西安空氣質量預報系統業務運行評估

楊曉春,吳其重,趙 榮,杜萌萌,郭慶元,唐文哲

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學,北京 100875)

西安空氣質量預報系統業務運行評估

楊曉春1,吳其重2,趙 榮1,杜萌萌1,郭慶元1,唐文哲1

(1.西安市氣象局,西安 710016;2.北京師范大學,北京 100875)

利用2014年8月至2015年1月西安市環保局實況監測數據、西安空氣質量預報系統(XAWRF-CMAQ)預報產品及國家氣象中心空氣質量預報指導產品,按照中國氣象局發布的《城市空氣質量預報檢驗評估和考核辦法(試行)》對XAWRF-CMAQ進行業務運行評估。結果顯示:在評估時段內,XAWRF-CMAQ空氣質量預報考核評分為61.1,空氣質量預報準確性評分為71.0,重污染預報能力評分為0.36,達到中國氣象局的要求。另外,XAWRF-CMAQ的預報結果對粗顆粒物存在一定程度的偏低估計,這可能是由于系統對顆粒物排放估計偏低所引起。

:西安空氣質量預報系統;運行評估;準確性

西安地區高速城鎮化的發展,導致大氣污染物大量排放,引起嚴重的空氣污染問題,影響著公眾的健康[1]。基于環境氣象業務的需求,西安空氣質量預報系統(XAWRF-CMAQ)[2]于2013年8月開始業務化運行,該系統每日提供未來72 h逐小時空氣質量數值預報產品。為了檢驗XAWRF-CMAQ的精度,更好地滿足業務化的需求,根據中國氣象局發布的 《城市空氣質量預報檢驗評估和考核辦法 (試行)》(以下簡稱 《辦法》),結合西安市空氣質量實況監測數據及國家氣象中心下發的空氣質量24 h預報指導產品,對XAWRF-CMAQ的產品進行業務化評估。

1 數據與方法

文中所采用的數據包括:2014年8月至2015年1月西安市環保局13個監測站逐時實況數據(其中有效數據為161 d),相應時段XAWRF-CMAQ的24、48 h預報產品及國家氣象中心下發的24 h預報指導產品。為了便于比較評估,實況和XAWRF-CMAQ預報產品數據均選用日平均值,其中,實況數據由西安市環境監測站點逐時實況數據24 h平均計算得到, XAWRF-CMAQ采用與監測站點相近的模式網格點數據進行24 h平均;國家氣象中心預報指導產品采用西安地區逐日預報值。

在此基礎上,參照 《辦法》中制定的標準進行計算評分,實現對XAWRF-CMAQ的業務評估。

1.1 空氣質量預報考核評分和AQI預報Ts評分方法

1.1.1 空氣質量預報考核評分 《辦法》中逐日空氣質量預報考核評分計算公式為

式中,R為逐日空氣質量預報質量評分,S1為資料傳輸時效評分,S2為空氣質量預報精確度評分。S2的計算公式為

式中,f1為首要污染物預報正確性評分,若預報的首要污染物與實況一致,則判定為首要污染物預報正確,得100分,否則為錯誤,得0分;若有兩種或多種污染物并列為首要污染物,預報出其中一種即判定為首要污染物預報正確。f2為空氣質量指數(Air Quality Index,AQI)預報級別正確性評分,若預報與實況級別相同得100分,相差一個等級得50分,相差兩個等級得25分,其余不得分。首要污染物預報技巧評分f3、AQI等級預報技巧評分f4的規則為:國家氣象中心指導預報與地方預報均為正確或錯誤的情況下,得分為0;指導預報正確,地方預報錯誤,得分為-100;指導預報錯誤,地方預報正確,得分為100。AQI預報數值誤差評分f5的評分規則如表1所示。

1.1.2 AQI預報Ts評分 《辦法》參照降水Ts評分計算方法,制定了AQI的Ts評分規則,用以衡量高濃度污染(AQI為五、六級)的預報能力。例如AQI為五級的預報Ts評分公式為

其中,Ac為評分時段內AQI預報與實況均為五級的天數,Af為評分時段內AQI預報為五級的天數,Ao為AQI實況為五級的天數。若Af+Ao-Ac=0,則Ts=0。

1.2 空氣質量預報準確性評分方法

為了進一步評估XAWRF-CMAQ的預報準確性,剔除“預報技巧”因素,將f3、f4的系數按公式(2)中原有比例分配到其他三項,則逐日空氣質量預報準確性評分S3為

2 XAWRF-CMAQ業務考核結果

2.1 空氣質量預報考核評分和AQI預報TS評分

2.1.1 空氣質量預報考核評分 根據公式(1),對XAWRF-CMAQ預報產品進行逐日空氣質量預報考核評分。對于資料傳輸時效評分S1, XAWRF-CMAQ在每日10時前完成所有預報產品的計算和制作,完全滿足 《辦法》對預報時效的要求,可認定S1的得分為100。

在評估時段內,XAWRF-CMAQ對于首要污染物預報正確的僅有31 d,因此,S2中首要污染物預報正確性評分f1的總分為3 100。通過分析表明,首要污染物預報錯誤主要是由于系統對PM10、PM2.5顆粒物的漏報,說明系統對顆粒物污染的預報存在不足。

統計分析了評估時段內XAWRF-CMAQ預報產品AQI預報等級分布(表2)。由表2可以看出,當AQI為二、三級時,XAWRF-CMAQ的預報準確率較高;AQI為一級和五級時, XAWRF-CMAQ漏報較明顯。進一步分析表明, AQI為一級,XAWRF-CMAQ漏報13 d,主要原因是XAWRF-CMAQ點源的SO2排放過高,這與近幾年我國大型工礦企業脫硫工程的逐步實施,而系統中所使用污染源清單數據收集年份較早有一定關系[3];而AQI為五級,系統漏報6 d,漏報的主要原因是系統對PM2.5濃度的峰值低估所引起。XAWRF-CMAQ的AQI預報級別正確性評分f2的平均分為76.0。

XAWRF-CMAQ預報產品首要污染物預報技巧f3的平均分為-11.9,造成負技巧的主要原因有兩方面。一方面是由于系統中點源的SO2排放過高,導致SO2預報濃度偏高。當實況AQI為一級時,系統誤判為AQI二級或三級且首要污染物為SO2。另一方面是由于系統的污染源清單中揚塵過少,導致PM10預報濃度偏低。當實況AQI為二級或三級,且首要污染物為PM10時,系統將首要污染物誤判為PM2.5。

AQI等級預報技巧f4的平均分為12.9,表明在AQI等級預報中,XAWRF-CMAQ優于國家氣象中心預報指導產品。AQI預報數值誤差f5的平均分為88.4。

綜上可得,評估時段內,XAWRF-CMAQ的空氣質量預報考核評分Rxa=61.1。《辦法》要求空氣質量預報考核評分60分為合格,因此,在完全沒有預報員人工干預的情況下, XAWRF-CMAQ每日自動生成的預報產品在時效和精度上滿足 《辦法》要求,同時也滿足西安市空氣質量預報的業務需求。

2.1.2 AQI預報Ts評分 對XAWRF-CMAQ預報產品及國家氣象中心預報指導產品的重污染天氣預報能力進行評分。實況資料顯示,在評估時段內AQI為五級的重污染天氣共出現10 d,首要污染物均為PM2.5。依據公式(3)計算獲得,XAWRF-CMAQ的產品和國家氣象中心預報指導產品Ts評分分別為Ts(xa)=0.36,Ts(bi)= 0.17。結果顯示,兩種預報產品對重污染天氣預報的準確性均偏小,對高濃度污染物的預報能力有限。在日常檢驗中也可以發現,西安空氣質量預報系統對于污染物的峰值預報偏低,這與系統的污染源數據收集范圍還存在一定的不足導致排放量偏小有直接關系。

2.2 空氣質量預報準確性評分

公式(5)去除了預報技巧評分,可以表征預報產品客觀的預報性能,利用該公式分別對XAWRF-CMAQ預報產品及國家氣象中心預報指導產品進行準確性評分,計算得到XAWRFCMAQ預報產品準確性評分S3(xa)=71.0,國家氣象中心預報指導產品準確性評分S3(bi)= 67.2。可以看出,XAWRF-CMAQ預報產品的準確性略優于指導產品。同理利用公式 (5)計算得到XAWRF-CMAQ的48 h預報產品準確性評分為65.2,由此可見,隨著預報時效的增加,XAWRF-CMAQ預報產品的精度也有所下降。

3 結論

采用2014年8月至2015年1月西安市環保局實況監測數據、XAWRF-CMAQ的預報產品以及國家氣象中心下發的預報指導產品,參照《城市空氣質量預報檢驗評估和考核辦法 (試行)》對西安空氣質量預報系統進行業務運行評估,得到結果。

(1)在完全沒有預報員人工干預的情況下,西安市空氣質量預報系統每日自動生成的產品質量考核評分為61.1,達到《辦法》的要求,滿足業務需求。

(2)XAWRF-CMAQ的重污染過程Ts得分為0.36,略優于指導產品的0.17。

(3)XAWRF-CMAQ預報產品的準確性評分為71.0,略優于指導產品的準確性評分。

(4)在評估中發現,XAWRF-CMAQ對粗顆粒的預報存在不足。下一步工作將考慮在系統中開展粗顆粒物排放敏感性測試實驗,以期改善XAWRF-CMAQ在PM10預報方面的效果。

[1] 世界衛生組織關于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質量準則風險評估概要[EB/OL]. (2005)[2006-04-15].http://whqlibdoc.who. int/hq/2006/WHO-SDE-PHE-OEH-06.02 -chi.pdf?ua=1.

[2] 楊曉春,趙榮,吳其重,等.西安空氣質量預報系統及檢驗[J].陜西氣象,2014(2):10-13.

[3] 陳煥盛,吳其重,王自發,等.華北大電廠脫硫對奧運期間區域空氣質量影響 [J].環境科學學報,2014,34(3):598-605.

P457

:A

楊曉春,吳其重,趙榮,等.西安空氣質量預報系統業務運行評估[J].陜西氣象,2015(5):41-43.

1006-4354(2015)05-0041-03

2015-04-27

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。

國家自然科學基金青年科學基金(NO.41305121)