美國加州南岸地區空氣質量預報系統運行管理與借鑒

姚玉剛，董澄澄，張仁泉，鄒 強，張曉華，繆 青，魏 恒，顧 鈞

1.蘇州市環境監測中心，江蘇省環境保護空氣復合污染監測重點實驗室，江蘇 蘇州 215004 2.美國塔夫茨大學弗萊徹法律外交學院，馬薩諸塞州 梅德福 02155

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中明確要求地級及以上城市重污染天數減少25%。理解重污染產生和發展的機制對重污染事件預警和治理至關重要[1-2]，因此，大力發展區域和城市尺度的環境空氣質量預報預警工作就顯得尤為重要。通過準確預測空氣質量變化趨勢并發布預報信息，為城市啟動重污染應急預案、實施污染物減排、減少重污染天氣提供有力的技術支撐。新形勢下空氣質量預報預警工作是一個嶄新的工作領域，從工作機制、業務流程、技術方法和預報評估等方面都需要學習借鑒國外先進經驗，高水平應用國外先進成果，盡快趕上歐美已經開展30多年的業務發展水平[3]。

美國加州南岸空氣質量管理局(SCAQMD)所轄地區的大氣污染問題由來已久。在長達60多年的灰霾治理過程中，通過制定嚴于美國其他地區的地方空氣質量標準[1]，科學管控境內污染源，有效地改善了轄區內空氣質量，多年平均污染物濃度呈現逐步下降趨勢[4]。隨著轄區內空氣質量的逐漸改善，SCAQMD空氣質量監測[5]和預報系統運行管理體系也發展完善，為科學管理空氣質量提供了重要信息。筆者介紹了SCAQMD的空氣質量預報現狀，通過借鑒加州南岸空氣質量預報體系(預報業務、技術方法、信息發布和效果評估)的運行管理模式，為指導現階段中國城市環境空氣質量預報系統運行管理提供參考。

1 加州南岸空氣質量預報簡介

SCAQMD空氣質量預報工作起步于20世紀50年代，20世紀70年代起預報O3和硫酸鹽濃度(主觀經驗模型)，20世紀80年代起預報O3、NO2、CO和TSP濃度(客觀模型)，20世紀80年代起預報PM10濃度(客觀模型)，1999—2000年預報O3日最大8 h和PM2.5濃度(客觀模型)。目前SCAQMD的污染物預報涵蓋因子包括O3日最大8 h值、最大1 h值，CO日最大8 h值，NO2、PM10、PM2.5滑動24 h值等，預報覆蓋了轄區內45個區域。

1.1 空氣質量預報業務流程

1.1.1 空氣質量預報模型簡介

目前SCAQMD用于空氣預報的技術方法為統計模型法和預測模型法，并運用主觀整合法訂正預報結果，見表1。

表1 SCAQMD空氣質量模型簡介Table 1 Comparison of SCAQMD forecasting methods

統計模型采用分類回歸決策樹(CART)，基于超過30年的多年空氣質量監測資料和顆粒物化學組分數據(如SCAQMD選取6個點位PM2.5每6 d開展1次化學組分分析)。

預測模型采用綜合排放源清單法(點源、道路和非道路機械等)，綜合考慮污染物化學物種和時空分布(如東部盆地顆粒物濃度梯度最高；秋季靜穩天氣條件下各化學組分濃度均較高，夏季中后期有機碳達到最高值)。

1.1.2 例行業務流程

預測模型開始于昨日18：00(太平洋標準時間，PST,以下時間均為該時間)，經過7 h的運算，生成24、48 h預報產品，預報結果于當日01：00(PST)前通過互聯網對外發布。結合前期預測模型的預測結果，每日09：00開始綜合運用統計模型、主觀整合法完善預報結果(表2)，當日11：00通過多種媒介對外發布。

隨著季節的交替，空氣質量預報的關注重點也相應調整(如春、夏季關注O3，持續6個月；冬季關注CO、NO2，持續3～4個月)，PM2.5、PM10全年均需關注，且季節性因素有所不同(如春季關注揚塵；夏季和秋季關注光化學污染；秋季關注森林火災和秸稈焚燒；冬季關注可燃日和非可燃日預報，持續4個月)。此外，在沙漠地區還需考慮強風預報及其可能影響。

表2 SCAQMD例行空氣質量預報工作時間表Table 2 Example of SCAQMD forecastingprotocol schedule

1.2 空氣質量預報技術方法

1.2.1 氣象條件對空氣質量的影響

大氣中各類污染物的存在是重污染事件形成的必要條件，而氣象因素是形成重污染事件的主要誘因[1](圖1)，低壓槽通常帶來較好的空氣質量，而高壓脊反之。

圖1 典型氣象條件與空氣質量示意流程Fig.1 Schematic of the typical meteorological conditions and air quality

表3簡要介紹氣象條件與污染物(以O3和PM2.5為例)之間的關系，從污染源排放、化學反應影響以及污染物堆積、擴散、清除等3個方面予以說明。以O3、PM2.5為例，受氣象參數的影響，部分因子與預測高濃度O3、PM2.5存在關聯，詳見表4。

表3 氣象條件與O3、PM2.5之間的關系[6]Table 3 Meteorological phenomena and their influence on PM2.5 and ozone concentrations

注：“—”表示無明顯影響。

表4 參數與預測高濃度O3、PM2.5的關系Table 4 Common predictor variables use to forecast PM2.5 and ozone

注：“—”表示無明顯影響。

1.2.2 空氣質量預報參數

SCAQMD預報所需的數據隨預報模型的不同而有所調整，表5列出了2類模型(統計模型和預測模型)所需的參數和來源。

表5 SCAQMD空氣質量預報所需數據類型和內容Table 5 Data products for developing relative forecasting methods

注：“*”表示周末效應，需改變VOC/NOx比率，且EC濃度較低；“—”表示該值既非觀測值，也非預測值。

1.3 信息發布及預警

SCAQMD每日對外發布空氣質量預報信息，信息發布的媒介主要有官方網站(GIS圖、網頁和PDF報告)，AirNow網站，Email(預警快報、推特網)；學校旗幟信息系統(根據不同的空氣質量懸掛不同顏色的旗幟)和新聞報道等。空氣質量預警信息根據污染物濃度限值發布(表6)。

表6 空氣質量預警響應階段(以O3、PM10為例)Table 6 Air pollution emergency contingencystages (O3 and PM10) μg/m3

當滿足空氣質量預警發布條件時，按照級別實施應急響應：提前1 d的14：00前發布預警信息，隨著預警階段的變化，建議公眾信息的內容也有所調整(如一級響應建議公眾乘坐公共交通，減少戶外活動；二級、三級響應則要求每日工作量減少20%，機動車里程減少20%，電力生產改用天然氣，減少兒童戶外活動，禁止生物質燃燒)。

1.4 空氣質量預報效果評估

SCAQMD定期開展預報效果評估工作(日、月、年)[6]，并填寫預報回顧表，內容主要包括總結預報工作，詳細記錄預報的步驟、描述和分析氣象影響空氣質量的過程，并為提高預報準確率提出建議與意見(表7)。

表7 SCAQMD空氣質量預報回顧與評估內容Table 7 Forecast verification schedule and tasks in SCAQMD

根據預報機制的不同，評估方法所使用的量化指標不同。SCAQMD的預報驗證包括具體污染物濃度和AQI類別。污染物濃度預報評估指標，見表8。AQI類別驗證又包括2級評估(達標或不達標)和多級評估(如優、良、輕度污染等)，要求目標準確率≥85%，具體的評估算法在此不作詳細介紹[6]。

表8 SCAQMD空氣質量評估指標Table 8 Verification statistics computed on discrete concentration forecast in SCAQMD

2 SCAQMD經驗對中國空氣質量預報預警工作的啟示

2.1 建立相對完善的空氣質量預報體系

中國目前的空氣質量預報工作體系中各地重復建設問題較為突出，層級預報體系尚未完全建立健全，建議借鑒氣象預報模式，自上而下逐級指導預報，綜合運用時空分析方法，預報結果逐步精細化，提高預報體系運行效率。從開發角度而言，SCAQMD空氣質量預報體系的建立主要包括6個步驟：滿足預報用戶需求、影響空氣質量的過程評估、選擇預報方法、考慮數據類型及來源、執行預報工作框架和定期開展預報驗證工作(表9)。

表9 SCAQMD空氣質量預報體系開發流程Table 9 Steps for developing an air quality forecasting program in SCAQMD

中國在建設空氣質量預報體系過程中，應統籌考慮上述問題的內涵和外延，聯系本地實際，從而建立相對完善的空氣質量預報體系，同時建議按照預報方法/流程統籌設計預報業務平臺，并遵循人體工程學設計原則[2]。世博會期間中國曾經在長三角地區成功運行了空氣質量自動監測網絡和數據共享平臺，在今后區域尺度平臺的建設中，還需從數據資源共享系統、源排放清單、區域多模式集合預報系統、構建區域多層面運作機制和會商制度等方面予以完善[7]。

2.2 選擇合適的空氣質量預報方法

在預報方法的選擇上，SCAQMD考慮了以下因素：預報費用(開發和維護)，污染問題的嚴重程度(污染物、污染程度和發生頻率)，不同方法之間的平衡(取長補短提高預報準確率)，新方法的引入(成本效益評估并提高準確率)，專業機構的支持(氣象和預報經驗)。美國環保署(USEPA)使用的空氣質量預測模型包括天氣預報模式(WRF)、排放清單模型(Emission Model)和空氣質量模型(CMAx)。SCAQMD參考USEPA預報結果。

統計預報具有相對簡單易行的特點，適用于污染源較為單一或污染規律明顯的城市，不需要翔實的污染源排放清單，僅需具備完整、長期的空氣質量和氣象觀測數據[3]，適用于中國大多數城市。預測模型開發投入和難度大，其預報準確度取決于氣象和源清單變量的準確率，可以預報未覆蓋監測點位的區域，有利于預報污染物傳輸的全過程。除1.1.1節中提到的SCAQMD在用的3種預報方法(含主觀整合法)外，目前USEPA在用的還有5種常見空氣質量預報方法，表10中簡要列舉了每種方法的優點和不足[4]。

表10 USEPA的其他常用空氣質量預報方法Table 10 Comparison of other USEPA forecasting methods

目前學術界尚未充分理解重污染天氣的發生和演化機制[8]，對其防治措施和長期控制策略缺乏堅實的科學依據。綜合考慮SCAQMD經驗，從國家、省級、市級、縣級層面統籌謀劃預報技術方法，明確各層級因地、因時制宜選擇合適的預報方法，重點考慮因素包括可用數據資源與成本關系、污染問題是否嚴重、提高預報準確率與不同方法之間的平衡、后期引入新預報方法的成本效益評估和是否有專業機構支撐等。

2.3 評估預報效果進而提高預報準確率

SCAQMD除采用具體的公式計算預報準確率以外(表7)，還需要進一步判斷預報結果偏差存在的可能性因素：①是否由監測站周圍的排放條件變化造成的觀測值存在偏差，從而形成預報極值；②年度預報評估中有沒有納入短時系統性的預報偏差；③人員調動對預報的影響評估(如交叉培訓和經驗交流)；④預報員對氣象條件與空氣質量關系的認知是否準確，觀測數據是否可用；⑤預報機制的可信度評估，包括氣象觀測值和預報、模型輸出變量等，受氣象預報的準確性影響較大。

為提高日常預報的業務化水平，有必要將系統性的客觀訂正規律分類匯總，形成格式化的分析工具[9](如通過分析某地每日空氣質量指數實況數據的波動范圍以及預報與實況偏差，針對不同空氣質量級別提出建議性的空氣質量指數預報變化幅度修正范圍[10])。建議中國在環境空氣質量預報業務中深入挖掘空氣質量預報評估指標，加強數據分析，切實強化預報指標的匯總研判[11]，與科研部門加強業務合作，綜合采用模型、模擬和實測值相結合的方法，得出提高預報準確率的管理建議，進而提升為環境管理決策服務的水平。

2.4 在優化預報能力的基礎上有序開展預警協同控制

污染物在邊界層中的擴散、輸送、湍流運動、積累和清除作用受到大尺度環境背景場的影響，大氣環境背景場與區域重污染現象密切相關[6]。鑒于大氣污染物具有跨城市長距離傳輸的特點，單個城市的空氣質量預報已經無法滿足區域大氣污染聯防聯控的需求，SCAQMD在日常預報業務中參考了美國加州和USEPA的預報結果，并形成了最終的空氣質量預報結論，預報范圍覆蓋45個區域，具有較好的指導意義。

建議進一步優化區域尺度空氣質量預報能力，科學合理地配備不同層級的預報力量，防止不同層級預報能力的重復建設和資源浪費，受政策、人員、業務保障等基本問題的影響，中國環境監測總站建議中小城市根據各自實際情況，建立實用可行的空氣質量預報系統[12]。通過對區域內大范圍大氣污染形勢的預測，科學合理地啟動區域內多個城市協同的重污染應急和預警措施，有序開展預警協同控制工作，最大限度地削減重污染天氣的污染物峰值和可能影響。

3 結語

理想的空氣質量管理模式應當是面向“空氣質量達標”為主要目標，由專業機構和人員對轄區的空氣質量進行統一管理，對存在以及潛在的問題作出及時反應的管理模式。SCAQMD在過去近60年間的環境空氣質量預報系統運行管理經驗非常值得中國借鑒和學習。中國現行的環境空氣質量預報預警面臨諸多挑戰和困難，涉及管理、技術、科研、業務、人才儲備等多方面的變革和創新。筆者通過介紹SCAQMD的空氣質量預報工作機制、業務流程、技術方法、信息發布和效果評估，側重從運行管理角度提出了一些有利于中國空氣質量預報預警工作健康發展的建議，供管理部門決策參考。

致謝：感謝江蘇省環保廳“中美合作大氣質量管理技術援助項目”支持，感謝美國加州南岸空氣質量管理局規劃規范編制和區域資源部門Durkee高級工程師和Lee博士授課和悉心指導。

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