西安空气质量预报系统业务运行评估

2015-04-08杨晓春吴其重杜萌萌郭庆元唐文哲

陕西气象 2015年5期

关键词：实况空气质量准确性

杨晓春,吴其重,赵荣,杜萌萌,郭庆元,唐文哲

(1.西安市气象局,西安 710016;2.北京师范大学,北京 100875)

西安空气质量预报系统业务运行评估

杨晓春1,吴其重2,赵荣1,杜萌萌1,郭庆元1,唐文哲1

(1.西安市气象局,西安 710016;2.北京师范大学,北京 100875)

利用2014年8月至2015年1月西安市环保局实况监测数据、西安空气质量预报系统(XAWRF-CMAQ)预报产品及国家气象中心空气质量预报指导产品,按照中国气象局发布的《城市空气质量预报检验评估和考核办法(试行)》对XAWRF-CMAQ进行业务运行评估。结果显示:在评估时段内,XAWRF-CMAQ空气质量预报考核评分为61.1,空气质量预报准确性评分为71.0,重污染预报能力评分为0.36,达到中国气象局的要求。另外,XAWRF-CMAQ的预报结果对粗颗粒物存在一定程度的偏低估计,这可能是由于系统对颗粒物排放估计偏低所引起。

:西安空气质量预报系统;运行评估;准确性

西安地区高速城镇化的发展,导致大气污染物大量排放,引起严重的空气污染问题,影响着公众的健康[1]。基于环境气象业务的需求,西安空气质量预报系统(XAWRF-CMAQ)[2]于2013年8月开始业务化运行,该系统每日提供未来72 h逐小时空气质量数值预报产品。为了检验XAWRF-CMAQ的精度,更好地满足业务化的需求,根据中国气象局发布的《城市空气质量预报检验评估和考核办法 (试行)》(以下简称《办法》),结合西安市空气质量实况监测数据及国家气象中心下发的空气质量24 h预报指导产品,对XAWRF-CMAQ的产品进行业务化评估。

1 数据与方法

文中所采用的数据包括:2014年8月至2015年1月西安市环保局13个监测站逐时实况数据(其中有效数据为161 d),相应时段XAWRF-CMAQ的24、48 h预报产品及国家气象中心下发的24 h预报指导产品。为了便于比较评估,实况和XAWRF-CMAQ预报产品数据均选用日平均值,其中,实况数据由西安市环境监测站点逐时实况数据24 h平均计算得到, XAWRF-CMAQ采用与监测站点相近的模式网格点数据进行24 h平均;国家气象中心预报指导产品采用西安地区逐日预报值。

在此基础上,参照《办法》中制定的标准进行计算评分,实现对XAWRF-CMAQ的业务评估。

1.1 空气质量预报考核评分和AQI预报Ts评分方法

1.1.1 空气质量预报考核评分《办法》中逐日空气质量预报考核评分计算公式为

式中,R为逐日空气质量预报质量评分,S1为资料传输时效评分,S2为空气质量预报精确度评分。S2的计算公式为

式中,f1为首要污染物预报正确性评分,若预报的首要污染物与实况一致,则判定为首要污染物预报正确,得100分,否则为错误,得0分;若有两种或多种污染物并列为首要污染物,预报出其中一种即判定为首要污染物预报正确。f2为空气质量指数(Air Quality Index,AQI)预报级别正确性评分,若预报与实况级别相同得100分,相差一个等级得50分,相差两个等级得25分,其余不得分。首要污染物预报技巧评分f3、AQI等级预报技巧评分f4的规则为:国家气象中心指导预报与地方预报均为正确或错误的情况下,得分为0;指导预报正确,地方预报错误,得分为-100;指导预报错误,地方预报正确,得分为100。AQI预报数值误差评分f5的评分规则如表1所示。

1.1.2 AQI预报Ts评分《办法》参照降水Ts评分计算方法,制定了AQI的Ts评分规则,用以衡量高浓度污染(AQI为五、六级)的预报能力。例如AQI为五级的预报Ts评分公式为

其中,Ac为评分时段内AQI预报与实况均为五级的天数,Af为评分时段内AQI预报为五级的天数,Ao为AQI实况为五级的天数。若Af+Ao-Ac=0,则Ts=0。

1.2 空气质量预报准确性评分方法

为了进一步评估XAWRF-CMAQ的预报准确性,剔除“预报技巧”因素,将f3、f4的系数按公式(2)中原有比例分配到其他三项,则逐日空气质量预报准确性评分S3为

2 XAWRF-CMAQ业务考核结果

2.1 空气质量预报考核评分和AQI预报TS评分

2.1.1 空气质量预报考核评分根据公式(1),对XAWRF-CMAQ预报产品进行逐日空气质量预报考核评分。对于资料传输时效评分S1, XAWRF-CMAQ在每日10时前完成所有预报产品的计算和制作,完全满足《办法》对预报时效的要求,可认定S1的得分为100。

在评估时段内,XAWRF-CMAQ对于首要污染物预报正确的仅有31 d,因此,S2中首要污染物预报正确性评分f1的总分为3 100。通过分析表明,首要污染物预报错误主要是由于系统对PM10、PM2.5颗粒物的漏报,说明系统对颗粒物污染的预报存在不足。

统计分析了评估时段内XAWRF-CMAQ预报产品AQI预报等级分布(表2)。由表2可以看出,当AQI为二、三级时,XAWRF-CMAQ的预报准确率较高;AQI为一级和五级时, XAWRF-CMAQ漏报较明显。进一步分析表明, AQI为一级,XAWRF-CMAQ漏报13 d,主要原因是XAWRF-CMAQ点源的SO2排放过高,这与近几年我国大型工矿企业脱硫工程的逐步实施,而系统中所使用污染源清单数据收集年份较早有一定关系[3];而AQI为五级,系统漏报6 d,漏报的主要原因是系统对PM2.5浓度的峰值低估所引起。XAWRF-CMAQ的AQI预报级别正确性评分f2的平均分为76.0。

XAWRF-CMAQ预报产品首要污染物预报技巧f3的平均分为-11.9,造成负技巧的主要原因有两方面。一方面是由于系统中点源的SO2排放过高,导致SO2预报浓度偏高。当实况AQI为一级时,系统误判为AQI二级或三级且首要污染物为SO2。另一方面是由于系统的污染源清单中扬尘过少,导致PM10预报浓度偏低。当实况AQI为二级或三级,且首要污染物为PM10时,系统将首要污染物误判为PM2.5。

AQI等级预报技巧f4的平均分为12.9,表明在AQI等级预报中,XAWRF-CMAQ优于国家气象中心预报指导产品。AQI预报数值误差f5的平均分为88.4。

综上可得,评估时段内,XAWRF-CMAQ的空气质量预报考核评分Rxa=61.1。《办法》要求空气质量预报考核评分60分为合格,因此,在完全没有预报员人工干预的情况下, XAWRF-CMAQ每日自动生成的预报产品在时效和精度上满足《办法》要求,同时也满足西安市空气质量预报的业务需求。

2.1.2 AQI预报Ts评分对XAWRF-CMAQ预报产品及国家气象中心预报指导产品的重污染天气预报能力进行评分。实况资料显示,在评估时段内AQI为五级的重污染天气共出现10 d,首要污染物均为PM2.5。依据公式(3)计算获得,XAWRF-CMAQ的产品和国家气象中心预报指导产品Ts评分分别为Ts(xa)=0.36,Ts(bi)= 0.17。结果显示,两种预报产品对重污染天气预报的准确性均偏小,对高浓度污染物的预报能力有限。在日常检验中也可以发现,西安空气质量预报系统对于污染物的峰值预报偏低,这与系统的污染源数据收集范围还存在一定的不足导致排放量偏小有直接关系。

2.2 空气质量预报准确性评分

公式(5)去除了预报技巧评分,可以表征预报产品客观的预报性能,利用该公式分别对XAWRF-CMAQ预报产品及国家气象中心预报指导产品进行准确性评分,计算得到XAWRFCMAQ预报产品准确性评分S3(xa)=71.0,国家气象中心预报指导产品准确性评分S3(bi)= 67.2。可以看出,XAWRF-CMAQ预报产品的准确性略优于指导产品。同理利用公式 (5)计算得到XAWRF-CMAQ的48 h预报产品准确性评分为65.2,由此可见,随着预报时效的增加,XAWRF-CMAQ预报产品的精度也有所下降。