胡 鳴，趙倩彪，伏晴艷

上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海 200235

我國(guó)自2001年啟動(dòng)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)發(fā)布以來(lái)，已開(kāi)展了多種預(yù)報(bào)手段的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并基本形成了由潛勢(shì)預(yù)報(bào)模式、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式和數(shù)值預(yù)報(bào)模式相結(jié)合的空氣污染預(yù)報(bào)系統(tǒng)框架［1-2］。隨著空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化發(fā)展，各地也建立相應(yīng)的預(yù)報(bào)考核評(píng)估方法或系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)不同預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)效果［3-9］，以進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的服務(wù)工作，不斷提高預(yù)報(bào)質(zhì)量和預(yù)報(bào)水平，但主要基于空氣污染指數(shù)(API)的預(yù)報(bào)考評(píng)。國(guó)內(nèi)較為公認(rèn)的評(píng)分辦法主要包括指數(shù)評(píng)分辦法和級(jí)別判定評(píng)分辦法［10］，對(duì)API的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度、級(jí)別判定、預(yù)報(bào)值與監(jiān)測(cè)值的相關(guān)性進(jìn)行分析和評(píng)判。

2012年，環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)頒布［11-12］后，新增污染監(jiān)測(cè)因子和實(shí)時(shí)發(fā)布等要求使空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的難度不斷加大［13］，舊的預(yù)報(bào)評(píng)分方法也難以與新的預(yù)報(bào)內(nèi)容匹配，特別是針對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預(yù)報(bào)的考核評(píng)分尚屬空白。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，并結(jié)合上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布的特點(diǎn)，編制了一套環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分方法，以定量化反映預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)度，從而科學(xué)、針對(duì)性地改進(jìn)預(yù)報(bào)方法，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。同時(shí)，利用該方法對(duì)2013年9月以來(lái)的上海市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證。

1 考核評(píng)分內(nèi)容

應(yīng)環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，上海市于2012年11月正式對(duì)外發(fā)布空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)和實(shí)時(shí)報(bào)，包括 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36項(xiàng)污染物指標(biāo);2013年9月1日起發(fā)布未來(lái)24 h空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息，并分為3個(gè)時(shí)段:當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)、次日下午(12:00—20:00)。因此，預(yù)報(bào)考核評(píng)分的時(shí)段也與之對(duì)應(yīng)，并考慮日均值(0:00至次日0:00 24 h平均值)的統(tǒng)計(jì)，評(píng)分中均以污染物的AQI參加計(jì)算。另外，根據(jù)國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分段預(yù)報(bào)僅以O(shè)31 h濃度參照對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算AQI和首要污染物并進(jìn)行評(píng)價(jià)，日?qǐng)?bào)則以O(shè)38 h濃度參照對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算AQI和首要污染物并進(jìn)行評(píng)價(jià)，次日下午的O38 h預(yù)報(bào)結(jié)果不參與該時(shí)段預(yù)報(bào)及考核的計(jì)算。

根據(jù)近5年的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明［14］，上海市SO2和CO的日均值明顯低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)且呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)，故不將CO和SO2納入考核指標(biāo)。綜合考慮，上海市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的考核指標(biāo)包括 PM10、PM2.5、NO2和O3，同時(shí)為體現(xiàn)預(yù)報(bào)的實(shí)效性，評(píng)分方法重點(diǎn)關(guān)注分段預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。較之過(guò)去僅預(yù)報(bào)3項(xiàng)空氣污染物SO2、NO2和PM10，本考評(píng)方法在增加考核指標(biāo)PM2.5和O3的同時(shí)，又科學(xué)性地篩選出了重點(diǎn)考核指標(biāo)，針對(duì)性強(qiáng)。

每個(gè)時(shí)段的考核評(píng)分方法一致，包括首要污染物的正確性評(píng)分、預(yù)報(bào)級(jí)別的準(zhǔn)確性評(píng)分和預(yù)報(bào)指數(shù)的精度評(píng)分，不同于API預(yù)報(bào)的考核評(píng)分，本方法增加了污染預(yù)報(bào)加分項(xiàng)，強(qiáng)調(diào)對(duì)污染狀況預(yù)報(bào)能力的考核。

2 考核評(píng)分計(jì)算方法

2.1 考評(píng)時(shí)段和評(píng)分權(quán)重

過(guò)去的預(yù)報(bào)考核基于舊標(biāo)準(zhǔn)API的評(píng)價(jià)，僅對(duì)逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，而本考核評(píng)分辦法的評(píng)分時(shí)段參照分時(shí)段預(yù)報(bào):當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)和次日下午(12:00—20:00)3個(gè)時(shí)間段，強(qiáng)化這3個(gè)分時(shí)段的預(yù)報(bào)質(zhì)量權(quán)重，同時(shí)兼顧日均值的考核，即次日的AQI預(yù)報(bào)結(jié)果?？偡諪為分時(shí)段預(yù)報(bào)得分與日均值預(yù)報(bào)得分之和，計(jì)算公式:

式中f分別代表各對(duì)應(yīng)時(shí)段的預(yù)報(bào)得分。

2.2 各時(shí)段得分統(tǒng)計(jì)方法

考慮到空氣質(zhì)量為優(yōu)級(jí)(AQI≤50)和非優(yōu)級(jí)(AQI＞50)時(shí)，有是否存在首要污染物的區(qū)別，而基于API的城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)評(píng)分辦法并沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行區(qū)分。本方法則將這2種情況分開(kāi)討論，按不同的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行評(píng)定。

當(dāng)實(shí)況各指標(biāo)均為優(yōu)等級(jí)(IAQI≤50)時(shí):

式中f2為級(jí)別準(zhǔn)確性評(píng)分，f4為所有參與考核指標(biāo)的精度評(píng)分的平均，f0為污染附加分。

當(dāng)實(shí)況各指標(biāo)存在非優(yōu)等級(jí)(IAQI＞50)時(shí):

式中f1為首要污染物正確性評(píng)分，f3為首要污染物(以實(shí)況為準(zhǔn))空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評(píng)分。

2.2.1 首要污染物正確性評(píng)分

當(dāng)實(shí)況為非優(yōu)級(jí)的情況下，考慮首要污染物的預(yù)報(bào)正確與否:如果預(yù)報(bào)首要污染物和實(shí)況完全相同，得100分;如果預(yù)報(bào)首要污染物和實(shí)況完全不同，得0分;由于空氣污染物考核指標(biāo)的增加，可能同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，若預(yù)報(bào)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，實(shí)況首要污染物為其中一項(xiàng)，得分為 f1=100×1/N預(yù)報(bào)(N預(yù)報(bào)為預(yù)報(bào)污染物個(gè)數(shù));如果實(shí)況出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，預(yù)報(bào)為其中一項(xiàng)，得100分。

2.2.2 級(jí)別準(zhǔn)確性評(píng)分

根據(jù)分時(shí)段的預(yù)報(bào)發(fā)布內(nèi)容和該時(shí)段實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)變化的符合程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)布內(nèi)容分為基本級(jí)別描述和變化趨勢(shì)描述。對(duì)級(jí)別描述的評(píng)價(jià)分為完全準(zhǔn)確、部分準(zhǔn)確(跨1個(gè)級(jí)別)和不準(zhǔn)確(跨2個(gè)級(jí)別以上)，實(shí)況的級(jí)別判定為該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)頻次最多的相鄰2個(gè)級(jí)別(或1個(gè)級(jí)別)。

如果實(shí)況的基本級(jí)別完全被預(yù)報(bào)的基本級(jí)別覆蓋，則判定為完全準(zhǔn)確，得100分;如果實(shí)況的基本級(jí)別部分被預(yù)報(bào)的基本級(jí)別覆蓋，其他時(shí)間和預(yù)報(bào)基本級(jí)別之間有一級(jí)的差別，則判定為部分準(zhǔn)確，得50分;如果實(shí)況的基本級(jí)別完全沒(méi)有被預(yù)報(bào)的基本級(jí)別覆蓋，和預(yù)報(bào)基本級(jí)別之間有2個(gè)級(jí)別(含)以上的差別，則判定為不準(zhǔn)確，得0分。

API評(píng)價(jià)的分級(jí)及濃度限值較為寬松，一般很少出現(xiàn)跨2個(gè)級(jí)別(含)以上的情況，而新標(biāo)準(zhǔn)以AQI方法作評(píng)價(jià)，收嚴(yán)濃度限值標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，級(jí)別間的濃度跨度也減小，如PM2.5從50 μg/m3到200 μg/m3變化已跨4個(gè)級(jí)別(良到重度污染)。特別是上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布為解決AQI的滯后效應(yīng)，顆粒物以1 h的平均濃度取代24 h滑動(dòng)平均濃度，當(dāng)顆粒物濃度出現(xiàn)急劇變化時(shí)，跨級(jí)現(xiàn)象較為明顯。故本考評(píng)方法增加污染變化趨勢(shì)描述項(xiàng)得分，規(guī)定如果實(shí)況的級(jí)別出現(xiàn)跨2個(gè)級(jí)別以上，則需要對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行描述。變化趨勢(shì)的判定為該時(shí)間段內(nèi)除基本級(jí)別以外出現(xiàn)的其他級(jí)別。如果實(shí)況需要變化趨勢(shì)描述而預(yù)報(bào)沒(méi)有，在基本級(jí)別得分的基礎(chǔ)上扣20分;如果實(shí)況不需要變化趨勢(shì)描述而預(yù)報(bào)有，在基本級(jí)別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實(shí)況需要變化趨勢(shì)描述，且其最高/最低級(jí)別與預(yù)報(bào)描述相符，在基本級(jí)別得分的基礎(chǔ)上加20分;如果實(shí)況需要變化趨勢(shì)描述，且其最高/最低級(jí)別與預(yù)報(bào)描述差一級(jí)，在基本級(jí)別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實(shí)況需要變化趨勢(shì)描述，且其最高/最低級(jí)別與預(yù)報(bào)描述差2個(gè)級(jí)別(含)以上，在基本級(jí)別得分的基礎(chǔ)上扣20分。

2.2.3 空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度評(píng)分

各污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)精度是根據(jù)預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的差別計(jì)算得到，如果差別過(guò)大出現(xiàn)得分為負(fù)數(shù)的情況，則以0分代替，具體計(jì)算公式:

式中i為納入評(píng)價(jià)范圍的各項(xiàng)污染物，f4的得分為所有f4i的平均值。當(dāng)實(shí)況為非優(yōu)級(jí)時(shí)，存在首要污染物空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評(píng)分f3，計(jì)算方法同f4，但提高了首要污染物的考評(píng)權(quán)重得分。

2.2.4 污染附加分

當(dāng)實(shí)況出現(xiàn)輕度及以上污染時(shí)，進(jìn)行AQI附加分評(píng)定，并加入各段的總評(píng)分。實(shí)況和預(yù)報(bào)等級(jí)對(duì)應(yīng)得分f0見(jiàn)表1，隨著污染程度的加劇，f0加大，實(shí)況與預(yù)報(bào)級(jí)別差別越大，相應(yīng)的f0越小，即扣分越多。由于考評(píng)更側(cè)重于對(duì)污染及污染趨勢(shì)的判斷，漏報(bào)比空?qǐng)?bào)的扣分適當(dāng)加重。

表1 實(shí)況和預(yù)報(bào)等級(jí)對(duì)應(yīng)得分

3 考核評(píng)分的應(yīng)用分析

應(yīng)用該考核評(píng)分系統(tǒng)，對(duì)上海市2013年9月1日至12月31日的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了考核。圖1顯示的是總體得分的比例分布，主要集中在50～90分，其中71～80分的比例最高，達(dá)22%。得分情況基本呈負(fù)偏態(tài)分布，考慮到目前基于AQI的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作尚處于起步階段，本方法作為預(yù)報(bào)水平的基本考核科學(xué)適用。隨著預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，基于本方法的考核得分將提高，得分將更趨于合理化分布。

圖1 總體得分比例分布

從不同AQI等級(jí)的考評(píng)得分情況(圖2)來(lái)看，總體得分50～80分，優(yōu)級(jí)時(shí)段的得分最低，平均為59.5分;嚴(yán)重污染時(shí)段的得分最高，平均為75.1分，其次是等級(jí)為良的時(shí)段，平均得分為72.7。由于空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度得分計(jì)算與實(shí)況值的大小相關(guān)，在預(yù)測(cè)和實(shí)況差值相同的情況下，實(shí)況值越大，得分越高，可能導(dǎo)致優(yōu)級(jí)時(shí)段的總體考評(píng)得分較低?？紤]到公眾對(duì)于空氣質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)更注重于是否污染以及污染趨勢(shì)如何，該評(píng)分方法也更側(cè)重強(qiáng)調(diào)預(yù)報(bào)員對(duì)于污染趨勢(shì)的判斷。

圖2 不同AQI等級(jí)的考評(píng)得分

4 結(jié)語(yǔ)

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評(píng)分是衡量預(yù)報(bào)水平的客觀依據(jù)，便于對(duì)預(yù)報(bào)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分析，同時(shí)能進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化工作，滿(mǎn)足環(huán)境管理的需要。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)AQI預(yù)報(bào)考核評(píng)分方法的空白，結(jié)合上海市環(huán)境空氣質(zhì)量的特點(diǎn)，制定本預(yù)報(bào)考核評(píng)分方法。該法具有以下特點(diǎn):考慮到預(yù)報(bào)的實(shí)效性，分時(shí)段進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高分時(shí)段的評(píng)分權(quán)重并兼顧日評(píng)價(jià);將優(yōu)級(jí)時(shí)段和非優(yōu)級(jí)時(shí)段分開(kāi)考核，更側(cè)重于對(duì)污染日的評(píng)估，同時(shí)突出首要污染物的權(quán)重，強(qiáng)化對(duì)首要污染的預(yù)報(bào)精確度;增加級(jí)別變化趨勢(shì)的描述評(píng)分以及污染加分項(xiàng)，突出預(yù)報(bào)員對(duì)污染時(shí)段及變化趨勢(shì)的預(yù)報(bào);考評(píng)預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)水平既可以對(duì)某一時(shí)段的預(yù)報(bào)進(jìn)行打分，也可對(duì)一天甚至一周作平均得分考評(píng)。同時(shí)該考評(píng)方法也可用于數(shù)值模式預(yù)報(bào)的驗(yàn)證。

應(yīng)用于上海市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)估，效果理想，貼近預(yù)報(bào)工作的實(shí)效與公眾的感受，有利于對(duì)城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理和考核。從預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)周期而言，可逐步拓展到未來(lái)48 h、72 h或者一周預(yù)報(bào)。該方法也可進(jìn)一步推廣到其他城市地區(qū)，但由于該評(píng)分方法主要針對(duì)上海空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)發(fā)布，其他城市可根據(jù)自身的空氣質(zhì)量狀況和污染特征，適當(dāng)調(diào)整考核指標(biāo)。

［1］王茜，伏晴艷，王自發(fā)，等．集合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)在上海市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(4):1-6．

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［11］GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［12］HJ 633—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)［S］．

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