環境空氣質量預報預警系統模式及不確定性因素與對策研究

摘要：空氣不僅是大氣層的重要組成部分，而且是人們生存與發展的關鍵環境因素，然而近年來隨著工業化進程的日益加快，環境空氣質量污染日趨嚴重。其中，在大氣環境污染程度日漸加深的過程中，霧霾等污染天氣頻繁發生且持續時間逐漸延長，發生的范圍也逐漸廣泛，這引發了全世界的關注和重視。為有效控制環境控制質量的惡化，環境空氣質量預報預警系統的建立和健全非常迫切。基于此，本研究在概述全國環境空氣質量預報預警系統建設情況的基礎上，重點對其統計模式、數值模式以及集合模式的發展情況展開了分析，并對系統的不確定性因素和改進對策進行了研究。

關鍵詞：環境空氣質量;預報預警系統模式;不確定性因素;改善對策

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.129

Abstract：Air is not only an important part of the atmosphere，but also a key environmental factor for people s survival and development.However，in recent years， with the acceleration of industrialization，environmental air quality has become increasingly serious.Among them，in the process of increasing pollution of the atmospheric environment， polluting weather such as smog frequently occurs and the duration is gradually extended， and the scope of the occurrence is gradually wider，which has caused worldwide attention and attention.In order to effectively control the deterioration of environmental control quality，the establishment and improvement of the ambient air quality forecast and early warning system is very urgent. Based on this，on the basis of summarizing the construction of the national environmental air quality forecasting and early warning system，this study focuses on the analysis of the development of its statistical model， numerical model and aggregate model，and the uncertainty factors and improvement measures of the system Research.

Key words：Ambient air quality;Model of forecasting and early warning system;Uncertain factors;Improvement measures

近年來，隨著人們對環境空氣質量重視程度的不斷加深，對其進行預測的領域也獲得了快速的發展。自國務院頒布《大氣污染防治行動計劃》以來，天氣監測預警機制陸續在各地建立[1]。在這一背景下，本研究對我國環境空氣質量預報預警系統展開了介紹，并在此基礎上，總結了系統的不確定性因素和改善對策。

1 環境空氣質量預報預警系統

1.1 統計模式

在環境空氣質量預報預警系統中，統計模式是其中的一種，其基礎是空氣質量以及氣象參數等歷史觀測數據，通過歷史數據的運用，建立統計關系、模型等，以對空氣質量進行預測[2]。從優勢的角度來說，這一模式的優勢主要體現在較少的運算量、實用性較強、操作簡便以及經濟且高效等。然而，這一模式也具有一定的不足，如：時間精度、時間長度以及空間尺度方面存在局限。從適用范圍這一角度來說，其主要適用于日均值預報。從預報效果的角度來說，其短期效果較好。

1.2 數值模式

數值模式也是環境空氣質量預報系統模式中的一個，其理論基礎是大氣動力學，主要以氣象場以及排放源等作為基礎，在偏微積分方程組下，對大氣污染物的物理化過程進行描述，并運用計算機高速運算進行求解，以對污染物的濃度動態分布情況、區域分布情況以及污染源追蹤等進行分析[3]。目前，數值模式主要有中科院自主研發的NAQPMS模式、美國CMAQ模式等[4]。

1.3 集合模式

集合模式主要是指通過輸入關鍵參數，如：排放源、氣象場以及空氣質量模式等，構造預報樣本，預報樣本是一組有限的數量，然后利用統計方法將樣本結果集合、評估，以提供出預報結果[5]。這一模式的優勢主要體現在三個方面：第一，能夠體現出模式初始條件與輸入參數的不確定性在模式積分中的傳播，進而提供更為準確且可靠的預報信息;第二，能夠提供不同事件發生的概率，進而促使預報的信息更為全面;第三，能夠集合不同成員的特點，進而提高確定性預報的準確率。

2 預報預警系統不確定性的因素與改善對策

一直以來，科學研究以及預報預警系統應用的方向都是提高預報的準確性與可靠性，通過分析某市環境控制質量預報預警系統，并依托集合模式，主要對系統模式的不確定性因素展開了探討。

2.1 污染源排放清單方面

污染源排放清單的數據來源是年度統計數據。然而在，年度統計數據普遍存在滯后的情況。通常情況下，年度數據是一年更新一次。由此可見，污染源排放清單，其時效性不強。另外，從污染物排放種類這一角度來說，某市環境統計數據相對較少，主要涉及生活污染源、固定污染，而對于揚塵源油煙源等數據尚未獲取，同時僅通過年度統計數據，其也是難以實現精細化管理的。例如，揚塵源、機動車尾氣源等其具有較為明顯的季節性，而油煙源則具有時段性等，另外，固定源、油煙源的分布也是不同的。因此，環境空氣質量預報預警系統應在依托環境數據統計的基礎上，將污染源排放清單進行精細化管理，或者購買成熟的排放清單以實現系統的更新升級。與此同時，還應為預報人員提供便捷的排放清單更新接口。

2.2 氣象場及預報模式方面

氣象場、濕度、風速等均會對污染物擴散產生極大的影響。從氣象驅動場這一角度來說，某市預報預警系統主要采用的是美國國家環境預報中心提供的數據，模式以美國WRF中尺度氣象預報模式為主。該中心提供的氣象場數據存在更新不及時、精度欠缺以及地形數據陳舊等問題。與此同時，還尚未與地面氣象觀測站同步。正是由于上述不確定性，從而影響了環境空氣質量的不確定性。為此，可在歐洲中期天氣預報中心將最新且精度最高的數據下載并應用。

2.3 數值預報模式方面

在數值模式中，其模擬運算會直接影響空氣質量預報?，F階段，某市空氣質量預報預警系統主要有CMAQ、NAQPMS兩種模式，但其版本比較陳舊，并且兩個版本是各自獨立運行的，尚未實現集合預報。另外，從實時監測的角度來說，也尚未實現同步化。近年來，很多城市存在O3超標問題，O3已成為困擾城市空氣質量持續改善的重要污染物[6]，為更科學的模擬O3污染趨勢，亟需在模型中置入更為成熟的O3模型程序。總之，多模式集合預報、監測數據同步化的實現以及新機制置入模型等在提升預報預警系統準確性中有重要的作用。

2.4 預報人員隊伍建設方面

預報人員隊伍的水平也是影響預報預警系統不確定性的重要因素。從預報預警的操作步驟來說，其主要是在模式給出預報結果后，由預報人員以氣象條件、監測站等作為基礎，展開天氣情況會商，然后人為進行科學訂正，進而預報出結果。由此可見，在這一過程中，預報人員隊伍的水平起到重要的作用。然而，目前我國各地預報預警人員在氣象科學理論知識方面還比較欠缺，對模式預報的結果有較大的依賴性。因此，為壯大預報人員的隊伍，并提高其素質，可通過培訓方式，或者通過人才引進的方式等，從人員素質角度降低由于人工判定而帶來的不確定性。在人才培訓方面，可通過培訓需求方案與培訓制度方面入手，促使培訓能夠起到更好的效果。

3 結論

綜上所述，通過本文的研究主要獲得以下結論：第一，環境空氣質量預報預警系統有統計、數值以及集合模式三種模式。第一，集合模式不僅可以從確定性預報轉變為概率預報，而且可以增強數值預報的能力。第二，對于環境空氣質量來說，影響系統不確定性的因素主要包括污染源排放清單、氣象場、預報模式以及預報預警人員的不確定性等。第三，為降低諸多不確定性因素的影響，應注重增強污染源排放清單數據的準確性，應定期更新氣象場數據，還應集合更多的預報模式，更應提高預報工作人員在氣象學理論方面的知識水平。

參考文獻

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[2]江峰琴，楊雪，王晨波，等.江蘇省區域空氣質量多模式預報預警系統研究與設計[J].環境監控與預警，2015，7（02）：4-7.

[3]解淑艷，劉冰，李健軍.全國環境空氣質量數值預報預警系統建立探析[J].環境監控與預警，2013，5（04）：1-3，21.

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[5]王健，向峰，邱飛，等.淺談云南省省級空氣質量預報預警體系構架與實踐[J].環境科學導刊，2017，36（06）：101-104.

[6]程麟鈞，王帥，宮正宇，等.2008-2016年臭氧監測試點城市的臭氧污染特征[J].中國環境監測，2017，33（04）：26-32.

收稿日期：2020-08-08

作者簡介：楊棟（1985-），男，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為環境空氣。