城市環境空氣質量預測預報方法研究

摘要：為了更好地開展城市環境空氣質量預測預報工作，為環境管理部門提供數據支撐和決策依據，介紹了幾種比較常用的空氣質量預報模式，分析了各種預報模式的特點及其準確性的影響因素，旨在為環境空氣質量預測預報工作提供參考。

關鍵詞：城市;環境;空氣質量;預測預報;方法

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.097

Study on forecasting method of urban ambient air quality

Wang Fei

（Urumqi Environment Monitoring Centre Station，Urumqi Xinjiang 830000，China）

Abstract： In order to better carry out the prediction and forecast work of urban ambient air quality， provide data support and decision-making basis for environmental management departments， several commonly used air quality prediction models are introduced， the characteristics of various forecast models and the factors affecting their accuracy are analyzed in order to provide a reference for the prediction of ambient air quality.

Key words：Urban;Environment;Air quality;Forecast;Methods

近年來，人類工業化進程的不斷加快加劇了環境的惡化程度，環境空氣質量問題越來越被廣大民眾關注。然而，隨著經濟建設的快速發展，我國的大氣污染已不再是某種單一類型的污染，而是有多種污染物相互作用、相互影響的復合型污染。城市空氣質量預測預報的準確與否，直接影響到政府部門決策與管控措施的實施。

1 城市環境空氣質量預測預報

目前，比較常用的城市環境空氣質量預報模式主要有統計預報模式，數值預報模式和人工+模式綜合預報模式。

1.1 統計預報模式

統計預報是一類無化學反應的預報模式[1]，主要參考氣象條件，認為在一定時期內，污染物排放量相對穩定，忽略污染物源排放變化的影響，基于統計分析，研究不同氣象條件下大氣污染物濃度的變化規律，建立大氣污染物濃度與氣象參數間的統計學關系，從而預測未來的環境空氣質量。

統計預報的優點在于無須掌握污染物排放狀況，簡單易行，系統建設運行成本低，與數值模型相比，統計模型預報結果準確率高[2]。缺點主要是在時間精準、時間長度和空間尺度上有一定的局限性，難以捕捉到污染物的極端濃度，適用于城市或者點位尺度、短期、日均值預報。

1.2 數值預報模式

數值預報是一類既考慮氣象場影響又考慮復雜化學反應的大氣化學模式，數值模式一般由氣象模塊、排放源處理模塊和大氣化學模塊組成，包括污染物的傳輸、擴散、遷徙、轉化、干濕沉降等物理和化學過程[1]。其優點主要在區域性空氣質量預報和分析方面具有明顯優勢，缺點是數值預報模式系統復雜、運算量大、對計算機資源配置要求較高。目前，數值預報模式主要有中科院的NAQPMS模式和美國的CMAQ 、CAMx、WRF- Chem模式等[3]。

NAQPMS （嵌套網格模型系統）被廣泛應用于多尺度污染問題的研究，它不但可以研究區域尺度的污染問題（如沙塵輸送、酸雨及污染物跨國輸送等），還可以研究城市尺度空氣污染問題的產生機理和變化規律以及不同尺度之間的相互影響過程。

CMAQ模型多用于多尺度、多污染的空氣質量預報、評估和決策研究等用途。

CAMx模型具有雙向嵌套的網格結構，可以多重網格同時進行計算，在時間范圍和空間范圍內模擬的更精細。

WRF- Chem被廣泛用于局地天氣系統，空氣質量的大尺度模擬分析和氣溶膠相互作用的微物理作用研究。

1.3 人工+模式綜合預報模式

人工+模式綜合預報模式主要是由空氣質量預測人員通過對空氣質量實測數據和未來氣象條件的分析，根據模式預測結果并結合自身預測經驗對未來一段時間內空氣質量及變化趨勢的預測。

空氣質量現狀判斷一般包括區域內過去一段時間的污染物濃度、空氣質量指數和首要污染物等。大氣條件的分析和預測，主要包括區域內500hPa、700hPa、850hPa和地面四個不同高度層的天氣形勢圖，重點關注500hPa高空槽脊等各主要天氣系統的發展變化，700hPa區域溫度場情況、850hPa的濕度場、風場和相對濕度以及地面風向和風速、相對濕度、降雨時間及強度等信息，并綜合分析各層系統匹配情況、系統移動及污染場的協同變化。

空氣質量現狀是判斷空氣質量未來變化趨勢的基礎，分析區域主要氣象因素的觀測和預報資料，掌握區域大氣環境擴散條件，深入理解空氣中污染物的遷移變化規律以及氣象條件對空氣質量的影響，有助于對未來污染變化情況做出準確判斷。在實際預報工作中，更多的是采用多種預報模型加人工研判的方式。

2 空氣質量預報準確性影響因素

空氣質量預報的準確性直接關系到管理部門的決策正確與否，影響預報準確性的因素有很多，主要有以下幾個方面。

2.1 數值預報模式的不確定性

首先，空氣質量數值模式系統自身會存在某些不足。有學者報道[4]CMAQ4.3版本存在質量不守恒缺陷。其次，預報模式數據同化不足以及模式參數本地化不到位以及數值模式系統軟硬件更新不及時等都會影響模式預報的準確性。

2.2 污染源排放清單的不確定性

首先，污染源普查非常的耗時耗力，本身就具有一定的滯后性，難以保證及時更新。其次，污染源排放量和時空分布的不確定性。污染源種類繁多，往往隨著時間或空間的變化而變化，無法及時體現源排放的時空動態變化。再者，關鍵前體物缺失，如揮發性有機物等。

2.3 氣象條件的不確定性

了解空氣質量預報中大氣條件是污染物變化（生成轉化遷移）過程因素之一，與氣象（冷暖云水過程）的關注點不同，相較于氣象預報所關注的天氣的變化，空氣質量預報更加關注變化之間的大氣靜穩狀態和過程。氣象預報的準確性是空氣質量預報幾個重要誤差來源之一。

2.4 其他不確定因素

一是預報員對污染過程以及大氣條件的綜合分析和研判能力是人工研判綜合預報的決定因素。二是空氣質量實況數據的準確性、有效性也是預測預報的影響因素之一。三是預報模式系統正常高效的運行保障也是不可忽略的影響因素。

3 結論及建議

（1）城市空氣質量預測預報多是采用多種預報模型加人工研判的方式。（2）各級地方政府應加大資金投入，推進并確保空氣質量預報統計模型、數值模型的建立及長期穩定運行，同時及時更新源清單，盡可能的完善污染源種類，以及建立動態污染源清單，為空氣質量預測預報工作奠定基礎。（3）積極引進氣象專業人才，加強預報人員的理論技術培訓;積累經驗，對預報模式的系統參數及預測數值進行本地同化和人工校正，提高空氣質量預報準確率。

參考文獻

[1]黃順祥.大氣污染與防治的過去、現在及未來[J].科學通報，2018，63（10）：895–919.

[2]房小怡，蔣維楣，吳澗，等.城市空氣質量數值預報模式系統及其應用[J].環境科學學報，2004，24（1）：111–115.

[3]中國環境監測總站.環境空氣質量預報預警方法技術指南（第二版）[M].北京：中國環境出版集團，2017.

[4]王占山，李曉倩，王宗爽，等.空氣質量模型CMAQ的國內外研究現狀[J].環境科學與技術，2013，36（6L）：386-391

收稿日期：2020-03-26

作者簡介：汪飛（1981-），男，工程師，碩士，研究方向為大氣環境自動監測管理與分析以及環境空氣質量預測預報。