城市环境空气质量预报要点分析

王 超（抚顺市环境监测中心站 辽宁 抚顺 113006）

空气质量预报按预报尺度可以分为大尺度、中尺度、小尺度。大尺度主要针对全国范围，中尺度针对省级区域，而小尺度主要是覆盖城市范围及郊区。空气质量的变化趋势与气象要素具有很高的相关性，而气象要素只有在大尺度范围内具有较强的规律性，再加以目前比较成熟的卫星遥感技术的支持，大尺度的空气质量预报已经可以达到很高的准确度和精确度。但是，小尺度城市区域，一般涵盖范围只有几十平方千米，大城市也只不过100km2左右，其局地气象变化、地方污染源排放清单、局地环流、大气混合层高度、城市区域地形特征、乃至城市热岛效应等众多具有局地特征的因素都将为空气质量预报带来深刻而复杂的影响。

1 数值预报与人工预报

1.1 数值预报

数值预报是近年来发展很快的空气质量预报方法，在大气污染预报中，为了定量描述空气污染物的浓度分布和变化趋势，通常用数学方法表示污染物在空气中所经历的理化生过程，用于描述这些过程的定量数学方程系统。数值模式是用数值计算方法直接求解物质守恒方程，以求得污染物浓度在环境介质中与界面上的交换特征及分布规律，目前比较成熟流行的数值模型主要有WRF/chem，CMAQ等。数值预报模式的实现难度比较大，不仅取决于空气质量模式本身的误差，污染源的准确性和气象模式的预报精度都会对数值结果产生误差影响，但是该方法具有科学性强，避免了人工方法的主观判断误差，最大的优势是在大尺度环境空气质量的预判中准确度相对较高，是空气污染预报的发展方向。

1.2 人工预报

人工预报是指预报员通过研判未来的气象条件，比如风场、温度、气压、湿度、降水、混合层高度等气象信息，充分了解当地污染源排放情况以及周边大气传输等要素，综合各种要素，来最终人工订正未来几天内的空气质量等级和首要污染物的预报方法。人工预报模式的优势在于：能实时把握地方污染源状态，对局地环境的小气候变化判断及时准确，方法灵活对预报结果的研判及时。因此，人工预报更适合城市小区域的空气质量预报，但是人工预报也存在很多的缺陷，主观影响比较明显，因此需要预报员具有较高的背景知识储备，上手难，对未来较长时段的空气质量的潜势预报准确度较低。

2 气象条件的判定

气象条件对空气质量预报起到决定性的影响，因此，对气象条件的判断准确与否，直接影响空气质量预报的准确度。气象条件分为高空气象和地面气象，高空气象影响大气候变化，地面气象则对小区域的空气质量影响最大，因此，对于城市空气质量预报，我们要把重点放在地面气象条件的研判上。

2.1 气象预报的思路

预报员在研判短期天气情况时，应当先从分析大范围环流背景开始，由远到近，由粗到细逐步集中到分析影响当地天气的环流系统和天气变化过程，然后通过高低层系统配置和物理量配置分析来做出预报。具体的判断思路为：

（1）首先分析和判断近期大气环流背景和主导系统，初步掌握城市所在区域的中大尺度大气形势，目前主流的参考资源有欧洲中心图、韩国图、日本传真图、T63960L东亚预报等；

（2）分析和判断影响本地的天气系统及影响部位的主要结构特征，如槽、脊、西风带等结构；

（3）分析地面等压线走势和地面风场，考察其中可能存在的响应的中小尺度系统的征兆；

（4）综合当地天气实况和气象条件，做到理解、判断和订正数值预报产品以及上一级指导意见，最终形成本地区域的气象信息归纳结论。

2.2 主导系统与天气

主导系统是指所显示的（500hPa或300hPa）高空图范围内、直接操纵或左右影响系统的移动、演变的环流系统。常见的主导系统包括长波槽、长波脊、阻塞高压、极涡、副高、纬向环流等。当主导系统发生变化（移动、加强、减弱）时，就会使天气条件发生明显的变化。

一般情况下，处在长波脊控制下，天气以晴好为主；处在稳定的长波槽或槽前锋区控制下，通常以短波槽替换间歇性中等强度降水为主；当纬向环流转为经向环流时，将发生转折性强烈的天气（大风、降温等）；当两段锋区或两段低槽同位相叠加，如北槽南涡或梅雨锋区中有气旋波产生时，可能会产生强烈的降水。

2.3 影响系统分析

影响系统是指影响本地区的直接天气系统，如气旋、锋面、冷高压、地面倒槽、热带气旋等地面系统，高空常有低压槽、切变线、冷涡、急流、高原低涡、高原切变、东风波等高空系统。

影响系统是本地天气的直接影响因素，通过比较和回顾这次影响系统与历史上同类型系统模型的主要差异，可以明确当前预报的重点，另外，通过影响系统的三围结构变化以了解天气过程的变化和成因。具体表现为：一般受高压、高压脊控制的区域以晴好天气为主，如若受气旋、冷涡、切变线影响，则天气转为阴雨；若本地区处于槽后受西北气流控制，则天气晴好，处于槽前西南气流，则转阴雨天气；如若两个或两个以上天气系统共同影响时，那么天气情况会比较复杂，雨量加大。

2.4 混合层高度

大气混合层伸展的高度是混合层高度。混合层高度是研究地表向大气排放污染物状况的重要参数。混合层高度越高，越有利于污染物垂直方向的扩散，因此，混合层高度是决定地面污染浓度的重要因子。混合层具有明显随时间变化的特征，不同的气象条件和天气过程会影响混合层高度。例如，起始温度的垂直结构和地面增温状况会影响混合层高度。

一般根据混合层内的气象要素的分布特征，对混合层高度进行确定，以下是几种确定混合层高度的方法。

（1）根据混合层内位温、湿度等分布均匀的特征，利用探空气球所得的位温、湿度等绘制的垂直廓线确定。

（2）根据臭氧浓度的垂直分布与混合层的变化之间的关系，利用常规气象探测资料与臭氧浓度探测资料确定。

（3）利用风廓线仪和气溶胶激光雷达反演风或气溶胶垂直分布确定。

（4）根据清晨探空温度廓线和地面最高、最低气温，利用由Holzworth提出的干绝热法确定。

（5）假设混合层由热力和机械湍流共同作用，边界层上部大气运动状况与地面气象要素间存在相互关联，估算混合层高度。

利用干绝热曲线上升法确定混合层高度，具体为：利用探空资料，绘制气温随高度分布，根据当日地面最高气温，加5℃处做干绝热线，两条曲线的交点所在高度为混合层最大高度。

一般，混合层最大高度大于900m认为无污染，小于900m可能出现不同程度的污染。

混合层最大高度因子H用评估区域夜间02时的混合层平均高度来衡量，混合层平均高度在一定程度上表征大气的稳定程度，根据大气层结稳定、中性、不稳定的平均高度值，确定混合层高度评估因子的分级。

表1

3 本地排放源

城市污染物排放源主要包括点源、线源、面源。点源主要指城市区域的大宗工业企业：钢铁、电厂、水泥、石化炼制等；线源指道路机动车；面源指无组织排放及大气扬尘、生物质燃烧、炉灶等污染源。当出现静稳天气即无外来传输影响的情况下，本地扩散条件不利，那么本地排放源的污染贡献将决定空气质量，此时，就需要对本地源的排放情况及时空分布有个比较全面和准确的了解方能做出较为准确的预报结论。

4 预报会商

预报会商制度是空气质量预报的重要环节，积极有效的会商会对预报结果的准确性产生重要且积极的影响。其形式主要包括内部会商、部门会商和专家会商。在一般的预报工作中，一次预报应该有最少两个以上的预报员共同参与，预报员之间的内部会商会对当天的预报结果进行探讨、订正进而提高预报的准确性；如果预报未来某一时间段内可能出现重污染情况，需要启动城市污染预警时，根据各地的规定需要实施部门间的会商，比如气象部门和环保部门之间的跨部门会商，共同；必要时成立会商专家委员会进行专家会商。最终根据会商的意见，综合研究判断空气质量预报结果及预警等级。

5 结论

数值预报是空气质量预报的发展趋势，但人工预报是空气质量预报初级阶段必然经历的过程。就像天气预报一样，早期的预报都是建立在人们的直觉和经验的总结；随后初级的观测手段开始出现，比如气压、风向、温度、湿度等气象要素的观测站，通过观测绘制原始的气象云图；随着科技发展，尤其是当下计算机技术、卫星探测及遥感技术的快速发展，天气预报的发展才从观测法、统计等相对原始的方法慢慢过渡到现代的数值预报方式或者数值加人工订正方法。对于刚刚处于起步阶段空气质量预报来说，一定也是要经历这一过程，手工订正的预报方式将会在一定时期内处于主导地位，成熟的手工预报也会为将来的数值预报提供校正、数值模型建立提供思路，与预警预报系统相辅相成，使我们的空气质量预报工作逐渐成熟起来。

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