程念亮　李紅霞　孟凡等

摘要對當前國內(nèi)PM2.5數(shù)值預報模式及應用作了簡單的評述和介紹，重點介紹了北京、上海、南京空氣質(zhì)量數(shù)值模擬預報系統(tǒng)。在此基礎上探討了我國城市PM2.5大氣污染預報模式的發(fā)展方向及存在問題，結(jié)合我國目前面臨的PM2.5污染問題， 揭示了數(shù)值模式對空氣質(zhì)量預報的意義。

關鍵詞PM2.5；空氣質(zhì)量；污染預報

中圖分類號S181.3；X16文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-243-04

Review about Urban PM2.5 Numerical Prediction Model in China

CHENG Nian-liang1， LI Hong-xia2， MENG Fan3 et al

（1. Bejing Municipal Environmental Monitoring Center， Beijing 100048； 2.Institute of Advanced Technology，Sun Yat-sen University，Guangzhou， Guangdong 510275；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012）

AbstractThis paper introduced the current domestic PM2.5 forecasting model and provided a comprehensive critical review of the air quality numerical simulation forecasting system in Beijing， Shanghai and Nanjing. The real time forecast model system for air quality indicated its better simulation performance. Further study explored the direction of Chinese urban PM2.5 air pollution forecasting system development and revealed the significance of the numerical simulation for regional air quality forecast combined with the serious PM2.5 pollution problems in China.

Key words PM2.5； Air quality； Pollution forecast

近年來，隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展、城市化進程的加快和工業(yè)規(guī)模的擴大，大氣污染形勢日益嚴峻[1-2]。以細顆粒物PM2.5為首要污染物的空氣污染現(xiàn)象日益突出，對公眾健康構(gòu)成較大威脅[3]。PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學粒徑≤2.5 μm的顆粒物，也稱為細顆粒物，它的直徑約為人的頭發(fā)絲直徑的1/20[4]。新《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）[5]將PM2.5納入常規(guī)環(huán)境空氣質(zhì)量評價，這也是我國首次制定PM2.5標準。

2013年1月我國中東部、西南10省區(qū)市約100萬km2區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)嚴重灰霾污染天氣，引起政府和公眾的廣泛關注。十二五期間開展城市PM2.5濃度預測預報工作，發(fā)展適合我國國情的城市空氣質(zhì)量系統(tǒng)，為管理部門提供準確、及時、全面的信息顯得十分必要而迫切。

空氣質(zhì)量預報是一項復雜的系統(tǒng)工程，是當今環(huán)境科學研究的熱點與難題[6]。按預報的方法劃分，城市空氣污染預報可分為潛勢預報、統(tǒng)計預報和數(shù)值模擬預報。數(shù)值預報以其完善的理論基礎、合理的模式設計、定時定量的預報效果成為空氣污染預報的發(fā)展趨勢。與潛勢預報、統(tǒng)計預報相比，空氣質(zhì)量數(shù)值預報涉及多尺度范圍（城市尺度及天氣尺度）、多種污染物（幾十種物質(zhì)的化學反應）、多種過程（污染物輸送、擴散、化學轉(zhuǎn)化以及清除過程）、高時空分辨率特性（數(shù)千米分辨的污染物小時濃度變化）等方面的先進預報技術[7]。

氣溶膠模型是空氣質(zhì)量預報模式重要組成部分，從20世紀80年代開始發(fā)展[8]，用模式模擬大氣氣溶膠尺度、化學組成的變化要比模擬氣態(tài)污染物的變化復雜得多，模式在處理氣溶膠時就要考慮如何去表征粒子的總數(shù)、總質(zhì)量和粒子尺度分布和不同大小粒子的化學組分，以及粒子的主要物理、化學過程[9]。圖1顯示了模擬氣溶膠的流程。

圖1 氣溶膠模擬流程

城市空氣質(zhì)量數(shù)值模式在北美和歐洲已有幾十年的發(fā)展歷史，國外常用的模式有美國的CMAQ和CAMx，加拿大的MC2-CALGRID，德國的EURAD，英國的“Your Air”系統(tǒng)等。我國的空氣質(zhì)量預報工作起步較晚，基礎研究基本處于被動跟蹤狀態(tài)[5]。20 世紀 80年代，北京、沈陽、蘭州、天津、南京等城市通過統(tǒng)計方法來預測城市內(nèi)空氣質(zhì)量。20 世紀 90 年代，城市空氣質(zhì)量的數(shù)值預報模型也有所發(fā)展。2000 年開始，中國環(huán)境監(jiān)測總站組織 47 個環(huán)境保護重點城市開展城市環(huán)境空氣質(zhì)量預報工作，僅少數(shù)城市進行數(shù)值預報。環(huán)發(fā)[2000]231號推薦的中國氣象科學研究院CAPSS城市大氣污染數(shù)值預報系統(tǒng)，不依賴城市污染源排放清單，盡管增加了臭氧預報，但無化學過程對PM2.5無法模擬預報。進入21世紀以來，大氣環(huán)境問題特別是重污染預報預警引起國內(nèi)外專家及政府官員的廣泛重視。2013年頒布的《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2013〕37號）也明確要求環(huán)境保護部門要加強與有關部門的合作，建立重污染天氣空氣質(zhì)量監(jiān)測預警體系。鑒于此，近兩年數(shù)值預報模式在北京、上海、廣州、沈陽等許多城市蓬勃開展。筆者選取了當前國內(nèi)幾種通用的PM2.5數(shù)值預報模式作了簡單的評述并介紹了其在不同地區(qū)應用，探討了我國城市大氣污染預報模式的存在問題及發(fā)展方向，揭示了數(shù)值模式對空氣質(zhì)量預報的意義。

廣州廣州市環(huán)境監(jiān)測中心2013年8月內(nèi)部正式預報CMAQ+CAMx+NAQPMS

天津天津市環(huán)境監(jiān)測中心2013年11月正式預報AUROAR

重慶重慶市環(huán)境監(jiān)測中心籌備階段CMAQ+CAMx+NAQPMS

濟南濟南市環(huán)境監(jiān)測中心2013年12月正式預報CUACE

石家莊大氣預警中心籌備階段NAQPMS

杭州杭州市環(huán)境監(jiān)測中心2013年12月正式預報WRFCHEM

南京南京市環(huán)境監(jiān)測中心2001年API預報，2013年AQI預報CMAQ+CAMx+WRFCHEM

沈陽沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心2013年11月正式預報無

2.1北京市空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)

早在2001年，北京市就開展了空氣質(zhì)量數(shù)值預報，2008年以舉辦北京奧運會為契機，完成了北京市空氣質(zhì)量預報技術框架的系統(tǒng)性升級，主要包括動態(tài)統(tǒng)計預報系統(tǒng)的開發(fā)及應用，綜合預報業(yè)務平臺的建設和應用和數(shù)值預報模型的搭建。數(shù)值預報集合模式系統(tǒng)包括中國科學院大氣物理所自主開發(fā)的NAQPMS模式，美國環(huán)保署（EPA）的CMAQ模式及美國Environ公司的CAMx模式；系統(tǒng)采用統(tǒng)一的模式區(qū)域設置，使用統(tǒng)一污染排放清單及SMOKE模式處理排放源，并由統(tǒng)一氣象模式MM5驅(qū)動，網(wǎng)格區(qū)域設置四重嵌套，第一層覆蓋中國地區(qū)，第二層覆蓋華北地區(qū)，第三層覆蓋京津冀地區(qū)，第四層覆蓋北京市。圖2顯示了該數(shù)值模式預報系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。

圖2 北京空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)框架[18]

各空氣質(zhì)量模式在不同站點模擬效果各有特點，為優(yōu)化空氣質(zhì)量預報結(jié)果，采用算術集合平均、權重集成方法等方法發(fā)布數(shù)值預報結(jié)果；計算各種統(tǒng)計參數(shù)檢驗該空氣質(zhì)量數(shù)值預報水平。經(jīng)業(yè)務應用研究表明，該模式預警預報結(jié)果正確率在80%以上?？紤]目前各種污染預報方法都沒有絕對的優(yōu)勢，因此對各種預報方法進行綜合集成，即污染潛勢預報→統(tǒng)計預報數(shù)值預報→重污染日指標判據(jù)→重污染日統(tǒng)計預報方程→綜合預報結(jié)果→重污染日預警發(fā)布，建立了基于中尺度氣象模式預報產(chǎn)品基礎上的北京重污染預警技術業(yè)務流程，以求更加精確識別和預報重污染過程的時間及成因。

2.2上海市空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)

上海市于2010年借助世博會建設了預報技術體系，并在近兩年的工作中加以完善。多模式體系的組成包含氣象模式、集成數(shù)值預報模式、統(tǒng)計模式，輔以各類觀測和信息化工具，最終形成對空氣質(zhì)量的預報能力（圖3）。上海市的空氣質(zhì)量預報工作由上海市環(huán)境監(jiān)測中心的大氣環(huán)境監(jiān)測室與信息技術部聯(lián)合開展，2013年成立了“長三角區(qū)域空氣質(zhì)量預測預報中心”，同時執(zhí)行區(qū)域中心的職能。2013年8月1日內(nèi)部試報，9月1日起，上海市環(huán)境監(jiān)測中心正式對外發(fā)布AQI預報。上海市的空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)在世博會的基礎上進一步優(yōu)化改進，融合近年新加入的技術方發(fā)，形成由4個部分（多模式集合預報系統(tǒng)、秸稈禁燒預警系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)、聯(lián)合會商系統(tǒng)）組成的業(yè)務系統(tǒng)。

圖3 上?？諝赓|(zhì)量模式預報系統(tǒng)框架[19]

43卷7期

程念亮等我國城市PM2.5數(shù)值預報簡述

2.3南京市空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)

為迎接南京青奧會同時建立城市的預報能力，南京市建設了空氣質(zhì)量和灰霾天氣的預報系統(tǒng)。預報方法也主要包括潛勢預報、統(tǒng)計預報和數(shù)值預報。潛勢預報以天氣形勢及其氣象要素指標為依據(jù)，對未來大氣環(huán)境質(zhì)量狀況進行定性或半定量的預報。統(tǒng)計預報主要采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型法，拓撲結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層。BP 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是通過確定網(wǎng)絡層數(shù)、每層節(jié)點數(shù)、傳遞函數(shù)、初始權系數(shù)、學習算法來確定的。數(shù)值預報主要以WRF-CHEM、WRF-CMAQ、RegAEMS、NJU_CAQPS為基礎，加以必要的改進和完善，構(gòu)建了城市/區(qū)域灰霾天氣和空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)（圖4）。南京市環(huán)保局早在2014年11月1日就在官網(wǎng)正式上線了空氣質(zhì)量預報，預報當天00：00～次日00：00的空氣質(zhì)量狀況、等級和首要污染物，統(tǒng)計的準確率在70%左右。

圖4 南京空氣質(zhì)量模式預報系統(tǒng)框架[20]

3問題與展望

目前我國大氣污染預報模式系統(tǒng)的研究得到了很大的發(fā)展，與國外相比仍存在污染源清單資料、模式預報的準確率不夠等問題。我國目前仍然面臨著大氣環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，必須進一步發(fā)展大氣環(huán)境數(shù)值模式。

一是建立完善的污染預報系統(tǒng)。目前國內(nèi)預報模式存在的污染源清單誤差大、預報項目少、覆蓋范圍有限、預報精度低等問題，需要進一步研究解決；模式預報結(jié)果的檢驗也是城市空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)的一個重要組成部分，可發(fā)展其評估模式，評價其與實測值空間分布及時間變化符合程度，提高其在重污染過程中精細化預報效果。

二是要不斷拓展大氣環(huán)境模擬預報研究的新領域。一些新的研究技術及領域如多模式集合預報技術，污染源同化技術，氣溶膠微物理過程研究等也帶來諸多新思想與新挑戰(zhàn)。

三是圖形界面化和預報產(chǎn)品的研發(fā)。多樣化的預報模式及產(chǎn)品提供的參考信息較為豐富，可為公眾出行和政府決策提供及時、準確的預報預警依據(jù)。

四是與其他技術相結(jié)合如與3S技術、GIS技術。遙感技術以空間為信息獲取平臺，具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低，且便于進行長期的動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，此外還能發(fā)現(xiàn)用常規(guī)方法往往難以揭示的污染源及其擴散的狀態(tài)。通過GIS技術可以在網(wǎng)絡上點擊關注區(qū)域空氣監(jiān)測點位的當前空氣質(zhì)量狀況信息及不同時間尺度的預報信息。預報模式與其他技術相結(jié)合能較好地為預警預報工作提供更加詳細的參考依據(jù)，同時可為管理部門生成不同形式的預報預警產(chǎn)品信息。

五是數(shù)值預報與主觀經(jīng)驗相結(jié)合。數(shù)值預測模式自動計算生成的預測結(jié)果，主要受模式本身設置和性能所影響。主觀經(jīng)驗指預報人員依據(jù)以往積累的認識并結(jié)合其他輔助資料得出的預報結(jié)論，不確定因素更多，也存在偶然性，但預報結(jié)果相對更接近實際情況。最終對管理和公眾提供的預報結(jié)果則是客觀和主觀的結(jié)合，同時盡可能滿足各類需求。

六是完善相應規(guī)范及要求。國內(nèi)開展的城市空氣質(zhì)量預報未形成相應的規(guī)范和要求，工作多是自主開展。在特定時期和一般時期內(nèi)需求和關注程度波動較大，難以形成持續(xù)的推動力。此外，氣象部門一直積極爭取空氣質(zhì)量預報業(yè)務。需求和壓力迅速膨脹，推動環(huán)保部門必須發(fā)揮主觀能動性，利用已有優(yōu)勢，開展服務公眾和管理部門的預報工作，規(guī)范化的工作方式和健全的考評制度更是非常必要的，需抓緊完善。

七是預報與管理相結(jié)合。模式預報的最終目的是為社會公眾提供環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警信息服務，為環(huán)境管理部門提供空氣污染防控決策信息支持，為重點區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控和應急響應提供技術保障，這就需要將預報與管理結(jié)合起來，進一步做好重污染精細化預報工作。

八是繼續(xù)加強預報隊伍建設，加大人才隊伍建設，整合站內(nèi)技術力量集智攻關，并不斷深化與有關科研院校的戰(zhàn)略合作，才能以此為基礎完成環(huán)境質(zhì)量預報預警中心建設。

2015年1月1日起，環(huán)保部正式發(fā)布空氣質(zhì)量新標準第三階段所有點位的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。全國338個地級及以上城市共1 436個監(jiān)測點位，將全部開展空氣質(zhì)量新標準監(jiān)測。監(jiān)測布點不是一項簡單的工作，需要充分考慮公眾主觀感受。我國幅員遼闊，不可能短時間內(nèi)建立起像美國完善的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡；而空氣質(zhì)量預報模型作為一種極其有效的研究工具，可實現(xiàn)多尺度多過程的數(shù)值模擬，可模擬預報不同季節(jié)不同區(qū)域PM2.5濃度及變化趨勢，可得到不同站點的背景濃度和預測濃度，通過源解析模型可獲得各種污染物來源，可獲得不同情景區(qū)域內(nèi)點源、面源和移動源的模擬結(jié)果。通過充分利用監(jiān)測和模擬預報的結(jié)果，為管理部門提供全面有效的信息，進而采取必要的應急措施以最大限度減輕PM2.5污染的不利影響。結(jié)合不同氣象條件下不同地區(qū)PM2.5濃度，政府可制定頒布具有高約束力和強制性的排放標準，從而改善區(qū)域空氣質(zhì)量，由此可見做好空氣質(zhì)量預報工作具有十分重要的意義！工作中應注意不能單純地強調(diào)PM2.5預報，還應繼續(xù)做好多項污染物協(xié)同減排的工作。

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