胡 鳴，趙倩彪，伏晴艷

上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200235

我國自2001年啟動(dòng)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)發(fā)布以來，已開展了多種預(yù)報(bào)手段的開發(fā)和應(yīng)用，并基本形成了由潛勢預(yù)報(bào)模式、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式和數(shù)值預(yù)報(bào)模式相結(jié)合的空氣污染預(yù)報(bào)系統(tǒng)框架［1-2］。隨著空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化發(fā)展，各地也建立相應(yīng)的預(yù)報(bào)考核評估方法或系統(tǒng)客觀評價(jià)不同預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)效果［3-9］，以進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的服務(wù)工作，不斷提高預(yù)報(bào)質(zhì)量和預(yù)報(bào)水平，但主要基于空氣污染指數(shù)(API)的預(yù)報(bào)考評。國內(nèi)較為公認(rèn)的評分辦法主要包括指數(shù)評分辦法和級別判定評分辦法［10］，對API的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度、級別判定、預(yù)報(bào)值與監(jiān)測值的相關(guān)性進(jìn)行分析和評判。

2012年，環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)頒布［11-12］后，新增污染監(jiān)測因子和實(shí)時(shí)發(fā)布等要求使空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的難度不斷加大［13］，舊的預(yù)報(bào)評分方法也難以與新的預(yù)報(bào)內(nèi)容匹配，特別是針對空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)預(yù)報(bào)的考核評分尚屬空白。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，并結(jié)合上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布的特點(diǎn)，編制了一套環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評分方法，以定量化反映預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)度，從而科學(xué)、針對性地改進(jìn)預(yù)報(bào)方法，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。同時(shí)，利用該方法對2013年9月以來的上海市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了評估和驗(yàn)證。

1 考核評分內(nèi)容

應(yīng)環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求，上海市于2012年11月正式對外發(fā)布空氣質(zhì)量日報(bào)和實(shí)時(shí)報(bào)，包括 PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O36項(xiàng)污染物指標(biāo);2013年9月1日起發(fā)布未來24 h空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息，并分為3個(gè)時(shí)段:當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)、次日下午(12:00—20:00)。因此，預(yù)報(bào)考核評分的時(shí)段也與之對應(yīng)，并考慮日均值(0:00至次日0:00 24 h平均值)的統(tǒng)計(jì)，評分中均以污染物的AQI參加計(jì)算。另外，根據(jù)國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分段預(yù)報(bào)僅以O(shè)31 h濃度參照對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算AQI和首要污染物并進(jìn)行評價(jià)，日報(bào)則以O(shè)38 h濃度參照對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算AQI和首要污染物并進(jìn)行評價(jià)，次日下午的O38 h預(yù)報(bào)結(jié)果不參與該時(shí)段預(yù)報(bào)及考核的計(jì)算。

根據(jù)近5年的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明［14］，上海市SO2和CO的日均值明顯低于國家二級標(biāo)準(zhǔn)且呈現(xiàn)總體下降趨勢，故不將CO和SO2納入考核指標(biāo)。綜合考慮，上海市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的考核指標(biāo)包括 PM10、PM2.5、NO2和O3，同時(shí)為體現(xiàn)預(yù)報(bào)的實(shí)效性，評分方法重點(diǎn)關(guān)注分段預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。較之過去僅預(yù)報(bào)3項(xiàng)空氣污染物SO2、NO2和PM10，本考評方法在增加考核指標(biāo)PM2.5和O3的同時(shí)，又科學(xué)性地篩選出了重點(diǎn)考核指標(biāo)，針對性強(qiáng)。

每個(gè)時(shí)段的考核評分方法一致，包括首要污染物的正確性評分、預(yù)報(bào)級別的準(zhǔn)確性評分和預(yù)報(bào)指數(shù)的精度評分，不同于API預(yù)報(bào)的考核評分，本方法增加了污染預(yù)報(bào)加分項(xiàng)，強(qiáng)調(diào)對污染狀況預(yù)報(bào)能力的考核。

2 考核評分計(jì)算方法

2.1 考評時(shí)段和評分權(quán)重

過去的預(yù)報(bào)考核基于舊標(biāo)準(zhǔn)API的評價(jià)，僅對逐日空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評分，而本考核評分辦法的評分時(shí)段參照分時(shí)段預(yù)報(bào):當(dāng)日夜間(20:00至次日6:00)、次日上午(6:00—12:00)和次日下午(12:00—20:00)3個(gè)時(shí)間段，強(qiáng)化這3個(gè)分時(shí)段的預(yù)報(bào)質(zhì)量權(quán)重，同時(shí)兼顧日均值的考核，即次日的AQI預(yù)報(bào)結(jié)果?？偡諪為分時(shí)段預(yù)報(bào)得分與日均值預(yù)報(bào)得分之和，計(jì)算公式:

式中f分別代表各對應(yīng)時(shí)段的預(yù)報(bào)得分。

2.2 各時(shí)段得分統(tǒng)計(jì)方法

考慮到空氣質(zhì)量為優(yōu)級(AQI≤50)和非優(yōu)級(AQI＞50)時(shí)，有是否存在首要污染物的區(qū)別，而基于API的城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)評分辦法并沒有對此進(jìn)行區(qū)分。本方法則將這2種情況分開討論，按不同的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行評定。

當(dāng)實(shí)況各指標(biāo)均為優(yōu)等級(IAQI≤50)時(shí):

式中f2為級別準(zhǔn)確性評分，f4為所有參與考核指標(biāo)的精度評分的平均，f0為污染附加分。

當(dāng)實(shí)況各指標(biāo)存在非優(yōu)等級(IAQI＞50)時(shí):

式中f1為首要污染物正確性評分，f3為首要污染物(以實(shí)況為準(zhǔn))空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評分。

2.2.1 首要污染物正確性評分

當(dāng)實(shí)況為非優(yōu)級的情況下，考慮首要污染物的預(yù)報(bào)正確與否:如果預(yù)報(bào)首要污染物和實(shí)況完全相同，得100分;如果預(yù)報(bào)首要污染物和實(shí)況完全不同，得0分;由于空氣污染物考核指標(biāo)的增加，可能同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，若預(yù)報(bào)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，實(shí)況首要污染物為其中一項(xiàng)，得分為 f1=100×1/N預(yù)報(bào)(N預(yù)報(bào)為預(yù)報(bào)污染物個(gè)數(shù));如果實(shí)況出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上首要污染物，預(yù)報(bào)為其中一項(xiàng)，得100分。

2.2.2 級別準(zhǔn)確性評分

根據(jù)分時(shí)段的預(yù)報(bào)發(fā)布內(nèi)容和該時(shí)段實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量指數(shù)變化的符合程度進(jìn)行評價(jià)，發(fā)布內(nèi)容分為基本級別描述和變化趨勢描述。對級別描述的評價(jià)分為完全準(zhǔn)確、部分準(zhǔn)確(跨1個(gè)級別)和不準(zhǔn)確(跨2個(gè)級別以上)，實(shí)況的級別判定為該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)頻次最多的相鄰2個(gè)級別(或1個(gè)級別)。

如果實(shí)況的基本級別完全被預(yù)報(bào)的基本級別覆蓋，則判定為完全準(zhǔn)確，得100分;如果實(shí)況的基本級別部分被預(yù)報(bào)的基本級別覆蓋，其他時(shí)間和預(yù)報(bào)基本級別之間有一級的差別，則判定為部分準(zhǔn)確，得50分;如果實(shí)況的基本級別完全沒有被預(yù)報(bào)的基本級別覆蓋，和預(yù)報(bào)基本級別之間有2個(gè)級別(含)以上的差別，則判定為不準(zhǔn)確，得0分。

API評價(jià)的分級及濃度限值較為寬松，一般很少出現(xiàn)跨2個(gè)級別(含)以上的情況，而新標(biāo)準(zhǔn)以AQI方法作評價(jià)，收嚴(yán)濃度限值標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，級別間的濃度跨度也減小，如PM2.5從50 μg/m3到200 μg/m3變化已跨4個(gè)級別(良到重度污染)。特別是上海市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布為解決AQI的滯后效應(yīng)，顆粒物以1 h的平均濃度取代24 h滑動(dòng)平均濃度，當(dāng)顆粒物濃度出現(xiàn)急劇變化時(shí)，跨級現(xiàn)象較為明顯。故本考評方法增加污染變化趨勢描述項(xiàng)得分，規(guī)定如果實(shí)況的級別出現(xiàn)跨2個(gè)級別以上，則需要對變化趨勢進(jìn)行描述。變化趨勢的判定為該時(shí)間段內(nèi)除基本級別以外出現(xiàn)的其他級別。如果實(shí)況需要變化趨勢描述而預(yù)報(bào)沒有，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣20分;如果實(shí)況不需要變化趨勢描述而預(yù)報(bào)有，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實(shí)況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報(bào)描述相符，在基本級別得分的基礎(chǔ)上加20分;如果實(shí)況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報(bào)描述差一級，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣10分;如果實(shí)況需要變化趨勢描述，且其最高/最低級別與預(yù)報(bào)描述差2個(gè)級別(含)以上，在基本級別得分的基礎(chǔ)上扣20分。

2.2.3 空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度評分

各污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)精度是根據(jù)預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的差別計(jì)算得到，如果差別過大出現(xiàn)得分為負(fù)數(shù)的情況，則以0分代替，具體計(jì)算公式:

式中i為納入評價(jià)范圍的各項(xiàng)污染物，f4的得分為所有f4i的平均值。當(dāng)實(shí)況為非優(yōu)級時(shí)，存在首要污染物空氣質(zhì)量指數(shù)的精度評分f3，計(jì)算方法同f4，但提高了首要污染物的考評權(quán)重得分。

2.2.4 污染附加分

當(dāng)實(shí)況出現(xiàn)輕度及以上污染時(shí)，進(jìn)行AQI附加分評定，并加入各段的總評分。實(shí)況和預(yù)報(bào)等級對應(yīng)得分f0見表1，隨著污染程度的加劇，f0加大，實(shí)況與預(yù)報(bào)級別差別越大，相應(yīng)的f0越小，即扣分越多。由于考評更側(cè)重于對污染及污染趨勢的判斷，漏報(bào)比空報(bào)的扣分適當(dāng)加重。

表1 實(shí)況和預(yù)報(bào)等級對應(yīng)得分

3 考核評分的應(yīng)用分析

應(yīng)用該考核評分系統(tǒng)，對上海市2013年9月1日至12月31日的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了考核。圖1顯示的是總體得分的比例分布，主要集中在50～90分，其中71～80分的比例最高，達(dá)22%。得分情況基本呈負(fù)偏態(tài)分布，考慮到目前基于AQI的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)工作尚處于起步階段，本方法作為預(yù)報(bào)水平的基本考核科學(xué)適用。隨著預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，基于本方法的考核得分將提高，得分將更趨于合理化分布。

圖1 總體得分比例分布

從不同AQI等級的考評得分情況(圖2)來看，總體得分50～80分，優(yōu)級時(shí)段的得分最低，平均為59.5分;嚴(yán)重污染時(shí)段的得分最高，平均為75.1分，其次是等級為良的時(shí)段，平均得分為72.7。由于空氣質(zhì)量分指數(shù)的精度得分計(jì)算與實(shí)況值的大小相關(guān)，在預(yù)測和實(shí)況差值相同的情況下，實(shí)況值越大，得分越高，可能導(dǎo)致優(yōu)級時(shí)段的總體考評得分較低。考慮到公眾對于空氣質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)更注重于是否污染以及污染趨勢如何，該評分方法也更側(cè)重強(qiáng)調(diào)預(yù)報(bào)員對于污染趨勢的判斷。

圖2 不同AQI等級的考評得分

4 結(jié)語

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)考核評分是衡量預(yù)報(bào)水平的客觀依據(jù)，便于對預(yù)報(bào)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)分析，同時(shí)能進(jìn)一步規(guī)范環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化工作，滿足環(huán)境管理的需要。針對目前國內(nèi)AQI預(yù)報(bào)考核評分方法的空白，結(jié)合上海市環(huán)境空氣質(zhì)量的特點(diǎn)，制定本預(yù)報(bào)考核評分方法。該法具有以下特點(diǎn):考慮到預(yù)報(bào)的實(shí)效性，分時(shí)段進(jìn)行評價(jià)，提高分時(shí)段的評分權(quán)重并兼顧日評價(jià);將優(yōu)級時(shí)段和非優(yōu)級時(shí)段分開考核，更側(cè)重于對污染日的評估，同時(shí)突出首要污染物的權(quán)重，強(qiáng)化對首要污染的預(yù)報(bào)精確度;增加級別變化趨勢的描述評分以及污染加分項(xiàng)，突出預(yù)報(bào)員對污染時(shí)段及變化趨勢的預(yù)報(bào);考評預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)水平既可以對某一時(shí)段的預(yù)報(bào)進(jìn)行打分，也可對一天甚至一周作平均得分考評。同時(shí)該考評方法也可用于數(shù)值模式預(yù)報(bào)的驗(yàn)證。

應(yīng)用于上海市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量評估，效果理想，貼近預(yù)報(bào)工作的實(shí)效與公眾的感受，有利于對城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理和考核。從預(yù)報(bào)評價(jià)周期而言，可逐步拓展到未來48 h、72 h或者一周預(yù)報(bào)。該方法也可進(jìn)一步推廣到其他城市地區(qū)，但由于該評分方法主要針對上?？諝赓|(zhì)量的實(shí)時(shí)發(fā)布，其他城市可根據(jù)自身的空氣質(zhì)量狀況和污染特征，適當(dāng)調(diào)整考核指標(biāo)。

［1］王茜，伏晴艷，王自發(fā)，等．集合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)在上海市空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(4):1-6．

［2］王茜．上海市秋季典型PM2.5污染過程數(shù)值預(yù)報(bào)分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30(2):7-13．

［3］牟克林，黃世芹，吳江．基于 EXCEL報(bào)表格式的城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)評估系統(tǒng)［J］．貴州氣象，2007，31(5):22-24．

［4］宋榕榮，王堅(jiān)，張?jiān)鴱|，等．廈門市空氣質(zhì)量臭氧預(yù)報(bào)和評估系統(tǒng)［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28(1):27-32．

［5］佟彥超．中國重點(diǎn)城市空氣污染預(yù)報(bào)及其進(jìn)展［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2006，22(2):69-71．

［6］王慶梅，張雪梅，韓光．蘭州市大氣污染特征與污染預(yù)報(bào)技術(shù)研究［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2008，24(3):56-62．

［7］吳兌，鄧雪嬌，林愛蘭，等．廣東省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)［J］．氣象科技，2004，31(6):351-355．

［8］向玉春，沈鐵元，陳正洪，等．城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量評估系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］．氣象，2002，28(12):20-23．

［9］張菁，石宇虹．空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量考核自動(dòng)評分系統(tǒng)［J］．遼寧氣象，2002(3):27-29．

［10］朱玉強(qiáng)．幾種空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)效果對比分析［J］．氣象，2004，30(10):30-32．

［11］GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［12］HJ 633—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)［S］．

［13］王帥，杜麗，王瑞斌，等．國內(nèi)外環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)分析和比較［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(6):58-65．

［14］上海市環(huán)境保護(hù)局．2013年上海市環(huán)境狀況公報(bào)［EB/OL］．http://www．sepb．gov．cn/fa/cms/shhj//shhj2272/shhj2159/2014/06/86604.htm，(2014-06-04)．