李紅霞+徐偉嘉+黃建彰

摘要：介紹了法國環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)，其由法國巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）直接負責，在空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)與科研工作方面具有先進與豐富的經(jīng)驗， 并建立了標準化的預(yù)報技術(shù)體系和業(yè)務(wù)流程。指出了ESMERALDA系統(tǒng)是法國包括巴黎大區(qū)在內(nèi)的6個地區(qū)共同開發(fā)和目前正在使用的空氣質(zhì)量預(yù)報和可視化平臺，包括法國自主研發(fā)的CHIMERE模型、小尺度模型和統(tǒng)計多元回歸模型。巴黎大區(qū)AIRPARIF先進的預(yù)報系統(tǒng)和預(yù)報技術(shù)、良好的業(yè)務(wù)運行機制，對國內(nèi)大城市空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報具有很好的啟發(fā)與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：PM2.5；空氣質(zhì)量；污染預(yù)報；空氣質(zhì)量管理中心

中圖分類號：X16

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0025-03

1 引言

我國空氣質(zhì)量的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警，是大氣環(huán)境污染治理工作的基礎(chǔ)。自2012年環(huán)境保護部發(fā)布新的空氣質(zhì)量標準以來，我國重點城市和地區(qū)的PM2.5污染形勢嚴峻，臭氧污染日益突出，廣大市民對頻發(fā)的重污染預(yù)警也提出了更高的要求。近一兩年，從國家級監(jiān)測機構(gòu)到各地監(jiān)測部門都已開始加強預(yù)報能力的建設(shè)，應(yīng)對和滿足公眾和管理的需求。

美國空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較完善，并從多樣化空氣監(jiān)測、區(qū)域污染特性及趨勢分析、突發(fā)應(yīng)急管理、酸沉降與臭氧趨勢分析、光化學煙霧、氣溶膠污染、空氣質(zhì)量預(yù)報、多元污染策略減排、達標與空氣管理、減排效益與健康評估方面實現(xiàn)了全方位的管控[1～3]。此外，由24個歐盟成員國組成的國際性組織歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 簡稱 ECMWF）通過由世界氣象組織（WMO）維護的全球通信網(wǎng)絡(luò)向世界所有國家發(fā)送部分有用的中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，通過將空氣質(zhì)量有關(guān)的資料系統(tǒng)、預(yù)報模式、預(yù)報系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和評估系統(tǒng)等有機地結(jié)合在一起，為政府、企業(yè)和公民提供有力的大氣環(huán)境信息支持和服務(wù)[4～8]。

我國空氣質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)報尚處于起步階段。目前，我國已建成覆蓋全國338個地級市由1398個站點組成的全國城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)并對外提供信息服務(wù)（http：//113.108.142.147：20035/emcpublish），并于2016年1月1日起對外發(fā)布全國京津冀、長三角、珠三角3大區(qū)域、27個省域、46個城市的未來2～3 d空氣質(zhì)量預(yù)報信息（http：//106.37.208.228：8082/）。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站截至2014年4月底的統(tǒng)計結(jié)果（《關(guān)于印發(fā)各地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報開展情況調(diào)查結(jié)果的通知（總站預(yù)報字[2014]02號）》）全國已開展空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)的省級站為11個（北京、天津、上海、江蘇、浙江、福建、山東、湖北、湖南、陜西和青海），省會城市站9個（太原、沈陽、南京、杭州、濟南、武漢、廣州、成都和西安），計劃單列市2個（青島和深圳）。有預(yù)報能力籌建計劃的單位包括15個省級站、省會城市13個以及計劃單列市3個。此外，有10個省級或省會城市站暫無開展預(yù)報工作的計劃或?qū)⒃擁椆ぷ鲃潥w監(jiān)測系統(tǒng)之外的環(huán)境部門負責。在已經(jīng)開展空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)預(yù)報的省市中，采用的技術(shù)架構(gòu)普遍由三部分組成：統(tǒng)計模式、數(shù)值模式以及主觀訂正。其中，統(tǒng)計預(yù)報主要應(yīng)用的是各地研發(fā)的動態(tài)統(tǒng)計預(yù)報模式、采用動力統(tǒng)計修正方法的統(tǒng)計預(yù)報等。數(shù)值預(yù)報則主要以WRF或MM5驅(qū)動的美國CMAQ、CAMx[9，10]、WRF-chem以及中科院大氣所的NAQPMS[11～13]等模式為主，很多地方集成了不止一個數(shù)值模式。

在這種情況下，如何盡快的適應(yīng)當前形勢的發(fā)展、如何提高為環(huán)境管理服務(wù)的水平、如何不斷提升自身的技術(shù)能力、如何更加及時準確地做出預(yù)報預(yù)警、為政府決策提供重要科學依據(jù)，是各省市監(jiān)測中心迫切需要解決的問題。當前解決這一問題最快速有效的方法就是借鑒國外先進科學的預(yù)報系統(tǒng)和技術(shù)手段，本研究以法國AIRPARIF為例詳細闡述了其空氣質(zhì)量預(yù)報體系、模型技術(shù)及其系統(tǒng)建設(shè)情況。

2 AIRPARIF預(yù)報體系

法國巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）成立于1979年，是一家法國環(huán)境部許可的獨立機構(gòu)，現(xiàn)有員工60人，從1990年代開始，直接負責向公眾和管理機構(gòu)提供整個巴黎地區(qū)的空氣質(zhì)量預(yù)報與分析工作，其主要職責有：對包括巴黎市在內(nèi)的巴黎大區(qū)開展空氣質(zhì)量監(jiān)測（人口約1200萬）；每天進行空氣質(zhì)量預(yù)報，給出污染物的空間分布狀況；每天通過互聯(lián)網(wǎng)等方式對市民、媒體、管理部門發(fā)布空氣質(zhì)量信息；對于已經(jīng)實施的或計劃實施的污染控制措施進行評估。AIRPARIF在空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)與科研工作方面具有先進與豐富的經(jīng)驗， 并建立了標準化的預(yù)報技術(shù)體系和業(yè)務(wù)流程。圖1為法國的預(yù)報技術(shù)體系流程圖。

3 AIRPARIF數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)

ESMERALDA系統(tǒng)是法國包括巴黎大區(qū)在內(nèi)的6個地區(qū)共同開發(fā)和目前正在使用的空氣質(zhì)量預(yù)報和可視化平臺。ESMERALDA這個詞為“跨區(qū)域大氣研究”？的法語縮寫。這個跨地區(qū)的預(yù)報平臺從2004年春天著手部署，于2005年5月1日開始連續(xù)運行，2008年增加了顆粒物模塊。目前數(shù)據(jù)的集中處理、計算平臺的運行和維護等工作由6個地區(qū)之一的巴黎大區(qū)空氣質(zhì)量管理中心（AIRPARIF）獨立實現(xiàn)，但是每一個成員單位都可以訪問全部數(shù)據(jù)并且利用該平臺計算自己地區(qū)的污染場景并進行信息發(fā)布。該平臺建設(shè)的目的一方面是為6個地區(qū)提供空氣質(zhì)量預(yù)報和污染分布地圖的信息發(fā)布資料，另一方面也是為了進行跨區(qū)域污染傳輸?shù)哪M研究。

ESMERALDA系統(tǒng)模擬的區(qū)域是一個東西長438 km，南北長552 km的矩形，涵蓋6個地區(qū)（圖2）。這6個地區(qū)人口占法國總?cè)丝诘?8%，氮氧化物、二氧化硫、非甲烷VOC、二氧化碳、可吸入顆粒物、一氧化碳等污染物的排放量分別占法國總排放量的37%、43%、22%、30%、17%和26%。模型系統(tǒng)每天運算并產(chǎn)出前一天、當天和之后一天的污染物濃度分布圖和空氣質(zhì)量指數(shù)地圖，以及每一個單站的預(yù)報結(jié)果?？臻g分布圖的分辨率為6 km，重點地區(qū)的NO2和O3分辨率為3 km。

ESMERALDA系統(tǒng)基于開放源代碼軟件產(chǎn)品建立，全部由AIRPARIF完成定制和二次開發(fā)。系統(tǒng)內(nèi)部采用CHIMERE作為化學傳輸模型（CTM）。氣象場方面采用MM5中尺度氣象預(yù)報模型。污染源清單方面采用9 km分辨率的跨區(qū)域綜合排放清單，機動車排放由HEAVEN系統(tǒng)計算生成。系統(tǒng)目前的硬件運行環(huán)境為基于INTEL Xeon處理器的兩臺并行DELL服務(wù)器。操作系統(tǒng)為CentOS，編譯器采用INTEL處理器優(yōu)化的IFORT。目前運行每天的常規(guī)預(yù)報大約需要6 h。ESMERALDA系統(tǒng)在近期計劃的主要工作包括：評估WRF的適用性、使用CAMx進行源解析以及污染源清單敏感性方面的研究。AIRPARIF預(yù)報業(yè)務(wù)采用ISO9001標準進行質(zhì)量控制，預(yù)報結(jié)果使用R語言進行性能評估。初步的評估結(jié)果顯示模型結(jié)果與實際檢測結(jié)果總體吻合，但是在冬季高污染場景時會出現(xiàn)比較明顯的低估。

3.1 區(qū)域空氣質(zhì)量模型（CHIMERE）

CHIMERE模型是法國研發(fā)的空氣質(zhì)量數(shù)值模型，該模型為三維嵌套歐拉區(qū)域性光化學輸送模式，由來自IPSL/LMD、INERIS和LISA等科研機構(gòu)的工程師聯(lián)合開發(fā)，主要應(yīng)用于對區(qū)域尺度內(nèi)臭氧、氣溶膠及其他污染物的濃度預(yù)測，并可以用來評價污染源控制措施的實施效果。在空間上，CHIMERE可實現(xiàn)從區(qū)域尺度（幾千公里）到城市尺度（100～200 km）范圍的模擬，分辨率可從1 km到100 km，目前主要應(yīng)用在歐洲。從空氣質(zhì)量預(yù)報模型發(fā)展角度看，相對于第三代模型（如Model-3/CMAQ）的多物種模擬而言，該模型主要針對光化學反應(yīng)的氣態(tài)或固態(tài)污染物以及對二次氣溶膠的模擬。

與模型相關(guān)的物理和化學過程包括：水平與垂直輸送，擾動混合，氣溶膠的液相化學和非均相化學模式，凝結(jié)、吸收、聚核等物理過程，二次氣溶膠形成的氣液分配及熱動力學模式，云層對光分解作用的影響，干濕沉降等。AIRPARIF主要將CHIMERE模型用于法國國家區(qū)域尺度模擬，基于MM5的氣象場以及本地排放源處理模塊進行區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)報。

（1）氣象模塊，主要是運用MM5提供的二維和三維預(yù)報結(jié)果，計算出CHIMERE所需的用于計算光化學反應(yīng)，混合、沉降和傳輸?shù)确矫娴膮?shù)。CHIMERE具有自己的水平嵌套和垂直分層，METEO模塊實現(xiàn)MM5與其銜接，即模擬區(qū)域與天氣預(yù)報系統(tǒng)區(qū)域的耦合，包括時間分辨率的插值和空間區(qū)域的擬合。

（2）EMIS模塊。主要負責處理點源、面源數(shù)據(jù)進行整理并執(zhí)行清單輸入文件向CHIMERE認可文件之間的格式轉(zhuǎn)換；交通源和生物源分別采用CONPERT模型與MEGAN模型進行輸入處理。

（3） CHIMERE所需的各種相關(guān)模塊。氣相化學機制MELCHIOR2（含44個物種及120多種反應(yīng)）；水平輸送模塊PPM；全球尺度的邊界條件采用GOCART結(jié)果；區(qū)域尺度邊界條件采用LMDz-INCA2化學輸送模式，執(zhí)行氣態(tài)污染物和氣溶膠的物種輸出等；非有機氣溶膠形成的吸收過程采用ISORROPIA區(qū)域和全球尺度的氣溶膠熱力學模式計算結(jié)果；有機氣溶膠的吸收過程參照熱動力平衡方程。初始場目前通過邊界濃度插值形成。

AIRPARIF主要用CHEMERE模型進行歐洲國家區(qū)域的模擬預(yù)報與評估工作，比重可重點評估與預(yù)測對巴黎影響較大的東北向德國的工業(yè)區(qū)輸送、東向波蘭的重點工業(yè)區(qū)輸送、西向農(nóng)業(yè)氨源輸送、兼顧考慮南部沙哈拉沙漠的沙塵遠距離輸送，同時為城市小尺度模型提供預(yù)報背景濃度場。

3.2 城市小尺度模型

隨著污染治理措施的不斷加強，各國超大城市的工業(yè)源排放均會顯著下降，機動車排放源的作用將會逐步加大，為了更準備預(yù)報與評估道路上行駛機動車源排放對空氣質(zhì)量的影響，城市小尺度空氣質(zhì)量模型已經(jīng)是超大城市空氣質(zhì)量預(yù)報與評估業(yè)務(wù)部門必不可少的模型工具。AIRPARIF分別采用ADMS、CALPUFF兩個模型進行小尺度模擬預(yù)報。在CHEMERE模型提供3 km分辨率背景濃度的基礎(chǔ)上，疊加小尺度模型模擬機動車排放污染物的演變規(guī)律，從而得出精細化的污染物空間分布結(jié)果。其中ADMS模型用于巴黎整個主市區(qū)的模擬計算，CALPUFF模型用于機場局地模擬預(yù)報與評估。

4 統(tǒng)計預(yù)報技術(shù)

AIRPARIF目前針對數(shù)值模型結(jié)果采用多元回歸模型進行統(tǒng)計訂正預(yù)報，主要輸入?yún)?shù)分為幾個部分：①氣象參數(shù)：溫度（最大溫度、最小溫度）、風速、風向、大氣穩(wěn)定度、太陽輻射強度等。②數(shù)值模擬結(jié)果，其中顆粒物細化至各個組分，此外還有臭氧、NO2、CO、SO2等污染物。③預(yù)報前一天各個站點的顆粒物、臭氧、NO2等觀測結(jié)果。由于歐洲整體排放源變動較小，AIRPARIF基本不考慮直接訂正排放源清單來進行預(yù)報，而是利用統(tǒng)計模型訂正數(shù)值預(yù)報結(jié)果進行預(yù)報，從預(yù)報結(jié)果看，統(tǒng)計訂正預(yù)報可以明顯增加預(yù)報的準確性，尤其是針對長期模擬偏低的站點，因此，針對數(shù)值預(yù)報的統(tǒng)計訂正預(yù)報技術(shù)也是AIRPARIF整個預(yù)報體系的重要一環(huán)。

綜上，巴黎大區(qū)AIRPARIF先進的預(yù)報系統(tǒng)和預(yù)報技術(shù)、良好的業(yè)務(wù)運行機制，對同為人口密集的國內(nèi)大城市具有很好的啟發(fā)與借鑒意義。

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