地区环境空气预警建设思考

以上海为核心城市的长三角城市群是目前我国发展速度最快、经济总量最大和最具有发展潜力的地区之一。随着长三角地区城市化、工业化水平的快速推进，区域内各城市大气污染相互输送、相互影响，空气质量一体化趋势越来越明显，日渐体现出区域性大气复合型污染特征［1－2］。根据全国重点城市2006年以来空气质量日报数据统计，长三角区域2006年有2d9个城市同时出现污染;2007年上升到4d;而2008、2009、2010年则出现10个城市同时污染的现象;截至2011年4月30日，2011年已经有2d11个城市同时出现污染。2010年5月，国务院下发环境保护部等部门《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见》。在长三角两省一市政府签署《长江三角洲地区环境保护工作合作协议(2008—2010年)》的框架下，围绕世博会环境空气质量保障工作，长三角区域两省一市环保厅(局)从不同层面开展了保障世博环境空气质量的联防联控工作。2010年初由环保部监测司牵头，组织长三角区域两省一市环保厅(局)，依托长三角两省一市环境空气质量监测资源，强化协同监测，利用现有点位和仪器设备，初步构建了区域环境空气质量联动监测协作网，实现了区域空气质量监测信息共享。世博会期间，世博会空气质量达标保障工作的成功运作，有力推进了上海市及周边区域空气质量改善，使人们切身感受到了“绿色世博”带来的显著成效［3－5］。因此，完善长三角区域环境空气质量预测预警系统，探索其长态化运行模式，将有助于后世博效应发挥，对长三角区域性空气质量持续改善意义深远。

1相关研究与实践

1.1大气污染物排放清单的研究与建立2004年开始，上海市环境监测中心研究并建立了上海市大气污染物排放清单，并随着上海市环保3年行动计划的实施而不断更新完善。在1km×1km网格下，利用AP－42等排放系数、物料平衡、排放估算模型、燃料成分分析以及工程判定等方法对上海市工业点源(覆盖化学原料及化学制品制造业、金属制品业等33类行业)、流动源(机动车、船舶、火车和飞机)、面源(涉及工业分散燃料、涂料、植被、填埋场等10个类别排放源)排放大气污染物PM、PM10、PM2.5、SO2、NO2、VOCs、NH3等进行了全面、系统的估算定量，2007年又做了改进更新。国内也有不少学者开展了大气污染物排放源的清单研究。王海鲲等［6］应用国际机动车排放模型(IVE)估算了上海市机动车污染物排放量;黄嫣旻等［7］借鉴美国EPA提出的AP－42方法，利用动力学粒径谱仪的颗粒物粒径分析对公式系数修正后，估算了上海市吴淞工业区2004年铺设道路不同粒径的扬尘量;孙娟等［8］利用遥感影像资料，分析了上海市扬尘污染源的空间分布特征与规律，计算了上海市主要扬尘源的起尘;董艳强［9］、李莉等［10］在长三角区域排放清单方面也开展了多方位的研究。

1.2上海市环境空气质量数值预报系统从1973年第一次全国环保工作会议开始，我国陆续在大气扩散模式、污染气象学以及空气污染预报等方面进行了多项研究［11－12］，并基本形成了由潜势预报、统计预报和数值预报相结合的空气质量预报系统框架。随着计算机技术的迅速发展和预报模拟精度和准确度的不断提高，特别是第3代数值预报系统的持续完善，数值预报越来越受到环保部门的重视。北京、上海、广州、沈阳、武汉等城市先后实现了数值预报常规的业务化运行［13］，为城市空气质量预报预警提供了重要技术支撑。上海市环境监测中心、中科院大气物理研究所、南京大学、上海交通大学联合研制开发了上海市空气质量数值预报系统，其数值模式体系包括嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)、CMAQ4.4、CMAQ4.6、CAMx和WRF-Chem等模块。各模块均采用相同排放源、区域设置、网格划分和分辨率进行模拟计算，NAQPMS、CMAQ4.4、CMAQ4.6、CAMx由第5代中尺度气象模型(MM5)提供气象场数据，WRF-Chem则由气象模式(WRF)和化学模式(Chem)在线完成耦合。气象场初始资料采用NCEP(1°×1°)6h/次的分析资料，模式系统采用四重嵌套方案，最小区域水平分辨率为1km，在第1～3区域的排放源采用STREETS的东亚排放源，第四区域采用上海市环境监测中心等建立的上海市2007年排放清单数据，对污染物的排放、平流输送、扩散、气相液相及非均匀反应、干沉降以及湿沉降等物理化学过程进行模拟。上海市集合数值预报系统可以提供多种数值产品供空气质量预报员参考，包括各区域高空及地面气象场、主要污染物质量浓度空间分布图、探空曲线等(图1)。通常情况下预报效果良好。

1.3长三角区域空气质量监测数据共享平台的建立围绕世博会期间空气质量保障需求，长三角区域开展了空气质量联动监测，初步建立了长三角区域共享平台，实现区域空气质量监测信息共享。2010年4月26日，该平台正式运行，直接服务于长达184d的上海世博会。共享平台涉及上海、南京、苏州、连云港、南通、杭州、宁波、嘉兴和舟山等9个重点城市(图2)，共设54个空气质量监测点位，包括上海、南京、苏州、连云港、南通、杭州和宁波7个环保重点城市全部国控点位49个，上海市控点位2个，嘉兴和舟山2个非环保重点城市省控点位3个;选取舟山嵊泗李柱山空气质量监测站为区域海洋空气质量背景点，浙江杭州共享内容由空气质量小时浓度均值、城市日报数据、城市预报数据3个部分组成，小时浓度均值除了常规污染物SO2、NO2、PM10外，还包括PM2.5、O3、黑碳等参数。世博会期间的5月19日，共享数据明显反映了区域污染迹象，为上海市环保局启动世博预警联动方案提供了重要决策依据。长三角区域共享系统运行历时199d，共享数据超过120万个，共享数据翔实、较全面反映了上海及周边地区空气质量状况动态变化，充分发挥了环境预警监测的公共服务能力，为区域联动监测共享信息共创成果新模式进行了有益探索，是一次跨省数据共享尝试。不仅为世博会空气质量保障提供了重要技术支撑，也为长三角乃至全国区域性环境空气质量预测预警体系常态化运行提供了有益借鉴。

2长三角区域环境空气质量预测预警体

系构建的思考作为城市发展到成熟阶段的最高空间组织形式，城市群是由地域上集中分布的若干城市和特大城市集聚而成的庞大的、多核心、多层次的城市集团。2010年5月国务院正式批准实施的《长江三角洲地区区域规划》明确了长三角区域发展的战略定位。率先建设长三角区域世界级城市群，能为探索中国城市化道路积累经验，为我国城市群建设提供示范。从环境角度来看，长三角区域地理位置、气象条件、污染成因相近，大气污染相互作用明显，面临相似的大气污染问题，开展区域空气质量预测预警系统建设不仅必要，而且可能。世博会期间长三角区域污染联防联控的有效运行和明显成效就是很好的例证。区域监测网络搭建和数据共享，为后世博长三角区域常态性污染控制联动奠定了基础，目前江苏、浙江两省环保部门借助世博经验，开展了一系列省内大尺度大气污染相关的科学研究。这些区域内的研究和实践，使得构建能够长效运行的长三角区域空气质量预测预警体系的条件逐渐成熟。而从更高行政层面上的组织和推动，将会使区域性大气污染联防联控提高到一个新的水平。构建长三角区域环境空气质量预测预警体系，主要从区域监测网络和共享信息平台搭建、区域排放清单、区域数值预报系统、预报会商系统以及专业技术和复合型人才队伍建设等方面着手，体系的有效运行可以直接为政府污染控制提供技术支撑，但需要有不同行政层面的管理制度支撑和保障。

2.1区域监测网络和共享信息平台建设环境空气质量监测网络是评估环境空气质量、制定大气污染控制对策的技术支撑，也是科学预测预警的依据，是预测预警体系中重要的基本组成部分。

2.1.1全方位区域空气质量监测网络构架近年来，长三角区域内重点城市的环境空气质量监测站点从数量和布局上都有了较大的发展和调整，尤其在布局的点位代表性上更加科学合理。但是限于目前国家环境空气质量标准中监测指标和日报要求，现有的空气质量监测站大多集中在城市区域，且监测项目主要以常规大气污染物为主，而反映更大范围区域尺度的大气复合污染的监测网络，国内也仅在珠三角区域刚刚起步。借鉴美国、欧洲、日本等发达国家与中国香港地区空气质量监测网络建设的先进经验和发展历程［14－15］，在长三角区域江、浙、沪两省一市重点城市现有监测站点的基础上，结合长三角区域大气复合污染的特征和现状，借助目前开展大气污染机理多层面、多方向的研究成果，建立包括卫星遥感技术在内的全方位、立体化区域空气质量监测网络。重点考虑从常规因子的监测到引发污染全过程监测、从基于城市监测到区域尺度监测、从地面监测到立体监测的建设思路。整个网络站点具有不同功能上的代表性。1)常规监测。以现有监测站点为基础，优化监测网络，选择区域代表性常规监测站点纳入区域监测网络，突破世博会期间长三角区域的9个城市，扩展城市点位若干，从不同气象条件影响考虑区域城市间的污染传输和相互影响，补充监测点位，同时考虑设置1～2个区域背景点位，构成区域空气质量监测网络基本站点。2)区域输送监测。在几个常年区域污染输送主通道的监测点位，包括农村地区新增点位代表区域输送监测站点，提供污染物沉积、扩散和区域输送路径的监测，作为判断污染物扩散、迁移和输送路径分析依据，提供区域范围内各个城市污染空气质量预报预警的数据支撑。3)灰霾监测。灰霾是区域大气污染的一种典型现象，灰霾监测站除了具备常规监测能力外，还需要增加有机碳、元素碳、气溶胶粒径、黑碳、能见度、浊度等可作为灰霾监测指标的专用仪器设备。另外，通过卫星遥感技术反演大气中气溶胶光学厚度，有利于掌握宏观尺度的区域灰霾污染情况。激光雷达可以探寻灰霾天气中气溶胶浓度在垂直断面上的时空分布，可以用来判断气溶胶的来源与分布，并能够提供其运动方向与趋势等重要信息［16］，因而整个网络建设中，考虑设3～5个站点作为区域性灰霾监测点位，可以根据长期观测需求经专家论证后增补建设。4)超级站。超级监测站监测项目齐全，监测手段和监测能力强大，能够监测和反映复杂空气污染的全过程和变化规律，实现对大气污染物组分、二次污染前体物和形成机理、源和受体的关系、气象条件对污染物传输的影响等深层次的科学研究和环境管理的需求。因此，建设区域内包括离子在线色谱、臭氧前驱VOC组分分析系统、NOX监测技术以及上述灰霾相关指标监测手段等在内的若干超级站，作为监测网络中一个重要组成部分，真正实现监测从常规监测向污染全过程监测发展、从城市常规监测向区域尺度污染诊断监测发展。

2.1.2质量保证和质量控制(QA/QC)体系为了确保监测数据的准确性、可靠性和可比性，必须加强在线标定技术、子站运行状态在线测控技术、流量在线测控技术、采样总管技术等关键共性技术的研发，开发各类监测仪器设备的通用智能接口。形成一整套长三角区域监测网络设计、站点选择和配置，数据集成和通信的技术、指南、标准、规范，建立ISO/IEC17025框架下统一的质量保证和质量控制(QA/QC)体系，确保监测仪器维护、监测数据采集、传输、数据审核、综合分析的准确性和可靠性。2.1.3数据中心和数据共享世博期间，长三角区域成功尝试了跨省环境监测数据共享，为区域预测预警系统的监测网络数据共享奠定了良好技术基础。建立长效运行的长三角空气质量预测预警系统的监测网络数据中心宜由1个总数据中心(长三角区域数据中心)和3个分数据中心(江苏、浙江、上海数据分中心)组成，监测网络的实时数据通过无线或宽带分别汇集到3个分中心，由分中心自动审核处理后再共享到长三角区域数据中心。数据中心之间采用网络服务进行数据交换，以达到实时数据交换的目的。

2.2区域排放清单的建立上海市2004年建立、2007年更新的大气污染物排放清单，在本地空气质量预测模型运行中发挥了重要作用，效果良好。目前所掌握的长三角区域排放清单较粗，当发生区域型污染时数值模拟效果通常较差。因而，搭建长三角区域空气质量预测预警体系能否准确有效，在很大程度上依赖于长三角各重点城市污染源排放清单的建立。点源排放清单。充分利用污染源普查数据资源是快速建立长三角区域各城市点源排放清单的有效途径。流动源清单。流动源包括机动车、船舶、飞机等。采用IVE模型建立机动车污染物排放清单在国内已有成功实例［17－19］，排放系数是进行船舶、飞机排放的主要方法。面源清单。包括非点源和线源的排放源，人口、面积、GDP、工业产值、燃料消耗、土地利用情况等通常是估算面源排放的基础数据，遥感技术是土地利用情况数据获取的便捷途径。排放因子主要可引用国外的研究成果［20－24］，同时也可引用国内的部分实验结果［25］。利用GIS技术将排放清单进行空间定位、网格化，以便于数值模型使用。随着国家节能减排政策的实施和总量控制规划的逐步落实，排放源的排放情况会有很大变化，因此区域排放清单的定时更新也是保证预测预警系统精准的重要环节。

2.3区域多模式集合预报系统开发多模式集合预报是在统一的区域设置、统一污染源排放清单、统一气象预报场条件下，使用多个数值预报系统对区域空气质量进行模拟预报，目前较为流行的模式有嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)、CMAQ、CAMx等。奥运会和世博会期间均采用了多模式空气质量预报技术，对比分析结果表明，多模式集合预报系统能够降低系统误差，模拟效果好于单模式预报结果［26－27］。不同模式都具有各自特征，故多模式集合预报系统可以给预报员提供更为丰富的参考资料。在区域数据共享的基础上，将观测资料同化技术应用到长三角区域多模式集合预报系统开发中，在一定程度上可以弥补排放清单建立的不确定性。

2.4区域预报会商制度建立区域预报会商是预测、预报、预警工作的重要环节，预报会商群策群力、沟通预报思路、交流预报技术，通过预报会商可以充分进行信息交换和思路交流，提升区域空气质量预测预警的准确率。在江、浙、沪建立预报分中心，建立会商机制。会商种类分定期会商和专题会商，定期会商为按日、周、月、年等时间尺度的空气质量预报会商;专题会商为针对区域高污染事件、重要节日以及其他非常规的临时性会商。会商形式可以为电话会商、会议会商、网络即时通会商和可视化会商等。

2.5人才队伍建设专业技术人才和复合型人才是区域预测预警系统不可或缺的组成部分，包括区域预报员、信息系统开发和维护人员及专家组等。区域预报员维持区域预测预报的日常工作，每天定期进行预报会商，特殊情况下组织专题会商;信息系统开发维护人员负责信息系统的维护和改进工作;专家组应当由环保专家和气象专家等组成。人才培养的渠道，首先要进行专业培训，增加理论素养;第二，在实际工作中加强锻炼，理论联系实际;第三，吸取国内外的先进经验和方法，在交流中提高;第四，引进专业人才，充实技术队伍。

2.6长三角区域污染联防联控组织机构世博会空气质量保障的经验启示，跨行政区域的技术管理层面合作，必须有来自国家、省、市环保行政管理部门的多方面协调和支持，建议建立由江、浙、沪环保行政管理部门组成的长三角区域污染联防联控组织机构牵头，在该组织的工作框架下构建长效运行的长三角空气质量预测预警系统才会有序推进，否则仅依靠监测系统内部技术人员的交流沟通难以实现真正的区域层面的合作。

3结论

1)长三角区域区位特征、气象条件、污染成因相近，大气污染相互作用明显、问题相似，建设区域空气质量预测预警系统十分必要。预测预警系统有助于更好地发挥后世博效应，为长三角区域大气污染联防联控长效管理和区域环境质量的持续改善提供技术支持。2)上海世博会期间成功开展的长三角区域空气质量环境监测数据共享提供了可借鉴的范例。在长三角区域江、浙、沪两省一市重点城市现有监测站点的基础上，借助区域已有的合作基础和科研成果，充分利用现有业务化工作和技术水平构成的工作基础，为长三角区域空气质量预测预警体系建立提供了良好的前提条件。3)实践证明，以长三角区域大气复合污染的特征和现状为基础，建立包括卫星遥感技术在内的全方位立体化区域空气质量监测网络和数据共享平台，对2010年上海世博会举办过程中的空气质量保障发挥了重要作用。由全方位区域监测网络和数据共享、区域排放清单、多模式集成预报系统、区域会商制度和人才队伍等部分构成的预测预警系统是更有效的运行模式。4)由于长三角区域环境空气质量预测预警体系是跨行政区域的合作，成功与否依赖于各个层面运行机制的有效、顺畅。在建立相应管理运行机制的前提下，技术部门协调配合，政府部门尤其是环保行政管理部门的有效管理和支持至关重要。