區域環境空氣質量預報的一般方法和基本原則

王曉彥，劉 冰，李健軍，丁俊男，汪 巍，趙熠琳，魯 寧，許 榮，朱媛媛，高愈霄，李國剛

中國環境監測總站，國家環境保護監測質量控制重點實驗室，北京 100012

2013年，大范圍、長時間的霧霾過程在我國中東部地區頻繁發生，京津冀區域空氣污染尤為嚴重，對公眾健康、大氣能見度和交通運輸造成顯著的負面影響。為應對廣大公眾和環境管理部門對空氣質量預報的緊迫需求，中國環境監測總站采用數值預報模式開展了近半年的京津冀區域空氣質量預報測試。在預報測試期間，不斷探索和完善區域空氣質量預報方法，并逐漸形成空氣質量預報的基本原則。該文詳細闡述區域空氣質量預報的一般方法和基本原則，以期為各地開展空氣質量預報提供借鑒和參考。

1 區域環境空氣質量預報

我國環境空氣質量預報研究始于20世紀70年代，但多局限于城市空氣質量預報。長三角重點區域在世博會期間曾開展過短期的區域范圍空氣質量預報，但未形成長期的、系統化業務預報［1-2］。而京津冀區域環境空氣質量預報是首次面向區域尺度范圍嘗試建立的長期業務化預報系統，旨在預測區域范圍內未來幾天的空氣質量，把握區域空氣質量總體變化趨勢，并重點關注存在重度以上污染可能的城市和地區，及時提供空氣質量預警信息。鑒于大氣污染物可跨城市長距離輸送的特點，單個城市的空氣質量預報已經無法滿足區域大氣污染聯防聯控的需求。因此，有必要開展區域性的空氣質量預報業務，通過對區域大范圍大氣污染形勢的預測，科學合理地啟動區域內多個城市協同的重污染應急措施，最大限度地降低重污染的影響程度。

為了最大限度地降低空氣污染對人體健康的損害，在預測到未來可能出現重污染過程時，管理部門需及時發布污染預警信息，并伴隨相應的短期應急措施和區域大氣污染聯防聯控機制，而污染防控措施的制定均依賴于大氣污染物的來源識別和貢獻分析。數值預報模式具備污染來源解析和去向追蹤的功能，是區域環境空氣質量預報的主要方法［3］。

2 區域環境空氣質量預報一般方法

京津冀區域環境空氣質量數值預報包括未來2 d空氣質量預報和后續3 d的污染潛勢預測［4］，方法主要包括數值預報模式結果分析、客觀訂正和預報信息發布等環節，即以數值預報模式結果為基礎，以客觀訂正為綜合分析過程，以預報信息發布為最終目的。

2.1 數值預報模式

京津冀區域環境空氣質量預報模式采用的中科院大氣物理所自主研發的區域空氣質量數值預報模式系統(NAQPMS)［5］，可實現區域和城市PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO 等 6 項常規污染物的未來2～5 d的空氣質量指數預報。目前，京津冀區域空氣質量預報的形式相對粗泛，將京津冀區域分為北京、天津、冀北、冀中和冀南共5個分區，首先依據數值模式預報結果，采用“跨級(空氣質量指數級別)”預報的方式，如表1所示，依次列出各分區空氣質量預報結果。

表1 2014年2月14—18日京津冀區域環境空氣質量預報實例

2.2 客觀訂正

由于氣象場和污染源清單等輸入數據的不確定性，導致數值模式的預報結果會存在一定偏差。此時預報員需根據對天氣形勢、污染源排放情況、物理化學過程、空氣質量歷史變化規律的了解，憑借實踐經驗對模式預報結果進行客觀訂正，并適時聯系相關部門或專家開展預報會商。模式預報結果經過一系列客觀訂正后，最終得到區域環境空氣質量預報結果。

2.2.1 天氣形勢分析

天氣形勢分析是空氣質量預報的重要前提，為全面把握區域天氣形勢，需從不同高度由高到低、有針對性地分析各層氣象條件。以高空大氣運動形勢判斷區域大范圍的天氣過程，以低空大氣運動趨勢分析局地氣象條件影響，綜合評估天氣形勢對空氣質量變化的影響。表2簡要列出了不同高度天氣形勢分析的要點，包括各層的分析對象、形勢特征和參考資料等［6-8］。

表2 不同高度天氣形勢分析要點

2.2.2 污染源排放分析

污染源排放清單是數值預報模式關鍵輸入數據。現行的排放清單缺乏動態更新機制，無法對特殊污染過程進行及時跟進和自動調整。因此，預報員需根據污染源排放在短期內大幅度的變化過程，對數值模式預報結果進行“加重”或“減輕”等人為修正。特殊污染源排放變化過程包括沙塵暴、秸稈燃燒、森林大火、節假日煙花爆竹燃放，以及因重大賽事臨時關停重污染工廠而導致的污染源排放變化等。此時，不僅要考慮污染源排放變化對本地空氣質量的影響，應同時分析其對下風向區域空氣質量的影響程度。以2014年春節前后北京農展館點位為例(見圖1)，受除夕夜間至春節凌晨煙花爆竹集中燃放影響，PM2.5和PM10小時濃度在3～4 h內明顯升高，最大小時濃度分別高達426 μg/m3和 591 μg/m3，顯著影響當日的空氣質量指數等級，在空氣質量預報時需著重考慮。

圖1 2014年春節前后煙花爆竹燃放對北京農展館點位PM2.5和PM10小時濃度影響

2.2.3 物理化學過程分析

在污染源相對穩定的情況下，氣象條件是影響大氣污染物濃度的關鍵因素，影響方式包括物理過程和化學過程。物理過程主要指風速、風向、降水等氣象條件對大氣污染物的擴散、傳輸和清除作用，例如秋冬季節伴隨西北強冷空氣的大風天氣可顯著促進京津冀區域污染物的擴散，實時空氣質量可在幾小時內從重度污染跨越到優良級別。以2013年11月24日天津市監測中心點位為例(見圖2)，受冷空氣帶來的強西北風影響，在7～8 h內，PM10和PM2.5小時濃度從空氣質量指數嚴重污染降為優良水平。

圖2 2013年11月大風天氣對天津市監測中心點位PM小時濃度影響

此外，不同程度的降水對污染物濃度影響程度不同，降水量越大，持續時間越長，清洗作用越明顯，當降水量小于1 mm時，對大氣的凈化作用非常有限［9］。化學過程主要指特定氣象條件可促進或抑制大氣污染物之間的化學反應過程，影響二次污染物的生成。例如夏季強烈的太陽輻射導致O3濃度迅速上升，容易出現光化學污染;而當大氣相對濕度較高時，硫酸鹽和硝酸鹽易吸濕增長，有利于二次顆粒物生成，促進霧霾的形成［10］。因此，預報員應熟練掌握在特定氣象條件下，因物理化學過程而導致的大氣污染物濃度定性變化。

2.2.4 空氣質量變化規律分析

大量的污染物濃度和氣象參數歷史觀測數據的規律性分析是開展空氣質量預報的基礎。空氣質量歷史變化規律作為一面“鏡子”，對于不確定性的空氣質量預報具有重要的參考意義。對區域內歷史觀測數據的統計分析，可總結出不同氣象條件下污染物濃度的變化趨勢，通過分類匯總形成若干條經驗性規律作為空氣質量預報的訂正依據。如當前形勢具備與上一年某次大氣污染過程前期類似的污染物濃度和氣象條件，預報時可在很大程度上參考該次污染過程中空氣質量的變化趨勢;此外，短期內歷史數據分析對空氣質量預報結果具有更加直接的借鑒意義，如在海陸風的作用下，天津市不易發生重度污染，即使數值模式預報未來2 d京津冀區域總體形勢為重度以上污染時，如果前一個月內類似形勢下天津市并未隨之出現重度污染，則本次預報應將天津市空氣質量預報訂正為重度污染以下級別。

2.2.5 預報會商

空氣質量預報的不確定性是客觀存在的。在預測到有重污染發生的可能時，如果貿然發布重污染預警信息并啟動短期應急預案，很可能因為“錯報”而導致不必要的經濟損失和社會負面影響。預報會商機制可起到群策群力、溝通預報思路、交流預報技術等信息交換和思想交流的作用，是避免錯報、提高預報預警準確率的有效方式［11］。預報會商是重污染過程預報客觀訂正的一項重要環節，參與預報會商的人員應具備氣象學、大氣科學、預報模式、統計學等深厚的專業背景，從而獲取來自不同領域的多方意見，最終達成全體認可的空氣質量預報結果。

2.3 預報信息發布

向公眾及時發布空氣質量預報信息是預報工作的最終目的。預報信息應圖文結合，以使公眾能夠直觀、準確地加以理解。在信息爆炸時代，可通過多種方式發布預報信息，包括網絡、郵件、傳真、手機、電視和熱線電話等，盡可能使公眾隨時隨地獲取預報預警信息，根據未來空氣質量狀況及時調整日常出行計劃。

3 區域環境空氣質量預報基本原則

3.1 預報系統建立原則

預報定位在科學預測。業務預報是執行符合科學預測的預報程序，不是無科學依據的主觀猜測。

以最接近準確水平的預報模式為依據。以區域空氣質量數值預報模式為例，模式結合了迄今為止氣象預報、污染物源和匯、大氣化學反應以及物理傳輸和清除過程等領域最高水平的認知，基于全方位的統籌考慮和綜合分析，是在現有條件下能夠達到的最接近準確水平的空氣質量客觀預測，是業務預報的基礎依據。

預報偏差源于不準確的模式初始場。模式初始場主要包括氣象場和污染源排放清單，由于觀測不全面和氣象模式本身的偏差，氣象預報存在一定不確定性;同樣，污染源排放清單也因時間滯后和空間分辨率低而無法準確反映大氣污染物真實的排放情況。存在偏差的氣象預報和不夠完整細致的排放清單是導致數值模式預報結果與實況不符的主要因素。

3.2 預報結果確定原則

以模式預報為主，以客觀訂正為輔。對于模式本身而言，空氣質量模式預報結果是客觀準確的。但存在偏差的氣象預報和排放清單等初始場仍會導致錯誤的空氣質量預報結果。因此，需要基于對大氣污染物實況監測數據、大氣化學反應過程、污染物傳輸和沉降規律等人為的經驗認識，對模式預報結果進行適當的客觀訂正。

客觀訂正以規律分析為主。對模式預報結果進行客觀訂正，主要基于對氣象條件、污染源排放清單、污染物大氣化學反應、傳輸和沉降過程等多方面的規律性分析，而以上規律的獲取依賴于長期的預報實踐經驗。

將規律分析自動化。為提高日常預報的業務化水平，有必要將系統性的客觀訂正規律分類匯總，形成格式化的分析工具，并將其集約在預報業務平臺中，實現自動化分析，減少人為重復勞動，可顯著提高客觀訂正的效率。

3.3 天氣控制形勢分析原則

把握區域總體控制形勢。區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，為轄區內城市開展精細化空氣質量預報提供參考。根據高壓和低壓系統、臺風過境、靜穩天氣等大型天氣形勢，將未來區域總體控制形勢劃分為好轉、維持和變差等不同類別，以便于有針對性地判斷區域空氣質量的總體變化趨勢。

關注不同高度控制形勢的強度和轉變。為全面掌握區域天氣控制形勢，需了解區域預報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。通過對各層風速、風向、相對濕度等氣象條件的評估，逐層判斷各層天氣控制形勢的類型、強度和變化趨勢。

不同高度控制形勢綜合協調分析。對高、中、低等不同高度天氣控制形勢協調分析和綜合評估，才能獲得全面、準確的區域總體天氣控制形勢場。當不同高度層天氣控制形勢類似時，區域總體控制趨勢單一且易于判斷;當不同高度層天氣控制形勢出現強弱、方向等差異時，區域總體控制形勢會相對復雜。

3.4 預報信息表述原則

總體形勢與動態變化描述相結合。在描述未來區域天氣控制形勢時，應先描述區域總體形勢，如“未來兩天京津冀區域將受到冷空氣南下過程影響”，再具體描述在總體形勢影響下的動態變化過程，可使用“維持、趨向、轉為、向……發展”等動態描述詞語，例如“大氣擴散條件將轉為有利”。

總體污染程度和局部重污染描述相結合。在描述區域空氣質量預報時，首先概括性說明區域總體的空氣質量變化和污染形勢，例如“未來兩天，京津冀區域空氣質量以良至輕度污染為主”;在局地可能出現重污染時，應增加對重污染地區的具體描述，例如“河北中南部可能出現重度以上污染”。

跨級預報與可能性預報相結合。區域空氣質量預報涵蓋的范圍較大，難以做到針對各城市的精細化預報。由于對分區的劃分較粗，在空氣質量級別預報時，同一個分區內不同城市之間，甚至單個城市內不同點位之間都有可能存在差異，跨級預報是將以上差異歸一化的有效方式，例如“明日河北南部空氣質量為輕度至中度污染”。同時，由于沙塵暴、秸稈焚燒等局地污染源隨機變化或人為應急措施的干預，未來局地的空氣質量很可能發生“跳級”突變，因此要增加針對該地區具體的可能性預報。

4 結論

中國大氣污染嚴峻形勢及其聯防聯控機制對區域環境空氣質量監測與預報預警提出了前所未有的技術支撐需求。國務院2013年頒布的《大氣污染防治行動計劃》明確要求“建立監測預警應急體系，妥善應對重污染天氣”，以此為契機，全國環境空氣質量預報預警體系建設在摸索中起步前行。在京津冀區域環境空氣質量預報測試過程中，初步探求出一套系統性的區域空氣質量預報一般方法和基本原則，并已經成為目前京津冀區域空氣質量日常預報所遵循的重要技術依據。作為區域空氣質量預報的先行者，在各地空氣質量預報預警系統如火如荼籌建之際，期望本研究中的實踐經驗和技術方法能夠為其他區域和城市開展空氣質量預報提供借鑒和參考。

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