法國空氣質量預報系統簡介

李紅霞+徐偉嘉+黃建彰

摘要：介紹了法國環境空氣質量預報業務，其由法國巴黎大區空氣質量管理中心（AIRPARIF）直接負責，在空氣質量預報業務與科研工作方面具有先進與豐富的經驗， 并建立了標準化的預報技術體系和業務流程。指出了ESMERALDA系統是法國包括巴黎大區在內的6個地區共同開發和目前正在使用的空氣質量預報和可視化平臺，包括法國自主研發的CHIMERE模型、小尺度模型和統計多元回歸模型。巴黎大區AIRPARIF先進的預報系統和預報技術、良好的業務運行機制，對國內大城市空氣質量預警預報具有很好的啟發與借鑒意義。

關鍵詞：PM2.5；空氣質量；污染預報；空氣質量管理中心

中圖分類號：X16

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0025-03

1 引言

我國空氣質量的監測、預報和預警，是大氣環境污染治理工作的基礎。自2012年環境保護部發布新的空氣質量標準以來，我國重點城市和地區的PM2.5污染形勢嚴峻，臭氧污染日益突出，廣大市民對頻發的重污染預警也提出了更高的要求。近一兩年，從國家級監測機構到各地監測部門都已開始加強預報能力的建設，應對和滿足公眾和管理的需求。

美國空氣質量監測網絡建設較完善，并從多樣化空氣監測、區域污染特性及趨勢分析、突發應急管理、酸沉降與臭氧趨勢分析、光化學煙霧、氣溶膠污染、空氣質量預報、多元污染策略減排、達標與空氣管理、減排效益與健康評估方面實現了全方位的管控[1～3]。此外，由24個歐盟成員國組成的國際性組織歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 簡稱 ECMWF）通過由世界氣象組織（WMO）維護的全球通信網絡向世界所有國家發送部分有用的中期數值預報產品，通過將空氣質量有關的資料系統、預報模式、預報系統、決策系統和評估系統等有機地結合在一起，為政府、企業和公民提供有力的大氣環境信息支持和服務[4～8]。

我國空氣質量監測與預報尚處于起步階段。目前，我國已建成覆蓋全國338個地級市由1398個站點組成的全國城市環境空氣質量監測網絡并對外提供信息服務（http：//113.108.142.147：20035/emcpublish），并于2016年1月1日起對外發布全國京津冀、長三角、珠三角3大區域、27個省域、46個城市的未來2～3 d空氣質量預報信息（http：//106.37.208.228：8082/）。根據中國環境監測總站截至2014年4月底的統計結果（《關于印發各地環境空氣質量預報開展情況調查結果的通知（總站預報字[2014]02號）》）全國已開展空氣質量預報業務的省級站為11個（北京、天津、上海、江蘇、浙江、福建、山東、湖北、湖南、陜西和青海），省會城市站9個（太原、沈陽、南京、杭州、濟南、武漢、廣州、成都和西安），計劃單列市2個（青島和深圳）。有預報能力籌建計劃的單位包括15個省級站、省會城市13個以及計劃單列市3個。此外，有10個省級或省會城市站暫無開展預報工作的計劃或將該項工作劃歸監測系統之外的環境部門負責。在已經開展空氣質量業務預報的省市中，采用的技術架構普遍由三部分組成：統計模式、數值模式以及主觀訂正。其中，統計預報主要應用的是各地研發的動態統計預報模式、采用動力統計修正方法的統計預報等。數值預報則主要以WRF或MM5驅動的美國CMAQ、CAMx[9，10]、WRF-chem以及中科院大氣所的NAQPMS[11～13]等模式為主，很多地方集成了不止一個數值模式。

在這種情況下，如何盡快的適應當前形勢的發展、如何提高為環境管理服務的水平、如何不斷提升自身的技術能力、如何更加及時準確地做出預報預警、為政府決策提供重要科學依據，是各省市監測中心迫切需要解決的問題。當前解決這一問題最快速有效的方法就是借鑒國外先進科學的預報系統和技術手段，本研究以法國AIRPARIF為例詳細闡述了其空氣質量預報體系、模型技術及其系統建設情況。

2 AIRPARIF預報體系

法國巴黎大區空氣質量管理中心（AIRPARIF）成立于1979年，是一家法國環境部許可的獨立機構，現有員工60人，從1990年代開始，直接負責向公眾和管理機構提供整個巴黎地區的空氣質量預報與分析工作，其主要職責有：對包括巴黎市在內的巴黎大區開展空氣質量監測（人口約1200萬）；每天進行空氣質量預報，給出污染物的空間分布狀況；每天通過互聯網等方式對市民、媒體、管理部門發布空氣質量信息；對于已經實施的或計劃實施的污染控制措施進行評估。AIRPARIF在空氣質量預報業務與科研工作方面具有先進與豐富的經驗， 并建立了標準化的預報技術體系和業務流程。圖1為法國的預報技術體系流程圖。

3 AIRPARIF數值預報系統

ESMERALDA系統是法國包括巴黎大區在內的6個地區共同開發和目前正在使用的空氣質量預報和可視化平臺。ESMERALDA這個詞為“跨區域大氣研究”？的法語縮寫。這個跨地區的預報平臺從2004年春天著手部署，于2005年5月1日開始連續運行，2008年增加了顆粒物模塊。目前數據的集中處理、計算平臺的運行和維護等工作由6個地區之一的巴黎大區空氣質量管理中心（AIRPARIF）獨立實現，但是每一個成員單位都可以訪問全部數據并且利用該平臺計算自己地區的污染場景并進行信息發布。該平臺建設的目的一方面是為6個地區提供空氣質量預報和污染分布地圖的信息發布資料，另一方面也是為了進行跨區域污染傳輸的模擬研究。

ESMERALDA系統模擬的區域是一個東西長438 km，南北長552 km的矩形，涵蓋6個地區（圖2）。這6個地區人口占法國總人口的38%，氮氧化物、二氧化硫、非甲烷VOC、二氧化碳、可吸入顆粒物、一氧化碳等污染物的排放量分別占法國總排放量的37%、43%、22%、30%、17%和26%。模型系統每天運算并產出前一天、當天和之后一天的污染物濃度分布圖和空氣質量指數地圖，以及每一個單站的預報結果。空間分布圖的分辨率為6 km，重點地區的NO2和O3分辨率為3 km。

ESMERALDA系統基于開放源代碼軟件產品建立，全部由AIRPARIF完成定制和二次開發。系統內部采用CHIMERE作為化學傳輸模型（CTM）。氣象場方面采用MM5中尺度氣象預報模型。污染源清單方面采用9 km分辨率的跨區域綜合排放清單，機動車排放由HEAVEN系統計算生成。系統目前的硬件運行環境為基于INTEL Xeon處理器的兩臺并行DELL服務器。操作系統為CentOS，編譯器采用INTEL處理器優化的IFORT。目前運行每天的常規預報大約需要6 h。ESMERALDA系統在近期計劃的主要工作包括：評估WRF的適用性、使用CAMx進行源解析以及污染源清單敏感性方面的研究。AIRPARIF預報業務采用ISO9001標準進行質量控制，預報結果使用R語言進行性能評估。初步的評估結果顯示模型結果與實際檢測結果總體吻合，但是在冬季高污染場景時會出現比較明顯的低估。

3.1 區域空氣質量模型（CHIMERE）

CHIMERE模型是法國研發的空氣質量數值模型，該模型為三維嵌套歐拉區域性光化學輸送模式，由來自IPSL/LMD、INERIS和LISA等科研機構的工程師聯合開發，主要應用于對區域尺度內臭氧、氣溶膠及其他污染物的濃度預測，并可以用來評價污染源控制措施的實施效果。在空間上，CHIMERE可實現從區域尺度（幾千公里）到城市尺度（100～200 km）范圍的模擬，分辨率可從1 km到100 km，目前主要應用在歐洲。從空氣質量預報模型發展角度看，相對于第三代模型（如Model-3/CMAQ）的多物種模擬而言，該模型主要針對光化學反應的氣態或固態污染物以及對二次氣溶膠的模擬。

與模型相關的物理和化學過程包括：水平與垂直輸送，擾動混合，氣溶膠的液相化學和非均相化學模式，凝結、吸收、聚核等物理過程，二次氣溶膠形成的氣液分配及熱動力學模式，云層對光分解作用的影響，干濕沉降等。AIRPARIF主要將CHIMERE模型用于法國國家區域尺度模擬，基于MM5的氣象場以及本地排放源處理模塊進行區域空氣質量預測預報。

（1）氣象模塊，主要是運用MM5提供的二維和三維預報結果，計算出CHIMERE所需的用于計算光化學反應，混合、沉降和傳輸等方面的參數。CHIMERE具有自己的水平嵌套和垂直分層，METEO模塊實現MM5與其銜接，即模擬區域與天氣預報系統區域的耦合，包括時間分辨率的插值和空間區域的擬合。

（2）EMIS模塊。主要負責處理點源、面源數據進行整理并執行清單輸入文件向CHIMERE認可文件之間的格式轉換；交通源和生物源分別采用CONPERT模型與MEGAN模型進行輸入處理。

（3） CHIMERE所需的各種相關模塊。氣相化學機制MELCHIOR2（含44個物種及120多種反應）；水平輸送模塊PPM；全球尺度的邊界條件采用GOCART結果；區域尺度邊界條件采用LMDz-INCA2化學輸送模式，執行氣態污染物和氣溶膠的物種輸出等；非有機氣溶膠形成的吸收過程采用ISORROPIA區域和全球尺度的氣溶膠熱力學模式計算結果；有機氣溶膠的吸收過程參照熱動力平衡方程。初始場目前通過邊界濃度插值形成。

AIRPARIF主要用CHEMERE模型進行歐洲國家區域的模擬預報與評估工作，比重可重點評估與預測對巴黎影響較大的東北向德國的工業區輸送、東向波蘭的重點工業區輸送、西向農業氨源輸送、兼顧考慮南部沙哈拉沙漠的沙塵遠距離輸送，同時為城市小尺度模型提供預報背景濃度場。

3.2 城市小尺度模型

隨著污染治理措施的不斷加強，各國超大城市的工業源排放均會顯著下降，機動車排放源的作用將會逐步加大，為了更準備預報與評估道路上行駛機動車源排放對空氣質量的影響，城市小尺度空氣質量模型已經是超大城市空氣質量預報與評估業務部門必不可少的模型工具。AIRPARIF分別采用ADMS、CALPUFF兩個模型進行小尺度模擬預報。在CHEMERE模型提供3 km分辨率背景濃度的基礎上，疊加小尺度模型模擬機動車排放污染物的演變規律，從而得出精細化的污染物空間分布結果。其中ADMS模型用于巴黎整個主市區的模擬計算，CALPUFF模型用于機場局地模擬預報與評估。

4 統計預報技術

AIRPARIF目前針對數值模型結果采用多元回歸模型進行統計訂正預報，主要輸入參數分為幾個部分：①氣象參數：溫度（最大溫度、最小溫度）、風速、風向、大氣穩定度、太陽輻射強度等。②數值模擬結果，其中顆粒物細化至各個組分，此外還有臭氧、NO2、CO、SO2等污染物。③預報前一天各個站點的顆粒物、臭氧、NO2等觀測結果。由于歐洲整體排放源變動較小，AIRPARIF基本不考慮直接訂正排放源清單來進行預報，而是利用統計模型訂正數值預報結果進行預報，從預報結果看，統計訂正預報可以明顯增加預報的準確性，尤其是針對長期模擬偏低的站點，因此，針對數值預報的統計訂正預報技術也是AIRPARIF整個預報體系的重要一環。

綜上，巴黎大區AIRPARIF先進的預報系統和預報技術、良好的業務運行機制，對同為人口密集的國內大城市具有很好的啟發與借鑒意義。

參考文獻：

[1]陸 濤. 美國AIRNow空氣質量動態發布技術在上海的應用[J]. 環境監控與預警，2011（1）：4～7.

[2]麻巨慧，朱躍建，王盤興，等. NCEP、ECMWF及CMC全球集合預報業務系統發展綜述[J]. 大氣科學學報，2011（3）：370～380.

[3]江峰琴. 美國環境空氣質量監測數據管理經驗及啟示[J]. 環境與發展，2015（3）：40～43.

[4]王 宇，鐘 琦. 歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）2014年預報性能[J]. 氣象科技進展，2015（4）：68～69.

[5]陳欽明，宋淑麗，朱文耀. 亞洲地區ECMWF/NCEP資料計算ZTD的精度分析[J]. 地球物理學報，2012（5）：1541～1548.

[6]李 川，張廷軍，陳 靜. 近40年青藏高原地區的氣候變化——NCEP和ECMWF地面氣溫及降水再分析和實測資料對比分析[J]. 高原氣象，2004（S1）：97～103.

[7]鄭 彬，谷德軍，李春暉. NCEP和ECMWF資料表征南海夏季風的差異[J]. 熱帶氣象學報，2006（3）：217～222.

[8]涂小萍，許映龍. 基于ECMWF海平面氣壓場的熱帶氣旋路徑預報效果檢驗[J]. 氣象，2010（3）：107～111.

[9]Yarwood G.， Morris R. E.， Wilson G. M. Particulate Matter Source Apportionment Technology （PSAT） in the CAMx Photochemical Grid Model. International technical Meeting. Banff， Canada. October， 2004 Air Pollution Modeling and Its Application XVII： 2004：478～492.

[10]沈 勁，王雪松，李金鳳，等. Models-3/CMAQ和CAMx對珠江三角洲臭氧污染模擬的比較分析[J]. 中國科學：化學， 2011（11）：1750～1762.

[11]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（5）：778～790.

[12]Ge B Z， Wang Z F， Xu X B， et al. Wet deposition of acidifying substances in different regions of China and the rest of East Asia： Modeling with updated NAQPMS[J]. Environmental Pollution， 2014（187）： 10～21.

[13]陳煥盛，王自發，吳其重，等. 空氣質量多模式系統在廣州應用及對PM10預報效果評估[J]. 氣候與環境研究，2013（4）：427～435.