1、1石家庄地级城市空气质量预测预报试点研究摘要：2013 年 1 月，京津冀区域出现大范围长时间的重污染天气。石家庄作为京津冀区域的主要城市之一，急需建立实时高效的空气质量预报系统，不仅能为公众出行提供指导，还能为管理决策部门防控大气污染提供相应的技术支持。本文分析了国内外空气质量预报预警的发展概况和存在的问题，并结合石家庄市的实际情况，提出设计方案，以期为建设多功能一体的空气质量预报预警业务平台和持续改善空气质量等提供参考。 Abstract： In January 2013， the Beijing-Tianjin-Hebei region appears heavy pollution w
2、eather with wide range for a long time. As one of the main city of Beijing-Tianjin-Hebei region， Shijiazhuang urgently need to establish a real-time and efficient air quality forecasting system to provide the guidance for peoples travel and provide the corresponding technical support for the managem
3、ent and decision-making departments to prevent and control the atmospheric pollution. This paper analyzes the development situation and existing problems of the domestic and international air quality forecast and warning. Combined with the actual situation of Shijiazhuang， the design scheme is put f
4、orward to provide the 2reference for constructing the multi-function integrated warning business platform and improving air quality. 关键词：空气质量；预报预测；试点研究 Key words： air quality；prediction and forecast；pilot study 中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0206-02 1 概况 1.1 国内外城市空气质量预测预报系统发展现状 2013 年 1 月，
5、我国中东部地区发生大范围长时间的雾霾天气过程，多个城市出现连续重污染天气1-2，其中京津冀区域大气最为严重3-4，引起公众高度关注。政府及公众都强烈希望环保部门采取有效措施改善空气质量。 空气质量预报预警是应对空气污染的主要途径。西方发达国家很早就应用空气质量数值预报系统进行空气污染控制，所以目前其空气质量模拟与预报模式比较成熟，可针对不同类型和不同级别的污染物进行预测预报。我国在这方面也有多年的研究历史，中国科学院大气物理研究所研制了具有自主知识产权的多物种、多尺度的嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS） ，可对城市及区域尺度一次、二次污染物的演变规律进行数值模拟。该模式系统已成功应用
6、于北京奥运会、上海世博会和广州亚运会。 1.2 存在问题 3目前，京津冀区域空气质量预报工作存在以下问题：区域空气质量预报系统不够完善；计算环境不满足要求；污染源清单数据陈旧，覆盖区域面积狭小；无排放清单、会商、信息发布系统。 1.3 研究目的与意义 石家庄市的大气污染问题，与其特殊的地理位置、有限的地域资源和庞大的人口规模有着不可割裂的联系，除此以外，不合理的交通布局、产业结构、能源消费结构、特殊的污染扩散气象条件等，也是造成大气污染的主要原因。要彻底治理大气污染，不仅耗时耗力，而且需要各方通力配合。 但是现实情况是，在治理大气污染的问题上，该市尚缺乏先进的技术、设备，空气质量预测预警仍以“
7、日常监测，事后分析”为主，无法根据监测信息准确预测空气质量变化趋势，难以为环境管理与决策部门提供准确的空气质量预测预报结果和防治效果，也难以为广大公众提供及时的空气质量预报预警信息，严重制约了石家庄市大气污染防治的开展。 为切实保障人民群众身体健康，维护社会和谐稳定，突破石家庄市大气污染防治的技术瓶颈，急需建立石家庄市空气质量预报预警监控系统，追踪重点污染源对污染物浓度的贡献，及时发布环境空气质量监测信息，为预防和治理大气污染提供必要的技术支撑。 2 研究依据 对已经搭建起环境空气质量预报平台的地区和城市进行调研，如北京、上海、南京、广州、珠三角、长三角等地区，深入了解其平台建设4的各方面工作
8、，通过详细调研，找到适合石家庄本地发展水平，可操作性强的技术路线和建设方案，为搭建石家庄市预测预警平台提供重要的科学依据。 3 国内现有空气质量预测预报系统建设和运行中的经验和技术 3.1 统计预报模式系统 国内现有运行和建设中的统计预报模式系统多采用一定时间段内环境空气质量监测数据和气象信息，构建环境空气质量预报模型（我国气象领域目前通用的统计预报系统模型有两个，一是回归预报模型，另一个是天气模式预报模型） ，经预报人员会商后生成预报结果。系统机构如图 1。 3.2 数值预报模式系统 国内现有运行和建设中的数值预报模式系统多采用中科院大气物理所研发的多模式预报系统，该系统采用中尺度气象模式
9、WRF 或 MM5 提供气象场驱动，基于 SMOKE 排放源处理模型制作三维网格化排放源，选用中国科学院大气物理所的 NAQPMS 模式、美国环保署（EPA）的 Models-3/CMAQ 模式、美国 Environ 公司的 CAMx 模式和美国国家大气和海洋局（NOAA）的 WRF-Chem 等空气质量模式。该系统采用统一的模式区域设置，模式区域设定为三重嵌套网格，外层网格为内层网格提供边界条件。一般采用 BP 神经网络集成方法对每个原始模型上繁殖的随机扰动集合预报成员进行集成，通过集合算法，进行集合预报预警。 该系统可以在充分评估模式预报性能的基础上，发挥各个模式的优点，提供最优集合预报结
10、果，是现今国内最先进的空气质量数值预报模式系统。国家总5站、京津冀、长三角、珠三角、江苏省、北京、上海、广州等空气质量数值预报模式系统都采用该系统。 4 石家庄市空气质量预测预报系统设计方案 4.1 设计方案 在石家庄市环境监测中心建设城市区域空气质量预测预警业务平台，涉及到预测预警业务系统和相应基础设施建设，其中预测业务平台由八个系统组成，分别是：精细化城市数值分析预报系统、高性能计算机集群系统、可动态更新的本地化排放清单系统、预报作业系统、与国家和省衔接的可视化业务会商系统、公共服务及信息发布系统、空气质量实时监测网络系统、源解析系统。 4.1.1 数值分析预报系统 该系统是空气质量预测预
11、警业务系统的核心，在排放清单空间化和气象预报数据的基础上，通过空气质量模型计算出未来一段时间内空气中各种污染物的浓度，结合后处理和业务处理流程，生产各种预报产品和预报分析产品。 4.1.2 高性能计算支撑系统 该系统基于项目需求，根据空气质量多模式预报、区域污染来源解析和去向追踪的需求，考虑集群并行效率，并考虑预留一定的未来发展计算需要，用于更精细网格、新功能以及科研计算。为满足高性能计算集群运行环境要求，需要配套建设计算机机房。 4.1.3 排放清单系统 该系统是空气质量预报预警业务系统的基础，它的准确性直接影响6数值分析预报系统的准确性。排放清单系统的建设包括三方面：建立石家庄市污染排放清
12、单；建设排放清单自动更新系统；对排放清单进行持续更新。 4.1.4 预报作业系统 预报业务作业平台是空气质量预报预警业务系统最主要的技术支撑，基于数值分析预报系统产生的各种产品以及各种观测数据，通过各级专家和预报员分析未来污染情况、未来污染走势、重污染情况的成因等。业务作业平台由数据采集、预报服务管理、气象数据展示、污染物数据分析、预报审批、预报业务分析、源解析与追踪产品分析和系统管理等多个模块组成。 4.1.5 会商系统 由于石家庄市的污染现状以及重要的地理位置，根据环保部的统一部署，需要建立京津冀区域及周边地区重点城市间的会商，实现音视频互联互通，满足音视频质量流畅清晰、级联管理高效、系统
13、稳定可靠的业务运行需求。通过会商系统，各级专家和预报员分析未来污染情况、走势、重污染情况的成因等，为预报员开展预报工作和各部门会商提供平台。 4.1.6 预报信息服务系统 该系统用于实现对预报结果的信息管理，同时可发布实时监测数据、空气质量预报、气象预报信息、预警信息；根据空气质量日报和预报业务需求，提供数据统计分析；实现建立模式结果数据的矢量化转换和数据管理功能模块，满足预报预警业务系统的发布应用；建立空间数据分7析及图形显示系统，基于 GIS 对环境空气质量的模拟及预测数据进行动态显示。 4.1.7 源解析系统 基于前期源解析课题的研究成果，进一步完善颗粒污染物粒度谱库、成分谱库，进行源与
14、受体的精细解析，为预报系统提供污染物来源和追因的基础数据和实际验证。 4.2 验收成果 以石家庄市环境保护局为依托，建立起由空气质量监测网络系统、排放清单系统、数值分析预报系统、计算资源与环境系统、可视化业务会商系统、预报信息服务系统等多功能系统为一体的石家庄市空气质量预报预警业务平台，预报业务覆盖范围为 10 万平方公里，有效集成分散的大气监测数据资源，预报准确率在 60%-70%之间，可持续促进空气质量改善。 参考文献： 1张小曳，孙俊英，王亚强，等.我国雾-霾成因及其治理的思考J.科学通报，2013，58：1178-1187. 2王跃思，姚利，王莉莉，等.2013 年元月我国中东部地区强霾污染成因分析J.中国科学：地球科学，2014，44（1）：15-26. 3王跃思，姚利，刘子锐，等.京津冀大气霾污染及控制策略思考J.中国科学院院刊，2013，28（3）：353-363. 4王跃思，张军科，王莉莉，等.京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望J.地球科学进展，2014，29（3）：388-396.
