上海环境空气质量预报考核评分方法研究和应用

2015-10-12赵倩彪伏晴艳

中国环境监测 2015年4期

胡鸣，赵倩彪，伏晴艳

上海市环境监测中心，上海 200235

我国自2001年启动空气质量预报发布以来，已开展了多种预报手段的开发和应用，并基本形成了由潜势预报模式、统计预报模式和数值预报模式相结合的空气污染预报系统框架［1-2］。随着空气质量预报的业务化发展，各地也建立相应的预报考核评估方法或系统客观评价不同预报方法的预报效果［3-9］，以进一步规范环境空气质量预报的服务工作，不断提高预报质量和预报水平，但主要基于空气污染指数(API)的预报考评。国内较为公认的评分办法主要包括指数评分办法和级别判定评分办法［10］，对API的预报准确度、级别判定、预报值与监测值的相关性进行分析和评判。

2012年，环境空气质量新标准颁布［11-12］后，新增污染监测因子和实时发布等要求使空气质量预报的难度不断加大［13］，旧的预报评分方法也难以与新的预报内容匹配，特别是针对空气质量指数(AQI)预报的考核评分尚属空白。根据相关标准和技术规范的要求，并结合上海市空气质量实时发布的特点，编制了一套环境空气质量预报考核评分方法，以定量化反映预报结果的精准度，从而科学、针对性地改进预报方法，提高预报准确率。同时，利用该方法对2013年9月以来的上海市空气质量预报结果进行了评估和验证。

1 考核评分内容

应环境空气质量新标准和技术规范的要求，上海市于2012年11月正式对外发布空气质量日报和实时报，包括 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36项污染物指标;2013年9月1日起发布未来24 h空气质量预报信息，并分为3个时段:当日夜间(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)、次日下午(12:00—20:00)。因此，预报考核评分的时段也与之对应，并考虑日均值(0:00至次日0:00 24 h平均值)的统计，评分中均以污染物的AQI参加计算。另外，根据国家环境空气质量标准，分段预报仅以O31 h浓度参照对应标准计算AQI和首要污染物并进行评价，日报则以O38 h浓度参照对应标准计算AQI和首要污染物并进行评价，次日下午的O38 h预报结果不参与该时段预报及考核的计算。

根据近5年的上海市环境空气质量监测数据表明［14］，上海市SO2和CO的日均值明显低于国家二级标准且呈现总体下降趋势，故不将CO和SO2纳入考核指标。综合考虑，上海市环境空气质量预报的考核指标包括 PM10、PM2.5、NO2和O3，同时为体现预报的实效性，评分方法重点关注分段预报结果的准确性。较之过去仅预报3项空气污染物SO2、NO2和PM10，本考评方法在增加考核指标PM2.5和O3的同时，又科学性地筛选出了重点考核指标，针对性强。

每个时段的考核评分方法一致，包括首要污染物的正确性评分、预报级别的准确性评分和预报指数的精度评分，不同于API预报的考核评分，本方法增加了污染预报加分项，强调对污染状况预报能力的考核。

2 考核评分计算方法

2.1 考评时段和评分权重

过去的预报考核基于旧标准API的评价，仅对逐日空气质量预报结果进行评分，而本考核评分办法的评分时段参照分时段预报:当日夜间(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)和次日下午(12:00—20:00)3个时间段，强化这3个分时段的预报质量权重，同时兼顾日均值的考核，即次日的AQI预报结果。总分F为分时段预报得分与日均值预报得分之和，计算公式:

式中f分别代表各对应时段的预报得分。

2.2 各时段得分统计方法

考虑到空气质量为优级(AQI≤50)和非优级(AQI＞50)时，有是否存在首要污染物的区别，而基于API的城市空气质量预报评分办法并没有对此进行区分。本方法则将这2种情况分开讨论，按不同的统计模型进行评定。

当实况各指标均为优等级(IAQI≤50)时:

式中f2为级别准确性评分，f4为所有参与考核指标的精度评分的平均，f0为污染附加分。

当实况各指标存在非优等级(IAQI＞50)时:

式中f1为首要污染物正确性评分，f3为首要污染物(以实况为准)空气质量指数的精度评分。

2.2.1 首要污染物正确性评分

当实况为非优级的情况下，考虑首要污染物的预报正确与否:如果预报首要污染物和实况完全相同，得100分;如果预报首要污染物和实况完全不同，得0分;由于空气污染物考核指标的增加，可能同时出现2个或2个以上首要污染物，若预报出现2个或2个以上首要污染物，实况首要污染物为其中一项，得分为 f1=100×1/N预报(N预报为预报污染物个数);如果实况出现2个或2个以上首要污染物，预报为其中一项，得100分。

2.2.2 级别准确性评分

根据分时段的预报发布内容和该时段实时空气质量指数变化的符合程度进行评价，发布内容分为基本级别描述和变化趋势描述。对级别描述的评价分为完全准确、部分准确(跨1个级别)和不准确(跨2个级别以上)，实况的级别判定为该时间段内出现频次最多的相邻2个级别(或1个级别)。

如果实况的基本级别完全被预报的基本级别覆盖，则判定为完全准确，得100分;如果实况的基本级别部分被预报的基本级别覆盖，其他时间和预报基本级别之间有一级的差别，则判定为部分准确，得50分;如果实况的基本级别完全没有被预报的基本级别覆盖，和预报基本级别之间有2个级别(含)以上的差别，则判定为不准确，得0分。

API评价的分级及浓度限值较为宽松，一般很少出现跨2个级别(含)以上的情况，而新标准以AQI方法作评价，收严浓度限值标准的同时，级别间的浓度跨度也减小，如PM2.5从50 μg/m3到200 μg/m3变化已跨4个级别(良到重度污染)。特别是上海市空气质量实时发布为解决AQI的滞后效应，颗粒物以1 h的平均浓度取代24 h滑动平均浓度，当颗粒物浓度出现急剧变化时，跨级现象较为明显。故本考评方法增加污染变化趋势描述项得分，规定如果实况的级别出现跨2个级别以上，则需要对变化趋势进行描述。变化趋势的判定为该时间段内除基本级别以外出现的其他级别。如果实况需要变化趋势描述而预报没有，在基本级别得分的基础上扣20分;如果实况不需要变化趋势描述而预报有，在基本级别得分的基础上扣10分;如果实况需要变化趋势描述，且其最高/最低级别与预报描述相符，在基本级别得分的基础上加20分;如果实况需要变化趋势描述，且其最高/最低级别与预报描述差一级，在基本级别得分的基础上扣10分;如果实况需要变化趋势描述，且其最高/最低级别与预报描述差2个级别(含)以上，在基本级别得分的基础上扣20分。

2.2.3 空气质量分指数的精度评分

各污染物的空气质量分指数精度是根据预报值与实况值之间的差别计算得到，如果差别过大出现得分为负数的情况，则以0分代替，具体计算公式:

式中i为纳入评价范围的各项污染物，f4的得分为所有f4i的平均值。当实况为非优级时，存在首要污染物空气质量指数的精度评分f3，计算方法同f4，但提高了首要污染物的考评权重得分。

2.2.4 污染附加分

当实况出现轻度及以上污染时，进行AQI附加分评定，并加入各段的总评分。实况和预报等级对应得分f0见表1，随着污染程度的加剧，f0加大，实况与预报级别差别越大，相应的f0越小，即扣分越多。由于考评更侧重于对污染及污染趋势的判断，漏报比空报的扣分适当加重。

表1 实况和预报等级对应得分

3 考核评分的应用分析

应用该考核评分系统，对上海市2013年9月1日至12月31日的空气质量预报结果进行了考核。图1显示的是总体得分的比例分布，主要集中在50～90分，其中71～80分的比例最高，达22%。得分情况基本呈负偏态分布，考虑到目前基于AQI的空气质量预报工作尚处于起步阶段，本方法作为预报水平的基本考核科学适用。随着预报技术的发展，基于本方法的考核得分将提高，得分将更趋于合理化分布。

图1 总体得分比例分布

从不同AQI等级的考评得分情况(图2)来看，总体得分50～80分，优级时段的得分最低，平均为59.5分;严重污染时段的得分最高，平均为75.1分，其次是等级为良的时段，平均得分为72.7。由于空气质量分指数的精度得分计算与实况值的大小相关，在预测和实况差值相同的情况下，实况值越大，得分越高，可能导致优级时段的总体考评得分较低。考虑到公众对于空气质量的关注点更注重于是否污染以及污染趋势如何，该评分方法也更侧重强调预报员对于污染趋势的判断。

图2 不同AQI等级的考评得分

4 结语

空气质量预报考核评分是衡量预报水平的客观依据，便于对预报质量进行科学分析，同时能进一步规范环境空气质量预报的业务化工作，满足环境管理的需要。针对目前国内AQI预报考核评分方法的空白，结合上海市环境空气质量的特点，制定本预报考核评分方法。该法具有以下特点:考虑到预报的实效性，分时段进行评价，提高分时段的评分权重并兼顾日评价;将优级时段和非优级时段分开考核，更侧重于对污染日的评估，同时突出首要污染物的权重，强化对首要污染的预报精确度;增加级别变化趋势的描述评分以及污染加分项，突出预报员对污染时段及变化趋势的预报;考评预报员的预报水平既可以对某一时段的预报进行打分，也可对一天甚至一周作平均得分考评。同时该考评方法也可用于数值模式预报的验证。

应用于上海市的空气质量预报质量评估，效果理想，贴近预报工作的实效与公众的感受，有利于对城市空气质量预报业务进行管理和考核。从预报评价周期而言，可逐步拓展到未来48 h、72 h或者一周预报。该方法也可进一步推广到其他城市地区，但由于该评分方法主要针对上海空气质量的实时发布，其他城市可根据自身的空气质量状况和污染特征，适当调整考核指标。

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［11］GB 3095—2012 环境空气质量标准［S］．

［12］HJ 633—2012 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)［S］．