新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)及重污染過程模擬分析

馬 琳，張穩(wěn)定，魏 巍，晏平仲，3

（1.新鄉(xiāng)市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，河南新鄉(xiāng)453003；2.中科三清科技有限公司，北京100029；3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029）

自2000年開始，國家組織環(huán)境保護(hù)重點城市開展了城市環(huán)境空氣質(zhì)量日報和預(yù)報工作。近幾年來，隨著大氣環(huán)境污染問題日漸突出，環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報逐漸從幕后走到了臺前，開始為國家制定經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃以及人民群眾日常工作和生產(chǎn)生活提供指導(dǎo)。2013年12月，我國中東部出現(xiàn)長時間大范圍高強度的細(xì)顆粒物污染事件，全國20多個省份、100多個城市顆粒物污染達(dá)重度至嚴(yán)重污染水平，引起了公眾的高度關(guān)注。近年來，我國中東部地區(qū)類似的重污染事件日益增多，呈現(xiàn)污染程度重、持續(xù)時間長、污染面積大等特征。2014年，中國環(huán)境監(jiān)測總站印發(fā)《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)工作指南（暫行）》[1]，用于指導(dǎo)各省、自治區(qū)、直轄市及相關(guān)城市環(huán)境監(jiān)測中心（站）的空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)工作。對于預(yù)報方法，可選擇數(shù)值預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報方法或2者的集合預(yù)報。以第3代空氣質(zhì)量模型嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量數(shù)值模式系統(tǒng)（NAQPMS）、多尺度空氣質(zhì)量模式（CMAQ）、復(fù)合型空氣質(zhì)量模型（CAMx）以及氣象研究和預(yù)報化學(xué)耦合模型（WRFCHEM）等數(shù)值預(yù)報模型為主要工具，在科學(xué)研究[2-5]和空氣質(zhì)量預(yù)報領(lǐng)域[6-9]發(fā)揮出重要的作用。

2015年，河南省環(huán)境保護(hù)廳下發(fā)《河南省環(huán)境保護(hù)廳關(guān)于印發(fā)河南省環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警試行方案的通知》[10]，河南省各市陸續(xù)建立環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)平臺，為響應(yīng)國家大氣污染防治政策，積極應(yīng)對空氣污染問題。2016年，新鄉(xiāng)市環(huán)保局啟動了空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警平臺的建設(shè)工作，選用NAQPMS和CMAQ模型作為空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報的工具。項目建設(shè)單位基于多個預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)項目的建設(shè)經(jīng)驗，結(jié)合新鄉(xiāng)實際情況，設(shè)計開發(fā)出適合新鄉(xiāng)本地的空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，輔助預(yù)報人員做好新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警工作。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)是新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量調(diào)控綜合決策支撐平臺的重要組成部分，是開展空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)的核心。該系統(tǒng)以大氣污染物排放清單和氣象預(yù)報數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過三維歐拉空氣質(zhì)量模型計算出未來一段時間內(nèi)大氣中多種污染物的濃度，結(jié)合后處理和業(yè)務(wù)處理流程，為空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警工作平臺提供各類預(yù)報產(chǎn)品。

本研究選擇國內(nèi)先進(jìn)的中國科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的NAQPMS以及國際主流的美國環(huán)保署Model-3-CMAQ模式作為空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報核心模式，采用廣泛應(yīng)用的中尺度氣象模式WRF（weather research and forecast）提供輸入氣象場，耦合清華大學(xué)研究建立的用于空氣質(zhì)量模式的網(wǎng)格化全國污染源清單，基于模式不確定性分析評估各輸入數(shù)據(jù)不確定性對模式預(yù)報誤差的影響，采用新鄉(xiāng)市及周邊區(qū)域空氣質(zhì)量集合預(yù)報優(yōu)化方法，利用包括多元回歸、偏差訂正、權(quán)重因子和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對空氣質(zhì)量集合預(yù)報結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計集成，滿足新鄉(xiāng)市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)準(zhǔn)確性需求。

1.1 系統(tǒng)框架

新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量數(shù)值模式系統(tǒng)框架圖如圖1。

圖1 新鄉(xiāng)市環(huán)境空氣質(zhì)量多模式預(yù)報預(yù)警平臺系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flowchart of environmental air quality multi-model forecast and warning platform in Xinxiang city

該系統(tǒng)采用多模式集合預(yù)報系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的區(qū)域設(shè)置、排放清單、氣象場驅(qū)動，空氣質(zhì)量數(shù)值模式采用國內(nèi)應(yīng)用成熟、業(yè)務(wù)化程度高的NAQPMS、CMAQ等，并提供污染資料及氣象資料同化功能。系統(tǒng)可利用多元回歸、偏差訂正、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對空氣質(zhì)量集合預(yù)報結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計集成，實現(xiàn)多模式的集合預(yù)報。

相對于單模式預(yù)報，多模式集合預(yù)報可以集成不同模式的優(yōu)點，使得通過合適的集成方法來提高確定性預(yù)報的準(zhǔn)確率成為可能。

本系統(tǒng)設(shè)計符合《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警方法技術(shù)指南》[11]、《全國環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報信息交換技術(shù)指南（試行）》[12]、《環(huán)境空氣質(zhì)量可視化預(yù)報會商技術(shù)指南（試行）》[13]、《環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值模式源清單技術(shù)指南（試行）》[14]、《大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）源排放清單編制技術(shù)指南（試行）》（征求意見稿）[15]等方面要求。

1.2 數(shù)值模式簡介

1.2.1 NAQPMS模式

NAQPMS的設(shè)計是以我國當(dāng)前計算硬件條件和業(yè)務(wù)水平為出發(fā)點，結(jié)合我國城市群大氣復(fù)合污染的排放、輸送、演變特點，綜合評估多個有代表性的數(shù)值模式。NAQPMS主要由氣象處理、排放源處理、空氣質(zhì)量模式及模式輸出等4個主要部分構(gòu)成。NAQPMS采用開放式氣象驅(qū)動場，可利用MM5、WRF等中尺度氣象模式輸出的氣象要素場作為模式的動力驅(qū)動，而中尺度氣象模式預(yù)報所需的初始條件和邊界條件可由美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）-美國國家大氣研究中心（NCAR）再分析數(shù)據(jù)、歐洲數(shù)值預(yù)報中心的ECMWF數(shù)據(jù)等全球數(shù)據(jù)提供。結(jié)合SMOKE模型實時輸出的排放源，NAQPMS可以對大氣中主要化學(xué)成分的分布狀況、輸送態(tài)勢、沉降特征進(jìn)行數(shù)值模擬，從而使得模式系統(tǒng)能夠合理反映大氣化學(xué)成分在輸送過程中的物理化學(xué)特性變化。

1.2.2 CMAQ模式

Model-3-CMAQ系統(tǒng)是美國環(huán)境保護(hù)局開發(fā)的第3代空氣質(zhì)量模式，以“一個大氣”為設(shè)計理念，擬將所有的大氣問題均考慮進(jìn)模式之中。Model-3模式系統(tǒng)由中尺度氣象模式、排放模式模式以及通用多尺度模式（CMAQ）等3大模塊組成。中尺度氣象模式采用MM5和WRF，SMOKE排放模式提供污染源的排放清單，估算污染源位置和產(chǎn)生量隨時間的變化；CMAQ為空氣質(zhì)量系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計為多重網(wǎng)格嵌套模式，可以模擬多種污染物的輸送和轉(zhuǎn)化過程。

1.3 數(shù)值預(yù)報方案

1.3.1 模式區(qū)域和預(yù)報時間

對多模式預(yù)報系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了統(tǒng)一的設(shè)置，本系統(tǒng)中模式計算采用三重嵌套區(qū)域設(shè)置。第1區(qū)域為中國中東部區(qū)域，水平分辨率為27 km；第2區(qū)域為河南省及其周邊區(qū)域，水平分辨率為9 km；第3區(qū)域為新鄉(xiāng)市全境及周邊，水平分辨率為新鄉(xiāng)市區(qū)為1 km；其他區(qū)域為3 km。模式計算垂直范圍從地面到20 km高度，垂直分層不少于20層，邊界層內(nèi)分為10層。

模式以前日北京時間20時為起點，計算未來168 h的氣象場和污染物濃度場，以實現(xiàn)未來3 d可用的區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報和未來7 d可供參考的區(qū)域污染趨勢預(yù)測，預(yù)報輸出結(jié)果的時間分辨率為1 h。

1.3.2 氣象場預(yù)報及設(shè)置

空氣質(zhì)量模式的氣象驅(qū)動場由NCEP、NCAR等科研機構(gòu)和大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度氣象模式WRF提供，采用NCEP的數(shù)值天氣預(yù)報中心GFS數(shù)據(jù)集全球預(yù)報分析資料作為WRF模式運行的初始及邊界條件，輸出頻率為每小時1次。WRF模式垂直方向上采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)系，垂直分層不少20層。

1.3.3 排放清單及其處理

研究的污染物主要涉及無機污染物和有機污染物兩大類。無機污染物包括顆粒物PM10、PM2.5，氣態(tài)污染物SO2、NOx、CO和NH3等，其中PM10和PM2.5特指由污染源直接排放的一次顆粒物；有機污染物主要指VOC。

大氣污染物排放清單以實測為基礎(chǔ)，結(jié)合重點污染源核查等專項工作，建立了與行業(yè)或通用設(shè)備相關(guān)聯(lián)的本地污染物排放系數(shù)，同時，還借鑒了國內(nèi)《工業(yè)污染物產(chǎn)生和排放系數(shù)于冊》中部分排放系數(shù)、歐美等發(fā)達(dá)國家清單統(tǒng)計的規(guī)范和方法（如美國EPA的Air Chief、NEI和NIF、歐盟的CORINAIR、英國的NAEI 96年排放清單等）等。

1.3.4 模式參數(shù)化方案設(shè)置

本研究首先根據(jù)前期研究經(jīng)驗初步預(yù)設(shè)多模式集合預(yù)報系統(tǒng)4個核心模式的物理化學(xué)方案，通過模擬評估進(jìn)一步優(yōu)化方案參數(shù)，具體方案見表1。

表1 模式應(yīng)用方案Tab.1 Application schemes of models

1.3.5 模式自動化運行技術(shù)

模式自動化運行是系統(tǒng)的技術(shù)核心，本研究中基于Linux SHELL腳本和Fortran程序?qū)崿F(xiàn)多模式系統(tǒng)的自動化運行，自動生成預(yù)報所需圖片和文本文件，每日定期備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且清理模式計算產(chǎn)生的臨時文件，滿足自動、穩(wěn)定、無人值守是空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)的基本要求。

以NAQPMS模式系統(tǒng)的自動化為例，該系統(tǒng)由一個主SHELL腳本整體控制，負(fù)責(zé)調(diào)用控制NAQPMS各個部分的子SHELL腳本，每個子SHELL腳本控制相應(yīng)模塊的自動運行。自動化運行的時間由主SHELL腳本產(chǎn)生，每天0時，系統(tǒng)第1個子部分在相應(yīng)SHELL腳本的控制下自動下載NCEP的全球預(yù)報資料，然后依次運行WRF模式的WPS模塊和WRF模塊SHELL腳本，接著第2個子部分運行wrf2apops氣象-化學(xué)接口SHELL腳本，將結(jié)果輸入空氣質(zhì)量模式，運行real-NAQPMS的SHELL腳本進(jìn)行污染場的計算，完成后用后處理SHELL腳本將氣象場和污染場的預(yù)報結(jié)果繪圖，生成多種預(yù)報產(chǎn)品，并且調(diào)用Fortran程序計算AQI等表格，生成網(wǎng)頁發(fā)布。此系統(tǒng)充分利用了0—7時這段相對空余的時間運行，呈現(xiàn)未來幾天的詳細(xì)天氣走勢以及不同高度污染物的分布，為空氣污染的預(yù)報預(yù)警和分析預(yù)報提供有力的支持。

系統(tǒng)每日0時自動下載全球氣象預(yù)報場數(shù)據(jù)，整個計算時間約為4 h，保證預(yù)報結(jié)果在每日7時之前輸入預(yù)報平臺，滿足業(yè)務(wù)預(yù)報時效性需求。

2 重污染過程模擬分析

2.1 重污染過程回顧

2016年12月16—20日，受采暖季污染物排放增強和不利氣象條件的綜合影響，我國華北地區(qū)發(fā)生了大范圍的細(xì)顆粒物持續(xù)重污染過程，20多個城市同步啟動了重污染紅色預(yù)警。基于新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量數(shù)值模式業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)和多種觀測資料，本文中初步分析了新鄉(xiāng)市本次污染過程的成因，評估了新鄉(xiāng)市數(shù)值模式對重污染過程的預(yù)報效果。

圖2展示了新鄉(xiāng)市觀測（柱狀）的AQI和細(xì)顆粒物PM2.5的時間序列圖。細(xì)顆粒物PM2.5濃度從15日開始累積，17日超過了輕度污染等級，18日濃度飆升到300 μg/m3，19日達(dá)到最高峰（PM2.5濃度超過了450 μg/m3），20日擴散條件改善，濃度開始下降，22日空氣污染等級降到良。對比NAQPMS和CMAQ的24 h預(yù)報結(jié)果，2個模式很好的預(yù)報出了此次過程PM2.5的變化趨勢，但在污染較重的幾天（18—21日）同觀測值相比，有一定偏差。NAQPMS和CMAQ24 h預(yù)報的PM2.5值的相關(guān)系數(shù)r分別為0.81和0.63，2個模式24 h預(yù)報時效同觀測的相關(guān)性較強。

圖2 AQI和PM2.5濃度模擬和觀測對比圖Fig.2 Comparison of predicted and observed for AQI and PM2.5

2016年12月17—22日全國空氣質(zhì)量監(jiān)測站點PM2.5空間分布顯示，17日PM2.5主要集聚在長三角及京津冀地區(qū)，河南全省污染等級不高；18日華北地區(qū)污染急劇加重，河南全省市達(dá)到重污染等級；19—20日重污染等級地區(qū)擴大至華北至華中地區(qū)；21—22日在偏北西風(fēng)的影響下，顆粒物往東部沿海地區(qū)輸送，河南省的污染減輕。

2.2 重污染過程的氣象條件分析

2016年12月17—20日，華北地區(qū)高空主要受緯向型環(huán)流控制，冷空氣活動不活躍，天氣情況較為穩(wěn)定。17日，新鄉(xiāng)上游地區(qū)有弱短波槽，并不斷東移；19—20日，新鄉(xiāng)市受弱槽前偏南氣流影響，空中增溫增濕，在此期間，起源于內(nèi)蒙中北部的槽的不斷發(fā)展加深；至22日，新鄉(xiāng)市受槽后強大西北氣流控制，有利于污染物的擴散。

地面上，12月17日8時，新鄉(xiāng)受華北小低壓控制，有利于污染物的輻合；19日8時，新鄉(xiāng)市逐漸由前一日的高后倒槽控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿醺邏旱撞靠刂疲姨幱诒辈咳醺咔拜椇暇€的南側(cè)，有弱輻合，地面風(fēng)速較小，污染持續(xù)加重；21日，新鄉(xiāng)市再次為倒槽控制，22日，受蒙古冷高壓迅速南下影響，新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)好。

圖3為此次重污染過程每日8時鄭州的探空曲線圖。由圖可見，此次污染地區(qū)的深厚逆溫層，亦不利于污染物擴散。采用和新鄉(xiāng)市距離較近的鄭州市的探空數(shù)據(jù)可看到，從17日8時起，鄭州地區(qū)自地面至高空850 hPa存在逆溫層，并且一直持續(xù)到21日20時，直到22日，受近地面層強冷平流的影響，逆溫層才逐漸消失。鄭州地區(qū)水汽主要聚積在近地面層，垂直方向上呈上干下濕分布，有利于污染物累積。

綜上所述，此次污染過程中，主要受緯向型環(huán)流控制，冷空氣不活躍，天氣較為穩(wěn)定；地面多受弱氣壓場影響，水平風(fēng)速較小；且垂直方向上水汽呈上干下濕分布，并有深厚逆溫層存在，導(dǎo)致水平和垂直擴散條件均較差，從18日開始，新鄉(xiāng)地區(qū)受此天氣形勢影響，污染物的濃度逐漸累積，直至22日冷空氣大舉南下，此次污染過程結(jié)束。

圖3 2016年12月17—22日8時鄭州（57083）探空曲線Fig.3 Sounding curve in Zhengzhou airport at 8∶00 from December 17 to 22，2016

2.3 新鄉(xiāng)市預(yù)報系統(tǒng)的模擬評估及偏差原因分析

預(yù)報系統(tǒng)不但預(yù)報出了新鄉(xiāng)本地的污染過程，對整個區(qū)域的顆粒物污染也有較好的反應(yīng)。2016年12月17—22日8時NAQPMS 24 h時效預(yù)報PM2.5空間分布顯示，17日PM2.5預(yù)報高值主要集聚在長三角及京津冀地區(qū)，河南省和新鄉(xiāng)市污染等級不高；18日華北地區(qū)污染開始加重，河南省和新鄉(xiāng)市達(dá)到重污染等級；19—20日重污染等級地區(qū)逐漸擴大；21—22日顆粒物緩慢往北輸送，河南省的污染有所減輕。整個過程NAQPMS預(yù)報結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

新鄉(xiāng)市空氣質(zhì)量數(shù)值業(yè)務(wù)系統(tǒng)分析模式對重污染過程的預(yù)報效果說明，預(yù)報系統(tǒng)較好地預(yù)報出了污染過程，尤其是NAQPMS模式，較為準(zhǔn)確地預(yù)報出了污染時段和污染物的濃度水平，CMAQ也準(zhǔn)確地預(yù)報出了污染趨勢，但是對于細(xì)顆粒物的峰值濃度預(yù)報不足。這可能是由于NAQPMS的物理化學(xué)機制更適合我國實際污染過程，而CMAQ模式在本地更好的應(yīng)用可能還需要更多的本地化工作。

致謝：在論文撰寫期間以及后期修改過程中得到了中國科學(xué)院大氣物理研究所吳劍斌老師的熱心指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心感謝。

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[15]環(huán)境保護(hù)部辦公廳.關(guān)于征求《大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）源排放清單編制技術(shù)指南（試行）》（征求意見稿）等8項環(huán)境保護(hù)部文件意見的函[EB/OL].（2014-01-17）[2017-08-01].http://www.zhb.gov.cn/gkm l/hbb/bgth/201401/t20140124_266910.htm l.