运用4种数值模型分析辽宁省空气质量预报准确率

邰姗姗

（辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳110161）

随着大气污染问题的出现和污染形势的不断加剧，环境管理部门及公众对了解空气质量未来变化趋势的需求逐渐增加。空气质量预报预警工作也成为及时妥善应对重污染天气的重要技术手段[1]，这对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[2]，推动了空气质量预报模式的不断发展。

当前空气质量预报方法主要包括统计预报和数值预报两大类[3]，数值模型在空气质量预报中得到了广泛的应用[4-5]。辽宁省结合自身大气污染形势和预报需求[6]，按照国家相关要求，自2016年起开展多种数值模型优选，并逐步应用到省级和城市空气质量预报。本研究选取辽宁省空气质量预报中所采用的4种数值模型，分析各模型对辽宁省2017年全年空气质量指数（AQI）预报的准确率，为未来模型优化调整提供参考，以不断提高辽宁省空气质量预报准确率，为环境管理和公众生活提供更为准确的技术支撑与信息参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

空气质量实况数据来源于辽宁省77个环境空气质量自动监测国控站监测结果。依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）[7]常规污染物浓度计算各城市逐日AQI，表征辽宁省各城市空气质量。

1.2 预报模型

分析的预报模型包括4种[8-11]：（1）美国EPA开发的第三代空气质量模型CMAQ；（2）NOAA预报系统实验室（FSL）开发的新一代的区域空气质量模式WRF-Chem；（3）CMAx模型；（4）南京大学自主研发的区域大气环境模式REG。

1.3 预报尺度

预报时间尺度为2017年全年，各模型预报时长包括未来24 h、48 h和72 h。空间尺度包括辽宁省省级、分区域和14个地级城市，其中分区域是指根据辽宁省地形地貌、大气环境质量、污染特征以及污染物传输等特点，将辽宁省划分为西部、中部及东南部3个分区域。各分区域所辖城市见表1。

1.4 分析方法

模式的预报准确率从AQI范围预报准确率和AQI级别预报准确率两个方面进行分析。

表1 辽宁省空气质量预报各分区域划分

1.4.1 AQI范围预报准确率

根据城市预报AQI所属空气质量级别参考相关文献调整设定变化幅度得到AQI预报范围[12-13]，若实况AQI落入预报AQI范围内，则为AQI范围预报准确。预报AQI为优良，变化幅度为10；轻度污染和中度污染AQI的变化幅度为15；重度污染和严重污染AQI的变化幅度为25。分区域及省级预报准确率取所辖城市平均值。

1.4.2 AQI级别预报准确率

AQI级别准确率指分析时段内实况AQI级别在预报AQI级别范围内的天数占总天数的百分比。若预报AQI级别为单一级别，则实况AQI级别与预报AQI级别一致时，认为AQI预报级别准确；若预报AQI级别为多个级别（跨级），则实况AQI级别只要在预报AQI级别范围内，即认为AQI级别预报准确。分区域及省级预报准确率取所辖城市平均值。

2 结果与分析

2.1 AQI范围预报准确率

4种模型对辽宁省未来24 h、48 h和72 h的AQI范围预报准确率结果见图1。由图1可以看出，4种模型AQI范围的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在4.3%～25.5%、10.8%～24.7%和9.9%～24.6%之间，整体较低。CMAQ模型的预报准确率均为最高，REG模型均为最低，CMAx模型和WRF-Chem模型差异较小。CMAQ模型对24 h的AQI范围预报准确率略高于48 h和72 h，CMAx、WRF-Chem和REG模型的48 h预报准确率均略高于24 h和72 h。

图1 4种数值模型对辽宁省AQI范围预报准确率

4种模型对辽宁省各分区域未来24 h、48 h和72 h的AQI范围预报准确率结果见表2。由表2可知，各模型对东南部AQI范围预报准确率均相对较高。CMAQ模型对西部和中部区域的预报准确率基本持平；WRF-Chem模型对中部的24 h预报准确率高于西部，而中部与西部的48 h和72 h预报准确率基本持平；CMAx模型对中部预报准确率最低，西部与东南部预报准确率差异较小；REG模型的24 h预报准确率整体偏低，对西部3个时间尺度预报准确率均为最低，对中部和东南部48 h预报准确率差异不大，72 h则中部与西部基本持平。

表2 4种数值模型对辽宁省各分区域AQI范围预报准确率

4种模型对辽宁省各城市未来24 h、48 h和72 h的AQI范围预报准确率见图2。从图2可见，CMAQ模型对城市的24 h、48 h和72 h预报准确率范围分别在19.8%～33.1%、18.7%～29.5%和19.4%～29.3%之间，WRF-Chem模型的准确率分别在9.9%～27.0%、17.7%～30.1%和14.6%～28.8%之间，CMAx模型准确率分别在12.4%～24.7%、12.3%～22.9%和9.0%～27.4%之间，REG模型的准确率在1.1%～15.8%、2.7%～24.3%和1.5%～26.3%之间，各模式间的预报准确率差异较大，而模型自身对城市预报准确率中RGE模型的结果差异最大。各模型对东南部的大连、丹东的预报准确率均相对较高，CMAQ模型和CMAx模型对位于西部的阜新、朝阳、盘锦、锦州和葫芦岛的预报准确率较高，对位于中部的其他城市相对偏低，而WRF-Chem模型和REG模型则对西部城市的预报准确率相对低于中部城市。

2.2 AQI级别预报准确率

4种模型对辽宁省未来24 h、48 h和72 h的AQI级别预报准确率如图3所示，4种模型AQI范围的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在24.5%～62.7%、27.5%～63.3%和32.3%～63.9%之间，模型之间的预报准确率差异较大。CMAQ模型的预报准确率均为最高，且3个预报时间尺度的准确率差异较小，RGE模型的预报准确率均为最低，且准确率表现为24 h＜48 h＜72 h，近期预报的准确率最低；WRF-Chem模型和CMAx模型的预报准确率差异不大，24 h预报和72 h预报的准确率表现为WRF-Chem模型＞CMAx模型，而48 h预报准确率则CMAx模型略高于WRF-Chem模型。

图2 4种数值模型对辽宁省各城市AQI范围预报准确率

图3 4种数值模型对辽宁省AQI级别预报准确率

4种模型对辽宁省各分区域未来24 h、48 h和72 h的AQI级别预报准确率结果见表3。由表3可见，CMAQ模型、CMAx模型和REG模型在3个时间尺度的各区域之间预报准确率差异较小，表现为东南部＞西部＞中部；WRF-Chem模型的预报准确率表现为东南部＞中部＞西部。

4种模型对辽宁省各城市未来24 h、48 h和72 h的AQI等级预报准确率见图4。由图4可以看出，CMAQ模型的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在55.6%～71.6%、58.0%～67.8%和61.1%～68.0%之间，对东南部的大连和丹东2个城市预报准确率均较高，对西部的阜新和葫芦岛以及中部的本溪和辽阳准确率也相对较高。WRFChem模型的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在46.5%～66.4%、37.0%～50.4%和41.6%～67.3%之间，48 h准确率最低，对东南部大连、丹东以及中部沈阳、铁岭、本溪和辽阳预报准确率高于其他城市。CMAx模型的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在40.5%～58.5%、38.9%～50.5%和38.8%～57.8%之间，对东南部的大连、西部的锦州和朝阳以及中部的营口预报准确率高于其他城市。REG模型的24 h、48 h和72 h预报准确率分别在15.5%～66.7%、11.4%～52.9%和13.4%～65.4%之间，各城市间差异较大，对西部的锦州和中部的本溪预报准确率略高于其他城市，而对东南部大连的预报准确率明显低于其他模型。

表3 4种数值模型对辽宁省各分区域AQI级别预报准确率

图4 4种数值模型对辽宁省各城市AQI级别预报准确率

3 结论与讨论

（1）辽宁省空气质量预报采用的4种数值模型中，CMAQ模型对AQI范围和级别的预报准确率均为最高，REG最低，WRF-Chem模型和CMAx模型的基本持平。对3个分区域的预报中，4种模型整体对东南部分区域预报准确率高于西部和中部，这可能与东南部城市空气质量相对较好，模型在非污染时段的预报效果表现更好有关。

（2）数值预报模型的准确率主要受模型的分辨率、大气条件预报产品、污染源排放资料和空气质量监测数据等因素影响[14]，区域之间的地域条件要素差异也会对模型准确率产生影响。文中分析的4种模型自2016年起应用于辽宁省空气质量预报，所采用的排放源清单时间相对较早，空间分辨率相对精细度不足，且模型参数优化调整及本地化工作在模型应用过程中进行不断调整。这些因素导致4种数值模型在2017年对辽宁省的预报准确率整体较低。因此，在预报模型应用过程中应进一步结合辽宁省各城市污染源排放、气象等因素的特征，开展对模型参数优化、污染源数据更新及多源数据资料同化等的分析，针对性地进行模型参数调优，改进影响因素。模型应用同时要与预报技术人员经验结合，综合区域特征、特征污染物排放、气象因子等影响要素，开展数值模式人工修正，进一步提高预报准确率，以更好地为环境管理、大气污染防治及公众需求提供技术支撑与服务。