控制模式計算結果給出重點控制目標和控制措施，對應業務部門進行行政執法，降低重污染危害，改善環境空氣質量。

此外，建設超級計算平臺及配套設施，充分利用現有信息化系統各種軟件硬件資源，搭建硬件系統和業務化平臺，使成本降到最低，避免重復建設造成的浪費。

4 展望

空氣質量控制是建立在排放源管理和空氣質量預報預警基礎之上的，通常包括污染天氣的控制、產業結構調整和重污染源優化布局等方面，是一個涵蓋自然科學、社會科學和人文科學的復雜系統工程。

環境空氣質量預報預警體系可為環保部門提供環境空氣質量預報信息并對潛在的重污染事件進行預警；提供科學的管理和政策咨詢建議，使管理部門能夠及時采取控制措施，建立應急處理機制，保障大氣環境安全；引導服務模式轉變，提升公眾生活質量；強化政府管理效率，提升公共服務水平。

隨著空氣監測網絡中監測點數量的擴大和監測項目的完善，未來將建立區域大氣污染預警和大氣污染的聯防聯控機制。目前從全國來看，大區域空氣質量預警聯防聯控在京津冀、珠三角、長三角等沿海發達地區已經開展；東三省、中部地區、西南地區、西北地區等相鄰省份之間空氣質量預警聯防聯控是未來發展的趨勢；從小區域來看，將建立省內各相鄰城市或地區之間空氣質量預警以及大氣污染聯防聯控體系。

[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)：1674 -6732．

[2] 中國環境監測總站.環境空氣質量預報預警方法技術指南(第一版)[M].北京：中國環境出版社，2014.

[3] 劉娟. 長三角區域環境空氣質量預測預警體系建設的思考[J]. 中國環境監測, 2012,28(4)：135-140.

[4] 高紅艷，刁承泰.試論喀斯特地貌對城市發展建設的影響—以喀斯特山區城市貴陽為例[J].中國巖溶，2010,29(1)：81-85.

Discussion on Guiyang Ambient Air Quality Forecast and Early Warning System

Ma Linda

(Guiyang Environmental Monitoring Center，Guiyang 550002，China)

this paper analyzed the key factors affecting the Guiyang air quality, including pollutants, underlying surface, topography and vegetation. The overall structure of Guiyang ambient air quality forecasting and early warning system was proposed, and the three core parts, emission source monitoring and management system, ambient air quality forecasting system, and decision support system for pollution early warning and control, were elaborated respectively. Guiyang atmosphere pollution control measures and prevention mechanisms were further proposed.

ambient air quality; air pollution; forecast and early warning; numerical model

2014-10-17；2014-12-31修回

馬琳達，女，1981年生，碩士，工程師，研究方向：環境監測、空氣質量預報預警。E-mail：air_gy@qq.com

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