馬琳達

(貴陽市環(huán)境監(jiān)測中心站, 貴陽 550002)

貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)建立的探討

馬琳達

(貴陽市環(huán)境監(jiān)測中心站, 貴陽 550002)

分析了貴陽市空氣質(zhì)量預報中污染物、地形及下墊面、植被等關鍵影響因素。提出了貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)的整體架構，分別對排放源監(jiān)測與管理系統(tǒng)、環(huán)境空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)和污染預警與控制決策支持系統(tǒng)等三個核心部分進行闡述，進一步提出了貴陽市大氣污染防控措施及防控機制。

環(huán)境空氣質(zhì)量；大氣污染；預報預警；數(shù)值模式

2013年1 月，全國發(fā)生了罕見的大范圍、長時間的霧霾天氣過程，影響全國中東部和西南部的很多城市。貴陽市是受此霧霾天氣影響較嚴重的西南地區(qū)城市之一，出現(xiàn)了連續(xù)數(shù)日的污染天氣，給人民群眾的健康造成不同程度的影響，同時也給生產(chǎn)生活帶來諸多不便，引起政府和公眾的廣泛關注[1]。

2013年9月，國務院出臺《關于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》(國發(fā)〔2013〕37號)，提出大氣污染防治的總體要求、奮斗目標和政策舉措。其中明確指出要建立監(jiān)測預警應急體系，妥善應對污染天氣[2]。2013年底，貴陽市政府與貴州省政府簽訂了《貴州省環(huán)境保護重點工作目標責任書》。貴州省人民政府于2014年5月印發(fā)《貴州省大氣污染防治行動計劃實施方案》(黔府發(fā)〔2014〕13號)，方案中高度重視環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警體系的建立。

各級政府建立有效的大氣污染防治體系迫在眉睫，而環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)是大氣污染防治體系的關鍵和基礎。

1 國內(nèi)外空氣質(zhì)量預報進展

1.1 國際研究情況以及空氣質(zhì)量預報的主要方法

國外從20世紀50年代就開始了城市空氣污染預報理論和方法的研究。從60年代開始，美國、英國、日本、荷蘭、前蘇聯(lián)、新加坡等國家相繼開展空氣污染預報，當時大都采用污染潛勢預報進行定性分析。70 年代，美國國家氣象局根據(jù)天氣預報的風、渦度及天氣狀況、大氣穩(wěn)定度、混合層高度等氣象因子，用數(shù)值預報模式對污染源強進行未來24 h的擴散計算，做出空氣污染潛勢預報。20 世紀80 年代后，國際上開始致力于定量的空氣污染預報，包括統(tǒng)計預報和數(shù)值預報。目前，國際上空氣質(zhì)量預報的方法主要有兩種。

一種是空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報方法。該方法以大氣污染物和氣象觀測資料為基礎，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，研究大氣環(huán)境的變化規(guī)律，將歷史上的污染物濃度數(shù)據(jù)及同期氣象資料利用統(tǒng)計方法進行數(shù)學分析，建立具有一定可信度的統(tǒng)計關系或數(shù)學模型。統(tǒng)計預報方法運算量少、易于操作、簡單實用、經(jīng)濟高效，但統(tǒng)計預報的時間精度、時間長度和空間尺度上均有局限性。統(tǒng)計預報由于忽略污染源排放和變化影響，無法反映大氣污染物在大氣中的傳輸、擴散、沉降以及其他非線性化學轉化過程。

另一種是空氣質(zhì)量數(shù)值預報方法。該方法以大氣動力學理論為基礎，在給定的氣象場、源排放以及初始和邊界條件下，建立大氣污染物在空氣中的各種物理化學過程的數(shù)值模型，預報污染物濃度動態(tài)分布和變化趨勢，提供時空污染濃度區(qū)域分布，同時可用于污染源追蹤與分析。由于數(shù)值預報可以評估和預測局地和區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量狀況、污染影響空間范圍，對潛在的重污染事件進行預警，可為管理部門及時采取科學防范控制措施、減少空氣污染對人體健康和人們生產(chǎn)生活的影響提供科學與技術支持。數(shù)值預報模式是大氣污染預報的主流發(fā)展方向。目前，用于空氣質(zhì)量預報的主流模式有WRF-Chem、CMAQ、CAMx和NAQMPS等，這些模式都有各自的特點，為了避免某一模式在特定的條件下產(chǎn)生較大的誤差，可將這些模式聯(lián)合起來進行集成預報，提供預報的準確率。

1.2 國內(nèi)城市以及貴陽市研究情況

中國城市空氣質(zhì)量預報工作始于20 世紀80年代，北京、沈陽、蘭州、天津、南京等城市利用城市環(huán)境觀測資料和對應的氣象資料，通過統(tǒng)計方法建立了空氣質(zhì)量預報模型來預測城市內(nèi)空氣質(zhì)量。2000 年開始，中國環(huán)境監(jiān)測總站組織47個環(huán)境保護重點城市開展城市環(huán)境空氣質(zhì)量預報工作[1，3]。

貴陽市作為47個環(huán)境保護重點城市之一，開展了基于統(tǒng)計預報方法的API和SO2、NO2、PM10老3項環(huán)境空氣污染物監(jiān)測項目日均濃度值的24h預報。2012年，貴陽市作為全國第一批執(zhí)行新GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》的城市之一，于2012年12月開展對新標準規(guī)定的6項污染物的監(jiān)測和發(fā)布，并于2013年初停止了對API和老3項日均濃度值的24h預報。

近幾年，環(huán)境空氣預報預警系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，通過預測空氣污染的發(fā)生和變化趨勢，使政府部門及時啟動大氣污染應急減排措施，以最低經(jīng)濟成本實現(xiàn)最大的社會效益。在北京、上海、廣州等城市實現(xiàn)了環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警的業(yè)務化運行，為北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等重大活動提供了有力的保障。

2 貴陽市空氣質(zhì)量預報關鍵影響因素

2.1 污染源

污染源是空氣質(zhì)量污染的根本源頭，控制和治理空氣質(zhì)量的根本是對污染的防治。自從2000年國家公布實施修訂后的《中華人民共和國大氣污染防治法》以來，貴陽市大量民用生活鍋爐改用燃氣，一些燃煤量大的電廠、鋼鐵廠、水泥廠逐步遷出城區(qū)，同時大規(guī)模的城市建筑施工和燃油交通工具(汽車、飛機)運行量迅速擴張，工業(yè)源、生活源、建筑源和交通源的結構均有一定的變化。建立貴陽市污染源清單，掌握貴陽市及其周邊污染源的排放情況，并且動態(tài)更新源清單，對空氣質(zhì)量預報有至關重要的影響。

目前，貴陽市桐木嶺(清潔對照點)、太慈橋、市環(huán)境監(jiān)測站、新華路、紅邊門、馬鞍山、中院村、碧云窩、鑒湖路、燕子沖等10個國控環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站對空氣中的污染物SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5進行24 h實時監(jiān)測。貴陽市空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)建立可以充分利用現(xiàn)有貴陽市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)和污染源排放在線監(jiān)測和管理系統(tǒng)提供的大量客觀、可靠的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，把監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行同化，建成有一定技術梯度、功能完整、優(yōu)勢互補、滿足環(huán)境空氣管理科學性需求的環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警和決策支持系統(tǒng)，并利用覆蓋全市的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對預報數(shù)據(jù)進行校驗和修正，從而提高環(huán)境空氣質(zhì)量預報的準確性和可靠性。

2.2 氣象條件

氣象條件是影響空氣質(zhì)量預報的關鍵因素之一。在監(jiān)測工作中常常發(fā)現(xiàn)，同一地點來自同一污染源的空氣污染物，在固定監(jiān)測點其濃度監(jiān)測結果有時很高，有時很低，不同時間的測量值也有很大差異。一方面這與污染源排放條件的變化有關，但主要是氣象條件影響所致。由于氣象條件改變，大氣對污染物的擴散稀釋能力也隨氣象條件的變化而發(fā)生巨大變化。因此在不同氣象條件下，同一污染源排放所造成的地面污染濃度相差巨大。因此氣象條件的預測準確度直接影響到空氣質(zhì)量預報的準確度。掌握準確的氣象條件信息，是空氣質(zhì)量預報基礎。因此在建立模型時，應充分考慮貴陽市當?shù)貧夂蛱攸c和氣象條件，把氣象參數(shù)納入系統(tǒng)進行同化，提高空氣質(zhì)量預報的準確度。

2.3 復雜地形和下墊面

地形和下墊面的非均勻性，對氣流運動和氣象條件會產(chǎn)生動力和熱力的影響，從而改變空氣污染物擴散條件。貴陽市地處云貴高原，位于貴州省中部、云貴高原東斜坡上，屬于全國東部平原向西部高原過渡地帶。貴陽市為典型的喀斯特地貌，城市建設受喀斯特地形地貌影響，山地多，平地少，地形起伏大，西北部為高地，中部為海拔較低的喀斯特盆地，地勢較平坦，但盆地四周山地地形高差變化大，城鎮(zhèn)建設分散[4]。由于貴陽市特殊的山地地形，形成了其復雜氣象特征和局地氣象情況，污染物擴散場比較復雜。加上貴陽盆地面積小而周邊山地坡度大阻礙了城市空間的向外發(fā)展，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，建設用地緊張，主城區(qū)人口、建筑和交通高度集中，建筑向高空發(fā)展，形成污染物擴散的不利條件。綜上所述，復雜地形、城市建筑、交通環(huán)境等同時造成了貴陽市污染擴散復雜環(huán)境。在一定的氣象條件下，大氣污染物和氣象相互影響與作用，形成了復雜的大氣污染狀況，加上大氣區(qū)域性輸送，形成大氣復合污染。

統(tǒng)計預報由于忽略污染源排放和變化影響，無法反映大氣污染物在大氣中的傳輸、擴散、沉降以及其他非線性化學轉化過程，不能滿足需求?？刹捎脭?shù)值預報或者集合預報方式，預報污染物濃度時空分布，建模應充分考慮貴陽特殊地形和下墊面特征，結合高精度氣象場預報，模擬大氣污染物擴散。

2.4 植被

植被對污染物沉積和產(chǎn)生有很大的影響。一方面，植被通過對水氣輸送的影響調(diào)節(jié)區(qū)域的降水，降水直接影響污染物的濕沉積，同時植被自身又影響著污染物的干沉積，植被對污染物干濕沉積的作用對降低污染物的濃度有著重要貢獻；另一方面，植被通過光化學反應又可以促進臭氧的生成，起到了加重環(huán)境空氣污染的作用。在監(jiān)測工作中發(fā)現(xiàn)，貴陽市近年來臭氧的污染呈上升趨勢。在晴朗的夏秋季節(jié)，日照強、云量少、風力弱的時候，空氣中臭氧濃度值比較高，城市郊區(qū)、風景區(qū)的臭氧濃度往往比市中心高。臭氧不是污染源直接排放的一次污染物，而是通過污染源排放的氮氧化物、揮發(fā)性有機物在大氣中通過光化學反應生成的二次污染物。因此在空氣質(zhì)量預警系統(tǒng)中，需要考慮植被對空氣質(zhì)量的雙重作用和注意對臭氧前體物的控制， 在建立預報模型系統(tǒng)中應考慮當?shù)卮竺娣e植被對空氣質(zhì)量的影響。

3 預報預警系統(tǒng)整體架構

空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)由三體系和五層組成。三體系是系統(tǒng)建設實施的指導規(guī)范，包括數(shù)據(jù)標準規(guī)范體系、安全保障體系和運行維護體系。五層為硬件支撐層、數(shù)據(jù)支撐層、公用組件層、模式層和應用展現(xiàn)層，其系統(tǒng)結構設計如圖1所示。

圖1 空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)結構設計

該系統(tǒng)的核心是排放源監(jiān)測與管理系統(tǒng)、空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)、空氣質(zhì)量預警與控制決策支持系統(tǒng)等三部分。

3.1 排放源監(jiān)測與管理系統(tǒng)

排放源監(jiān)測與管理系統(tǒng)主要任務有：建立排放源清單的入庫、查詢、更新，排放源實時監(jiān)控數(shù)據(jù)解析、分析和管理等內(nèi)容。在環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警工作中，污染源調(diào)查與排放源清單的建立是環(huán)境空氣質(zhì)量預測預報的重要前提，同時也是研究城市環(huán)境空氣質(zhì)量變化成因和污染排放控制管理的重要基礎工作之一。大氣污染物排放源清單及時更新，可為區(qū)域明確階段性環(huán)境污染整治方向、出臺污染控制措施、及時評估各項污染控制措施的效果提供重要的技術支撐。同時，排放源定期更新，對于科學制定區(qū)域環(huán)境污染控制決策、推行污染物排放總量控制和開展排污許可證發(fā)放、污染物排放標準建立和污染預警聯(lián)動等工作具有深遠的意義。

3.2 環(huán)境空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)

環(huán)境空氣質(zhì)量預報是空氣質(zhì)量預報預警系統(tǒng)的核心工作，只有準確的預報，才能夠準確的預警。預報系統(tǒng)可以設立氣象、大氣化學、資料處理和大氣源解析等模塊。通過建立數(shù)值預報模式或者集合預報模式，可預報污染物濃度動態(tài)分布和變化趨勢，提供污染濃度時空分布；同時還可用于污染源追蹤與分析，對區(qū)域尺度天氣過程、氣象要素、關鍵大氣污染物及其產(chǎn)生的環(huán)境效應時空分布特征進行模擬。在此基礎上追加大氣污染物行業(yè)、地區(qū)來源解析；對大氣污染監(jiān)測網(wǎng)和空氣自動監(jiān)測網(wǎng)反饋的實時觀測數(shù)據(jù)、排放源資料集進行動態(tài)處理，對關鍵參數(shù)實時修正，有效減少模擬的不確定性，提高對潛在的重污染事件預報的準確性。

3.3 污染預警與控制決策支持系統(tǒng)

環(huán)境空氣質(zhì)量預警與控制決策支持是大氣防治工作中的核心，建立預警指標體系、空氣污染分析、優(yōu)化控制對策等內(nèi)容。根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值預報結果，對污染天氣進行分析，得出造成污染天氣的排放源及貢獻率，根據(jù)優(yōu)化控制模式計算結果給出重點控制目標和控制措施，對應業(yè)務部門進行行政執(zhí)法，降低重污染危害，改善環(huán)境空氣質(zhì)量。

此外，建設超級計算平臺及配套設施，充分利用現(xiàn)有信息化系統(tǒng)各種軟件硬件資源，搭建硬件系統(tǒng)和業(yè)務化平臺，使成本降到最低，避免重復建設造成的浪費。

4 展望

空氣質(zhì)量控制是建立在排放源管理和空氣質(zhì)量預報預警基礎之上的，通常包括污染天氣的控制、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和重污染源優(yōu)化布局等方面，是一個涵蓋自然科學、社會科學和人文科學的復雜系統(tǒng)工程。

環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警體系可為環(huán)保部門提供環(huán)境空氣質(zhì)量預報信息并對潛在的重污染事件進行預警；提供科學的管理和政策咨詢建議，使管理部門能夠及時采取控制措施，建立應急處理機制，保障大氣環(huán)境安全；引導服務模式轉變，提升公眾生活質(zhì)量；強化政府管理效率，提升公共服務水平。

隨著空氣監(jiān)測網(wǎng)絡中監(jiān)測點數(shù)量的擴大和監(jiān)測項目的完善，未來將建立區(qū)域大氣污染預警和大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控機制。目前從全國來看，大區(qū)域空氣質(zhì)量預警聯(lián)防聯(lián)控在京津冀、珠三角、長三角等沿海發(fā)達地區(qū)已經(jīng)開展；東三省、中部地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)等相鄰省份之間空氣質(zhì)量預警聯(lián)防聯(lián)控是未來發(fā)展的趨勢；從小區(qū)域來看，將建立省內(nèi)各相鄰城市或地區(qū)之間空氣質(zhì)量預警以及大氣污染聯(lián)防聯(lián)控體系。

[1] 解淑艷，劉冰，李健軍. 全國環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預報預警系統(tǒng)建立探析[J].環(huán)境監(jiān)控與預警,2013,5(4)：1674 -6732．

[2] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.環(huán)境空氣質(zhì)量預報預警方法技術指南(第一版)[M].北京：中國環(huán)境出版社，2014.

[3] 劉娟. 長三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預測預警體系建設的思考[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2012,28(4)：135-140.

[4] 高紅艷，刁承泰.試論喀斯特地貌對城市發(fā)展建設的影響—以喀斯特山區(qū)城市貴陽為例[J].中國巖溶，2010,29(1)：81-85.

Discussion on Guiyang Ambient Air Quality Forecast and Early Warning System

Ma Linda

(Guiyang Environmental Monitoring Center，Guiyang 550002，China)

this paper analyzed the key factors affecting the Guiyang air quality, including pollutants, underlying surface, topography and vegetation. The overall structure of Guiyang ambient air quality forecasting and early warning system was proposed, and the three core parts, emission source monitoring and management system, ambient air quality forecasting system, and decision support system for pollution early warning and control, were elaborated respectively. Guiyang atmosphere pollution control measures and prevention mechanisms were further proposed.

ambient air quality; air pollution; forecast and early warning; numerical model

2014-10-17；2014-12-31修回

馬琳達，女，1981年生，碩士，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測、空氣質(zhì)量預報預警。E-mail：air_gy@qq.com

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