陸 濤

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心,上海 200030)

·環(huán)境預警·

美國 AIRNow空氣質量動態(tài)發(fā)布技術在上海的應用

陸 濤

(上海市環(huán)境監(jiān)測中心,上海 200030)

美國 EPA開發(fā)的A I RNow系統(tǒng)是國際先進的環(huán)境空氣質量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有空氣質量數據管理自動化、環(huán)境產品豐富、發(fā)布及時、質量保證和控制 (QA/QC)數據審核快速等優(yōu)點,可通過明確的數據交換協(xié)議和原則,實現(xiàn)地區(qū)性數據交換和共享。該技術在上海市環(huán)境空氣質量日報預報系統(tǒng)中得到應用、整合和二次開發(fā),并實現(xiàn)了 2010年上海世博環(huán)境空氣質量數據的實時發(fā)布,為中國未來環(huán)境空氣質量的動態(tài)發(fā)布提供了重要的技術示范。

環(huán)境空氣質量;日報;預報;A IRNow;上海

在上海市外專局外資辦項目和美國 EPA支持下,中美雙方通過互訪,就 A I RNow關鍵技術進行了多次技術交流和培訓,通過多方籌備和積極努力,最終于 2008年 4月確定了“中美合作——上海市環(huán)境空氣質量發(fā)布系統(tǒng) (A I RNow-I)示范項目”。在美國 EPA資助的 A I RNow-I系統(tǒng)基礎上,上海市環(huán)境監(jiān)測中心就環(huán)境空氣質量預報輔助系統(tǒng)、數據自動導入模塊進行了自主開發(fā),通過進一步完善現(xiàn)有的日報發(fā)布和查詢功能,整合了現(xiàn)有分散的空氣質量日報管理系統(tǒng),最終形成較為完整的、高效的上海市空氣質量信息管理系統(tǒng)。

1 概述

1.1 上海市環(huán)境空氣質量日報預報進展

自上世紀 80年代末以來,包括上海在內的中國少數大城市開始建設空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)[1]。上海市環(huán)境空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設已經歷了 30余年,從僅由 5個環(huán)境空氣自動監(jiān)測點組成的空氣質量監(jiān)測網發(fā)展到今天能基本覆蓋全市各類功能區(qū)的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建成和發(fā)展,為跟蹤分析上海市空氣污染特征與變化趨勢,為污染預警和污染源控制管理措施的制定提供了重要的寶貴基礎數據。

隨著上海市環(huán)境空氣監(jiān)測、日報和預報業(yè)務工作的深入開展,目前,上海市環(huán)境空氣質量監(jiān)測和預報系統(tǒng)每天動態(tài)產生的數據達 2萬余條,產生的有效數據產品約 10 G,海量數據為環(huán)境空氣質量管理決策奠定了堅實的基礎,但是,同時也給大氣環(huán)境空氣質量日報、預報的信息化管理系統(tǒng)帶來前所未有的壓力,現(xiàn)有的環(huán)境空氣質量數據管理系統(tǒng)在數據快速審核、輔助綜合分析、快速加工發(fā)布和海量數據管理等方面已不能滿足正在蓬勃發(fā)展中的環(huán)境空氣質量日報、預報業(yè)務的需求。

與中國的環(huán)境空氣質量監(jiān)測和管理工作相比,發(fā)達國家和地區(qū)如美國、歐洲、日本、韓國、香港等環(huán)境空氣質量監(jiān)測數據的快速加工和發(fā)布業(yè)務起步較早,所取得的經驗也更為豐富。其中,以美國國家級環(huán)境空氣質量 (A IRNow)系統(tǒng)的應用最為廣泛[2,3],其涉及的技術也更為先進。A I RNow系統(tǒng)采用了先進的空氣質量日報實時發(fā)布技術和預報方法,作為一項全國性公益環(huán)境項目獲得美國國家最受歡迎金獎。1997年以來,為美國、加拿大、墨西哥等國家和地區(qū) 2 000余個環(huán)境監(jiān)測站提供O3和顆粒物 (PM2.5)的實時空氣質量通報服務,并為美國 300多個城市發(fā)布 24 h的空氣質量預報。

1.2 A I RNow和 A IRNow-I簡介

美國 EPA開發(fā)的 A I RNow系統(tǒng)是國際先進的環(huán)境空氣質量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有以下顯著優(yōu)點:自動化的空氣質量數據管理,提供豐富生動的環(huán)境質量數據產品;為政府和公眾提供空氣質量實時狀況,并對空氣污染事件作出應急反應和采取適當的措施;快速成熟的監(jiān)測系統(tǒng)的質量保證和控制 (QA/QC),數據審核實現(xiàn)自動化;成熟的預報方法和系統(tǒng);明確數據交換協(xié)議和原則,使地區(qū)性數據交換和共享成為現(xiàn)實。

A IRNow-I是在A I RNow系統(tǒng)的基礎上總結其通用性,由美國 EPA資助,上海參與開發(fā)的A I RNow國際版,主要由 DMS和 IMS兩個模塊構成。

A I RNow-IDMS數據管理系統(tǒng)模塊是 A I RNow-I系統(tǒng)中數據處理的核心,它有效提升了環(huán)境空氣質量的數據控制和管理能力。主要由數據導入、自動數據審核、人工輔助數據審核、站點管理等功能構成。DMS模塊可以通過Web Service方式實現(xiàn)數據的發(fā)布,為數據使用者提供方便的數據接口[4,5]。

A IRNow-I IMS信息管理系統(tǒng)模塊的主要目的是生成濃度空間分布圖等各種地圖產品,并且具有靈活的控制和管理接口,能夠自動生成和發(fā)布地圖產品。報、預報信息管理發(fā)布平臺,從而幫助實現(xiàn)了環(huán)境空氣質量信息產品的快速瀏覽和及時預報,實現(xiàn)了空氣質量日報、預報信息的快速處理和發(fā)布,整合已有的分散式的環(huán)境空氣質量日報、預報子系統(tǒng),重新構建了較為完整的上海市空氣質量信息管理系統(tǒng),系統(tǒng)框架如圖 1所示。

圖1 上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)架構

2 上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)框架

基于“中美合作——上海空氣質量發(fā)布系統(tǒng)(Airnow-I)示范項目”的實施,成功地將 A I RNow-I兩大主要功能模塊——DMS、 IMS應用于上海。此外,上海還配套開發(fā)了網絡氣象資源下載模塊、數值模式產品集成模塊及預報結果分析模塊等預報輔助工具,并研究開發(fā)了上海市環(huán)境空氣質量日

3 關鍵技術

3.1 空氣質量監(jiān)測數據的快速自動審核技術

數據自動審核對于海量空氣質量監(jiān)測數據尤為重要。A I RNow DMS的質量控制 (QC,以下簡稱“質控”)檢查可以快速對空氣質量數據的有效性進行判斷,從而實現(xiàn)空氣質量監(jiān)測數據的快速自動審核。質控檢查方法主要包括:最小值、最大值、零值、穩(wěn)定值、變化率、幅度和相鄰檢查 7種。上海市環(huán)境空氣信息管理系統(tǒng)可以根據以上規(guī)則自動對空氣質量監(jiān)測數據的異常情況進行判斷,從而達到快速自動審核的目的。結合系統(tǒng)具備的人工數據審核,對自動審核結果中的懷疑值進行進一步人工判斷,可得到更高質量的審核數據。

具體功能如下:

(1)最小值質控檢查 (Minimum QC check):檢查數據是否超過用戶設定的某一最小值。

(2)最大值質控檢查 (Max imum QC check):檢查數據是否超過用戶設定的某一最大值。

(3)零值質控檢查 (Zero QC check):檢查數據在零值附近的漂移情況并作出相應處理。漂移值小于合理范圍值 X(通常為 -5)時將被標記為無效值。例如,如果臭氧含量為 X—0,臭氧值為 0。如果 ozone≤X,標記為無效。漂移值在漂移正常范圍之內的負數可以直接賦值為需要的正值,如1/2檢出限。

(4)穩(wěn)定值質控檢查 (Sticking QC check):檢查數據是否保持不變。夜間檢測值小于 X(對臭氧而言通常為 40)時通常為一固定值,不再進行檢查。即 ozoneX且 Y持續(xù)時間 (通常為 3 h)內沒有發(fā)生變化,標記為無效。

(5)變化率質控檢查 (Rate of Change QC check):比較某小時到下一小時的污染物變化率。當不同點 (或變化)超過每小時每站點標準值時,則標記為無效或者懷疑值。

(6)幅度質控檢查 (Range QC check):檢查某站點的小時最高值。例如,如果 ozone>maximum,臭氧被標記為無效或者懷疑值。

(7)相鄰質控檢查 (BuddyQC check):將數據與周邊具有相似環(huán)境條件的站點 (如城區(qū)、農村地區(qū)等)的平均值進行比較。相鄰站點數可以為 0～5個。如果檢測值不在相鄰站點值的用戶設定范圍內 (例如臭氧,其范圍通常設定為 20～40),數據標記為無效。在此檢查中,需要設定一個必須完成檢查的相鄰站點的最小值 (如果相鄰站點數設定為 5個,則通常最少站點數為 3個)。如果臭氧濃度減相鄰站點的絕對值大于檢測閾值,則標記為無效或懷疑值。

3.2 多數據源處理和多模式信息集成技術

上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)整合了多種采集儀傳輸的空氣質量監(jiān)測數據、多個數值預報模式數據和分散的網絡資源 (如氣象數據)。數據源種類繁多,信息量龐大。系統(tǒng)提供兩種靈活的數據交換方式,一種為 CVS格式文件,另一種為Web service。其他各種數據源可以通過這兩種交換方式進入系統(tǒng)。數據交換主要包括監(jiān)測數據及其對應的屬性信息,即測點編碼、參數編碼、均值時間長度、監(jiān)測值、計量單位、現(xiàn)場標志位、QC標志位等信息,這樣可以保證不同時段的數據 (如1 min均值、5min均值或小時均值的數據)均可納入到系統(tǒng)的數據庫中統(tǒng)一管理,同時可以保證數量不限的新的監(jiān)測參數 (如大量種類的微量有機物監(jiān)測數據)根據未來業(yè)務需要隨時導入到數據庫中。

靈活方便的數據導入方式使系統(tǒng)具有更強的生命力,不同時間粒度的任意監(jiān)測數據參數均能導入到系統(tǒng)中進行管理。目前,自動導入系統(tǒng)進行管理的有各種采集系統(tǒng)采集的監(jiān)測數據、網絡自動下載的空氣質量數據和氣象數據 (全國重點城市日報數據、氣象局自動站氣象數據、機場氣象數據等),以及空氣質量數值預報模型數據等,詳見圖2。

圖2 上海市空氣質量日報、預報系統(tǒng)的多數據源、多模式數據集成

3.3 空氣質量數據的 GIS處理與表達技術

采用 ARCGIS Server 9.2作為 GIS引擎進行空氣質量地圖制作。

3.3.1 自動化地圖處理

系統(tǒng)通過向導方式使用戶進行不同地圖產品的自動化定制,能夠產生的地圖產品主要有濃度或API空間分布圖、GIF動畫、shapefile、GR ID文件(netCDF格式)、K ML等,系統(tǒng)能夠通過界面瀏覽監(jiān)控任何一個地圖產品在自動化過程中的狀態(tài)。系統(tǒng)還能夠通過管理 (修改、替換)自動化過程中的各個環(huán)節(jié)中的程序來自定義插值等參數和方式。

3.3.2 空間濃度分布圖時間軸插值

空間時間軸插值技術是在時間軸上生成時間分辨率更密的空間分布圖,使得空間濃度分布圖動畫更平滑。目前,數據庫中監(jiān)測數據為小時數據,通過時間軸插值技術能得到 10 min、5 min、1 min甚至更密的空間分布圖。

4 系統(tǒng)應用

4.1 上海市環(huán)境空氣質量日報、預報業(yè)務工作和發(fā)布

基于 A I RNow-I開發(fā)的上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)主要用來完成該市日報、預報業(yè)務工作和信息發(fā)布。該系統(tǒng)集成了數據導入、數據審核、數據加工處理、日報預報、查詢統(tǒng)計、信息發(fā)布等業(yè)務內容。上海市 67個監(jiān)測站點 (包括世博園區(qū)站點)已在該系統(tǒng)的管理之下,目前進入該系統(tǒng)的監(jiān)測參數因子有 SO2、NO2、PM10、PM2.5、PM1、NOX、NO、O3、CO等 ,另外還有風速、風向、氣壓、能見度等氣象因子。系統(tǒng)能夠完成臭氧日報、全市日報、分區(qū)日報、全市預報、一周點評等全部任務,并直接將結果通過傳真、E-mail、短信或其他數據形式發(fā)布給國家總站、媒體、對外網站等。系統(tǒng)每小時能夠自動生成全上海濃度空間分布圖并發(fā)布于對外網站,如圖 3所示。

圖3 濃度空間分布

4.2 上海世博環(huán)境空氣質量專欄

世博空氣質量專欄內容主要包含世博區(qū)域實時空氣質量、世博區(qū)域日報、全市日報、全市預報、分區(qū)日報和長三角空氣質量日報?；?A I RNow-I開發(fā)的上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)實時為上海世博環(huán)境空氣質量專欄提供空氣質量數據和污染物空間分布動態(tài)變化圖。世博空氣質量專欄成為國內首次實時發(fā)布空氣質量的典范[6,7],如圖 4所示。

圖4 上海世博環(huán)境空氣質量專欄實時空氣質量發(fā)布

5 結論

通過 A IRNow-I系統(tǒng)模塊的開發(fā)及應用,多樣化監(jiān)測數據自動導入管理程序的開發(fā),以及數據質量自動審核方法的研究等技術工作的開展,上海市環(huán)境空氣質量信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)了多樣化監(jiān)測數據自動導入與集中管理、數據自動化審核加工、空氣質量數據快速空間插值等關鍵技術的應用突破。系統(tǒng)研發(fā)了集空氣質量日報、預報信息瀏覽和信息發(fā)布于一體的工作平臺,為區(qū)域空氣質量聯(lián)合日報、預報工作的開展提供技術基礎。由于其卓越的數據庫管理性能和充分的擴展性,上海市環(huán)境空氣質量管理信息系統(tǒng)將為上海市環(huán)境空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)的未來發(fā)展提供重要的信息化管理平臺。該系統(tǒng)不僅為 2010年上海世博會提供了實時環(huán)境空氣質量信息發(fā)布服務,并可以滿足上海未來 5～10年間交通環(huán)境監(jiān)測網絡、光化學污染物監(jiān)測網絡、霾污染監(jiān)測網絡的后臺數據管理需求,并可為中國未來開展實時環(huán)境監(jiān)測數據的發(fā)布及區(qū)域環(huán)境信息的共享提供技術示范。

[1]方剛,王瑞斌,李鋼,等.中國環(huán)境空氣質量監(jiān)測現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2004,20(6):8-10.

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Application of A IRNow Ambient A ir Quality Notification System of USA in Shangha i

LU Tao
(Shanghai EnvironmentalMonitoring Center,Shanghai 200030,China)

A IRNow developed byUS EPA is the advanced air quality notification system in the world,which processes the advantages of automatic datamanagement,rich products,real-t ime notification and fast automaticQA/QC.Based on the clear data exchange protocol,A IRNow is the most successful air quality notification system for the regional data sharing in North American.The real-time air quality data has been published by theAirnow-A pilotproject betweenUS EPA and SEPB for the area around Expo park during 2010 Shanghai EXPO,which provided the important demonstration for the national real-time data notification in China.

ambient air quality;API reporting;API forecasting;A IRNow;Shanghai

X84

A

1674-6732(2011)-01-0004-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.002

2010-11-02

上海市環(huán)境保護科學技術發(fā)展基金[滬環(huán)科(08-29)]。

陸濤 (1974—),男,工程師,碩士,從事環(huán)境信息化開發(fā)和應用工作。