王淑瑩, 許純領(lǐng), 尹翠芳,李鵬帥

(1.北京立博威拓環(huán)境技術(shù)有限公司, 北京 100085;2.江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 宿遷 223800)

空氣質(zhì)量與人類健康之間的關(guān)系已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，已有不少學(xué)者對此做了大量研究[1]?？諝赓|(zhì)量預(yù)報在污染事件發(fā)生前對公眾的預(yù)警及制定減災(zāi)計劃方面尤為重要，國內(nèi)外學(xué)者也利用數(shù)值機(jī)理模型及統(tǒng)計模型來對空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)報，試圖精準(zhǔn)預(yù)測污染事件的發(fā)生，為減災(zāi)計劃提供支持[2-7]。因此，評估預(yù)報模型的預(yù)報準(zhǔn)確率對進(jìn)一步提高模型預(yù)報準(zhǔn)確性也具有較為重大的意義?，F(xiàn)以江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)(OPAQ系統(tǒng))為例，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的OPAQ系統(tǒng)的兩種模式對臭氧(O3)預(yù)報準(zhǔn)確率進(jìn)行分析，探討2種模式的優(yōu)劣。

1 OPAQ 系統(tǒng)

OPAQ系統(tǒng)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中的多層感知方法，其中一個隱含層代表一個輸出層。預(yù)測的結(jié)果是污染物的日均值或日最大值。假如模型在當(dāng)天早上運(yùn)行，則當(dāng)天00:00 至模型開始運(yùn)行最近時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及未來幾天的氣象數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)。對每個監(jiān)測站點(diǎn)配置幾個不同的模型進(jìn)行訓(xùn)練，不同模型的區(qū)別在于所采用的輸入?yún)?shù)不同。所預(yù)測當(dāng)天早上的監(jiān)測數(shù)據(jù)及行星邊界層高度(BLH)作為預(yù)測未來第N天的重要輸入?yún)?shù)。行星邊界層高度可認(rèn)為是理查德系數(shù)(Ri)超過0.5時的高度[2]。其中Ri是浮力(由垂直溫廓線確定)與慣性力(由大氣湍流確定)的比率。如果Ri非常小(甚至是負(fù)的)，湍流非常強(qiáng)烈，并且足以打破穩(wěn)定的溫廓線將顆粒物帶至垂直方向，則從底部到行星邊界層高度之間，顆粒物可以隨湍流在此之間擴(kuò)散。研究表明行星邊界層高度在基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)中有非常重要的作用[8]。另外，還使用了風(fēng)速與風(fēng)向、溫度、濕度及云量等氣象參數(shù)來提高預(yù)測的準(zhǔn)確性[8-9]。對每個監(jiān)測站點(diǎn)都配置幾種模型進(jìn)行訓(xùn)練，最后選擇一個最優(yōu)的模型作為日常預(yù)報模型。

OPAQ系統(tǒng)具有兩種模式，一種是預(yù)報趨勢最優(yōu)模式(RMSE模式)，另一種是預(yù)報極值最優(yōu)模式(SI模式)。預(yù)報趨勢最優(yōu)模式指的是在模型訓(xùn)練和驗(yàn)證階段，選擇預(yù)報值與監(jiān)測值的均方根誤差(RMSE)最小的模型作為日常業(yè)務(wù)預(yù)報時所采用的模型；預(yù)報極值最優(yōu)模式指的是在模型訓(xùn)練和驗(yàn)證階段，選擇預(yù)報成功指數(shù)(SI)最大的模型作為日常業(yè)務(wù)預(yù)報時所采用的模型。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)時間

2018年1月1日—2019年7月29日。

2.2 統(tǒng)計分析的項(xiàng)目

O3預(yù)報的散點(diǎn)圖、正確預(yù)警指數(shù)(FFE)、成功指數(shù)(SI)、錯誤預(yù)警指數(shù)(FFA)、相關(guān)性系數(shù)(R)以及級別預(yù)報準(zhǔn)確率。統(tǒng)計方法技術(shù)說明見圖1。

(1)

式中：SI——成功指數(shù)，為正確預(yù)報非超標(biāo)天數(shù)和超標(biāo)天數(shù)的比例，%；

N1——監(jiān)測值達(dá)標(biāo)預(yù)測值也達(dá)標(biāo)的天數(shù)；

N2——監(jiān)測值達(dá)標(biāo)而預(yù)測值超標(biāo)的天數(shù)。

(2)

式中：FFE——正確預(yù)警指數(shù)，為正確預(yù)報超標(biāo)天數(shù)的比例，%；

N3——監(jiān)測值超標(biāo)且預(yù)測值也超標(biāo)的天數(shù)；

N4——監(jiān)測值超標(biāo)而預(yù)測值達(dá)標(biāo)的天數(shù)。

(3)

式中：FFA——錯誤預(yù)警指數(shù)，為錯誤預(yù)報超標(biāo)，而實(shí)際未超標(biāo)的天數(shù)比例，%。

圖1 統(tǒng)計方法技術(shù)說明

3 結(jié)果與討論

3.1 RMSE模式預(yù)報準(zhǔn)確率評價

O3預(yù)報分析評價結(jié)果中，m表示監(jiān)測值，d0表示預(yù)報當(dāng)天，d1表示預(yù)報未來24 h，d2表示預(yù)報未來48 h，d3表示預(yù)報未來72 h。RMSE模式預(yù)報結(jié)果評價見表1。

表1 RMSE模式預(yù)報結(jié)果評價

由表1可見，在預(yù)測當(dāng)天及未來24 h的FFE都能達(dá)到60%以上，預(yù)測未來48和72 h的FFE略低；在預(yù)測當(dāng)天及未來24，48及72 h的FFA較低，均<10%。

圖2(a)(b)(c)(d)為OPAQ系統(tǒng)RMSE模式當(dāng)天及未來24，48及72 h的預(yù)測值與實(shí)際監(jiān)測值對比的散點(diǎn)圖，十字線為O3滑動8 h最大的超標(biāo)臨界值160 μg/m3。

由圖2可見，RMSE模式預(yù)測當(dāng)天及未來24，48及72 h的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值的擬合度較好，有個別值離散度較大。

圖2 監(jiān)測值與RMSE模式d0、d1、d2、d3預(yù)測值對比散點(diǎn)圖

表2中展示了OPAQ系統(tǒng)統(tǒng)計預(yù)報模型RMSE模式預(yù)報當(dāng)天及未來24、48及72 h的O3預(yù)報級別準(zhǔn)確率的評價結(jié)果。表中天數(shù)列為監(jiān)測值(m)與預(yù)測值(d0,d1,d2,d3)在O3各級別出現(xiàn)的天數(shù)，準(zhǔn)確率為預(yù)測當(dāng)天及未來3 d對O3各級別的預(yù)測準(zhǔn)確率。由表2可見，OPAQ系統(tǒng)的RMSE模式在預(yù)測當(dāng)天及未來24、48及72 h優(yōu)-良天的預(yù)測準(zhǔn)確率較高，在預(yù)測輕度污染-重度污染的準(zhǔn)確率較低。

表2 RMSE模式預(yù)報準(zhǔn)確率評價

3.2 SI模式預(yù)報準(zhǔn)確率評價

表3為OPAQ系統(tǒng)統(tǒng)計預(yù)報模型SI模式預(yù)報當(dāng)天及未來24、48及72 h的預(yù)報結(jié)果評價指標(biāo)。由表3可見，在預(yù)測當(dāng)天及未來24、48及72 h的正確預(yù)警指數(shù)FFE都>60%。

表3 SI模式預(yù)報結(jié)果評價

圖3(a)(b)(c)(d)為OPAQ系統(tǒng)SI模式當(dāng)天及未來24、48及72 h的預(yù)測值與實(shí)際監(jiān)測值對比的散點(diǎn)圖，十字線為O3滑動8 h最大的超標(biāo)臨界值160 μg/m3。

由圖3可見，RMSE模式預(yù)測當(dāng)天及未來24、48及72 h的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值的擬合度較好，有個別值離散度較大。

表4為OPAQ系統(tǒng)統(tǒng)計預(yù)報模型SI模式預(yù)報當(dāng)天及未來3 d的O3預(yù)報級別準(zhǔn)確率的評價結(jié)果。由表可見，OPAQ的SI模式在預(yù)測當(dāng)天及未來24、48及72 h優(yōu)-良天的預(yù)測準(zhǔn)確率較高，在長達(dá)一年半的統(tǒng)計時段里，O3重度污染發(fā)生過1次，預(yù)測值為中度污染。

圖3 監(jiān)測值與SI模式d0、d1、d2、d3預(yù)測值對比散點(diǎn)圖

表4 SI模式預(yù)報準(zhǔn)確率評價

4 結(jié)論

(1) 2種模式預(yù)報評價指標(biāo)顯示，SI模式的正確預(yù)警指數(shù)FFE和成功指數(shù)SI要高于RMSE模式；而RMSE模式的錯誤預(yù)警指數(shù)FFA要低于SI模式，該指標(biāo)越低越好；并且從長期來看，2種模式的相關(guān)性系數(shù)相差不大。

(2) 2種模式預(yù)報準(zhǔn)確率表明，在O3優(yōu)-良級別天時，RMSE模式的預(yù)測準(zhǔn)確率較高；而在輕度污染以上時，SI模式的預(yù)測準(zhǔn)確率明顯高于RMSE模式。建議在夏季O3污染較嚴(yán)重的時段里，采用OPAQ系統(tǒng)的SI模式來預(yù)報ρ(O3)。