環境空氣質量預報預警體系在我國發展目標及應用功能評述
來源：中科宇圖天下科技有限公司 閱讀：3279 更新時間：2014-08-08 11:20
當前我國大氣環境形勢十分嚴峻，在傳統煤煙型污染尚未得到控制的情況下，以臭氧、細顆粒物（PM2.5）和酸雨為特征的區域性復合型大氣污染日益突出，區域內空氣重污染現象大范圍同時出現的頻次日益增多，嚴重制約社會經濟的可持續發展，威脅人民群眾身體健康。在此背景下，各級政府高度重視空氣質量監測預警工作。根據《國務院關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》（國發[2013]37 號）要求，京津冀、長三角、珠三角區域之外的省（區、市）、副省級市、省會城市于 2015 年底要建立空氣質量監測預警體系。空氣質量預報預警系統建設是監測預警體系關鍵核心部分，因此預報預警平臺建設是國家“大氣十條”要求；同時空氣質量預報預警平臺對于重污染天氣過程的趨勢分析、以及污染源成因分析等具有重要的意義，它將為環境管理提供強有力的技術支撐。
目前，我國各級環保部門正在掀起一波建設空氣質量預報預警系統的熱潮。常見的空氣質量預報預警系統采用的預報方法主要有統計預報和數值預報兩類，其中統計預報模式主要依賴于對歷史氣象、環境空氣質量數據的統計分析處理，常用的建模方法包括神經網絡、線性回歸等，具有簡單易用性，在合理的選擇影響因素和進行參數優化也能達到較好的空氣質量預報精度，應用廣泛，但其缺點在于無法對污染的過程和機制進行定量化的分析，對于污染防治的決策支持能力有限；數值預報是以大氣動力學理論為基礎，基于對大氣物理和化學過程的理解，建立大氣污染濃度在空氣中的輸送擴散模型，借助計算機來預報大氣污染物濃度在空氣中的動態分布。由于數值預報模式很好的考慮了污染過程與機制，能夠為污染控制決策提供更為豐富的信息，是更有前景的一種預報方法，但由于模型構建復雜，對于源清單等基礎數據要求高，且運算量大對于硬件基礎設施要求較高，目前在我國的應用仍處于起步階段。
微保監測空氣質量AQI趨勢
本文主結合國內廣泛開展的基于數值預報方法的空氣質量預測預報系統建設相關項目經驗，對于環境空氣質量數值預報系統的建設思路、技術路線，以及存在問題進行分析，以期為區域空氣質量預報預警系統的建設提供借鑒。
建設目標與總體框架
1 系統建設目標
基于數值預報區域空氣質量預報預警系統，其建設目標為：通過對區域環境空氣質量監測預報預警系統的設計、開發和建設，集成單個或多個空氣質量數值預報模式，并結合區域地形地貌特征、污染源和氣象條件，進行相關參數的調整和優化，實現集空氣質量監測數據、氣象觀測數據、污染源等基礎信息接入、傳輸、管理以及空氣質量預報結果運算、制作、分析、顯示、發布于一體的可視化決策支持系統，以期達到穩定業務化運行的目的，為明確區域未來大氣污染防治及空氣質量保障工作的目標、方向與重點提供決策支持，為區域性大氣環境污染的聯防聯控提供決策依據。
2 系統總體框架
系統總體框架采用層次化設計思想，將建設內容從邏輯上分為硬件支撐層、平臺服務層、基礎數據層及業務應用層。典型的系統建設框架如下圖所示。系統硬件層采用高性能的計算集群技術。根據環境監測總站編制的《環境空氣質量預報預警方法技術指南》要求，在硬件平臺構建方面，需采用高性能浮點計算系統，通常省級預報系統計算能力應不小于 20Tflops，并要求配置中高端光纖存儲系統及備份存儲系統。
系統總體框架
技術路線與主要功能
1 技術路線
采用中尺度氣象模式 MM5 或 WRF 模擬結果作為統一的氣象場，采用 SMOKE 排放源處理模型統一處理排放清單，集成多個空氣質量數值預報模式及統計預報模式，構建區域空氣質量數值預報預警平臺，典型的系統建設技術路線如下圖所示。系統采用統一的模式區域設置，使用統一污染排放清單及排放處理過程（SMOKE），并由統一的氣象模式產生統一氣象驅動，以減小由于氣象、排放處理的不一致所引起的模式性能差異，可更客觀地評價不同空氣質量模式模擬效果，并以此為基礎發展合理的多模式集成預報方案，如算術集合平均、權重集成方法等。
典型技術路線
2 主要功能
系統的應用與展現層緊緊圍繞環境空氣質量監測業務，建立多個應用模塊。主要功能包括：
（1）遙感監測模塊通過對遙感數據 MODIS、OMI等的數據預處理，結合反演模型，獲取顆粒物 PM10、 PM2.5 以及SO2、NO2等污染物濃度的逐日空間分布和合成數據。基于 ArcGIS 等開發工具，實現顆粒物 PM10、PM2.5和污染氣體SO2、NO2與O3業務化監測、統計、分析、專題制圖、報告制作和輸出，輔助分析區域的污染成因。
（2）數據資源管理主要是對多個氣象場資料、空氣監測、污染源監測數據（含遙感監測數據）等多源數據的融合和管理，對數據進行再分析后存入數據庫，并以圖片形式展示盡可能多的數據信息。
（3）空氣質量日報預報應用包括集合預報、綜合預報和預報結果評估分析。多模式集合預報是將多種天氣預報模型和空氣質量預報模型集合起來，以地圖、圖表等多種形式提供查詢和瀏覽。綜合預報是為了預報員定制開發的功能，已便于預報員錄入、編輯各污染物預報值、氣象條件、污染過程等內容。
（4）預報結果分析是將數值預報產品、統計預報產品及預報員發布的預報結果等多種預報產品進行對比統計和分析評估，以圖表等形式展示預報偏差規律，分析偏差原因，通過預報結果的對比分析和結果評估，進一步完善預報系統，提高預報的準確率。
（5）污染分析模塊從污染來源分析著手，據數據預報數據，繪制影響區域污染團氣流軌跡圖，為預報員提供參考，為改善空氣質量提供決策所需的量化數據。
（6）發布與展現模塊根據 AQI 預報結果，自動制作各種形式的預報發布產品，實現發布到網站、手機短信、郵件、微波等多渠道的發布，為公眾提供 AQI 預報服務。
（7）決策支持模塊實現對若干套污染源控制技術方案以及應急控制預案的管理與調用，并通過情景設置，實現污染源排放清單的更新與動態轉換。通過模式運算實現空氣質量預報結果的更新，并基于 GIS 進行空間結果展示，為區域空氣污染調控提供決策支持。
