曾 鈺，黃鐘霆，彭慶慶

（湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙410014）

1 引言

目前，國內(nèi)環(huán)境問題日漸突出，大氣環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度提高。開展城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作[1]，可以及時(shí)、準(zhǔn)確和全面地提供未來城市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，有著較好的社會(huì)意義和環(huán)境效益。既可以保護(hù)城市居民的身心健康，指導(dǎo)居民的日?；顒?dòng)和行為，同時(shí)能夠促進(jìn)人類社會(huì)健康事業(yè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，使人們采取必要的控制和防范措施，減輕大氣污染對自然生態(tài)環(huán)境和人們生活質(zhì)量的影響[2，3]。

城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)在各省、市蓬勃發(fā)展[4]。自1997年以來，國內(nèi)大中城市：上海、廣州、北京、天津、沈陽、重慶、南昌等城市先后開展了空氣污染氣象條件或污染濃度預(yù)報(bào)，并通過媒體向公眾發(fā)布[5，6]。隨著2013年國務(wù)院頒布的《大氣污染防治條例》明確提出：建立重污染預(yù)警機(jī)制，全國各省、市紛紛開始建設(shè)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)。空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)以數(shù)值預(yù)報(bào)模型為體系支撐，集成污染排放源清單（SMOKE）、氣象場（MM5）和 數(shù) 值 預(yù) 報(bào) 模 型 （CMAQ/CAMx/NAQPMS等）。

由于，數(shù)值預(yù)報(bào)模型以源清單為基礎(chǔ)，同時(shí)，各省市建設(shè)進(jìn)度不一，不少地方尚未對本地污染源清單進(jìn)行編制，通用國家大尺度污染源清單。因此，本文將基于大尺度源清單下CMAQ預(yù)報(bào)模型適用性進(jìn)行研究。

2 CMAQ發(fā)展及應(yīng)用

CMAQ預(yù)報(bào)模式又稱公共多尺度空氣質(zhì)量模式（Community Mutiscale Air Quality Model）是由美國環(huán)保署（EPA）開發(fā)的第三代空氣質(zhì)量模型，具有局地、城市、區(qū)域和大陸等多種尺度的模擬能力。CMAQ由美國環(huán)保局于1998年6月首次發(fā)布，經(jīng)過十幾年的研究發(fā)展，已經(jīng)更新到5.0.1版本[7，8]。CMAQ 模型模擬系統(tǒng)基于“一個(gè)大氣”理念，其采用多模塊集成的組織結(jié)構(gòu)和多尺度嵌套的三維歐拉網(wǎng)格設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種大氣污染物（如O3、顆粒物、SO2）以及各種大氣污染問題（光化學(xué)污染、灰霾、酸沉降）的模擬。CMAQ在模擬過程中能將天氣系統(tǒng)中、小尺度氣象過程對污染物的輸送、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化和遷移過程的影響融為一體考慮，同時(shí)兼顧了區(qū)域與城市尺度之間大氣污染物的相互影響以及污染物在大氣中的氣相各種化學(xué)過程，包括液相化學(xué)過程、非均相化學(xué)過程、氣溶膠過程和干濕沉積過程對濃度分布的影響[9，10]。CMAQ模型模擬系統(tǒng)主要有5個(gè)模塊（圖1）。

（1）初始條件計(jì)算模塊（ICON）：用于計(jì)算模型模擬第一個(gè)時(shí)間步長即在一定時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)量（包）跨越長度（間隔）的污染物濃度；

（2）邊界條件計(jì)算模塊（BCON）：用于計(jì)算模型模擬網(wǎng)格邊界污染物濃度；

（3）光解速率常數(shù)計(jì)算模塊（JPROC）：用于計(jì)算主要化學(xué)物種晴空光解速率；

（4）核心化學(xué)傳輸模塊（CCTM）：用于計(jì)算模擬網(wǎng)格污染物小時(shí)濃度。

3 排放源清單對CMAQ影響

影響預(yù)報(bào)結(jié)果的兩個(gè)關(guān)鍵因素是區(qū)域源清單的準(zhǔn)確性和氣象條件的影響。CMAQ的數(shù)值計(jì)算所需的氣象場由氣象模型提供，如中尺度氣象模型 MM5（Fifth－Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model）和WRF（Weather Research and Forecasting Model）；所需的源清單由排放處理模型提供，如SMOKE（Sparse Matrix Operator Kernel Emissions）等。

一般源清單需要經(jīng)過多輪優(yōu)化后才能滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)需要，而源清單逐步細(xì)化工作本身也需要能夠動(dòng)態(tài)的和業(yè)務(wù)化的進(jìn)行。包括四個(gè)內(nèi)容，污染物年排放量計(jì)算：完成對本地污染源、污染物信息的收集整理，確定計(jì)算源排放清單所需的各種參數(shù)，完成年排放量的計(jì)算；網(wǎng)格處理：根據(jù)MM5網(wǎng)格設(shè)置要求，將年排放量分配到每個(gè)網(wǎng)格中；嵌套處理：將大尺寸、中尺寸和小尺寸源排放清單進(jìn)行嵌套處理，形成完整的、一致的源排放清單；排放清單處理：完成空間分配、時(shí)間分配、空間分配、化學(xué)物種分配計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成符合CMAQ模型要求的數(shù)據(jù)格式。

4 基于全國清單CMAQ使用介紹

4.1 評估原理

根據(jù)不同機(jī)構(gòu)研究與多個(gè)城市應(yīng)用表明，雖然污染源轉(zhuǎn)化機(jī)理與時(shí)空特征十分復(fù)雜，不同分辨率的源清單對CMAQ預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率存在一定影響，污染濃度預(yù)報(bào)量與實(shí)況相比存在一定的（系統(tǒng)性）誤差，但是CMAQ對污染物區(qū)域分布及其變化趨勢雖具有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，同時(shí)在采用全國源清單下有著較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。CMAQ在上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)等重大賽事空氣質(zhì)量保證任務(wù)中都有應(yīng)用[11]。本文采用標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差（NMB）與標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差（NME）、均方根誤差（RMSE）評估模擬結(jié)果與實(shí)測值的吻合程度，定義如下：

其中Cm是模擬值，Co是觀測值。NMB反映的是各模擬值與實(shí)測值的平均偏離程度，NME反映的是平均絕對誤差，是兩個(gè)沒有量綱的統(tǒng)計(jì)量，RMSE反映模擬值與監(jiān)測值的偏離程度，是一個(gè)有量綱的統(tǒng)計(jì)量，它們越接近0，表明模擬效果越好。同時(shí)，使用相關(guān)系數(shù)R來表征模擬結(jié)果與實(shí)測值之間變化趨勢的吻合程度，其越接近1，表明模擬效果越好。平均偏差MB與均方根誤差RMSE反映了模擬值和觀測值之間的偏差和誤差大小，其絕對值越小表明數(shù)值模擬結(jié)果與觀測結(jié)果越接近，模擬效果越好；歸一化標(biāo)準(zhǔn)因子NMB，NME考慮了不同濃度水平下模擬與觀測的差異，反映了模擬值與觀測值之間相對偏差和誤差的大小，一般情況下，如果二者均小于50%，則認(rèn)為模型模擬效果較好（Eder et al.，2007；Kang et al.，2007）。

4.2 使用介紹

4.2.1 浙江省站預(yù)報(bào)系統(tǒng)

浙江全省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)平臺(tái)中采用了WRFCMAQ模式組合，最外層和華東區(qū)域采用2010年全國源清單，尺度為城市尺度。通過與實(shí)測值對比，發(fā)現(xiàn)WRF－CMAQ的相對預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高，等級預(yù)報(bào)準(zhǔn)確可以達(dá)到80%左右。

以2015年1月1日至20日的污染過程預(yù)報(bào)為例。元旦過后杭州經(jīng)歷了三次主要污染過程，浙江省空氣質(zhì)量日報(bào)預(yù)報(bào)平臺(tái)均準(zhǔn)確做出了預(yù)報(bào)和公眾發(fā)布，并能結(jié)合立體監(jiān)測、預(yù)報(bào)結(jié)果和氣象數(shù)據(jù)，對污染成因給出科學(xué)的分析。就19日凌晨至上午的這次污染過程，顆粒物主要是由硫酸鹽銨鹽和二次有機(jī)物構(gòu)成，主要是由于高空垂直輸送和本地二次光化學(xué)過程共同作用產(chǎn)生，說明來自外地的影響較大。

4.2.2 北京市監(jiān)測中心數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

北京市環(huán)境監(jiān)測中心采用CMAQ數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)對2013年1月至12月期間的6種污染物包括PM10、SO2、NO2等污染物的日均模擬值與實(shí)測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。6種污染物的預(yù)報(bào)濃度與實(shí)測濃度相關(guān)系數(shù)在0.427～0.731之間，其中 CO相關(guān)性最好，能達(dá)到0.731，SO2相關(guān)系數(shù)較差，為0.427[12]。

4.2.3 上海市監(jiān)測站數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

上海使用CMAQ數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式統(tǒng)計(jì)分析在2009年9月～2010年2月期間各污染物包括PM10、SO2和NO2日均API模擬值的，并對比分析模擬值與檢測值[13]。根據(jù)分析研究，在此期間，CMAQ－4.6，在2009年9～11月期間PM10日均API模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.6之間。對SO2而言，無論秋季還是冬季，各模式對SO2日均值的模擬均有所高估，且冬季高估比例要小于秋季。對NO2而言，秋冬季各模式的模擬性能也有所不同，秋季各模式對NO2日均API模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)。

CMAQ數(shù)值模型對上海市國控點(diǎn)在2013年10月至2014年1月的PM2.5日均濃度值進(jìn)行對比分析。通過對比實(shí)測值與預(yù)報(bào)值，CMAQ數(shù)值預(yù)報(bào)能夠較好地模擬出PM2.5濃度隨時(shí)間的變化趨勢。相對而言，在PM2.5濃度處于較低濃度時(shí)，CMAQ模擬值與實(shí)測值也較為接近，模擬情況較好。偏差主要出現(xiàn)在模擬與實(shí)測峰值附近，研究發(fā)現(xiàn)CMAQ模擬的峰值濃度往往遠(yuǎn)小于實(shí)測值?？傮w而言，CMAQ數(shù)值模式預(yù)報(bào)的各個(gè)月份模擬值與觀測值的標(biāo)準(zhǔn)平均誤差在29%～46%之間。從MB、MSE，NMB及NME四個(gè)數(shù)據(jù)來看，CMAQ的預(yù)報(bào)結(jié)果較為準(zhǔn)確，模擬值在可接受的誤差范圍內(nèi)[11]。CMAQ數(shù)值預(yù)報(bào)模式模擬結(jié)果基本能夠反映上海市PM2.5的濃度狀況和變化趨勢，能夠較好地為上海市城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)。

4.2.4 福州市監(jiān)測站系統(tǒng)

福州市利用CMAQ模型對2010年7～12月本市各污染物濃度進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對預(yù)報(bào)效果進(jìn)行分析研究，根據(jù)預(yù)報(bào)等級與實(shí)測對比，發(fā)現(xiàn)CMAQ模型對福州市2010年7～12月PM10的污染指數(shù)等級預(yù)報(bào)正確率達(dá)到了71.3%，對SO2和NO2的級別預(yù)報(bào)正確率更是達(dá)到了100%，日預(yù)報(bào)綜合評分平均達(dá)88.8分[14]，福州市數(shù)值模型預(yù)報(bào)能力較好，能夠有效指導(dǎo)城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

4.2.5 珠三角CMAQ預(yù)報(bào)系統(tǒng)

珠三角利用CMAQ模式對本地區(qū)臭氧進(jìn)行研究。研究表明，CMAQ數(shù)值模式能夠較好地模擬出珠江三角洲研究期間大多數(shù)站點(diǎn)的臭氧濃度水平和變化趨勢，模式的模擬結(jié)果具有很高的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R為0.92），能較好地適用于珠江三角洲地區(qū)的光化學(xué)煙霧污染的模擬、預(yù)報(bào)與控制研究[15]。雖然CMAQ模擬濃度值總體上略低估實(shí)測濃度值（月均濃度值43.0×10－9V/V，NMB為 －8.5%，NME 為36.8%），但 是CMAQ模式在反映臭氧濃度的變化趨勢一致性較好，還是具有一定參考性的。

4.2.6 鄭州預(yù)報(bào)系統(tǒng)

鄭州市使用CMAQ系統(tǒng)對2004年12月8～24日，共計(jì)15d的SO2和NO2小時(shí)濃度預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果（8次/d）進(jìn)行對比分析[16]。由于CMAQ模式的預(yù)報(bào)結(jié)果為格點(diǎn)值，需要經(jīng)線性內(nèi)插后才能得到鄭州市的預(yù)報(bào)值。經(jīng)過處理分析，對于120h濃度樣本的預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)監(jiān)測值對比，研究發(fā)現(xiàn)其觀測值與預(yù)報(bào)值是極顯著相關(guān)的。兩者的日變化趨勢大體上是一致的，其中SO2和NO2日均濃度相關(guān)分別為0.59和0.62，預(yù)報(bào)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為7.05和4.55。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)浙江、北京、上海、福州、珠三角和鄭州等省市的模型應(yīng)用分析，浙江省等級預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)80%，北京市6種污染物預(yù)報(bào)值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)在0.4～0.8之間，上海市PM10日均API模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系統(tǒng)在0.5～0.6之間，福州、鄭州和珠三角使用CMAQ對部分污染物濃度預(yù)報(bào)有著較高的準(zhǔn)確率。由此可見，CMAQ模型預(yù)報(bào)等級準(zhǔn)確率較好，濃度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率次之。由此可見，基于全國源清單下CMAQ模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較好。

（2）雖然污染源變化和時(shí)空特征十分復(fù)雜，由于模式采用的平均源排放清單難以精細(xì)、客觀描述預(yù)報(bào)區(qū)域污染源強(qiáng)度不同尺度的時(shí)空變化，不同城市應(yīng)用CMAQ模式對空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析結(jié)果表明該模式對空氣污染濃度預(yù)報(bào)量與實(shí)況相比存在較為明顯的“系統(tǒng)性”誤差，但整體而言，CMAQ對多類污染物不同尺度“面空間”分布及其變化傾向具有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力。

（3）目前，各省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)推進(jìn)程度不一，水平差異較大。不少省份尚未編制本地污染源清單，可供使用為全國城市尺度去混清單。本文對基于全國源清單CMAQ模型對空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)能力進(jìn)行探究，根據(jù)不同城市案例分析，CMAQ模型預(yù)報(bào)能力較強(qiáng)，能有效指導(dǎo)省、市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)展開。在部分還沒有開展地方源清單編制的地區(qū)，使用全國源清單CMAQ模型。

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