污染強化減排中小尺度氣象信息支撐矩陣構建

崔志豪

（北京航空航天大學空間與環境科學學院 北京 102206）

引言

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》中的“推動綠色發展 促進人與自然和諧共生”，為推動生態文明建設實現新進步，建設人與自然和諧共生的現代化指明了方向、明確了路徑。并指出，要加強城市大氣質量達標管理，推進細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）協同控制，基本消除重污染天氣。眾所周知，隨著全球氣候變暖，極端天氣越來越頻繁。有關報道和研究結果表明[1]，隨著城市化發展，“熱”“干”“濕”“雨”“渾濁”等方面的“城市島”效應日趨顯著，使得城市氣象災害的突發性、極端性、不可預見性進一步加強，這些氣象因素及相應的具體時間段氣象要素表現（即污染氣象條件），都與城市精準治污決策和強化減排措施落實密切相關，于是中小尺度精細化的污染氣象條件預報結論所需的信息支撐是否完整就顯得尤顯關鍵。近年來，各地結合實際需求建立了污染氣象條件有關的業務平臺[2～7]，但構建相關大數據平臺[8]的研究卻不很多見。本文結合在氣象和環境部門的實習調研經歷，提出比較全面的更貼合中小尺度污染強化減排的綜合氣象信息支撐矩陣構建內容，以期為相關領域提供參考。

1 污染強化減排的中小尺度氣象信息支撐矩陣

時空分辨率高的精細化氣象預報預警，決定后期精準污染管控調度；精準污染管控調度，依托前期污染氣象條件的精細化監測預報。因此，監測是數據的源頭、是污染氣象條件預報服務工作的前提和基礎，信息支撐是整個污染氣象條件預報業務工作的核心。通過“地、天、空、網”立體監測，“采、傳、存、治、用、管、服”一體化技術融合，以及“監測、預報、服務”一體化業務融合，全方位支撐污染氣象條件精細化預報預警。

1.1 實況監測矩陣

實況監測矩陣包括雷達、自動站、各種衛星云圖、基于雷達資料及其產品的災種識別、精細化網格實況等，疊加展示降水區域變化情況，以能單幀顯示和動畫播放為宜，為中小尺度天氣的短臨預警提供信息支撐。

其中，雷達監測包括X 波段、雙偏振、多普勒等各種雷達監測，以及相態識別、水凝物識別、雷達估測降水、冰雹識別、濾波后反射率、協相關系數、差分相移、差分相移率、差分反射率、差分反射率、徑向速度等產品，疊加直觀展示降水區域變化。

自動站則基于自動站網監測數據，在電子地圖上以色斑圖疊加展示風速、雨量、氣溫、濕度、氣壓、能見度等自動站氣象要素，以圖表提供實時和歷史氣象要素查詢及統計分析信息。根據《環境空氣質量監測點位布設技術規范（試行）》（HJ664-2013），城市加密網格點實測單個網格不大于2km×2km(面積＞200km2的城市也可適當放寬網格密度)的要求，中小尺度加密氣象站的間距最好與此匹配，以便為進行污染氣象條件的監測分析提供更好的信息支撐。

1.2 衛星云圖監測矩陣

基于GIS 和可視化技術，對風云4 號衛星、葵花衛星等衛星監測產品進行綜合展示，主要包括水汽、可見光、紅外等高清衛星產品，可實時監測天氣系統及云系的演變情況。

1.3 預報預警信息矩陣

預報預警模塊包括格點預報、智能網格、環境監測、臺風預報、數值預報、市局信息、預警信息等子功能模塊。其中，格點預報結合中國氣象局衛星下發的降雨、風場、氣溫精細化格點實況及預報數據，提供精細到社區的0～3h、3～24h、2～10d 的預報以及防汛風險和積水閾值觸發表格展示，并在電子地圖上以色斑圖疊加展示降雨、風場、氣溫等要素產品。

1.4 臺風監測和預報信息

基于GIS 和可視化技術，綜合展示臺風實況及多家預報機構的臺風路徑預報產品。支持疊加衛星云圖、雷達產品、風向風力桿、實況監測等信息，且可查詢臺風風雨評估及歷史臺風信息，為臺風及其災害預報提供信息支持。

1.5 數值預報產品信息

以氣象數據可視化技術對ECMWF、NCEP國外和CMA 全球集合模式、CMA 區域模式等我國主流數值預報模式產品進行顯示，可支持單張和動畫顯示，為分析污染氣象條件預報提供氣象數值模式信息支撐。

1.6 實況天氣圖信息

獲取并查看地面到高空各層次的東亞、亞歐和全世界實況天氣圖，為天氣形勢和氣象要素的分析研判提供全國及全球的實況信息支撐。

1.7 污染氣象條件預報輔助決策信息支撐矩陣

動態收集并實時顯示人口、經濟、重點場所、監測點位和監管重點單位等數據，結合強化減排工作方案或重污染天氣應急預案，提供智能聯動和應急響應信息，提高污染強化減排的指揮調度能力。

1.8 污染氣象條件預報信息支撐矩陣構建原則

基于實際業務過程中對信息流實時高效的要求，污染氣象條件預報信息支撐矩陣的構建應遵循5 項原則。

1.8.1 實用性與易用性原則

矩陣構建在設計與實施中要做到安裝設置、使用操作、開發維護、日常管理等工作簡單易用，符合各類使用者的操作習慣，使用方便，上手容易，不需要培訓或進行簡單培訓就能使用，可減輕使用者日常工作量。

1.8.2 兼容性和開放性原則

矩陣構建過程中要充分考慮操作系統兼容性，方便進行功能擴展對接。

1.8.3 高可靠性和穩定性原則

矩陣構建的軟、硬件平臺應穩定可靠，能夠滿足業務系統7d×24h 不間斷的運行要求。出現異常時，應具備有效的恢復方法。

1.8.4 可維護性原則

矩陣的維護需要簡便快捷，不需要太多管理人員和復雜的操作。對于服務器等的操作系統，能夠提供基于圖形化、菜單或Web 界面的系統管理工具，幫助管理人員輕松進行相關工作。

1.8.5 安全性原則

矩陣應有安全測試方案和測試用例，從而保證應用的安全性。信息數據的備份策略要設計合理，既能保證方便快速恢復，又要確保不占用過多存儲空間。

2 精細化污染氣象條件預報業務流程初探

基于上述信息矩陣的支撐，借助氣象和環境的專業知識和技術方法，可以實現對中小尺度污染氣象條件的精細預報。如，利用雷達、自動站等精細化探測信息可實現中小尺度區域和定點0～3h 預報；3～12h 預報則利用東亞和全國的地面和高空各層次實況數據、各主流數值預報模式、各層次預報產品、衛星云圖、雷達回波、自動站、上級指導預報等數據信息進行綜合分析，實現精細預報。從要素來說，可以精細到天空狀況、天氣現象、氣溫、降水、風向風速、相對濕度、能見度；從空間分辨率說，可以細化到街道或指定點位。

具體實現過程包括4 個步驟，即①以雷達探測資料確定天氣落區，通過定量估測模型研判會影響哪些街道；②結合平均2km 以內的自動站監測站網，實時研判指定區域附近的影響程度；③基于指定點位自動站監測數據，結合雷達探測、周圍氣象站點監測數據以及數值預報產品，建立專業預報模型，得到指定點位的精細化污染氣象條件預報產品；④值班預報員根據上述信息產品，結合專業理論知識和預報經驗進行綜合研判，形成指定點位的精細預報結論，并進行發布服務。

綜上可見，污染氣象條件預報業務的高質量發展，需要對制約發展的問題定向突破，而更高目標的實現，離不開監測、預報、服務各環節信息矩陣的建設和接力攻堅。

3 重點和難點分析

3.1 數據的獲取與存儲難度

氣象監測數據信息的來源依托于各類前端探測設備，數據獲取需要多種方式的支持（包括設備系統對接、手工錄入、手動導入等方式），來實現數據信息融合的便捷性、全面性。更為關鍵的是，數據存儲需依托自建的數據庫，實現數據庫和服務器的全國產化，以增強數據的安全性。

3.2 信息的分析與查詢難度

氣象監測數據信息十分龐大且繁雜，工作人員就其進行服務與管理過程中對各項信息均有分析、統計、查詢的需求。但實現分層次、分業務、分類型、分權限地細致分析和分類管理并非易事，而實時動態加載、疊加顯示等因數據量過于龐大，要達到相關信息呈現結果的實用與易用、兼容開放、可靠穩定、安全且易維護，其難度也較大。

4 信息支撐所需的相關技術

污染氣象條件分析預報所需的信息支撐是一個系統工程，不僅依賴于相關的硬件基礎設備建設，還涉及信息和可視化等，需要相關技術的支持。

4.1 氣象災害風險評估技術

氣象災害風險評估技術通過對致災因子、孕災環境脆弱性、承災體易損性、防災減災能力等指標的研判，建立起氣象災害風險評估模型，并通過該模型提供污染天氣風險評估在線分析服務，實現污染風險區域圈定。

4.2 天氣智能和人工識別技術

風、雨、強對流等天氣識別技術，不僅要用到氣象專業的原理和方法，還需用到大數據、人工智能等新技術。雖然，目前尚無任何智能化產品能完全代替專業技術人員的綜合分析研判，但可通過提供參考工具，提升專業人員分析工作效率，增加精細化污染氣象條件預報的提前量，為強化減排和精準管控爭取更多的時間與主動性。

4.3 圖形可視化技術

利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。因此，圖形可視化技術涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計等多個領域，成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。該技術通過把獲得的氣象數據、圖像或是計算中涉及和產生的氣象數字信息，變為直觀的，能以圖形、表格、文字等形式展示。

4.4 GIS 技術

GIS 是在計算機硬、軟件系統支持下，對空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術。該技術基于圖層模式的空間信息資源共享與應用模式，對于空間信息資源整合具有獨特的優勢，通過這種方式，能夠將現有的氣象基礎數據和應用數據以及生態環境的專業數據展現在地理空間上，實現區域空間地理信息資源的有效整合與集成，提供數據共享服務和可視化的決策分析。

4.5 云計算技術

基于網絡相關服務的使用和交付模式，通過網絡來提供動態易擴展的資源（包括計算資源、網絡資源、存儲資源和安全資源），這些資源通常是虛擬化的資源，在云計算中，其主要指平臺虛擬化，或者是使用資源的人和應用程序對物理IT 資源的抽象作用。虛擬化允許將服務器、存儲設備和其他硬件視為一個資源池，而不是離散系統，可以根據需要來分配資源。準虛擬化將單個服務器視為多個虛擬服務器和群集，可以把多個服務器視為單個服務器。另外，作為一種物理資源封裝手段，虛擬化技術解決數據中心面對的若干核心難題，并產生具體優勢。

4.6 信息應用將產生較好的節能環保效應

以信息支撐矩陣為基礎，可利用專業知識和技術方法分析得出城市的氣溫、風、雨、云、天空狀況等污染氣象條件的精細化預報結論，從而為大氣污染減排各項管控措施的實施提供決策參考依據。如，強化移動機械污染控制；全面限制未加裝顆粒捕集器的非道路移動機械的使用；建立重點行業建設項目揮發性有機物排放總量管理制度，對揮發性有機物新增排放量實行現役源削減替代；督促施工工地落實施工揚塵“7 個100%”。工程施工企業通過優化設計，強化節約用地和施工管理，設備能耗有效降低，強調廢舊材料利用，節約建筑能源，從而確保項目施工節能減排措施的有效落實，進而確保減少對自然環境造成的影響，有效控制成本投入，提升施工的經濟效益和資源利用率。

結論

通過分析中小尺度污染氣象條件預報所需的信息矩陣和業務流程，得出結論，即①中小尺度污染氣象條件精細預報的信息支撐矩陣構建是一個系統工程，不僅需要高精尖的觀測設備和站網硬件建設基礎，而且涉及氣象、環境和信息等多專業技術支持；②氣象數據龐大、安全要求高，信息分析存儲顯示查詢涉及大數據、人工智能等多項現代信息技術，而最終精細預報結論還必須依賴于預報員的專業知識和經驗而綜合得出，因此各業務環節的難度較大，需要更多專業的協同；③中小尺度污染氣象條件預報有別于大尺度污染氣象條件預報，其不再滿足于定性預報描述，而是需要污染氣象條件全要素的精細定量預報，才能更好地為200km2內的小區域強化減排、精準治污提供科學的決策依據；④以信息支撐矩陣為基礎，可分析得出城市污染氣象條件的精細化預報結論，從而為大氣污染減排各項管控措施的實施提供決策參考依據，達到節能環保的良好效應。