城市环境空气质量预测预报方法研究

摘要：为了更好地开展城市环境空气质量预测预报工作，为环境管理部门提供数据支撑和决策依据，介绍了几种比较常用的空气质量预报模式，分析了各种预报模式的特点及其准确性的影响因素，旨在为环境空气质量预测预报工作提供参考。

关键词：城市;环境;空气质量;预测预报;方法

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）09-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.097

Study on forecasting method of urban ambient air quality

Wang Fei

（Urumqi Environment Monitoring Centre Station，Urumqi Xinjiang 830000，China）

Abstract： In order to better carry out the prediction and forecast work of urban ambient air quality， provide data support and decision-making basis for environmental management departments， several commonly used air quality prediction models are introduced， the characteristics of various forecast models and the factors affecting their accuracy are analyzed in order to provide a reference for the prediction of ambient air quality.

Key words：Urban;Environment;Air quality;Forecast;Methods

近年来，人类工业化进程的不断加快加剧了环境的恶化程度，环境空气质量问题越来越被广大民众关注。然而，随着经济建设的快速发展，我国的大气污染已不再是某种单一类型的污染，而是有多种污染物相互作用、相互影响的复合型污染。城市空气质量预测预报的准确与否，直接影响到政府部门决策与管控措施的实施。

1 城市环境空气质量预测预报

目前，比较常用的城市环境空气质量预报模式主要有统计预报模式，数值预报模式和人工+模式综合预报模式。

1.1 统计预报模式

统计预报是一类无化学反应的预报模式[1]，主要参考气象条件，认为在一定时期内，污染物排放量相对稳定，忽略污染物源排放变化的影响，基于统计分析，研究不同气象条件下大气污染物浓度的变化规律，建立大气污染物浓度与气象参数间的统计学关系，从而预测未来的环境空气质量。

统计预报的优点在于无须掌握污染物排放状况，简单易行，系统建设运行成本低，与数值模型相比，统计模型预报结果准确率高[2]。缺点主要是在时间精准、时间长度和空间尺度上有一定的局限性，难以捕捉到污染物的极端浓度，适用于城市或者点位尺度、短期、日均值预报。

1.2 数值预报模式

数值预报是一类既考虑气象场影响又考虑复杂化学反应的大气化学模式，数值模式一般由气象模块、排放源处理模块和大气化学模块组成，包括污染物的傳输、扩散、迁徙、转化、干湿沉降等物理和化学过程[1]。其优点主要在区域性空气质量预报和分析方面具有明显优势，缺点是数值预报模式系统复杂、运算量大、对计算机资源配置要求较高。目前，数值预报模式主要有中科院的NAQPMS模式和美国的CMAQ 、CAMx、WRF- Chem模式等[3]。

NAQPMS （嵌套网格模型系统）被广泛应用于多尺度污染问题的研究，它不但可以研究区域尺度的污染问题（如沙尘输送、酸雨及污染物跨国输送等），还可以研究城市尺度空气污染问题的产生机理和变化规律以及不同尺度之间的相互影响过程。

CMAQ模型多用于多尺度、多污染的空气质量预报、评估和决策研究等用途。

CAMx模型具有双向嵌套的网格结构，可以多重网格同时进行计算，在时间范围和空间范围内模拟的更精细。

WRF- Chem被广泛用于局地天气系统，空气质量的大尺度模拟分析和气溶胶相互作用的微物理作用研究。

1.3 人工+模式综合预报模式

人工+模式综合预报模式主要是由空气质量预测人员通过对空气质量实测数据和未来气象条件的分析，根据模式预测结果并结合自身预测经验对未来一段时间内空气质量及变化趋势的预测。

空气质量现状判断一般包括区域内过去一段时间的污染物浓度、空气质量指数和首要污染物等。大气条件的分析和预测，主要包括区域内500hPa、700hPa、850hPa和地面四个不同高度层的天气形势图，重点关注500hPa高空槽脊等各主要天气系统的发展变化，700hPa区域温度场情况、850hPa的湿度场、风场和相对湿度以及地面风向和风速、相对湿度、降雨时间及强度等信息，并综合分析各层系统匹配情况、系统移动及污染场的协同变化。

空气质量现状是判断空气质量未来变化趋势的基础，分析区域主要气象因素的观测和预报资料，掌握区域大气环境扩散条件，深入理解空气中污染物的迁移变化规律以及气象条件对空气质量的影响，有助于对未来污染变化情况做出准确判断。在实际预报工作中，更多的是采用多种预报模型加人工研判的方式。

2 空气质量预报准确性影响因素

空气质量预报的准确性直接关系到管理部门的决策正确与否，影响预报准确性的因素有很多，主要有以下几个方面。

2.1 数值预报模式的不确定性

首先，空气质量数值模式系统自身会存在某些不足。有学者报道[4]CMAQ4.3版本存在质量不守恒缺陷。其次，预报模式数据同化不足以及模式参数本地化不到位以及数值模式系统软硬件更新不及时等都会影响模式预报的准确性。

2.2 污染源排放清单的不确定性

首先，污染源普查非常的耗时耗力，本身就具有一定的滞后性，难以保证及时更新。其次，污染源排放量和时空分布的不确定性。污染源种类繁多，往往随着时间或空间的变化而变化，无法及时体现源排放的时空动态变化。再者，关键前体物缺失，如挥发性有机物等。

2.3 氣象条件的不确定性

了解空气质量预报中大气条件是污染物变化（生成转化迁移）过程因素之一，与气象（冷暖云水过程）的关注点不同，相较于气象预报所关注的天气的变化，空气质量预报更加关注变化之间的大气静稳状态和过程。气象预报的准确性是空气质量预报几个重要误差来源之一。

2.4 其他不确定因素

一是预报员对污染过程以及大气条件的综合分析和研判能力是人工研判综合预报的决定因素。二是空气质量实况数据的准确性、有效性也是预测预报的影响因素之一。三是预报模式系统正常高效的运行保障也是不可忽略的影响因素。

3 结论及建议

（1）城市空气质量预测预报多是采用多种预报模型加人工研判的方式。（2）各级地方政府应加大资金投入，推进并确保空气质量预报统计模型、数值模型的建立及长期稳定运行，同时及时更新源清单，尽可能的完善污染源种类，以及建立动态污染源清单，为空气质量预测预报工作奠定基础。（3）积极引进气象专业人才，加强预报人员的理论技术培训;积累经验，对预报模式的系统参数及预测数值进行本地同化和人工校正，提高空气质量预报准确率。

参考文献

[1]黄顺祥.大气污染与防治的过去、现在及未来[J].科学通报，2018，63（10）：895–919.

[2]房小怡，蒋维楣，吴涧，等.城市空气质量数值预报模式系统及其应用[J].环境科学学报，2004，24（1）：111–115.

[3]中国环境监测总站.环境空气质量预报预警方法技术指南（第二版）[M].北京：中国环境出版集团，2017.

[4]王占山，李晓倩，王宗爽，等.空气质量模型CMAQ的国内外研究现状[J].环境科学与技术，2013，36（6L）：386-391

收稿日期：2020-03-26

作者简介：汪飞（1981-），男，工程师，硕士，研究方向为大气环境自动监测管理与分析以及环境空气质量预测预报。