吕梁市生态环境气象监测预报预警系统研究

薛苗，孙强，张力焘

（1.吕梁市气象局，山西吕梁 033000；2.山西省气象局机关服务中心，山西太原 030000；3.中阳县气象局，山西中阳 033400）

吕梁市生态环境气象监测预报预警系统研究从理论和数据研究入手，主要研究内容有：通过吕梁市环境监测部门与气象部门的监测数据，分析气象观测信息与环境空气监测数据的关联性，对环境空气质量AQI指数和6种污染物浓度进行未来7 d预报，实现环境气象资料收集数据、空气质量监测预报、污染源监测分析、气象监测预报、综合展示分析。

1 吕梁市环境监测国控点相关数据分析

1.1 吕梁市空气质量监测数据分析

2020年为打赢3年蓝天保卫战（2018年—2020年）收官之年，吕梁市该年度环境质量综合指数为4.71，在山西省名列第一，主要污染物浓度较2019年同期均有所下降，其中SO2下降最为明显，下降幅度达37.93%，PM2.5浓度为34μg/m3，是京津冀“2+26”城市中唯一达标国家二级标准的城市，也是重点区域城市中仅有的未出现过重污染天数的城市。吕梁市2019年与2020年具体主要污染物浓度、综合指数及同比变化率如表1所示。

表1 吕梁市综合指数、主要污染物浓度及同比变化率Tab.1 The comprehensive index,concentration of main pollutants and year-on-year change rate of Lyuliang City

2020年吕梁市空气质量发生质的飞跃，但是重污染天气相关工作还需要紧抓。截至2021年3月15日，吕梁市累计综合指数为5.86，同比上升9%，年累计综合指数全省排名第5位；PM2.5平均浓度为47μg/m3，下降13%；PM10平均浓度为157μg/m3，上升45%；NO2平均浓度为43μg/m3，上升19%；O3平均浓度为85μg/m3，下降3%；CO平均浓度为1.2 mg/m3，下降29%；SO2平均浓度为22μg/m3，下降15%。在2021年3月15日吕梁市出现重污染天气，当日吕梁市综合指数为25.41，AQI为500，空气质量为六级严重污染，全省排名第8位。各项污染物中CO浓度为0.7 mg/m3，全省排名第2位；PM2.5浓度为204μg/m3，全省排名第7位；O3-8 h浓度为42μg/m3，全省排名第1位；NO2浓度为41μg/m3，全省排名第10位；PM10浓度为1 253μg/m3，全省排名第9位；SO2浓度为13μg/m3，全省排名第8位。

3月15日对吕梁市贡献占比较大的是颗粒物，各项污染物浓度、省内排名、贡献占比如表2所示。

表2 各项污染物浓度、省内排名、贡献占比Tab.2 The concentration of various pollutants,provincial ranking and contribution proportion

受沙尘传输影响，边界层高度整体维持在500 m，垂直扩散条件差，雷达消光系数显示3月15日8时左右高空1.5 km出现细颗粒物向近地沉降并呈细颗粒物累积较重状态国控点PM2.5占比维持较高，雷达退偏数据显示上午11时左右开始沙尘传输逐渐向近地沉降，下午至晚上时段近地面持续受到高强度沙尘的影响，国控点PM10占比维持较高，如表3所示。

表3 2021年3月17日3个国控点各浓度详情Tab.3 The details of concentrations at three national control points on March 17,2021

结合气象条件及国控数据可知，受西北沙尘天气影响，吕梁市颗粒物浓度较高，吕梁市6时颗粒物浓度为177μg/m3，吕梁市西北方向的榆林6时颗粒物浓度达到220μg/m3。

1.2 污染物与气象因素相关分析

吕梁市的大气环境质量与区域内空气污染物排放的多少和大气对空气污染物的稀释扩散作用息息相关。当区域内空气污染源相对固定、污染物排放较为稳定时，气象条件就成为影响空气质量的关键因素，大气对空气污染物的输送、扩散作用直接决定着区域空气的污染程度，尤其是环流形势等气象条件的影响更为明显。此外，气象条件中对空气污染物产生稀释扩散作用最为直接的还有地面风向风速，一方面风具有水平运移作用，在风力推动下可以将某一区域内的空气污染物输送到其他城市；另一方面风具有稀释污染物的能力，空气污染物在随风漂移的过程中由于风力搅动会与其周围的洁净空气混合从而被稀释。地面风力条件还是雨、霾、雾等天气现象形成的必需要素，风速大小与风向辐合、辐散直接影响空气污染物的积聚和扩散，风力≤2级是导致连续重污染天气的气象条件之一。

大气污染因子尤其是PM10、PM2.5、O3的浓度和城市AQI与区域气象条件是相互关联的。吕梁市相关部门在工作中应加强配合协作，生态环境监测部门可以将历年的环境空气自动监测数据资料与气象部门气象台站同期的监测数据实现共享，逐日逐时分析来探讨气象条件与主要空气污染因子的关系，追寻其间的规律，研究温湿度、大气压、风向风速等气象要素与环境空气污染气象条件以及AQI、PM10、PM2.5、O3等环境空气质量监测因子间的关联性，重点理清气象要素与空气质量监测数据、气象要素与空气污染气象条件等级、空气污染气象条件等级与AQI的关系。通过分析研究得出重污染天气与气象条件之间的关联性，建立重污染天气识别模型，而且随着时间推移，相关部门汇总的环境空气自动监测数据与气象台站监测信息越来越多，也就可以实现更为精准的AQI预报和重污染天气预测预报。

2020年吕梁市代表月每日逐小时气象要素（湿度、风速）变化，如图1所示。吕梁市四季分明，气温差异较为明显，年均气温约9℃，1月份平均气温-10℃～-5℃，7月平均气温19℃～24℃，极端最低温度-33.0℃，极端最高气温41℃。吕梁市全年湿度季节性差异大，以1月略高，湿度的日变化也较为明显，一日内午后湿度最低。吕梁市风速年均值为2级，一年中4月最高、1月最低，一天中午后的风速最大。

图1 2020年吕梁市月气象参数变化Fig.1 The changes of monthly meteorological parameters in Lyuliang City in 2020

利用吕梁市2020年代表月每日逐小时AQI、6种污染物浓度及相关气象数据进行主成分分析（PCA），结果如图2所示。由分析结果可以看出，只要前3个主成分就可以解释全部参数，成分1～3（PC1－3）的贡献率分别为48%、21%和11%。由图2（a）的载荷矩阵可以看出，在PC1上AQI、PM10、PM2.5、NO2具有较大正载荷，湿度则具有较大的负载荷，表明PC1代表颗粒物及NO2污染，且其与湿度呈负相关；在PC2上O3与温度具有较大正载荷，表明PC2代表O3污染水平，且与温度呈正相关。由图2（b）的载荷矩阵可以看出，在PC3上风速具有较大正载荷，SO2具有较大负载荷，表明PC3代表SO2污染，且与风速呈负相关。由图2（c）的PCA输出样本得分结果表看出：①4月与1月样本在PC1上的得分相对较高，表明吕梁市冬春季污染严重，结合前述分析为重点是PM10、PM2.5、NO2污染，主要是受相对湿度影响，当湿度越低时污染情况愈为严重；②7月样本在PC2上得分较高，而1月较低，结合前述分析，吕梁市O3污染在7月较大，而1月较小，且与环境温度有很大的关系；③2020年全年样本在PC3上得分呈波动趋势，结合前述分析，表明吕梁市SO2污染随季节变化较明显。

图2 主要成分载荷及得分情况Fig.2 The load and score of main components

2 吕梁市生态环境气象监测预报预警系统功能分析

吕梁市生态环境气象监测预报预警系统设想是以气象部门提供的气象台站观测信息与环境监测部门共享的环境空气质量自动监测和污染排放数据为基础，利用空气质量模式集合预报，对吕梁市区域内的环境空气质量AQI指数和6种污染物浓度进行预报预警分析，实现多部门联合会商、重污染天气预警、空气污染物来源分析、污染源追因等功能，为吕梁市相关部门及时应对重污染天气，最大限度地降低其危害性提供支持，同时还可以促进污染源的调整布局，为区域大气污染防治提供决策支持与科学依据。

2.1 环境监测

2.1.1 实时和历史空气质量查询

实时显示查询吕梁市交城县、文水县、汾阳市、孝义市、离石区、临县、柳林县的9个监测站点的实时数据监测情况，显示查询上述9个监测站点的历史数据监测情况。

2.1.2 汾渭平原空气质量

实时展示汾渭平原相关市县的空气质量。

2.1.3 污染源监测级数据对比

根据污染源种类、选择行政区、污染源名，查询全市13个市县相关污染源数据查询。通过设置对比时间、站点、数据类型查询空气质量监测数据或气象监测数据，结果默认以折线图表的形式展示。

2.1.4 重污染天气数查询

通过设置开始、结束时间、污染物统计出空气质量达到重度污染及以上的（AQI＞200）的天数，结果默认以折线、图表的形式展示。

2.2 气象监测

实现自动站监测，实时显示全市自动观测站观测的温度、降水、气压、风向、风速、湿度。历史数据查询，按需查询全市自动站建站以来观测的温度、降水、气压、风向、风速、湿度。根据选择时间段查询查看卫星云图，通过选取时间段展示该时间点的卫星云图。可以通过天气雷达用于强对流天气的监测预警、大范围降水的监视和风场特征的判断等。

2.3 模式预报

2.3.1 环境预报

环境预报包括区域预报、数值-单站多污染物、数值-多站单污染物。区域预报以面图的形式，展示WRF-Chem和CMAQ模式计算出来的特定区域内的各种污染物分布及对比，并可以进行不同预报时间的前后切换；数值-单站多污染物与数值-多站单污染物以线图或柱状图的形式，分别展示WRF-Chem和CMAQ模式计算出来的特定点上的各种污染物与特定污染物不同站点0～24 h时间变化曲线及对比，并可以实现污染物曲线与站点曲线的消隐。

2.3.2 气象预报

气象预报包括以高度场、湿度场、风场、海平面气压场、降水量预报、降水相态预报、模式探空图、时间垂直剖面图等形式展示。分别展示特定区域由WRF-Chem和CMAQ模式计算出来的200～1 000 hPa高度场及对比，并可以实现单点高度场的时间变化曲线及对比；同理，展示特定区域200～1 000 hPa湿度场及对比，实现单点湿度场的时间变化曲线及对比；展示特定区域200～1 000 hPa风场及对比，实现单点风场的时间变化曲线及对比；展示特定区域的海平面气压场及对比，实现单点海平面气压场的时间变化曲线及对比；展示特定区域的降水量预报及对比，实现单点降水量的时间变化曲线及对比；展示特定区域计算出来的降水相态预报及对比，实现单点降水相态的时间变化曲线及对比；展示任意点上的模式探空预报及对比，实现相关物理量场的计算及对比；展示任意点上的时间垂直剖面图（模式廓线图）及对比。要素包括风场、湿度场、高度场、温度场、垂直速度场。

2.4 统计预报

统计预报以单站多污染物、多站单污染物等形式展示。单站点多污染物可以选择起报日期、时次、站点、数值模型、污染物等条件，查询单站多污染物，以图表及列表的方式展示查询结果。多站点单污染物选择前述条件也可以查询多站单污染物，并展示查询结果。

2.5 会商管理

视频会商包括日常会商、预报管理、预报结果、领导确认、日常会商历史记录模块构成。预报结果是预报吕梁市13个市县未来3 d、5 d、7 d的重污染扩散条件和空气污染等级预报，形成预报结果后领导确认签字，可导出确认结果。日常会商历史记录可以选择起止日期查询日常会商历史记录。

2.6 预报发布

预报发布展示预报数据，包括吕梁市未来3 d环境空气质量状况，AQI说明，未来3 d、5 d、7 d的重污染扩散条件和空气污染等级预报发布说明。预警发布展示启动重污染天气应急响应后，向相关人员和到单位发送预警信息。

2.7 权限管理

管理本系统账户和密码，可对交城、文水、汾阳、孝义、离石、临县、柳林7个县分别设立独立的账户和子系统。

3 结论

吕梁市生态环境气象监测预报预警系统研究能有效地落实并加强山西省重污染天气监测预报预警工作，深入贯彻国务院和山西省关于大气污染防治工作有关精神，开展基于环保与气象部门协作的重污染天气监测预报预警工作的建设，实现对吕梁市生态环境气象监测预报和信息发布，加强吕梁市生态环境科学决策，创新生态环境监管，完善生态环境公共服务，为相关部门研判空气污染趋势，及时启动联防联控及应急预案提供重要技术支撑，为大众健康与交通出行安全提供保障。