劉 閩，王 帥，林 宏，許 榮

1.沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，沈陽 110015

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質量控制重點實驗室，北京 100012

城市環(huán)境空氣質量預報是保護人民群眾健康、動員公眾參與環(huán)境保護的有效措施，是提高人民生活質量、體現(xiàn)人民政府形象的公益性工作［1］。環(huán)境空氣質量預報的發(fā)布，可以為環(huán)境管理和決策部門及時、準確、全面地掌握城市環(huán)境空氣質量未來變化趨勢提供科學依據［2-3］，可以在嚴重污染日到來前有針對性地加大污染源控制，及時發(fā)出警報并采取限制措施，減輕對市民健康的危害。因此，城市環(huán)境空氣質量預報作為防治和控制大氣污染的重要環(huán)節(jié)之，已受到各級政府的高度重視。城市空氣質量預報方法主要包括數值預報、統(tǒng)計、神經網絡和天氣學等［4-6］，其中統(tǒng)計預報法是應用最廣的方法。沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站在前人研究的基礎上，從1996年開始先后開展了冬季早晨二氧化硫(SO2)預報和空氣污染綜合指數預報研究工作;從2001年開始正式開展包括(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)的空氣污染指數(API)預報工作［7-10］;2013年起沈陽市開始執(zhí)行《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，環(huán)境空氣質量監(jiān)測指標增加到6項，因此原有預報模型系統(tǒng)無法繼續(xù)使用，加之冬季采暖期，不僅污染加重，而且污染變化幅度也增大［11］。因此，該研究基于環(huán)境空氣質量新標準，利用沈陽市2013年1—2月大氣自動監(jiān)測數據和同期氣象資料，采用逐步回歸方法建立了沈陽市冬季采暖期各點位環(huán)境空氣質量統(tǒng)計預報模型，并在2013年11月至2014年1月的預報工作中結合人為經驗修訂進行應用，以期為城市環(huán)境空氣質量預報提供參考。

1 預報方法和資料

1.1 預報方法簡介

環(huán)境空氣質量與氣象因素緊密相關，環(huán)境空氣質量的好壞從一定程度上取決于大氣擴散條件的優(yōu)劣。當某種污染物排放到空氣中后，污染物在空氣中的濃度由污染源的排放量和大氣的稀釋擴散條件2個因素決定。在一段時間內，整個城市污染物的排放總量是相對穩(wěn)定的，視污染源為“準定?！?，那么，污染物濃度的高低主要取決于當時的氣象條件，當氣象條件有利于污染物擴散時，污染物濃度低，反之則濃度高。據有關資料介紹，由于氣象條件的變化，大氣的稀釋擴散能力在幾小時內可改變10倍以上［12］。統(tǒng)計預報是將污染物排放視為相對恒定不變的，是根據天氣預報的預測結果和空氣質量現(xiàn)狀來預測未來空氣質量的一種方法。通過積累較長時間的空氣污染物濃度監(jiān)測值和同步氣象觀測資料，將兩者建立起相關關系，通過這些定性和定量的關系，進行空氣質量的預測［13］。

該研究建立的統(tǒng)計預報模型采用逐步回歸算法，逐步回歸算法是在所考慮的全部因素中，按其對因變量Y作用顯著程度的大小，由大到小逐個引進回歸方程，那些對因變量Y作用不顯著的變量自始至終都不能被引入回歸方程，而已被引進回歸方程的變量，在引進新變量后，常有可能會由顯著變?yōu)椴伙@著，應從回歸方程中剔除，以保證在眾多預報因子中挑選出最佳的組合因子，建立最優(yōu)預報方程。

預報量Y與預報因子X建立的最優(yōu)回歸方程:

式中:Y為污染物預報濃度，B0為常數項，B1，B2，…，Bn為選入因子系數，X1，X2，…，Xn為選入預報因子。

1.2 預報平臺介紹

沈陽市環(huán)境空氣質量日報預報平臺是2006年開發(fā)的，用于日常的空氣質量日報預報工作，大大提高了工作效率［14-15］。2012年為應對環(huán)境空氣質量標準的變化，平臺在原有功能的基礎上根據標準、技術規(guī)范以及業(yè)務流程進行了更新升級。現(xiàn)有沈陽市環(huán)境空氣質量日報預報平臺于2013年正式投入使用。該平臺中的預報系統(tǒng)包括預報建模模塊、預報制作模塊、準確率統(tǒng)計模塊，預報所用模型仍然以回歸預報模型和天氣模式預報模型為主，再經預報人員會商后生成預報結果;平臺的準確率統(tǒng)計模塊可以對某時段的預報準確率進行自動統(tǒng)計，準確率指標包括首要污染物準確率、級別準確率、跨度準確率。變化之處在于，監(jiān)測點位由原來的8個點位增為11個點位，監(jiān)測項目由原來的3項增為6項，評價指標由 API轉變?yōu)锳QI。

1.3 建模環(huán)境樣品資料的選取

依據沈陽市氣候特點，研究采用2013年1—2月環(huán)境空氣質量監(jiān)測數據及氣象資料，建立沈陽市冬季環(huán)境空氣質量預報模型。按照技術要求，所用環(huán)境監(jiān)測數據包括11個監(jiān)測子站、6種污染物的該時段的日均值數據(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO每日24 h平均濃度，O3每日最大8 h平均濃度)以及相應的環(huán)境空氣質量指數(AQI)。

1.4 建模氣象預報因子的選取

預報因子主要選擇氣象部門能進行預報且預報效果較好、預報準確率較高的氣象因子，初步選取常規(guī)地面以及近地面預報因子19項，包括:前一日污染物濃度 X1(μg/m3)，當日天氣形勢 X2，當日主導風向 X3，當日平均風速 X4(m/s)，24 h風速變量 X5(m/s)，當日最低氣溫X6(℃)，最低氣溫24 h變量X7(℃)，當日最高氣溫X8(℃)，當日最高氣溫24 h變量X9(℃)，當日最高、最低氣溫平均值X10(℃)，最高、最低氣溫平均值24 h變量 X11(℃)，850 hPa 8:00 溫度 X12(℃)，850 hPa 8:00溫度24 h變量X13(℃)，8:00逆溫X14(℃)，當日降水量X15(mm)，850 hPa平均風速 X16(m/s)，濕度 X17(%)，8:00 濕度 X18(%)，8:00 變壓X19(hPa)。

2 預報模型建立

利用前一日6項環(huán)境空氣質量監(jiān)測數據及當日18項氣象預報因子，應用沈陽市環(huán)境空氣質量預警平臺中逐步回歸建模程序，建立了11個點位66個冬季預報方程，取α=0.01顯著水平的F值對方程進行檢驗，所有方程計算出的F方程遠大于F0.01，表明方程在0.01水平上顯著，方程可以使用。通過逐步回歸建模，冬季預報模型共選取了8個預報因子，其中各指標方程又各不相同:PM2.5預報方程包括 X1、X2、X3、X5、X145 個預報因子，PM10預報方程包括 X1、X2、X3、X8、X145 個預報因子，SO2方程共選取 X1、X2、X3、X5、X6、X7、X8、X148 個預報因子，NO2方程共選取 X1、X2、X3、X5、X8、X146個預報因子，CO 方程多數選取了X1、X2、X3、X144 個預報因子，O3(8 h)方程共選取 X1、X2、X3、X5、X8、X146個預報因子，各因子系數見表1～表6，每項污染物系數表中只列出了選擇不同系數作為方程的點位，選擇相同系數作為方程的點位并未列出。

從各空氣污染物方程選取的氣象因子可以看出，經過逐步回歸方法對各因子的篩選，幾乎全部方程都選取了前一天污染物濃度、天氣形勢、風向以及8:00逆溫4項，說明這4項因子與污染物濃度相關性較好，在各污染物預報中均較為重要。然而不同方程選取的其他因子則各不相同，其中SO2方程多數點位選取了最低氣溫和最低氣溫24 h變量，說明SO2與最低氣溫和最低氣溫24 h變量相關性較好;PM2.5和 NO2選取了24 h風速變量，說明PM2.5和NO2與24 h風速變量相關性較好;而PM10和O3(8 h)同時選取了最高氣溫，說明PM10和O3(8 h)與最高氣溫相關性較好。

表1 沈陽市冬季細顆粒物PM2.5預報方程系數表

表2 沈陽市冬季可吸入顆粒物PM10預報方程系數表

表3 沈陽市冬季二氧化硫SO2預報方程系數表

表4 沈陽市冬季二氧化氮NO2預報方程系數表

表5 沈陽市冬季一氧化碳CO預報方程系數表

表6 沈陽市冬季臭氧O3預報方程系數表

3 預報模型擬合、驗證及應用驗證

3.1 模型擬合準確率統(tǒng)計

預測值相對實測值的分布情況可以說明模型在擬合或驗證中預測值與實測值的接近程度，是濃度準確率的一種表征形式，通過建模所用的2013年1—2月數據對模型進行擬合(擬合結果對比實例見圖1，其中標準誤差線取值范圍為 ±10%)，從數據可以看出，PM10、CO 2項指標70%以上的預測值在實測值上、下30%范圍內，PM2.5、SO2、NO2、O34 項指標 65% 以上的預測值在實測值上、下30%范圍內，說明 PM10、CO的擬合效果優(yōu)于其他4項指標，擬合結果在實測值兩側不同區(qū)間的分布情況見表7。應用驗證中預測值平均相對誤差可以說明模型在應用中預測值與實測值整體偏差程度，是系統(tǒng)誤差的一種表征。從擬合結果的準確率可以看出，除O3相對誤差為－3.5%，其余5項指標的相對誤差都在±2.0%以內，總體擬合效果較好;擬合的級別準確率達到62.9%，首要污染物準確率達到78.6%，擬合結果的準確率統(tǒng)計見表7。

圖1 2013年二毛點位PM2.5預報方程擬合結果與實測值對比圖

表7 擬合與驗證中預測值在實測值兩側不同區(qū)間的分布情況統(tǒng)計表

3.2 模型驗證準確率統(tǒng)計

采用2013年11、12月和2014年1月空氣質量和氣象實測數據對模型進行驗證(圖2，圖中標準誤差線取值范圍為 ±10%)，驗證結果在實測值兩側不同區(qū)間的分布情況見表7?？梢钥闯?，PM10、O32項指標 50%以上的預測值在實測值±30%范圍內，其他幾項指標40%左右的預測值在實測值±30%范圍內。驗證結果的準確率統(tǒng)計見表8，可以看出6項污染物的相對誤差均在 ±10.0%范圍內，PM2.5、PM10、O33 項指標優(yōu)于其他3項指標，驗證的級別準確率為55.8%，首要污染物準確率為68.5%。擬合與驗證中，冬季模型的各項擬合與驗證結果均略差，分析原因主要包括:建模數據樣本偏少，不能涵蓋大部分氣象條件，導致模型驗證時準確率不高;2013年1—2月正值全國經歷歷史罕見的大范圍長時間嚴重霧霾的特殊氣象過程，因此，該時段的氣象數據以及污染物濃度數據都比較特殊，建立的模型的適用性必然受到影響，這是導致驗證結果中系統(tǒng)誤差(相對誤差)偏大的主要原因;11月雖然同處冬季采暖期，但溫度、濕度等氣象條件與建模數據時段差異較大，導致該月的驗證結果存在一定偏差。

圖2 二毛點位PM2.5預報方程驗證結果與實測值對比圖

表8 擬合與驗證中預測準確率統(tǒng)計表

3.3 預報實踐準確率統(tǒng)計

級別準確率和首要污染物準確率是檢驗與評估環(huán)境空氣質量預報的核心指標。2013年11月至2014年1月，應用統(tǒng)計預報模型開展了環(huán)境空氣質量預報，預報結果為全市AQI范圍、空氣質量級別以及首要污染物，其中 AQI范圍跨度為30，如某月某日AQI為95～125，為良或輕度污染，首要污染物為PM2.5。該文對92 d預報結果與實測值進行了對比統(tǒng)計，結果表明，在此段時間的環(huán)境空氣質量預報實踐中，預報級別準確率達到79.1%，首要污染物準確率為73.6%。預報準確率與許楊等［16-17］的研究相近。預報實踐中由于預報結果可以跨級，所以級別準確率遠高于模型驗證結果;實際預報中在確定首要污染物時，加入了人為干預，將模型預報結果的首要污染物進行修訂，相當于在模型基礎上增加了準確率，所以首要污染物準確率也有所提高。

4 結論

利用2013年1、2月大氣自動監(jiān)測數據和同期氣象資料，采用逐步回歸方法，選取19項預報因子，建立了沈陽市冬季環(huán)境空氣質量統(tǒng)計預報模型系統(tǒng)，該模型系統(tǒng)包括各監(jiān)測子站、各種污染物的66個預報方程，所有方程在0.01水平顯著。

模型擬合中有65%以上的預測值在實測值±30%范圍內，驗證過程中50%左右的預測值在實測值±30%范圍內。擬合結果的相對誤差均在±5.0%范圍內，驗證結果的相對誤差都在±10.0%范圍內。

模型擬合中級別準確率、首要污染物準確率2項指標分別為62.9%、78.6%，驗證中2項指標分別為55.8%、68.5%;在預報實踐中，級別準確率達到79.1%，首要污染物準確率為73.6%。

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