城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究

摘要：為了更好地開(kāi)展城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，為環(huán)境管理部門(mén)提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)，介紹了幾種比較常用的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式，分析了各種預(yù)報(bào)模式的特點(diǎn)及其準(zhǔn)確性的影響因素，旨在為環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：城市;環(huán)境;空氣質(zhì)量;預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);方法

中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）09-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.097

Study on forecasting method of urban ambient air quality

Wang Fei

（Urumqi Environment Monitoring Centre Station，Urumqi Xinjiang 830000，China）

Abstract： In order to better carry out the prediction and forecast work of urban ambient air quality， provide data support and decision-making basis for environmental management departments， several commonly used air quality prediction models are introduced， the characteristics of various forecast models and the factors affecting their accuracy are analyzed in order to provide a reference for the prediction of ambient air quality.

Key words：Urban;Environment;Air quality;Forecast;Methods

近年來(lái)，人類(lèi)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快加劇了環(huán)境的惡化程度，環(huán)境空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越被廣大民眾關(guān)注。然而，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)的大氣污染已不再是某種單一類(lèi)型的污染，而是有多種污染物相互作用、相互影響的復(fù)合型污染。城市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確與否，直接影響到政府部門(mén)決策與管控措施的實(shí)施。

1 城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

目前，比較常用的城市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式主要有統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式，數(shù)值預(yù)報(bào)模式和人工+模式綜合預(yù)報(bào)模式。

1.1 統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式

統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)是一類(lèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的預(yù)報(bào)模式[1]，主要參考?xì)庀髼l件，認(rèn)為在一定時(shí)期內(nèi)，污染物排放量相對(duì)穩(wěn)定，忽略污染物源排放變化的影響，基于統(tǒng)計(jì)分析，研究不同氣象條件下大氣污染物濃度的變化規(guī)律，建立大氣污染物濃度與氣象參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，從而預(yù)測(cè)未來(lái)的環(huán)境空氣質(zhì)量。

統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)須掌握污染物排放狀況，簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行成本低，與數(shù)值模型相比，統(tǒng)計(jì)模型預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確率高[2]。缺點(diǎn)主要是在時(shí)間精準(zhǔn)、時(shí)間長(zhǎng)度和空間尺度上有一定的局限性，難以捕捉到污染物的極端濃度，適用于城市或者點(diǎn)位尺度、短期、日均值預(yù)報(bào)。

1.2 數(shù)值預(yù)報(bào)模式

數(shù)值預(yù)報(bào)是一類(lèi)既考慮氣象場(chǎng)影響又考慮復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的大氣化學(xué)模式，數(shù)值模式一般由氣象模塊、排放源處理模塊和大氣化學(xué)模塊組成，包括污染物的傳輸、擴(kuò)散、遷徙、轉(zhuǎn)化、干濕沉降等物理和化學(xué)過(guò)程[1]。其優(yōu)點(diǎn)主要在區(qū)域性空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和分析方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)算量大、對(duì)計(jì)算機(jī)資源配置要求較高。目前，數(shù)值預(yù)報(bào)模式主要有中科院的NAQPMS模式和美國(guó)的CMAQ 、CAMx、WRF- Chem模式等[3]。

NAQPMS （嵌套網(wǎng)格模型系統(tǒng)）被廣泛應(yīng)用于多尺度污染問(wèn)題的研究，它不但可以研究區(qū)域尺度的污染問(wèn)題（如沙塵輸送、酸雨及污染物跨國(guó)輸送等），還可以研究城市尺度空氣污染問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律以及不同尺度之間的相互影響過(guò)程。

CMAQ模型多用于多尺度、多污染的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、評(píng)估和決策研究等用途。

CAMx模型具有雙向嵌套的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以多重網(wǎng)格同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，在時(shí)間范圍和空間范圍內(nèi)模擬的更精細(xì)。

WRF- Chem被廣泛用于局地天氣系統(tǒng)，空氣質(zhì)量的大尺度模擬分析和氣溶膠相互作用的微物理作用研究。

1.3 人工+模式綜合預(yù)報(bào)模式

人工+模式綜合預(yù)報(bào)模式主要是由空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)人員通過(guò)對(duì)空氣質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和未來(lái)氣象條件的分析，根據(jù)模式預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合自身預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)空氣質(zhì)量及變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

空氣質(zhì)量現(xiàn)狀判斷一般包括區(qū)域內(nèi)過(guò)去一段時(shí)間的污染物濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)和首要污染物等。大氣條件的分析和預(yù)測(cè)，主要包括區(qū)域內(nèi)500hPa、700hPa、850hPa和地面四個(gè)不同高度層的天氣形勢(shì)圖，重點(diǎn)關(guān)注500hPa高空槽脊等各主要天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化，700hPa區(qū)域溫度場(chǎng)情況、850hPa的濕度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)濕度以及地面風(fēng)向和風(fēng)速、相對(duì)濕度、降雨時(shí)間及強(qiáng)度等信息，并綜合分析各層系統(tǒng)匹配情況、系統(tǒng)移動(dòng)及污染場(chǎng)的協(xié)同變化。

空氣質(zhì)量現(xiàn)狀是判斷空氣質(zhì)量未來(lái)變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)，分析區(qū)域主要?dú)庀笠蛩氐挠^測(cè)和預(yù)報(bào)資料，掌握區(qū)域大氣環(huán)境擴(kuò)散條件，深入理解空氣中污染物的遷移變化規(guī)律以及氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響，有助于對(duì)未來(lái)污染變化情況做出準(zhǔn)確判斷。在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，更多的是采用多種預(yù)報(bào)模型加人工研判的方式。

2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性影響因素

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到管理部門(mén)的決策正確與否，影響預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的因素有很多，主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 數(shù)值預(yù)報(bào)模式的不確定性

首先，空氣質(zhì)量數(shù)值模式系統(tǒng)自身會(huì)存在某些不足。有學(xué)者報(bào)道[4]CMAQ4.3版本存在質(zhì)量不守恒缺陷。其次，預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)同化不足以及模式參數(shù)本地化不到位以及數(shù)值模式系統(tǒng)軟硬件更新不及時(shí)等都會(huì)影響模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

2.2 污染源排放清單的不確定性

首先，污染源普查非常的耗時(shí)耗力，本身就具有一定的滯后性，難以保證及時(shí)更新。其次，污染源排放量和時(shí)空分布的不確定性。污染源種類(lèi)繁多，往往隨著時(shí)間或空間的變化而變化，無(wú)法及時(shí)體現(xiàn)源排放的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。再者，關(guān)鍵前體物缺失，如揮發(fā)性有機(jī)物等。

2.3 氣象條件的不確定性

了解空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中大氣條件是污染物變化（生成轉(zhuǎn)化遷移）過(guò)程因素之一，與氣象（冷暖云水過(guò)程）的關(guān)注點(diǎn)不同，相較于氣象預(yù)報(bào)所關(guān)注的天氣的變化，空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)更加關(guān)注變化之間的大氣靜穩(wěn)狀態(tài)和過(guò)程。氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性是空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)幾個(gè)重要誤差來(lái)源之一。

2.4 其他不確定因素

一是預(yù)報(bào)員對(duì)污染過(guò)程以及大氣條件的綜合分析和研判能力是人工研判綜合預(yù)報(bào)的決定因素。二是空氣質(zhì)量實(shí)況數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性也是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的影響因素之一。三是預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)正常高效的運(yùn)行保障也是不可忽略的影響因素。

3 結(jié)論及建議

（1）城市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)多是采用多種預(yù)報(bào)模型加人工研判的方式。（2）各級(jí)地方政府應(yīng)加大資金投入，推進(jìn)并確保空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)值模型的建立及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)及時(shí)更新源清單，盡可能的完善污染源種類(lèi)，以及建立動(dòng)態(tài)污染源清單，為空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作奠定基礎(chǔ)。（3）積極引進(jìn)氣象專業(yè)人才，加強(qiáng)預(yù)報(bào)人員的理論技術(shù)培訓(xùn);積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)預(yù)報(bào)模式的系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行本地同化和人工校正，提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

參考文獻(xiàn)

[1]黃順祥.大氣污染與防治的過(guò)去、現(xiàn)在及未來(lái)[J].科學(xué)通報(bào)，2018，63（10）：895–919.

[2]房小怡，蔣維楣，吳澗，等.城市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（1）：111–115.

[3]中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警方法技術(shù)指南（第二版）[M].北京：中國(guó)環(huán)境出版集團(tuán)，2017.

[4]王占山，李曉倩，王宗爽，等.空氣質(zhì)量模型CMAQ的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（6L）：386-391

收稿日期：2020-03-26

作者簡(jiǎn)介：汪飛（1981-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理與分析以及環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。