空气质量预报预警系统建设探析

摘 要：为应对区域大气复合污染的严峻态势，亟需建立健全空气质量预报预警系统。本文分析了国内外空气质量预报预警的发展概况及存在的问题，以期为建立一个与国际先进水平接轨预报的预警业务体系建设提供参考。

关键词：大气复合污染 空气质量 预报预警

1. 引言

近年来，随着经济的持续快速发展与产业结构的调整，我国不少区域已出现较为严重的以PM2.5和臭氧为主要污染物的大气复合污染，最终产物与前体物的关系复杂[1]。准确预报空气污染态势对于公众的生活与相关部门有针对性的污染控制有重要意义。

2. 国内外空气质量预报预警概况

在国外，空气质量预报主要是以三维空气质量模型为基础，三维空气质量模型主要包括空气动力学系统，云化学与动力学模块，气相化学模块，气溶胶模块，栅格烟羽模块，控制方程与计算结构，数值传输算法等。常用于空气质量预报的三维模式有美国的城市气域模型UAM、带扩展模块的综合空气质量模型CAMx、公共多尺度模式系统Models-3 CMAQ、德国的EURAD、法国的CHIMERE、芬兰的SILAM、英国的NAME、西班牙的EOAQF、瑞典的MAQS、荷兰的LOTOS-EUROS、丹麦的DREAM等。在美国，UAM曾是美国环保署（EPA）推荐使用的空气质量模型，但近年UAM已逐渐在推荐名单中消失，取而代之的是CMAQ，同时，美国ENVIRON公司开发的CAMx在多个洲都有广泛的应用，在美国的一些州（例如加利福尼亚、得克萨斯等）用作法规模式。CMAQ与CAMx目前已成为美国，乃至全球主流的空气质量网格模型[2]。

在国内，目前应用于各个城市空气质量预报业务的预报方法主要有三种：数值模式预报、统计预报和综合经验预报[3]。中国中科院大气物理研究所的嵌套网格空气质量预报模式系统NAQPMS在全国多个地区均有应用。但数值模型预报的准确性在不同时期有较大波动，统计模型应用也较多，采用逐步线性回归法建立的预报模型对武汉市空气质量具有一定的预报能力，级别预报准确率为78.1%[4]。国内对空气质量预报的研究也较多。应用基于系统辨识理论的实时迭代模式（RTIM）对WRF模式预报结果进行后处理，建立了上海地区霾天气的模式输出-统计（MOS）方法[5]，结果表明，PM2.5模式预报成功率为75.0%～63.9%，PM10模式预报成功率为87.5%～81.8%，能见度模式预报成功率为71.0%～74.2%，霾日预报成功率为73.7%～72.7%。在珠三角，将BP神经网络引入到佛山的预报模型中，分季节来考虑以提高预报准确性[6]。

2013年中国环境监测总站建立全国范围的空气质量预报预警系统，其主要依靠国内外多个三维空气质量模型进行集合预报，同时通过实测空气质量与气象资料进行加工修正，最后得出最终结果[7]。此前，不同地方也建立了城市尺度的预报预警系统。2008年，常州市气象局和常州市环境中心监测站联合研制了常州空气质量预报预警和大气污染扩散应急响应系统[8]，建立了集环境气象分析研究、空气质量预报预警、大气污染扩散应急响应于一体的综合性业务应用系统。在河西走廊东部，建立了武威市空气质量预报系统，该系统包括沙尘暴预报预警服务系统、空气质量统计预报系统和空气质量潜势预报系统[9]。在北京奥运会期间，北京气象台采用CAPPS-3空气质量预报系统取得了较好效果[10]。在林芝地区，充分考虑了空气污染与气象条件之间的复杂动态关系，建立了基于气象资料的林芝地区空气质量动态预报方法[11]。西安地区空气质量预报业务系统主要依靠WRF-CMAQ，24h内对PM2.5和PM10的逐小时模拟质量浓度与实况的相关系数达到0.6以上[12]。

3. 国内空气质量预报预警存在的不足

目前国内有实力的机构主要采用三维空气质量模型作为预报的基础，但普遍存在预报准确性偏低的问题，这主要是由于目前国内的大气排放源结构复杂，源清单的制作存在很大困难，更新也不及时，源清单的误差较大，以致多种三维空气质量模型的表现都不如国外的应用。另外，某些物理化学过程在国外也许是不重要的，国外的模型可能不作过多考虑，但这些过程在中国可能就会显得比较重要，这也导致了模型误差。在大数据时代，统计模型在中国的空气质量预报中也有较多研究与应用，但统计模型的适用性较差，只适用于小范围使用，不能预测空气污染的面分布情况，模型表现也有待进一步检验。国内目前还缺乏长期业务化运行的空气质量预报预警系统，很多都仅是在初步试运行阶段。

4. 结论

有效应对和妥善处置大气重污染过程，亟需尽快建立和完善空气质量预报预警体系。本文旨在介绍国内外空气质量预报预警概况及国内空气质量预报预警存在的不足。使用数值模型与统计模型多模型相结合的方式，加之专业预报员会商订正以作出最终预报是解决我国预报问题的主要出路。

【参考文献】

[1] 沈劲，钟流举，陈皓，岳玎利. H2O2与HNO3生成速率比值判别臭氧生成敏感性[J]. 中国科技论文， 2014， 06：725-728.

[2] 沈劲，王雪松，李金凤，李云鹏，张远航. Models-3/CMAQ和CAMx对珠江三角洲臭氧污染模拟的比较分析[J]. 中国科学：化学，2011，11：1750-1762.

[3] 朱玉强. 几种空气质量预报方法的预报效果对比分析[J]. 气象， 2004， 10：30-33.

[4] 许杨，王凯，贾桥莲，孙杰. 2007―2008年武汉市空气质量预报及检验[J]. 气象与环境学报，2012，02：81-84.

[5] 陈亦君，尤佳红，束炯，段玉森. 基于WRF-RTIM的上海地区霾预报MOS方法研究[J]. 环境科学学报，2014，03：574-581.

[6] 刘永红，谢敏，蔡铭，李璐. 基于BP神经网络的佛山空气质量预报模型的研究[J]. 安全与环境学报，2011，02：125-130.

[7] 解淑艳，刘冰，李健军. 全国环境空气质量数值预报预警系统建立探析[J]. 环境监控与预警，2013，04：1-3+21.

[8] 霍焱，董芹，雷正翠，焦振峰，沈琰. 常州空气质量预报、预警和应急响应系统[J]. 气象科技，2011，01：123-128.

[9] 罗晓玲，王润元，李岩瑛，刘洪兰，兰晓波. 河西走廊东部城市空气质量预报系统[J]. 气象科技，2007，06：771-775.

[10] 尹晓惠，郭金兰. 北京空气质量预报系统奥运模拟检验与应用[J]. 气象，2008， S1：279-283.

[11] 陈宫燕，德吉白玛，红梅，旺杰，旦增，宋燕. 基于气象资料的林芝地区空气质量动态预报方法研究[J]. 气象科技进展，2013，06：58-61.

[12] 杨晓春，赵荣，吴其重，乔娟，唐文哲，刘峰，薛荣，曹梅. 西安空气质量预报系统及检验[J]. 陕西气象，2014，02：10-13.