区域环境空气质量预报的一般方法和基本原则

王晓彦，刘 冰，李健军，丁俊男，汪 巍，赵熠琳，鲁 宁，许 荣，朱媛媛，高愈霄，李国刚

中国环境监测总站，国家环境保护监测质量控制重点实验室，北京 100012

2013年，大范围、长时间的雾霾过程在我国中东部地区频繁发生，京津冀区域空气污染尤为严重，对公众健康、大气能见度和交通运输造成显著的负面影响。为应对广大公众和环境管理部门对空气质量预报的紧迫需求，中国环境监测总站采用数值预报模式开展了近半年的京津冀区域空气质量预报测试。在预报测试期间，不断探索和完善区域空气质量预报方法，并逐渐形成空气质量预报的基本原则。该文详细阐述区域空气质量预报的一般方法和基本原则，以期为各地开展空气质量预报提供借鉴和参考。

1 区域环境空气质量预报

我国环境空气质量预报研究始于20世纪70年代，但多局限于城市空气质量预报。长三角重点区域在世博会期间曾开展过短期的区域范围空气质量预报，但未形成长期的、系统化业务预报［1-2］。而京津冀区域环境空气质量预报是首次面向区域尺度范围尝试建立的长期业务化预报系统，旨在预测区域范围内未来几天的空气质量，把握区域空气质量总体变化趋势，并重点关注存在重度以上污染可能的城市和地区，及时提供空气质量预警信息。鉴于大气污染物可跨城市长距离输送的特点，单个城市的空气质量预报已经无法满足区域大气污染联防联控的需求。因此，有必要开展区域性的空气质量预报业务，通过对区域大范围大气污染形势的预测，科学合理地启动区域内多个城市协同的重污染应急措施，最大限度地降低重污染的影响程度。

为了最大限度地降低空气污染对人体健康的损害，在预测到未来可能出现重污染过程时，管理部门需及时发布污染预警信息，并伴随相应的短期应急措施和区域大气污染联防联控机制，而污染防控措施的制定均依赖于大气污染物的来源识别和贡献分析。数值预报模式具备污染来源解析和去向追踪的功能，是区域环境空气质量预报的主要方法［3］。

2 区域环境空气质量预报一般方法

京津冀区域环境空气质量数值预报包括未来2 d空气质量预报和后续3 d的污染潜势预测［4］，方法主要包括数值预报模式结果分析、客观订正和预报信息发布等环节，即以数值预报模式结果为基础，以客观订正为综合分析过程，以预报信息发布为最终目的。

2.1 数值预报模式

京津冀区域环境空气质量预报模式采用的中科院大气物理所自主研发的区域空气质量数值预报模式系统(NAQPMS)［5］，可实现区域和城市PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和 CO 等 6 项常规污染物的未来2～5 d的空气质量指数预报。目前，京津冀区域空气质量预报的形式相对粗泛，将京津冀区域分为北京、天津、冀北、冀中和冀南共5个分区，首先依据数值模式预报结果，采用“跨级(空气质量指数级别)”预报的方式，如表1所示，依次列出各分区空气质量预报结果。

表1 2014年2月14—18日京津冀区域环境空气质量预报实例

2.2 客观订正

由于气象场和污染源清单等输入数据的不确定性，导致数值模式的预报结果会存在一定偏差。此时预报员需根据对天气形势、污染源排放情况、物理化学过程、空气质量历史变化规律的了解，凭借实践经验对模式预报结果进行客观订正，并适时联系相关部门或专家开展预报会商。模式预报结果经过一系列客观订正后，最终得到区域环境空气质量预报结果。

2.2.1 天气形势分析

天气形势分析是空气质量预报的重要前提，为全面把握区域天气形势，需从不同高度由高到低、有针对性地分析各层气象条件。以高空大气运动形势判断区域大范围的天气过程，以低空大气运动趋势分析局地气象条件影响，综合评估天气形势对空气质量变化的影响。表2简要列出了不同高度天气形势分析的要点，包括各层的分析对象、形势特征和参考资料等［6-8］。

表2 不同高度天气形势分析要点

2.2.2 污染源排放分析

污染源排放清单是数值预报模式关键输入数据。现行的排放清单缺乏动态更新机制，无法对特殊污染过程进行及时跟进和自动调整。因此，预报员需根据污染源排放在短期内大幅度的变化过程，对数值模式预报结果进行“加重”或“减轻”等人为修正。特殊污染源排放变化过程包括沙尘暴、秸秆燃烧、森林大火、节假日烟花爆竹燃放，以及因重大赛事临时关停重污染工厂而导致的污染源排放变化等。此时，不仅要考虑污染源排放变化对本地空气质量的影响，应同时分析其对下风向区域空气质量的影响程度。以2014年春节前后北京农展馆点位为例(见图1)，受除夕夜间至春节凌晨烟花爆竹集中燃放影响，PM2.5和PM10小时浓度在3～4 h内明显升高，最大小时浓度分别高达426 μg/m3和 591 μg/m3，显著影响当日的空气质量指数等级，在空气质量预报时需着重考虑。

图1 2014年春节前后烟花爆竹燃放对北京农展馆点位PM2.5和PM10小时浓度影响

2.2.3 物理化学过程分析

在污染源相对稳定的情况下，气象条件是影响大气污染物浓度的关键因素，影响方式包括物理过程和化学过程。物理过程主要指风速、风向、降水等气象条件对大气污染物的扩散、传输和清除作用，例如秋冬季节伴随西北强冷空气的大风天气可显著促进京津冀区域污染物的扩散，实时空气质量可在几小时内从重度污染跨越到优良级别。以2013年11月24日天津市监测中心点位为例(见图2)，受冷空气带来的强西北风影响，在7～8 h内，PM10和PM2.5小时浓度从空气质量指数严重污染降为优良水平。

图2 2013年11月大风天气对天津市监测中心点位PM小时浓度影响

此外，不同程度的降水对污染物浓度影响程度不同，降水量越大，持续时间越长，清洗作用越明显，当降水量小于1 mm时，对大气的净化作用非常有限［9］。化学过程主要指特定气象条件可促进或抑制大气污染物之间的化学反应过程，影响二次污染物的生成。例如夏季强烈的太阳辐射导致O3浓度迅速上升，容易出现光化学污染;而当大气相对湿度较高时，硫酸盐和硝酸盐易吸湿增长，有利于二次颗粒物生成，促进雾霾的形成［10］。因此，预报员应熟练掌握在特定气象条件下，因物理化学过程而导致的大气污染物浓度定性变化。

2.2.4 空气质量变化规律分析

大量的污染物浓度和气象参数历史观测数据的规律性分析是开展空气质量预报的基础。空气质量历史变化规律作为一面“镜子”，对于不确定性的空气质量预报具有重要的参考意义。对区域内历史观测数据的统计分析，可总结出不同气象条件下污染物浓度的变化趋势，通过分类汇总形成若干条经验性规律作为空气质量预报的订正依据。如当前形势具备与上一年某次大气污染过程前期类似的污染物浓度和气象条件，预报时可在很大程度上参考该次污染过程中空气质量的变化趋势;此外，短期内历史数据分析对空气质量预报结果具有更加直接的借鉴意义，如在海陆风的作用下，天津市不易发生重度污染，即使数值模式预报未来2 d京津冀区域总体形势为重度以上污染时，如果前一个月内类似形势下天津市并未随之出现重度污染，则本次预报应将天津市空气质量预报订正为重度污染以下级别。

2.2.5 预报会商

空气质量预报的不确定性是客观存在的。在预测到有重污染发生的可能时，如果贸然发布重污染预警信息并启动短期应急预案，很可能因为“错报”而导致不必要的经济损失和社会负面影响。预报会商机制可起到群策群力、沟通预报思路、交流预报技术等信息交换和思想交流的作用，是避免错报、提高预报预警准确率的有效方式［11］。预报会商是重污染过程预报客观订正的一项重要环节，参与预报会商的人员应具备气象学、大气科学、预报模式、统计学等深厚的专业背景，从而获取来自不同领域的多方意见，最终达成全体认可的空气质量预报结果。

2.3 预报信息发布

向公众及时发布空气质量预报信息是预报工作的最终目的。预报信息应图文结合，以使公众能够直观、准确地加以理解。在信息爆炸时代，可通过多种方式发布预报信息，包括网络、邮件、传真、手机、电视和热线电话等，尽可能使公众随时随地获取预报预警信息，根据未来空气质量状况及时调整日常出行计划。

3 区域环境空气质量预报基本原则

3.1 预报系统建立原则

预报定位在科学预测。业务预报是执行符合科学预测的预报程序，不是无科学依据的主观猜测。

以最接近准确水平的预报模式为依据。以区域空气质量数值预报模式为例，模式结合了迄今为止气象预报、污染物源和汇、大气化学反应以及物理传输和清除过程等领域最高水平的认知，基于全方位的统筹考虑和综合分析，是在现有条件下能够达到的最接近准确水平的空气质量客观预测，是业务预报的基础依据。

预报偏差源于不准确的模式初始场。模式初始场主要包括气象场和污染源排放清单，由于观测不全面和气象模式本身的偏差，气象预报存在一定不确定性;同样，污染源排放清单也因时间滞后和空间分辨率低而无法准确反映大气污染物真实的排放情况。存在偏差的气象预报和不够完整细致的排放清单是导致数值模式预报结果与实况不符的主要因素。

3.2 预报结果确定原则

以模式预报为主，以客观订正为辅。对于模式本身而言，空气质量模式预报结果是客观准确的。但存在偏差的气象预报和排放清单等初始场仍会导致错误的空气质量预报结果。因此，需要基于对大气污染物实况监测数据、大气化学反应过程、污染物传输和沉降规律等人为的经验认识，对模式预报结果进行适当的客观订正。

客观订正以规律分析为主。对模式预报结果进行客观订正，主要基于对气象条件、污染源排放清单、污染物大气化学反应、传输和沉降过程等多方面的规律性分析，而以上规律的获取依赖于长期的预报实践经验。

将规律分析自动化。为提高日常预报的业务化水平，有必要将系统性的客观订正规律分类汇总，形成格式化的分析工具，并将其集约在预报业务平台中，实现自动化分析，减少人为重复劳动，可显著提高客观订正的效率。

3.3 天气控制形势分析原则

把握区域总体控制形势。区域空气质量预报属于趋势预报，侧重于对影响空气质量的大气扩散条件变好、变差或维持等总体形势的判断，为辖区内城市开展精细化空气质量预报提供参考。根据高压和低压系统、台风过境、静稳天气等大型天气形势，将未来区域总体控制形势划分为好转、维持和变差等不同类别，以便于有针对性地判断区域空气质量的总体变化趋势。

关注不同高度控制形势的强度和转变。为全面掌握区域天气控制形势，需了解区域预报气象场的垂直结构特征，即从高、中、低等不同高度立体化分析。通过对各层风速、风向、相对湿度等气象条件的评估，逐层判断各层天气控制形势的类型、强度和变化趋势。

不同高度控制形势综合协调分析。对高、中、低等不同高度天气控制形势协调分析和综合评估，才能获得全面、准确的区域总体天气控制形势场。当不同高度层天气控制形势类似时，区域总体控制趋势单一且易于判断;当不同高度层天气控制形势出现强弱、方向等差异时，区域总体控制形势会相对复杂。

3.4 预报信息表述原则

总体形势与动态变化描述相结合。在描述未来区域天气控制形势时，应先描述区域总体形势，如“未来两天京津冀区域将受到冷空气南下过程影响”，再具体描述在总体形势影响下的动态变化过程，可使用“维持、趋向、转为、向……发展”等动态描述词语，例如“大气扩散条件将转为有利”。

总体污染程度和局部重污染描述相结合。在描述区域空气质量预报时，首先概括性说明区域总体的空气质量变化和污染形势，例如“未来两天，京津冀区域空气质量以良至轻度污染为主”;在局地可能出现重污染时，应增加对重污染地区的具体描述，例如“河北中南部可能出现重度以上污染”。

跨级预报与可能性预报相结合。区域空气质量预报涵盖的范围较大，难以做到针对各城市的精细化预报。由于对分区的划分较粗，在空气质量级别预报时，同一个分区内不同城市之间，甚至单个城市内不同点位之间都有可能存在差异，跨级预报是将以上差异归一化的有效方式，例如“明日河北南部空气质量为轻度至中度污染”。同时，由于沙尘暴、秸秆焚烧等局地污染源随机变化或人为应急措施的干预，未来局地的空气质量很可能发生“跳级”突变，因此要增加针对该地区具体的可能性预报。

4 结论

中国大气污染严峻形势及其联防联控机制对区域环境空气质量监测与预报预警提出了前所未有的技术支撑需求。国务院2013年颁布的《大气污染防治行动计划》明确要求“建立监测预警应急体系，妥善应对重污染天气”，以此为契机，全国环境空气质量预报预警体系建设在摸索中起步前行。在京津冀区域环境空气质量预报测试过程中，初步探求出一套系统性的区域空气质量预报一般方法和基本原则，并已经成为目前京津冀区域空气质量日常预报所遵循的重要技术依据。作为区域空气质量预报的先行者，在各地空气质量预报预警系统如火如荼筹建之际，期望本研究中的实践经验和技术方法能够为其他区域和城市开展空气质量预报提供借鉴和参考。

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