西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)及檢驗(yàn)

楊曉春，趙 榮，吳其重，喬 娟，唐文哲，劉 峰，薛 榮，曹 梅(.西安市氣象局，西安 7006；. 北京師范大學(xué)， 北京 00875)

西安空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)及檢驗(yàn)

楊曉春1，趙 榮1，吳其重2，喬 娟1，唐文哲1，劉 峰1，薛 榮1，曹 梅1
(1.西安市氣象局，西安 710016；2. 北京師范大學(xué)， 北京 100875)

介紹了西安地區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)WRF-CMAQ及其預(yù)報產(chǎn)品，該系統(tǒng)主要包括：氣象模式WRF(Weather Research amp; Forecasting Model)、稀疏矩陣排放源模式SMOKE(Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)以及公用多尺度空氣質(zhì)量模式CAMQ(Community Multi-scale Air Quality Model)。初步檢驗(yàn)表明：系統(tǒng)的預(yù)報結(jié)果處于合理范圍，24 h內(nèi)對PM2.5和PM10的逐小時模擬質(zhì)量濃度與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上，能夠滿足業(yè)務(wù)需求。

空氣質(zhì)量；數(shù)值預(yù)報；業(yè)務(wù)化；檢驗(yàn)

西安地區(qū)氣候干燥，雨量較少且分布不均，受沙塵、靜風(fēng)、逆溫等不利氣象條件及秦嶺山脈阻隔的影響，大氣污染物自然擴(kuò)散能力較弱；同時受西北黃土高原自然條件影響，顆粒物本底值相對較高，造成西安地區(qū)空氣污染問題更為突出，已引起政府部門的高度重視。陜西省“十二五”發(fā)展規(guī)劃[1]中提出大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的設(shè)想，西安市“十二五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃[2]中也明確提出改善大氣環(huán)境質(zhì)量，強(qiáng)化各類揚(yáng)塵污染源的控制，加強(qiáng)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警能力。西安空氣質(zhì)量的問題也引起了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]，但大多數(shù)研究是對觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對于空氣質(zhì)量數(shù)值模擬方面的研究還比較欠缺。

Models3/ CMAQ[6]是以“一個大氣”理念為主實(shí)現(xiàn)了多模塊集成，多重網(wǎng)格嵌套，是國際上廣泛使用的數(shù)值模式空氣質(zhì)量預(yù)報和評估系統(tǒng)。國內(nèi)學(xué)者也將其應(yīng)用于多個區(qū)域的研究，均表現(xiàn)出較好的模擬能力[7-10]，并被用于北京、上海等地的多模式空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報[11-12]。西安地區(qū)WRF-CMAQ系統(tǒng)基于已有的WRF模式預(yù)報系統(tǒng)，引進(jìn)SMOKE和CMAQ模式，建立自動化的業(yè)務(wù)流程，目前可制作逐日未來72 h的大氣污染物質(zhì)量濃度、能見度消減等預(yù)報產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)介紹

西安地區(qū)WRF-CMAQ業(yè)務(wù)系統(tǒng)中采用氣象模式WRF提供氣象場，排放模型 SMOKE處理排放源數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量模式CMAQ模擬預(yù)報污染物濃度，利用后處理模塊分析并制作業(yè)務(wù)產(chǎn)品。系統(tǒng)具體流程如圖1所示。

圖1 西安地區(qū)WRF-CMAQ業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程圖

1.1 中尺度氣象模式WRF

西安地區(qū)WRF-CMAQ系統(tǒng)中提供氣象場數(shù)據(jù)的模式為在西安市氣象臺業(yè)務(wù)化運(yùn)行的非靜力中尺度氣象模式WRF，該模式為三層嵌套，空間分辨率分別設(shè)置為45、15和5 km，第一重嵌套區(qū)域覆蓋我國大部分地區(qū)，第二重區(qū)域覆蓋陜西及臨近省市， 第三重嵌套區(qū)域覆蓋西安及其周邊地市(圖略)。氣象模式的初始場和邊界場資料取自美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP )的全球預(yù)報系統(tǒng)(Global Forecast System, GFS )數(shù)據(jù)。模式垂直方向取σ坐標(biāo)，為不等距36 層；陸面模式采用熱擴(kuò)散方案；積云對流參數(shù)化方案采用淺對流Kain-Fritsch (new Eta)方案；行星邊界層方案采用Pleim2Xiu 方案；粗網(wǎng)格區(qū)域?yàn)閺埑谶吔鐥l件，細(xì)網(wǎng)格區(qū)域?yàn)闀r變邊界條件。

1.2 污染源清單收集及排放源處理模式SMOKE

針對西安地區(qū)污染源清單的收集主要分為兩部分，一部分為區(qū)域背景數(shù)據(jù)，采用了Streets等[13]為美國國家航天航空局(NASA)的大型觀測實(shí)驗(yàn)TRACE-P所建立的空間分辨率為6′的東亞區(qū)域排放清單及基準(zhǔn)年為2006年的INTEX-B2006東亞排放清單融合而成，并作空間優(yōu)化處理[14-15]。另一部分為本地污染源數(shù)據(jù)，其中面源排放數(shù)據(jù)是通過整理我國第一次污染源普查資料[16]獲取，包括了西安、寶雞、銅川、咸陽、延安等五地市的二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵和機(jī)動車尾氣的年平均排放量；點(diǎn)源排放數(shù)據(jù)則是收集了西安及周邊城市172個排放源(包括二氧化硫、氮氧化物、有機(jī)揮發(fā)物、煙粉塵)，這部分點(diǎn)源通過Google Earth工具獲取地理信息，并利用GIS軟件進(jìn)行校驗(yàn)，如圖2所示。

圖中數(shù)字為各污染物對應(yīng)的污染源數(shù)量,單位為個

系統(tǒng)以SMOKE[17]模型為基礎(chǔ)的大氣污染排放處理系統(tǒng)來整合上述排放清單，建立西安及其周邊地區(qū)較為完備的大氣污染排放源。SMOKE模型是由美國北卡羅來納微電子中心(Microelectronic Center of North Carolina，MCNC)環(huán)境模擬中心研發(fā)的一套高效運(yùn)算的排放源處理模型，可為空氣質(zhì)量模式預(yù)報及模擬提供專業(yè)的排放源前處理。該模型可結(jié)合多學(xué)科研究成果優(yōu)化面源的空間分布，考慮氣象因素對點(diǎn)源垂直分配影響，同時針對不同類型排放源的時間變化規(guī)律，設(shè)置不同時間分配曲線，從而更合理、真實(shí)地反映排放的時空分布特征。

1.3 空氣質(zhì)量預(yù)報模式CMAQ

CMAQ 模式是整個空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)的核心部分，主要由以下幾部分組成：ICON為初始條件模塊，為模擬區(qū)域提供初始時刻的化學(xué)反應(yīng)物濃度，業(yè)務(wù)系統(tǒng)中第一日模擬的初始條件采用近似清潔條件，第二日由前一日的模擬結(jié)果提供初始條件；BCON為邊界值模塊，為模擬區(qū)域的水平邊界提供化學(xué)反應(yīng)物的濃度場信息；JPROC 為光解速率常數(shù)模塊；MCIP為氣象-化學(xué)轉(zhuǎn)換模塊，其主要功能是為空氣質(zhì)量模式CMAQ和源模式SMOKE提取WRF模式中的氣象資料及模擬區(qū)域信息；化學(xué)傳輸主模塊CCTM整合所有預(yù)處理模塊的輸出結(jié)果，模擬大氣污染擴(kuò)散及反應(yīng)的各種物理化學(xué)過程，并獲得各個污染物種的質(zhì)量濃度及能見度消減的預(yù)報結(jié)果。

2 預(yù)報產(chǎn)品

系統(tǒng)的后處理模塊由SHELL腳本結(jié)合GrADS軟件組成，每日在北京時間10時前完成所有預(yù)報產(chǎn)品的分析、計算和生成。目前系統(tǒng)提供的產(chǎn)品包括：大氣污染物(SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5)空間分布圖、10個站點(diǎn)(與環(huán)保局的監(jiān)測站經(jīng)緯度一致)的時間序列圖以及能見度消減空間分布圖。大氣污染物空間分布圖為上述氣態(tài)和顆粒物未來72 h內(nèi)逐小時的質(zhì)量濃度分布，并配以WRF的近地面風(fēng)場，能夠更加清楚地顯示大氣污染物擴(kuò)散方向。能見度消減空間分布圖采用分視來描述能見度惡化的量。分視是氣溶膠消光系數(shù)的對數(shù)函數(shù)，分視值越高，能見度越差，大氣霧霾越嚴(yán)重[15]。產(chǎn)品(圖)中顏色越深表示能見度越差，單位為km。站點(diǎn)時間序列圖是根據(jù)模擬結(jié)果的格點(diǎn)插值而得到各個站點(diǎn)大氣污染物濃度時間序列。

3 預(yù)報性能檢驗(yàn)

西安地區(qū)WRF-CMAQ系統(tǒng)于2013年8月初投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，經(jīng)過近一個月的模擬運(yùn)行和調(diào)試，在消除初值為近似清潔條件的影響后，對模式的模擬效果進(jìn)行初步檢驗(yàn)。表1為系統(tǒng)從2013年9月16日至10月6日每日模擬的72 h內(nèi)逐小時顆粒物(PM10、PM2.5)濃度與涇河站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分時段相關(guān)系數(shù)及相對誤差的對比。對比結(jié)果顯示：在24 h內(nèi)，兩種顆粒物逐小時模擬預(yù)報與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上，相對誤差也在合理范圍之內(nèi)，完全可以滿足業(yè)務(wù)需求。隨著模擬時間加長到48 h以后，相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)明顯的下降，在業(yè)務(wù)中需要謹(jǐn)慎使用，這也是數(shù)值模式普遍存在的問題。

表1 2013-09-16—10-06系統(tǒng)模擬72 h內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度與觀測數(shù)據(jù)的分時段對比

4 結(jié)語

西安地區(qū)WRF-CMAQ系統(tǒng)引進(jìn)Models-3系統(tǒng)中的SMOKE和CMAQ模型，采用排放模型SMOKE處理污染源數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量模式CMAQ來模擬預(yù)報多種污染物演變，并與氣象模式WRF系統(tǒng)對接，建立了自動化的業(yè)務(wù)流程，目前可以逐日制作未來72 h的污染物濃度和能見度消減的模擬預(yù)報產(chǎn)品。對系統(tǒng)的初步檢驗(yàn)結(jié)果顯示，24 h內(nèi)的模擬結(jié)果能較好的反應(yīng)顆粒物的逐小時變化，精度在合理范圍內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

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1006-4354(2014)02-0010-04

2013-12-16

楊曉春(1984—)，女，漢族，陜西安塞人，碩士，工程師，主要從事天氣氣候研究。

陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2013Z-11)

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