CUACE模式对银川市区重污染天气预报效果检验

杨亚丽 , 王建英* , 赵 蔚

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川 750002;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002; 3.宁夏气象服务中心,宁夏 银川 750002)

随着城市化进程的加快，银川市的人口密度增大、汽车保有量激增、经济跨越式发展，环境空气质量问题日益突出.目前，冬春季沙尘[1]、夏季臭氧[2]、秋冬季雾霾[3—4]等大气污染问题已成为研究热点.因此，开展环境空气质量预报，防治空气污染及优化防治措施是一项紧迫任务.目前，环境空气质量的预报方法主要有统计预报和数值模式预报，而数值预报已成为国内空气质量预报的主要发展趋势[5].国外的空气质量预报模式由刚开始的EKMA[6]、ISC3[7]到后来的ADMS[8],CAMx[9]等，一直发展到现在的第三代模式，其核心是空气质量模式CMAQ[10]，该模式在我国环境空气质量预报中使用较广泛[11—12].国内环境空气质量预报模式研究起步较晚，近年来中国气象科学研究院自主研发的区域天气-大气化学-大气气溶胶双向耦合模式预报系统(CUACE模式)具有较好的预报性能，其主要目的是为空气质量及气候变化模式提供大气成分计算的通用平台[13]，现为我国环境气象、雾、霾的数值预报业务模式.目前,该模式每日20:00(北京时间)起报，预报时效为72 h，预报产品的种类主要包括PM2.5,PM10,SO2,NO2,O3,CO共6种污染物的质量浓度、空气质量指数AQI、AQI 等级及首要污染物等.对数值预报模式预报结果进行统计检验，不仅能够客观定量反映模式的预报能力，也可了解数值预报模式开发中存在的问题，从而改进和提高模式的预报水平[14].合肥[14]、乌鲁木齐[15]、兰州[16]等地陆续开展了CUACE模式产品预报效果检验评估工作，结果显示，CUACE模式对不同地区空气质量的预报效果存在差异.为使CUACE模式对银川市空气质量预报尤其是重污染天气的预报更具有指导意义，笔者基于2015年1月1日至2018年12月31日CUACE模式的预报产品和同期大气污染监测资料，包括NO2，PM10，O3，PM2.5及AQI和首要污染物的日资料,以AQI监测值大于150为标准，筛选出2015—2018年银川市区的污染天气.从4种污染物的质量浓度、AQI、AQI等级及首要污染物等方面，评估CUACE模式对银川市区污染天气的预报效果.

1 资料与方法

参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》，考虑CUACEA模式的起报时间.基于生态环境部全国城市空气质量实时发布平台发布的小时监测资料，计算每日20时至次日20时污染物质量浓度的平均值，同时计算和统计AQI及首要污染物和空气质量等级[14].由2015—2018年的监测资料可知，银川市大气主要污染物为PM2.5，PM10，O3，N02.依据实测AQI，筛选出2015—2018年中度及以上污染天气(IAQ≥150)共150个样本.依据所选污染天气，从国家气象中心下发的CUACE模式指导产品资料中,以选出的同期24 h预报资料为评估对象，包括4种主要污染物的质量浓度、AQI、AQI等级及首要污染物.

目前，对环境空气质量模式的检验评估还没有统一的方法和标准，文中通过平均偏差(Bm)、归一化偏差(Bmn)、均方根误差(S)以及相关系数R检验AQI和4种污染物质量浓度预报值和实况值的偏差.其中，Bm为CUACE模式下预报值与实测值的偏差，Bmn为预报值与观测值偏差的程度，S则反映预报值和观测值的离散程度.具体的计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中:Pi为预报值;Oi为实测值;N为样本总数.

对首要污染物和AQI等级的检验主要是对比分析，通过逐一对比CUACE模式下预报首要污染物和实况首要污染物的一致性，统计预报正确率.类似方法统计AQI等级的预报准确率、偏差1级率及其他偏差率[15].

2 分析与讨论

2.1 AQI和4种主要污染物的质量浓度

2015年1月至2018年12月，银川市区中度及以上污染天气的AQI及4种主要污染物质量浓度的预报值与实测值的对比如图1所示.由图1可知，CUACE模式预报的AQI值以偏小居多.2017年6月以前，AQI大于300时，预报值偏大.随着CUACE模式的优化调整，2017年以后，预报值基本上均低于实测值.NO2质量浓度的预测值虽然能较好地反映实测值的变化趋势，但在2017年以前，预测值波动明显，从2017年开始，随着模式的不断优化，预报效果得到提升，预报值与实测值的变化趋势趋于一致.PM10，PM2.5的质量浓度较高时，CUACE模式的预报值明显偏高，误差较大.但其他时间的模拟值与实测值的变化趋势较一致.O3质量浓度的预报值略低于实测值，但预报值的变化趋势与实测值基本一致，模拟效果较好.该结果与杨关盈等对合肥地区的研究结论一致.这可能与O3质量浓度高低主要受气温影响、目前数值天气预报对气温的预报较准确有关.

AQI的CUACE模式预报值以偏小为主，NO2质量浓度的预报值无明显偏大或偏小特征.随着模式的不断改进和优化，预报值越来越接近实测值.颗粒物在质量浓度较小时，预报值接近实测值；在质量浓度较大时，预报值明显偏大.O3质量浓度的预报值变化趋势与实测值较一致，略低于实测值，预报效果最好.

CUACE模式预报的AQI与4种主要污染物的S，Bm,Bmn见表1.由表1可知，AQI的预报S较大，为125.1，Bm，Bmn为负值，说明AQI的预报值总体比实测值偏小；O3质量浓度的预报值与AQI的类似，预报值全部偏小，但O3质量浓度的预报值S明显小于AQI的，预报值更接近实测值；PM2.5质量浓度的预报值与AQI，O3的相反，其中Bm，Bmn均为正值，即预报值整体上较实测值偏大.结合图1可知，当PM2.5质量浓度较大时，预报值明显偏大；PM10质量浓度的预报值S较大，Bm为负值，而Bmn为正值.在PM10质量浓度较小时，预报值略低于实测值，在个别质量浓度较大时的预报值明显偏大，导致Bmn为正值；NO2质量浓度的预报值与PM10类似，在大部分时间预报值略偏小，个别时间偏大，所以Bm为负值、Bmn为正值.

表1 CUACE模式下预报检验结果

相关系数可反映预报值与实测值之间相关关系的密切程度.图2为CUACE模式下AQI及PM2.5,PM10,O3质量浓度预报值与实测值之间的相关性.由图2可知，AQI预测值(IAQ)与实测值(IAQ′)之间的相关系数为0.48；NO2，PM2.5质量浓度实测值(ρ′)与预报值(ρ)的相关系数分别为0.48，0.62； PM10质量浓度预报值(ρ)与实测值(ρ′)的相关系数最小(0.19)；而O3质量浓度预报值(ρ)与实测值(ρ′)的相关系数最好(0.70).结合图1 中O3质量浓度的变化，发现虽然质量浓度的预报值偏小，但预报值与实测值的变化趋势一致性较好，因此二者的相关性最好.PM10的相关系数通过显著水平0.05的显著性检验，其他相关系数均通过显著水平0.01的显著性检验，预报值与实测值均显著相关.

图1 各污染物质量浓度的实测值与预报值对比

2 空气质量等级和首要污染物

在空气质量出现中度及以上污染，即AQI等级大于等于4时，CUACE模式下AQI等级的预报准确率见表2.由表2可知，在AQI等级为4时，预报值偏低的较多，准确率较低(8.54%)，偏低1级的概率为25.61%，偏低2级的概率较大(43.90%)，而偏高1级、2级的概率分别为12.20%，7.32%；当AQI等级为5时，预报的准确率较高(28%)，偏低3级的概率为24%，其次偏低1级、2级的概率均为20%，偏高的出现概率较小，仅出现8%的偏高1级；在AQI等级为6时，预报准确率以偏低3级为主，占比为50%，而准确率仅为12.5%.总之，AQI等级在4及以上时，预报值以偏小为主，其中，在4级时偏小2级的概率较大，在5级时，偏小1至3级的概率为20%～24%，而在6级时，偏小3级的概率为50%.此外，在AQI等级为6(IAQ> 300)，即空气质量出现严重污染时，首要污染物均为PM10，表明银川市严重污染天气均由沙尘引起，且CUACE模式对银川市沙尘型污染天气的预报能力较弱.

表2 CUACE模式下预报AQI等级与观测等级 %

由115 d中度及以上污染天气观测资料可知，首要污染物为PM10的有42 d，为O3的有17 d，为PM2.5的有56 d.由表3可知，PM10预报正确的有31 d，正确率为73.8%；O3预报正确的有3 d，正确率为17.7%；PM2.5预报正确的有42 d，正确率为75.0%.将3种首要污染物出现的概率乘以预报正确率进行求和得出总体预报效果，即首要污染物整体的预报正确率为66.1%.

表3 CUACE模式下预报首要污染物与实测首要污染物

由此可见，银川市重污染天气主要由颗粒物(PM2.5，PM10)引起，O3引起的重污染天气以中度污染为主，CUACE模式对O3为首要污染物的预报准确率,明显低于对颗粒物为首要污染的预报准确率.

3 结论

1)CUACE模式能较好地模拟2015—2018年中度以上污染天气AQI及PM2.5，PM10，O3质量浓度的变化趋势.AQI和O3质量浓度的预报值以偏小为主,AQI，O3质量浓度预报的平均偏差、归一化偏差均为负值，预报值小于实测值，其中，AQI的偏小更明显，归一化偏差为24.39%；PM2.5质量浓度预报的平均偏差和归一化偏差均为正值，即预报值略高于实测值；NO2和PM10的归一化偏差较小，总体上预报值接近实测值.

2)AQI和PM2.5， NO2，O3质量浓度预报值与实测值之间的相关系数为0.48～0.70，在显著水平0.01下，预报值与实测值均为显著相关.

3)AQI等级为4时，预报值偏小2级的概率较大，在5级时，偏小1至3级的概率为20%～24%，在6级时，偏小3级的概率为50%.

4)首要污染物为颗粒物时,预报正确率为73.8%～75.0%，首要污染物为O3时，预报正确率较低.