大氣污染預警技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王永飛，邱 陽

（1.佳木斯江心島水質(zhì)監(jiān)測站；2.佳木斯市環(huán)境保護監(jiān)測站，佳木斯 154004）

近年來，隨著工業(yè)門類的快速增加，污染源的性質(zhì)也發(fā)生了改變，大氣污染呈現(xiàn)出新的特點，傳統(tǒng)的煤煙型污染現(xiàn)已演變?yōu)槊簾熜臀廴九c光化學二次污染疊加產(chǎn)生的復合型污染。污染的演變，也促使當前的大氣污染預警技術來適應污染監(jiān)測的新特點，從技術方法上去提升，適應環(huán)境監(jiān)測與大氣污染防治、預警的需要。

當前，大氣污染的嚴峻環(huán)境促使大氣污染預警技術進一步革新和發(fā)展，然而大氣污染預警系統(tǒng)并非采取單一的技術，而是由各項功能技術環(huán)節(jié)共同組成的一個復雜的綜合性系統(tǒng)工程。如今對大氣污染預警技術的研究是全球共同面對的問題，也是環(huán)境科學研究領域的熱點與難點。本文首先分析了大氣預警的基礎技術理論，概述了空氣質(zhì)量預報的現(xiàn)有技術和發(fā)展趨勢，然后探究了大氣污染預警新技術，并說明了大數(shù)據(jù)分析與認知技術在大氣污染預警技術平臺上的應用。

1 空氣質(zhì)量預報技術

大氣污染預警技術，屬于空氣質(zhì)量預報技術的范疇，它既要實現(xiàn)對當前空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集處理，又要建立氣象數(shù)據(jù)等與預報相關的模型，以此來進行大氣污染的預報預警，從而實現(xiàn)監(jiān)控、預測空氣質(zhì)量變化的目的。

1.1 空氣質(zhì)量預報技術分析

從技術原理來看，空氣質(zhì)量預報的方法可以分為兩種：一種是統(tǒng)計預報，統(tǒng)計預報對大氣污染的預測，是基于對采集到的數(shù)據(jù)進行分析的結果，此種預報方法利用統(tǒng)計原理，對大氣環(huán)境的變化規(guī)律進行研究，建立大氣污染與氣象參數(shù)的關系模型，推測大氣污染狀況；另一種是數(shù)值預報，數(shù)值預報依據(jù)的技術原理是大氣動力學理論，以計算機來輔助預測大氣動態(tài)，數(shù)值預報通過對大氣物理與化學過程的分析，建立大氣污染濃度在空氣中輸送擴散的數(shù)值模式。

數(shù)值模式在大氣質(zhì)量預報中更有優(yōu)勢，是未來的發(fā)展趨勢。采用數(shù)值模式的優(yōu)勢表現(xiàn)在它可以將大氣污染的物理化學變化進行量化，解析不同來源或過程的相對貢獻時空分布，在城市大氣污染預警系統(tǒng)中扮演重要角色。采取數(shù)值模式有利于評估污染防控措施的效果，為協(xié)同控制污染提供幫助。

1.2 空氣質(zhì)量預報技術應用現(xiàn)狀

在數(shù)值模式的研究中，國內(nèi)外誕生很多研究成果，形成了很多數(shù)值模式。美國建立的數(shù)值模型有多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ、大氣化學完全耦合模式WRF-chem、綜合空氣質(zhì)量模型擴展版CAMX；日本依據(jù)數(shù)值模型原理建立了化學天氣預報系統(tǒng)CFORS；法國建立了空氣模式系統(tǒng)多模式平臺NAQPMS；中國構建了嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預報模式系統(tǒng)NAQMS。這些技術在不同程度上對大氣污染的預報作出了貢獻，中科院建立的NAQMS數(shù)值模式充分考慮了污染物的化學反應、傳輸、干濕沉降等因素，在預測大氣污染物方面取得了很好的效果，在現(xiàn)有空氣質(zhì)量數(shù)值模式建立方面具有一定的優(yōu)勢。

中國對大氣污染預警的技術研究成果主要來自于中國科學院（以下簡稱“中科院”），中科院在基礎技術模型開發(fā)及應用上獲得了成功，同時在新形式的環(huán)境預警需求下，開發(fā)了新技術，為環(huán)境預警提出了新的發(fā)展策略。中科院在大氣污染預警方面取得的實質(zhì)性研究成果有：NAQMS、全球環(huán)境大氣輸送模式GEATM、多模式空氣質(zhì)量集合預報系統(tǒng)EMS、大氣化學資料同化系統(tǒng)和沙塵暴資料同化系統(tǒng)，為我國的環(huán)境預警承擔了重要責任。其中，NAQMS是中科院開發(fā)的，依據(jù)目前國內(nèi)城市大氣污染的排放傳輸、演變特點，以及當前國內(nèi)計算機硬件條件和業(yè)務水平，借鑒國際上有代表性的數(shù)值模式，它是為國內(nèi)大氣環(huán)境預報設計的，在國內(nèi)多個省市，如鄭州、北京、上海、廣州、沈陽、哈爾濱等大中型城市都取得了良好的大氣污染預警效果，獲得了當?shù)貥I(yè)務部門的認可。NAQMS的四個主要構成部分是：氣象處理、排放源處理、空氣質(zhì)量模式及模式輸出，NAQMS采用嵌套網(wǎng)格技術可實現(xiàn)對從大到小的依次嵌套的多層區(qū)域同時模擬，其輸出結果包括污染物在大氣中的濃度值、氣象要素的時空變化、污染物的干沉降與濕沉降通量等，在城市或區(qū)域之間也可以提供相互影響狀況。

1.3 空氣質(zhì)量預報技術發(fā)展趨勢

空氣質(zhì)量預報技術發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

一方面，綜合各項技術應用情況來看，多模式集合預報是當前大氣環(huán)境數(shù)值模擬的未來大力發(fā)展對象，國際上首個EMS多模式集合預報系統(tǒng)就是以中科院大氣物理所自主研發(fā)的NAQMS模式為核心，集成了CMAQ、CAMx、WRF-Chem等模式優(yōu)勢，該系統(tǒng)服務于北京奧運會空氣質(zhì)量預報預警，可提供72 h的氣象要素、污染物濃度三維時空變化，達到短期預測和預警的目的。法國大氣環(huán)境教育和研究中心同樣構建了多模式集合預報系統(tǒng)模型——Polyphemus模式系統(tǒng)，重點在于對模式內(nèi)不同模塊、物料化學參數(shù)選取的集合集成。

另一方面，大氣污染預警技術在系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)分析、決策方面也有很大的發(fā)展前景，新興的大數(shù)據(jù)和認知技術分析和認知技術，也逐漸遷移到大氣污染預警的平臺建設上。基于大數(shù)據(jù)和認知技術的大氣污染預警平臺，開啟了大氣污染預警的新的研究方向。傳統(tǒng)技術包含了數(shù)據(jù)采集、處理和預報發(fā)布，但其忽略了對污染規(guī)律、污染原因等的挖掘，當新情況發(fā)生時，無法利用歷史數(shù)據(jù)資料及分析過程進行比照，沒有形成經(jīng)驗的積累和利用，而IBM提出的認知計算和大數(shù)據(jù)技術為其提供了解決思路。

2 大氣污染預警新技術

由于空氣質(zhì)量模式尚存在很大的不確定性，空氣質(zhì)量模式尚不完全，我國在質(zhì)量模擬、預報預警技術方面做了新的技術研究，主要涵蓋了以下技術：污染源追蹤和來源識別技術、大氣化學資料同化技術、污染源反演技術、空氣質(zhì)量集合預報技術和區(qū)域大氣污染預警[1-3]。這些技術不同程度上也代表著大氣污染預警的發(fā)展趨勢。

2.1 識別和追蹤污染源技術

大氣污染物形成的復雜性，導致污染物濃度與前體物源排放呈非線性關系，造成大氣污染預測的誤差。傳統(tǒng)的技術解決辦法為源解析、氣象追溯兩種方式，需對模型過程進行多次情景設立，時間效率低，而識別和追蹤污染源技術結合了二者的特點，通過在線解析手段，減小了物理化學過程的非線性特征帶來的誤差，無需反復進行情景設定，提升了效率。該項技術契合當前城市污染復合性、區(qū)域性的特點，比傳統(tǒng)技術更高校、準確，能夠量化污染源的來源性和行業(yè)貢獻。

2.2 大氣化學資料同化技術

通常采取的描述或記錄大氣污染狀況的方式是觀測和模擬，觀測的目的是反映大氣環(huán)境的真實情況，沒有預測功能；模式模擬采取近似或參數(shù)化過程，模擬范圍涵蓋三維空間和時間維度的大氣環(huán)境，具有預測功能，缺陷是輸入量如排放源、氣象場、初始邊界條件等存在誤差，造成模式模擬的不確定性增加。大氣化學資料同化技術，融合了觀測與模擬模式的功能特點，通過對模擬信息和監(jiān)測信息的統(tǒng)計，輸出最優(yōu)組合方式，提供了更加精確的大氣污染三維分析數(shù)據(jù)，模擬預報的可靠性得到了提高。中科院在大氣化學資料同化技術方面，研制了大氣化學資料同化系統(tǒng)IPA/LAPCChemDAS，并將其集成到NAQPMS模式中。

2.3 污染源反演

污染源反演技術，是為了準確、快速確定排放源種類、數(shù)量等特征，為空氣質(zhì)量模擬和預報提供數(shù)據(jù)來源。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展變化，污染源種類及特征也急劇變化，實地調(diào)查取證的方式，效率低、獲得數(shù)據(jù)的準確性存疑，數(shù)據(jù)信息存在一定的滯后性，污染源反演通過觀測的數(shù)據(jù)，即可進行動態(tài)反演，有效提高排放源數(shù)據(jù)的準確性和時效性。中科院建立的區(qū)域和城市尺度大氣污染反演系統(tǒng)，充分利用集合卡爾曼濾波同化方法，進行觀測資料和大氣化學模式的優(yōu)點，對污染源清單進行高時空分辨率的逆向修訂，快速動態(tài)更新污染源清單數(shù)據(jù)資料，在預報準確性和經(jīng)濟成本上都取得了很好的效果。

2.4 集合預報

集合預報是數(shù)值預報的一種方法，它的突出特點是“群策群力”，強調(diào)各個不同模式在各自技術特點下的預測能力，強調(diào)大氣化學模式的差異化和代表性，通過集合各個模式的優(yōu)點，獲得比以往單項預測更為全面、具有說服力的大氣環(huán)境預測。與傳統(tǒng)單項預報技術相比，集合預報的優(yōu)勢表現(xiàn)在：其一，預報信息涉及范圍更全面，數(shù)據(jù)更豐富，可提供不同污染事件發(fā)生概率；其二，集合預報博采眾長，通過集合決策方法，提高了預報的精確性。具體模式集合的預報方法包括：算數(shù)平均、權重平均、多元回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡等，其中神經(jīng)網(wǎng)絡應用效果最突出。

2.5 區(qū)域大氣污染預警

區(qū)域大氣污染預警是一種預警機制，該項機制是建立在多模式集合預報平臺和區(qū)域污染特征解析平臺的技術基礎上；大氣污染預警實現(xiàn)的目的是為相關部門提供報告，以此制定措施，盡力避免污染物對人們造成危害；區(qū)域大氣污染預警的內(nèi)容，主要包括污染物來源、種類、持續(xù)時間和影響范圍等[4-6]。污染預警的關鍵在于預報是否準確，特別是污染的持續(xù)時間、轉折等方面，可供采取的技術方法有：一是延長區(qū)域的預報時長，以空氣污染與天氣系統(tǒng)關系資源庫為基礎，實現(xiàn)提前捕捉環(huán)境變化的目的；二是制定重污染預警相應預案，通過分析區(qū)域內(nèi)的相互輸送量，在策略庫控制方案進行匹配，提供最優(yōu)解決預案；三是區(qū)域大氣污染預警修正，通過分析綜合觀測數(shù)據(jù)，對關鍵參數(shù)和變量修正，進行再模擬和分析，降低污染預警的不確定性。

3 大數(shù)據(jù)分析、認知技術在平臺技術中的新發(fā)展

基于大數(shù)據(jù)認知技術的大氣污染預警系統(tǒng)，能夠發(fā)揮大數(shù)據(jù)、認知技術的信息化優(yōu)勢，對長期積累的檢測數(shù)據(jù)資源加以分析利用、處理，建立融合多種模型及專家知識的預警平臺，實現(xiàn)有效的空氣質(zhì)量分析，以應對環(huán)境的復雜性，滿足其復雜的功能訴求。

基于數(shù)據(jù)資源中心提供的統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)共享平臺，可有效融合各類不同類型的空氣質(zhì)量監(jiān)測、不同預報系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及基礎輔助數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)匯交、共享、質(zhì)控管理機制，通過上層預報預警、綜合分析、案例分析、應急決策支持四大子系統(tǒng)，從多模式集合預報結合專家調(diào)優(yōu)支撐高性能預報會商應用，從大數(shù)據(jù)融合時空關聯(lián)分析深度挖掘大氣復合污染特征與污染成因，從多維度歷史污染過程和天氣形勢全自動化認知分析支撐重污染過程研判，從業(yè)務化仿真情景方案與污染溯源助力專業(yè)應急決策[7]。該項技術在北京環(huán)境保護監(jiān)測中心具體實施，體現(xiàn)出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

4 結語

未來，大氣污染預警技術應著重從預警技術環(huán)節(jié)的空氣質(zhì)量預報模式的建立、預報相關的各個單項新技術手段、區(qū)域預警機制等方面來發(fā)展，同時注重大數(shù)據(jù)分析、認知技術在大氣污染預警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理、分析、決策等的應用，集成基于大數(shù)據(jù)融合的綜合分析系統(tǒng)、基于多維認知技術的案例分析系統(tǒng)。

參考文獻

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