新乡市空气质量数值预报系统及重污染过程模拟分析

马 琳，张稳定，魏 巍，晏平仲，3

（1.新乡市环境保护监测站，河南新乡453003；2.中科三清科技有限公司，北京100029；3.中国科学院大气物理研究所，北京100029）

自2000年开始，国家组织环境保护重点城市开展了城市环境空气质量日报和预报工作。近几年来，随着大气环境污染问题日渐突出，环境空气质量预报逐渐从幕后走到了台前，开始为国家制定经济发展规划以及人民群众日常工作和生产生活提供指导。2013年12月，我国中东部出现长时间大范围高强度的细颗粒物污染事件，全国20多个省份、100多个城市颗粒物污染达重度至严重污染水平，引起了公众的高度关注。近年来，我国中东部地区类似的重污染事件日益增多，呈现污染程度重、持续时间长、污染面积大等特征。2014年，中国环境监测总站印发《环境空气质量预报预警业务工作指南（暂行）》[1]，用于指导各省、自治区、直辖市及相关城市环境监测中心（站）的空气质量预报预警业务工作。对于预报方法，可选择数值预报、统计预报方法或2者的集合预报。以第3代空气质量模型嵌套网格空气质量数值模式系统（NAQPMS）、多尺度空气质量模式（CMAQ）、复合型空气质量模型（CAMx）以及气象研究和预报化学耦合模型（WRFCHEM）等数值预报模型为主要工具，在科学研究[2-5]和空气质量预报领域[6-9]发挥出重要的作用。

2015年，河南省环境保护厅下发《河南省环境保护厅关于印发河南省环境空气质量预报预警试行方案的通知》[10]，河南省各市陆续建立环境空气质量预报预警业务平台，为响应国家大气污染防治政策，积极应对空气污染问题。2016年，新乡市环保局启动了空气质量预报预警平台的建设工作，选用NAQPMS和CMAQ模型作为空气质量数值预报的工具。项目建设单位基于多个预报预警系统项目的建设经验，结合新乡实际情况，设计开发出适合新乡本地的空气质量数值预报系统，辅助预报人员做好新乡市空气质量预报预警工作。

1 系统的设计

空气质量数值预报系统是新乡市空气质量调控综合决策支撑平台的重要组成部分，是开展空气质量预报预警业务的核心。该系统以大气污染物排放清单和气象预报数据为基础，通过三维欧拉空气质量模型计算出未来一段时间内大气中多种污染物的浓度，结合后处理和业务处理流程，为空气质量预报预警工作平台提供各类预报产品。

本研究选择国内先进的中国科学院大气物理研究所自主研发的NAQPMS以及国际主流的美国环保署Model-3-CMAQ模式作为空气质量数值预报核心模式，采用广泛应用的中尺度气象模式WRF（weather research and forecast）提供输入气象场，耦合清华大学研究建立的用于空气质量模式的网格化全国污染源清单，基于模式不确定性分析评估各输入数据不确定性对模式预报误差的影响，采用新乡市及周边区域空气质量集合预报优化方法，利用包括多元回归、偏差订正、权重因子和神经网络等方法对空气质量集合预报结果进行统计集成，满足新乡市环境空气质量预报预警业务准确性需求。

1.1 系统框架

新乡市空气质量数值模式系统框架图如图1。

图1 新乡市环境空气质量多模式预报预警平台系统流程图Fig.1 System flowchart of environmental air quality multi-model forecast and warning platform in Xinxiang city

该系统采用多模式集合预报系统，通过统一的区域设置、排放清单、气象场驱动，空气质量数值模式采用国内应用成熟、业务化程度高的NAQPMS、CMAQ等，并提供污染资料及气象资料同化功能。系统可利用多元回归、偏差订正、神经网络等方法对空气质量集合预报结果进行统计集成，实现多模式的集合预报。

相对于单模式预报，多模式集合预报可以集成不同模式的优点，使得通过合适的集成方法来提高确定性预报的准确率成为可能。

本系统设计符合《环境空气质量预报预警方法技术指南》[11]、《全国环境空气质量预报信息交换技术指南（试行）》[12]、《环境空气质量可视化预报会商技术指南（试行）》[13]、《环境空气质量数值模式源清单技术指南（试行）》[14]、《大气细颗粒物（PM2.5）源排放清单编制技术指南（试行）》（征求意见稿）[15]等方面要求。

1.2 数值模式简介

1.2.1 NAQPMS模式

NAQPMS的设计是以我国当前计算硬件条件和业务水平为出发点，结合我国城市群大气复合污染的排放、输送、演变特点，综合评估多个有代表性的数值模式。NAQPMS主要由气象处理、排放源处理、空气质量模式及模式输出等4个主要部分构成。NAQPMS采用开放式气象驱动场，可利用MM5、WRF等中尺度气象模式输出的气象要素场作为模式的动力驱动，而中尺度气象模式预报所需的初始条件和边界条件可由美国国家环境预报中心（NCEP）-美国国家大气研究中心（NCAR）再分析数据、欧洲数值预报中心的ECMWF数据等全球数据提供。结合SMOKE模型实时输出的排放源，NAQPMS可以对大气中主要化学成分的分布状况、输送态势、沉降特征进行数值模拟，从而使得模式系统能够合理反映大气化学成分在输送过程中的物理化学特性变化。

1.2.2 CMAQ模式

Model-3-CMAQ系统是美国环境保护局开发的第3代空气质量模式，以“一个大气”为设计理念，拟将所有的大气问题均考虑进模式之中。Model-3模式系统由中尺度气象模式、排放模式模式以及通用多尺度模式（CMAQ）等3大模块组成。中尺度气象模式采用MM5和WRF，SMOKE排放模式提供污染源的排放清单，估算污染源位置和产生量随时间的变化；CMAQ为空气质量系统的核心部分，设计为多重网格嵌套模式，可以模拟多种污染物的输送和转化过程。

1.3 数值预报方案

1.3.1 模式区域和预报时间

对多模式预报系统的区域网格进行了统一的设置，本系统中模式计算采用三重嵌套区域设置。第1区域为中国中东部区域，水平分辨率为27 km；第2区域为河南省及其周边区域，水平分辨率为9 km；第3区域为新乡市全境及周边，水平分辨率为新乡市区为1 km；其他区域为3 km。模式计算垂直范围从地面到20 km高度，垂直分层不少于20层，边界层内分为10层。

模式以前日北京时间20时为起点，计算未来168 h的气象场和污染物浓度场，以实现未来3 d可用的区域空气质量预报和未来7 d可供参考的区域污染趋势预测，预报输出结果的时间分辨率为1 h。

1.3.2 气象场预报及设置

空气质量模式的气象驱动场由NCEP、NCAR等科研机构和大学联合开发的新一代中尺度气象模式WRF提供，采用NCEP的数值天气预报中心GFS数据集全球预报分析资料作为WRF模式运行的初始及边界条件，输出频率为每小时1次。WRF模式垂直方向上采用地形跟随质量坐标系，垂直分层不少20层。

1.3.3 排放清单及其处理

研究的污染物主要涉及无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物包括颗粒物PM10、PM2.5，气态污染物SO2、NOx、CO和NH3等，其中PM10和PM2.5特指由污染源直接排放的一次颗粒物；有机污染物主要指VOC。

大气污染物排放清单以实测为基础，结合重点污染源核查等专项工作，建立了与行业或通用设备相关联的本地污染物排放系数，同时，还借鉴了国内《工业污染物产生和排放系数于册》中部分排放系数、欧美等发达国家清单统计的规范和方法（如美国EPA的Air Chief、NEI和NIF、欧盟的CORINAIR、英国的NAEI 96年排放清单等）等。

1.3.4 模式参数化方案设置

本研究首先根据前期研究经验初步预设多模式集合预报系统4个核心模式的物理化学方案，通过模拟评估进一步优化方案参数，具体方案见表1。

表1 模式应用方案Tab.1 Application schemes of models

1.3.5 模式自动化运行技术

模式自动化运行是系统的技术核心，本研究中基于Linux SHELL脚本和Fortran程序实现多模式系统的自动化运行，自动生成预报所需图片和文本文件，每日定期备份关键数据，并且清理模式计算产生的临时文件，满足自动、稳定、无人值守是空气质量预报系统的基本要求。

以NAQPMS模式系统的自动化为例，该系统由一个主SHELL脚本整体控制，负责调用控制NAQPMS各个部分的子SHELL脚本，每个子SHELL脚本控制相应模块的自动运行。自动化运行的时间由主SHELL脚本产生，每天0时，系统第1个子部分在相应SHELL脚本的控制下自动下载NCEP的全球预报资料，然后依次运行WRF模式的WPS模块和WRF模块SHELL脚本，接着第2个子部分运行wrf2apops气象-化学接口SHELL脚本，将结果输入空气质量模式，运行real-NAQPMS的SHELL脚本进行污染场的计算，完成后用后处理SHELL脚本将气象场和污染场的预报结果绘图，生成多种预报产品，并且调用Fortran程序计算AQI等表格，生成网页发布。此系统充分利用了0—7时这段相对空余的时间运行，呈现未来几天的详细天气走势以及不同高度污染物的分布，为空气污染的预报预警和分析预报提供有力的支持。

系统每日0时自动下载全球气象预报场数据，整个计算时间约为4 h，保证预报结果在每日7时之前输入预报平台，满足业务预报时效性需求。

2 重污染过程模拟分析

2.1 重污染过程回顾

2016年12月16—20日，受采暖季污染物排放增强和不利气象条件的综合影响，我国华北地区发生了大范围的细颗粒物持续重污染过程，20多个城市同步启动了重污染红色预警。基于新乡市空气质量数值模式业务预报系统和多种观测资料，本文中初步分析了新乡市本次污染过程的成因，评估了新乡市数值模式对重污染过程的预报效果。

图2展示了新乡市观测（柱状）的AQI和细颗粒物PM2.5的时间序列图。细颗粒物PM2.5浓度从15日开始累积，17日超过了轻度污染等级，18日浓度飙升到300 μg/m3，19日达到最高峰（PM2.5浓度超过了450 μg/m3），20日扩散条件改善，浓度开始下降，22日空气污染等级降到良。对比NAQPMS和CMAQ的24 h预报结果，2个模式很好的预报出了此次过程PM2.5的变化趋势，但在污染较重的几天（18—21日）同观测值相比，有一定偏差。NAQPMS和CMAQ24 h预报的PM2.5值的相关系数r分别为0.81和0.63，2个模式24 h预报时效同观测的相关性较强。

图2 AQI和PM2.5浓度模拟和观测对比图Fig.2 Comparison of predicted and observed for AQI and PM2.5

2016年12月17—22日全国空气质量监测站点PM2.5空间分布显示，17日PM2.5主要集聚在长三角及京津冀地区，河南全省污染等级不高；18日华北地区污染急剧加重，河南全省市达到重污染等级；19—20日重污染等级地区扩大至华北至华中地区；21—22日在偏北西风的影响下，颗粒物往东部沿海地区输送，河南省的污染减轻。

2.2 重污染过程的气象条件分析

2016年12月17—20日，华北地区高空主要受纬向型环流控制，冷空气活动不活跃，天气情况较为稳定。17日，新乡上游地区有弱短波槽，并不断东移；19—20日，新乡市受弱槽前偏南气流影响，空中增温增湿，在此期间，起源于内蒙中北部的槽的不断发展加深；至22日，新乡市受槽后强大西北气流控制，有利于污染物的扩散。

地面上，12月17日8时，新乡受华北小低压控制，有利于污染物的辐合；19日8时，新乡市逐渐由前一日的高后倒槽控制转变为弱高压底部控制，且处于北部弱高前辐合线的南侧，有弱辐合，地面风速较小，污染持续加重；21日，新乡市再次为倒槽控制，22日，受蒙古冷高压迅速南下影响，新乡市空气质量迅速转好。

图3为此次重污染过程每日8时郑州的探空曲线图。由图可见，此次污染地区的深厚逆温层，亦不利于污染物扩散。采用和新乡市距离较近的郑州市的探空数据可看到，从17日8时起，郑州地区自地面至高空850 hPa存在逆温层，并且一直持续到21日20时，直到22日，受近地面层强冷平流的影响，逆温层才逐渐消失。郑州地区水汽主要聚积在近地面层，垂直方向上呈上干下湿分布，有利于污染物累积。

综上所述，此次污染过程中，主要受纬向型环流控制，冷空气不活跃，天气较为稳定；地面多受弱气压场影响，水平风速较小；且垂直方向上水汽呈上干下湿分布，并有深厚逆温层存在，导致水平和垂直扩散条件均较差，从18日开始，新乡地区受此天气形势影响，污染物的浓度逐渐累积，直至22日冷空气大举南下，此次污染过程结束。

图3 2016年12月17—22日8时郑州（57083）探空曲线Fig.3 Sounding curve in Zhengzhou airport at 8∶00 from December 17 to 22，2016

2.3 新乡市预报系统的模拟评估及偏差原因分析

预报系统不但预报出了新乡本地的污染过程，对整个区域的颗粒物污染也有较好的反应。2016年12月17—22日8时NAQPMS 24 h时效预报PM2.5空间分布显示，17日PM2.5预报高值主要集聚在长三角及京津冀地区，河南省和新乡市污染等级不高；18日华北地区污染开始加重，河南省和新乡市达到重污染等级；19—20日重污染等级地区逐渐扩大；21—22日颗粒物缓慢往北输送，河南省的污染有所减轻。整个过程NAQPMS预报结果和监测结果基本一致。

3 结论

新乡市空气质量数值业务系统分析模式对重污染过程的预报效果说明，预报系统较好地预报出了污染过程，尤其是NAQPMS模式，较为准确地预报出了污染时段和污染物的浓度水平，CMAQ也准确地预报出了污染趋势，但是对于细颗粒物的峰值浓度预报不足。这可能是由于NAQPMS的物理化学机制更适合我国实际污染过程，而CMAQ模式在本地更好的应用可能还需要更多的本地化工作。

致谢：在论文撰写期间以及后期修改过程中得到了中国科学院大气物理研究所吴剑斌老师的热心指导和帮助，在此表示衷心感谢。

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）：

[1]中国环境监测总站.关于印发《环境空气质量预报预警业务工作指南（暂行）》的通知[EB/OL].（2014-03-11）[2017-08-01].http://www.cnemc.cn/publish/117/news/news_40461.htm l.

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[14]中国环境监测总站.环境空气质量数值预报模式源清单技术指南（试行）[EB/OL].（2015-03-09）[2017-08-01].http://www.cnemc.cn/publish/totalWebSite/news/news_44325.htm l.

[15]环境保护部办公厅.关于征求《大气细颗粒物（PM2.5）源排放清单编制技术指南（试行）》（征求意见稿）等8项环境保护部文件意见的函[EB/OL].（2014-01-17）[2017-08-01].http://www.zhb.gov.cn/gkm l/hbb/bgth/201401/t20140124_266910.htm l.