李招連 楊德南 洪國(guó)平

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漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究*

李招連 楊德南 洪國(guó)平

漳州市氣象局

通過(guò)闡述漳州市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警思路及其算法技術(shù)原理，介紹漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)情況，分析了空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決措施。

空氣質(zhì)量等級(jí) 模式檢驗(yàn) 預(yù)警預(yù)報(bào) 漳州市

近年來(lái)，我國(guó)常發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間大范圍的霧霾天氣過(guò)程，京津翼區(qū)域大氣污染最為嚴(yán)重，多次出現(xiàn)連續(xù)重污染天氣。統(tǒng)計(jì)漳州市區(qū)1981—2010年霾日數(shù)的分布特征發(fā)現(xiàn)，漳州市1981—1990年霾總?cè)諗?shù)只有13d，1991—2000年霾總?cè)諗?shù)增加到329d，2001—2010年霾總?cè)諗?shù)則有1051d，霾日數(shù)在2001—2010年間出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)?？諝赓|(zhì)量不斷惡化已經(jīng)引起漳州市政府和公眾高度關(guān)注，2015年1月1日，漳州市氣象局與漳州市環(huán)保局正式合作開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。本文通過(guò)闡述漳州市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警思路及其算法技術(shù)原理，介紹漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)情況，以及進(jìn)行市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)應(yīng)用的情況，為漳州市預(yù)測(cè)、控制和治理大氣污染提供科學(xué)、合理的理論依據(jù)。

1 漳州市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警思路及建議

1.1 氣象和環(huán)保數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)來(lái)源于漳州市氣象局與漳州市環(huán)保局。空氣質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)包括空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)（藍(lán)田、三中、九湖）調(diào)查數(shù)據(jù)、SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10和AQI實(shí)況數(shù)據(jù)等；氣象數(shù)據(jù)包括漳州180多個(gè)區(qū)域氣象自動(dòng)站的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象云圖、多普勒雷達(dá)、氣象預(yù)報(bào)場(chǎng)等資料。

1.2 漳州市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警思路

漳州市開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警采用的是氣象要素配料法。根據(jù)漳州市區(qū)地理環(huán)境背景條件和氣象條件規(guī)律，利用漳州市區(qū)空氣污染氣象條件判據(jù)指標(biāo)，多指標(biāo)疊套的空氣污染氣象條件客觀(guān)預(yù)報(bào)方法，集成空氣污染氣象條件客觀(guān)預(yù)報(bào)技術(shù)，選取特定參數(shù)，自動(dòng)客觀(guān)計(jì)算未來(lái)24h的漳州市區(qū)空氣污染氣象條件等級(jí)、空氣質(zhì)量等級(jí)、首要污染物和AQI 區(qū)間。主要的市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警思路如下。

首先，根據(jù)漳州市氣象局和漳州市環(huán)保局的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)（2012－2016年環(huán)境與氣象數(shù)據(jù)庫(kù)資料）分類(lèi)。分季節(jié)，3～6月為春季、7～9月為夏季、10～11月為秋季和12～2月為冬季；氣象預(yù)報(bào)場(chǎng)分天氣形勢(shì)，冷高壓脊、高壓底部、高壓后部、鋒前暖區(qū)、切變與高空槽、地面倒槽、副熱帶高壓及其邊緣、臺(tái)風(fēng)（熱帶輻合帶）及其外圍。

其次，主要實(shí)現(xiàn)氣象要素場(chǎng)配置和邊界層擴(kuò)散能力計(jì)算。氣象要素場(chǎng)配置主要是讀取氣象A報(bào)，用當(dāng)天08時(shí)實(shí)況減去昨天08時(shí)實(shí)況，得到風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、溫度、相對(duì)濕度、降水量6種氣象要素24h變化量，并顯示這6個(gè)值的大小。計(jì)算粗理查遜數(shù)；利用micaps目錄下的Tln-P資料，實(shí)現(xiàn)邊界層擴(kuò)散能力計(jì)算。

最后，針對(duì)6種主要的空氣質(zhì)量污染物，建立相應(yīng)的多元回歸方程。將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，調(diào)用，即可建立多元回歸方程，放入系統(tǒng)內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)輸入實(shí)況值，輸出預(yù)報(bào)值。

漳州市氣象臺(tái)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)情況，對(duì)系統(tǒng)客觀(guān)預(yù)報(bào)結(jié)論進(jìn)行直觀(guān)訂正，得到漳州市區(qū)空氣質(zhì)量污染等級(jí)，并發(fā)布相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)建議和采取應(yīng)對(duì)措施。

1.3 漳州市區(qū)空氣質(zhì)量污染等級(jí)及建議

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012）規(guī)定，空氣污染指數(shù)劃分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和>300六檔，對(duì)應(yīng)于空氣質(zhì)量的六個(gè)級(jí)別，主要大氣污染的影響和建議如表1所示，指數(shù)越大，級(jí)別越高，說(shuō)明污染越嚴(yán)重，對(duì)人體健康的影響也越明顯。當(dāng)漳州市區(qū)出現(xiàn)連續(xù)兩天輕度或一天中度以上污染時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)部門(mén)聯(lián)合會(huì)商機(jī)制，氣象、環(huán)保部門(mén)聯(lián)合簽發(fā)城市空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

表1 大氣污染的影響和建議

2 漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及其構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

該系統(tǒng)采用B/S三層體系架構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一部署和發(fā)布，省市縣三級(jí)氣象和環(huán)保部門(mén)的共享應(yīng)用，免客戶(hù)端安裝。系統(tǒng)利用WebGIS技術(shù)，展示氣象、環(huán)保監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)信息，精確定位氣象自動(dòng)觀(guān)測(cè)站、環(huán)?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)等信息。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 主要功能模塊

該系統(tǒng)是一個(gè)多功能綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)氣象、環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享、空氣質(zhì)量等級(jí)自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警、空氣質(zhì)量氣象產(chǎn)品制作、部門(mén)聯(lián)合會(huì)商等功能。系統(tǒng)登陸主界面見(jiàn)圖2，氣象部門(mén)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)網(wǎng)，環(huán)保部門(mén)及用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)外網(wǎng)。數(shù)據(jù)共享環(huán)保模塊（圖3）能展示環(huán)保監(jiān)測(cè)站的SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10和AQI實(shí)況數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享氣象模塊（圖4）能展示氣象溫度、風(fēng)情、能見(jiàn)度、氣壓、雨量等實(shí)況數(shù)據(jù)?？諝赓|(zhì)量等級(jí)自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警模塊（圖5）每天16時(shí)自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警未來(lái)3d漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)，同時(shí)顯示河流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本地理信息，實(shí)現(xiàn)地理信息的放大、縮小和拖放功能?？諝赓|(zhì)量氣象產(chǎn)品制作、部門(mén)聯(lián)合會(huì)商根據(jù)氣象條件情況對(duì)空氣質(zhì)量氣象產(chǎn)品進(jìn)行人工訂正，每天對(duì)外發(fā)布未來(lái)24h的漳州市區(qū)空氣污染氣象條件等級(jí)、空氣質(zhì)量等級(jí)、首要污染物和AQI 區(qū)間；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)兩天輕度或一天中度以上污染時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)部門(mén)聯(lián)合會(huì)商機(jī)制，氣象、環(huán)保部門(mén)聯(lián)合簽發(fā)城市空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品并對(duì)外發(fā)布。

圖2 系統(tǒng)登陸界面

圖3 環(huán)保實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 氣象實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警

3 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決措施

3.1 環(huán)保實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)問(wèn)題

漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用B/S服務(wù)架構(gòu)，有利于內(nèi)外用戶(hù)共享數(shù)據(jù)。環(huán)保實(shí)況監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為每天16時(shí)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)條件之一，環(huán)?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)常因網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)無(wú)法入庫(kù)，進(jìn)而影響當(dāng)天的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。

由于雙機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)備份傳輸能解決入庫(kù)問(wèn)題，但因經(jīng)費(fèi)有限暫未考慮。為此，該系統(tǒng)采用郵件傳遞方式解決數(shù)據(jù)入庫(kù)問(wèn)題，市環(huán)境監(jiān)測(cè)站按約定的環(huán)保數(shù)據(jù)格式制作一份上一天實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)EXCEL表，每天15時(shí)發(fā)送到市氣象臺(tái)指定郵箱，系統(tǒng)每天15時(shí)30分自動(dòng)判斷環(huán)保實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否入庫(kù)，若未入庫(kù)，則調(diào)用郵箱數(shù)據(jù)入庫(kù)。

3.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量問(wèn)題

空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式是一種理想模型，即未考慮下墊面影響，若下墊面變化較大，空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的誤差率會(huì)較大。下墊面主要影響有工廠(chǎng)廢氣、汽車(chē)尾氣、施工揚(yáng)塵、道路揚(yáng)塵等，這些因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響較大而且影響常不定時(shí)。

氣象部門(mén)聯(lián)合環(huán)保部門(mén)開(kāi)展下墊面影響因子研究，確定不同下墊面因子影響系數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)兩天輕度或一天中度以上污染時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)部門(mén)聯(lián)合會(huì)商機(jī)制，通過(guò)部門(mén)會(huì)商將下墊面影響考慮到空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中，以減少誤差率，并對(duì)外聯(lián)合發(fā)布主觀(guān)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)及應(yīng)急措施。

4 漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)服務(wù)效果

漳州市氣象局、漳州市環(huán)保局、漳州市科技局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)”2015年1月1日運(yùn)行以來(lái)，每天通過(guò)漳州電視臺(tái)《天氣預(yù)報(bào)》欄目聯(lián)合發(fā)布市區(qū)空氣質(zhì)量情況，為市政府提供及時(shí)準(zhǔn)確的市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警決策服務(wù)，得到市政府、市環(huán)保局領(lǐng)導(dǎo)的高度評(píng)價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，漳州市因地形構(gòu)造、環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)地理位置不夠合理、環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少等原因，導(dǎo)致漳州市區(qū)成為福建省空氣質(zhì)量污染較嚴(yán)重區(qū)域之一。開(kāi)展漳州市區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究，有利于建立健全漳州市區(qū)大氣重污染監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，提高對(duì)大氣重污染災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)警和應(yīng)急處置能力，降低大氣重污染危害程度，保障人民群眾身體健康和財(cái)產(chǎn)安全。及時(shí)、準(zhǔn)確的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)為漳州市政府防范空氣污染提供了決策依據(jù)，提升了環(huán)境保護(hù)和氣象防災(zāi)減災(zāi)整體效益，促進(jìn)了環(huán)保與氣象業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

[1] 漳州市政府辦.關(guān)于大氣污染應(yīng)急預(yù)案的通知[Z]. 2014.

[2] 福建省氣科所.福建省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)[Z]. 2014.

漳州市科技局自然科學(xué)基金項(xiàng)目“漳州市區(qū)城市空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)研究”（ZZ2016J12）。