城市環境空氣質量指數范圍預報方法初探

王曉彥，陳 佳，朱莉莉，趙熠琳，閆 慧，李健軍

1．中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

2．中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

環境空氣質量預報是落實《大氣污染防治行動計劃》的新興核心業務，是重污染預警應急和大氣污染防控不可或缺的基礎工作。環境空氣質量指數(AQI)預報是城市環境空氣質量預報的基本內容，是公眾了解未來空氣質量狀況最直接的方式，成為空氣質量預報業務部門的重要例行工作。目前，國內重點城市已陸續開展AQI預報［1-2］，但尚未形成規范的AQI預報方法，無法滿足城市AQI預報信息統一發布要求，迫切需要建立一套標準化的AQI預報方法體系。本文以全國城市空氣質量實時發布平臺2014年典型城市的實況監測數據為基礎，利用統計學方法對數據進行分析，探討城市24 hAQI范圍預報方法和偏差修正的確定依據，以及相關的質量控制技術，以期為各城市開展AQI預報提供實用方法和技術參考。

1 AQI范圍預報方法

1.1 級別判斷

在空氣質量模式AQI預報結果的基礎上，根據空氣質量實況、天氣形勢預報和污染源排放變化，初步判斷次日AQI預報級別，確定將其定位在某個級別內還是兩個級別間。例如優、優～良，良、良～輕等空氣質量級別。通常若天氣形勢穩定或變化趨勢清晰，AQI可定位在某級別內。若未來天氣形勢變化不明朗，例如，出現弱槽過境、弱降水等，可將AQI定位在級別間進行跨級預報。

1.2 中心線設定

根據初步判斷AQI變化趨勢，設定AQI范圍中心線的大致位置，即偏向趨勢變化所向級別的低、中、高段位。通常根據好轉、穩定、變差的趨勢，分別將AQI預報范圍的中心線定位在稍低、持平、稍高段位。例如，初步判斷AQI是跨越良到輕度污染兩級的變差趨勢，根據預估的AQI變化幅度，將中心點設定在偏良、居中或偏輕度污染的段位。

1.3 變化幅度修正

為提高預報準確性，需在設定的AQI范圍中心線上加減一個變化幅度(偏差)，最終形成AQI范圍預報。通常在中度污染以下加減10或15的幅度，中度污染以上加減20或更大的幅度。例如，初步判斷未來24 h空氣質量級別為良，并有轉差的趨勢，AQI中心線設定為85，處于該級別的稍高段位，再加減10的變化幅度進行修正，即最終AQI預報結果為75～95。具體預報范圍修正方法在下文詳細討論

2 AQI預報范圍訂正

2.1 AQI分級波動范圍

為分析不同區域、不同污染程度的城市AQI分級波動情況，選取張家口、邢臺、大連、沈陽、舟山、濟南、長沙、鄭州、海口、廣州、拉薩、成都、西寧、西安14個典型城市，分別代表華北、東北、華東、華中、華南、西南、西北地區相對清潔和污染的城市情況，采用均方差來反映一組數據離散程度的最常用量化指標，對上述14個城市2014年的實況AQI數據進行統計，以分析不同空氣質量級別的AQI波動情況。見表1。

表1 2014年各區域典型城市不同空氣質量等級AQI均方差統計

由表1可以看出，各區域的清潔城市和污染城市在同一級別內的AQI均方差無明顯差別，且隨著空氣質量級別加重，清潔城市和污染城市AQI均方差均表現出遞增的總體趨勢。14個城市空氣質量為優級別時，AQI均方差為3.6～9.1，均值為6.1;良至中度污染級別時，各城市AQI均方差相差不大，為6.4～21.7，均值為13.4，且有90%的均方差處于10～16的范圍內;在重度污染級別時，各城市AQI均方差明顯增加，為19.9～34.0，均值為26.6;在嚴重污染級別時各城市AQI均方差進一步增加，為20.2～106.8，均值為62.4。由此可見，不同空氣質量級別的AQI波動范圍差異明顯，應針對不同級別設置不同的AQI預報變化幅度。

2.2 AQI變化幅度范圍

對于空氣質量良好、大氣化學機理單一、污染源排放量穩定、外來傳輸影響較小的清潔城市，其每日AQI的正常波動范圍相當于AQI的本底變化幅度，可作為其他城市AQI預報變化幅度修正基本參考值。以三亞市2014年301個空氣質量優級天的AQI統計結果為例，見圖1。

圖1 三亞市2014年優級天AQI分布

由圖1可見，優級天AQI近似服從平均值為31.8，方差為62.1的正態分布，90%的優級天AQI集中在18.9～44.7的范圍內，以均值31.8為中心，上下均浮動12.9，設定AQI在優級天的本底變化幅度為10，在一定程度上可視為城市AQI預報的基本波動范圍。

對于空氣質量一般的城市，AQI預報較易受到氣象條件、污染源排放、大氣復合污染程度、季節等因素變化的影響，每日AQI波動范圍較大。以機動車尾氣污染為主的杭州市2014年110 d輕度污染AQI的分布為例，如圖2所示。AQI分布較為分散，均方差為13.3，超過78%的AQI集中在輕度污染(101～150)的中低位區間(101～130)，設定輕度污染AQI預報較合理的變化幅度范圍為15。

圖2 杭州市2014年輕度污染天AQI分布

通常空氣質量較差的城市，本地污染源排放量大，且大氣污染物不易擴散，AQI預報更多考慮氣象條件和季節變化(如冬季北方采暖燃煤)的影響，在空氣質量重度及以上污染時，AQI波動明顯以煤煙污染為主的邢臺市2014年74 d重度污染AQI分布為例，如圖3所示。AQI分布明顯分散，均方差為26，超過86%的AQI集中在重度污染(201～300)的中低位區間(201～270)，設定重度污染AQI預報較合理的變化幅度范圍為25。

圖3 邢臺市2014年重度污染天AQI分布

2.3 AQI模式預報偏差分析

城市空氣質量模式預報結果與實況AQI的偏差在一定程度上也有助于指導AQI預報變化幅度的設定。以2014年中國科學院大氣物理研究所研發的NAQPMS數值預報模式對北京市的24 hAQI預報為例，統計每日預報AQI與實況AQI偏差的絕對值，經過3輪異常值剔除(與平均值的偏差大于2倍均方差的視為異常值)，不同空氣質量等級的偏差絕對值的均方差分布如圖4所示。由圖4可知，從優級至嚴重污染，比偏差絕對值的均方差在4.4～32.7。空氣質量越好，均方差越小，反之亦然。空氣質量優級時，均方差小于5。輕度污染至嚴重污染級別的均方差在29.1～32.7范圍內，各等級差別不明顯。比較現實，有必要區分優良等級和污染等級的AQI預報變化幅度范圍。

圖4 2014年NAQPMS模式對北京市AQI預報偏差分布

綜上所述，不同空氣質量等級對應的AQI范圍區間大小有所不同，并根據實況統計分析和模式預報經驗，無論是AQI實況波動范圍，還是模式預報偏差，不同空氣質量級別差別明顯。因此，在開展城市AQI預報時，有必要針對各級空氣質量等級分別設定不同的AQI變化幅度，力求合理并準確地反映未來AQI的變化范圍。建議空氣質量優良等級設定AQI變化幅度為10，輕度和中度污染等級設定為15，重度和嚴重污染等級設定為25。

3 AQI預報質量控制討論

為保證城市AQI預報的有序開展，應建立一套完善的質量控制體系，對城市例行的AQI業務預報進行全過程的質量控制。1)建立預報日常值班制度，每日值班人員分為主班和副班2人，主班負責預報結果確定和會商啟動等，副班負責預報信息和值班日志的編寫，并對預報結果提出參考性意見，減少主班的個人盲區。2)建立預報會商制度，在預測到可能出現重污染時，聯合相關預報部門和氣象部門等機構開展預報會商，集思廣益，從不同專業領域和學術背景獲取多方意見，最終達成全體認可的預報結果，避免錯報、漏報等預報失誤。3)建立嚴格的工作流程，最大程度地減少人為干預，以控制預報的隨意性。盡可能實現預報業務自動化分析，避免過多人工參與，提高預報客觀性和客觀訂正效率［3］。4)采用集合預報方法，降低單一模式預報的不確定性誤差，通過取長補短，綜合利用各模式的優勢，縮小預報的誤差范圍，從而改善預報效果［4-5］。5)定期開展預報效果回顧，一方面可評判預報模式對各項污染物預報的系統誤差及誤差范圍，便于模式的后續改進，另一方面有利于預報員總結預報經驗，糾正個人傾向，提高預報準確率［6-7］。

4 總結

目前，全國重點城市已不同程度地開展AQI預報能力建設。考慮到國內城市間空氣質量水平差異較大和預報模式多樣化等特點，為保證各城市AQI預報的規范性和可比性，急需建立一套標準化并可統籌兼顧的AQI預報方法體系，包括AQI預報方法、預報流程、預報范圍訂正、質量控制等一系列技術規范。文中通過對典型城市2014年每日AQI實況分析的基礎上，闡述了針對不同空氣質量等級設定不同的AQI預報范圍變化幅度的必要性，并建議性地提出分級變化幅度參考值，同時對加強預報過程的質量控制技術進行了討論，期望能夠為各城市開展AQI預報提供借鑒和參考。

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