楊亞麗 , 王建英* , 趙 蔚

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002; 3.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏 銀川 750002)

隨著城市化進(jìn)程的加快，銀川市的人口密度增大、汽車保有量激增、經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，環(huán)境空氣質(zhì)量問題日益突出.目前，冬春季沙塵[1]、夏季臭氧[2]、秋冬季霧霾[3—4]等大氣污染問題已成為研究熱點(diǎn).因此，開展環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，防治空氣污染及優(yōu)化防治措施是一項(xiàng)緊迫任務(wù).目前，環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)方法主要有統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和數(shù)值模式預(yù)報(bào)，而數(shù)值預(yù)報(bào)已成為國內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的主要發(fā)展趨勢(shì)[5].國外的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式由剛開始的EKMA[6]、ISC3[7]到后來的ADMS[8],CAMx[9]等，一直發(fā)展到現(xiàn)在的第三代模式，其核心是空氣質(zhì)量模式CMAQ[10]，該模式在我國環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中使用較廣泛[11—12].國內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式研究起步較晚，近年來中國氣象科學(xué)研究院自主研發(fā)的區(qū)域天氣-大氣化學(xué)-大氣氣溶膠雙向耦合模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CUACE模式)具有較好的預(yù)報(bào)性能，其主要目的是為空氣質(zhì)量及氣候變化模式提供大氣成分計(jì)算的通用平臺(tái)[13]，現(xiàn)為我國環(huán)境氣象、霧、霾的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式.目前,該模式每日20:00(北京時(shí)間)起報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h，預(yù)報(bào)產(chǎn)品的種類主要包括PM2.5,PM10,SO2,NO2,O3,CO共6種污染物的質(zhì)量濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、AQI 等級(jí)及首要污染物等.對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，不僅能夠客觀定量反映模式的預(yù)報(bào)能力，也可了解數(shù)值預(yù)報(bào)模式開發(fā)中存在的問題，從而改進(jìn)和提高模式的預(yù)報(bào)水平[14].合肥[14]、烏魯木齊[15]、蘭州[16]等地陸續(xù)開展了CUACE模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)評(píng)估工作，結(jié)果顯示，CUACE模式對(duì)不同地區(qū)空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)效果存在差異.為使CUACE模式對(duì)銀川市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)尤其是重污染天氣的預(yù)報(bào)更具有指導(dǎo)意義，筆者基于2015年1月1日至2018年12月31日CUACE模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品和同期大氣污染監(jiān)測(cè)資料，包括NO2，PM10，O3，PM2.5及AQI和首要污染物的日資料,以AQI監(jiān)測(cè)值大于150為標(biāo)準(zhǔn)，篩選出2015—2018年銀川市區(qū)的污染天氣.從4種污染物的質(zhì)量濃度、AQI、AQI等級(jí)及首要污染物等方面，評(píng)估CUACE模式對(duì)銀川市區(qū)污染天氣的預(yù)報(bào)效果.

1 資料與方法

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》，考慮CUACEA模式的起報(bào)時(shí)間.基于生態(tài)環(huán)境部全國城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)發(fā)布的小時(shí)監(jiān)測(cè)資料，計(jì)算每日20時(shí)至次日20時(shí)污染物質(zhì)量濃度的平均值，同時(shí)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)AQI及首要污染物和空氣質(zhì)量等級(jí)[14].由2015—2018年的監(jiān)測(cè)資料可知，銀川市大氣主要污染物為PM2.5，PM10，O3，N02.依據(jù)實(shí)測(cè)AQI，篩選出2015—2018年中度及以上污染天氣(IAQ≥150)共150個(gè)樣本.依據(jù)所選污染天氣，從國家氣象中心下發(fā)的CUACE模式指導(dǎo)產(chǎn)品資料中,以選出的同期24 h預(yù)報(bào)資料為評(píng)估對(duì)象，包括4種主要污染物的質(zhì)量濃度、AQI、AQI等級(jí)及首要污染物.

目前，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量模式的檢驗(yàn)評(píng)估還沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，文中通過平均偏差(Bm)、歸一化偏差(Bmn)、均方根誤差(S)以及相關(guān)系數(shù)R檢驗(yàn)AQI和4種污染物質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)值和實(shí)況值的偏差.其中，Bm為CUACE模式下預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的偏差，Bmn為預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值偏差的程度，S則反映預(yù)報(bào)值和觀測(cè)值的離散程度.具體的計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

式中:Pi為預(yù)報(bào)值;Oi為實(shí)測(cè)值;N為樣本總數(shù).

對(duì)首要污染物和AQI等級(jí)的檢驗(yàn)主要是對(duì)比分析，通過逐一對(duì)比CUACE模式下預(yù)報(bào)首要污染物和實(shí)況首要污染物的一致性，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)正確率.類似方法統(tǒng)計(jì)AQI等級(jí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、偏差1級(jí)率及其他偏差率[15].

2 分析與討論

2.1 AQI和4種主要污染物的質(zhì)量濃度

2015年1月至2018年12月，銀川市區(qū)中度及以上污染天氣的AQI及4種主要污染物質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖1所示.由圖1可知，CUACE模式預(yù)報(bào)的AQI值以偏小居多.2017年6月以前，AQI大于300時(shí)，預(yù)報(bào)值偏大.隨著CUACE模式的優(yōu)化調(diào)整，2017年以后，預(yù)報(bào)值基本上均低于實(shí)測(cè)值.NO2質(zhì)量濃度的預(yù)測(cè)值雖然能較好地反映實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)，但在2017年以前，預(yù)測(cè)值波動(dòng)明顯，從2017年開始，隨著模式的不斷優(yōu)化，預(yù)報(bào)效果得到提升，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)趨于一致.PM10，PM2.5的質(zhì)量濃度較高時(shí)，CUACE模式的預(yù)報(bào)值明顯偏高，誤差較大.但其他時(shí)間的模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)較一致.O3質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值略低于實(shí)測(cè)值，但預(yù)報(bào)值的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本一致，模擬效果較好.該結(jié)果與楊關(guān)盈等對(duì)合肥地區(qū)的研究結(jié)論一致.這可能與O3質(zhì)量濃度高低主要受氣溫影響、目前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對(duì)氣溫的預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確有關(guān).

AQI的CUACE模式預(yù)報(bào)值以偏小為主，NO2質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值無明顯偏大或偏小特征.隨著模式的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，預(yù)報(bào)值越來越接近實(shí)測(cè)值.顆粒物在質(zhì)量濃度較小時(shí)，預(yù)報(bào)值接近實(shí)測(cè)值；在質(zhì)量濃度較大時(shí)，預(yù)報(bào)值明顯偏大.O3質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值較一致，略低于實(shí)測(cè)值，預(yù)報(bào)效果最好.

CUACE模式預(yù)報(bào)的AQI與4種主要污染物的S，Bm,Bmn見表1.由表1可知，AQI的預(yù)報(bào)S較大，為125.1，Bm，Bmn為負(fù)值，說明AQI的預(yù)報(bào)值總體比實(shí)測(cè)值偏??；O3質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值與AQI的類似，預(yù)報(bào)值全部偏小，但O3質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值S明顯小于AQI的，預(yù)報(bào)值更接近實(shí)測(cè)值；PM2.5質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值與AQI，O3的相反，其中Bm，Bmn均為正值，即預(yù)報(bào)值整體上較實(shí)測(cè)值偏大.結(jié)合圖1可知，當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度較大時(shí)，預(yù)報(bào)值明顯偏大；PM10質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值S較大，Bm為負(fù)值，而Bmn為正值.在PM10質(zhì)量濃度較小時(shí)，預(yù)報(bào)值略低于實(shí)測(cè)值，在個(gè)別質(zhì)量濃度較大時(shí)的預(yù)報(bào)值明顯偏大，導(dǎo)致Bmn為正值；NO2質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值與PM10類似，在大部分時(shí)間預(yù)報(bào)值略偏小，個(gè)別時(shí)間偏大，所以Bm為負(fù)值、Bmn為正值.

表1 CUACE模式下預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果

相關(guān)系數(shù)可反映預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值之間相關(guān)關(guān)系的密切程度.圖2為CUACE模式下AQI及PM2.5,PM10,O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性.由圖2可知，AQI預(yù)測(cè)值(IAQ)與實(shí)測(cè)值(IAQ′)之間的相關(guān)系數(shù)為0.48；NO2，PM2.5質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值(ρ′)與預(yù)報(bào)值(ρ)的相關(guān)系數(shù)分別為0.48，0.62； PM10質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)值(ρ)與實(shí)測(cè)值(ρ′)的相關(guān)系數(shù)最小(0.19)；而O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)值(ρ)與實(shí)測(cè)值(ρ′)的相關(guān)系數(shù)最好(0.70).結(jié)合圖1 中O3質(zhì)量濃度的變化，發(fā)現(xiàn)雖然質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值偏小，但預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致性較好，因此二者的相關(guān)性最好.PM10的相關(guān)系數(shù)通過顯著水平0.05的顯著性檢驗(yàn)，其他相關(guān)系數(shù)均通過顯著水平0.01的顯著性檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值均顯著相關(guān).

圖1 各污染物質(zhì)量濃度的實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值對(duì)比

2 空氣質(zhì)量等級(jí)和首要污染物

在空氣質(zhì)量出現(xiàn)中度及以上污染，即AQI等級(jí)大于等于4時(shí)，CUACE模式下AQI等級(jí)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率見表2.由表2可知，在AQI等級(jí)為4時(shí)，預(yù)報(bào)值偏低的較多，準(zhǔn)確率較低(8.54%)，偏低1級(jí)的概率為25.61%，偏低2級(jí)的概率較大(43.90%)，而偏高1級(jí)、2級(jí)的概率分別為12.20%，7.32%；當(dāng)AQI等級(jí)為5時(shí)，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率較高(28%)，偏低3級(jí)的概率為24%，其次偏低1級(jí)、2級(jí)的概率均為20%，偏高的出現(xiàn)概率較小，僅出現(xiàn)8%的偏高1級(jí)；在AQI等級(jí)為6時(shí)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率以偏低3級(jí)為主，占比為50%，而準(zhǔn)確率僅為12.5%.總之，AQI等級(jí)在4及以上時(shí)，預(yù)報(bào)值以偏小為主，其中，在4級(jí)時(shí)偏小2級(jí)的概率較大，在5級(jí)時(shí)，偏小1至3級(jí)的概率為20%～24%，而在6級(jí)時(shí)，偏小3級(jí)的概率為50%.此外，在AQI等級(jí)為6(IAQ> 300)，即空氣質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重污染時(shí)，首要污染物均為PM10，表明銀川市嚴(yán)重污染天氣均由沙塵引起，且CUACE模式對(duì)銀川市沙塵型污染天氣的預(yù)報(bào)能力較弱.

表2 CUACE模式下預(yù)報(bào)AQI等級(jí)與觀測(cè)等級(jí) %

由115 d中度及以上污染天氣觀測(cè)資料可知，首要污染物為PM10的有42 d，為O3的有17 d，為PM2.5的有56 d.由表3可知，PM10預(yù)報(bào)正確的有31 d，正確率為73.8%；O3預(yù)報(bào)正確的有3 d，正確率為17.7%；PM2.5預(yù)報(bào)正確的有42 d，正確率為75.0%.將3種首要污染物出現(xiàn)的概率乘以預(yù)報(bào)正確率進(jìn)行求和得出總體預(yù)報(bào)效果，即首要污染物整體的預(yù)報(bào)正確率為66.1%.

表3 CUACE模式下預(yù)報(bào)首要污染物與實(shí)測(cè)首要污染物

由此可見，銀川市重污染天氣主要由顆粒物(PM2.5，PM10)引起，O3引起的重污染天氣以中度污染為主，CUACE模式對(duì)O3為首要污染物的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,明顯低于對(duì)顆粒物為首要污染的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率.

3 結(jié)論

1)CUACE模式能較好地模擬2015—2018年中度以上污染天氣AQI及PM2.5，PM10，O3質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì).AQI和O3質(zhì)量濃度的預(yù)報(bào)值以偏小為主,AQI，O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)的平均偏差、歸一化偏差均為負(fù)值，預(yù)報(bào)值小于實(shí)測(cè)值，其中，AQI的偏小更明顯，歸一化偏差為24.39%；PM2.5質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)的平均偏差和歸一化偏差均為正值，即預(yù)報(bào)值略高于實(shí)測(cè)值；NO2和PM10的歸一化偏差較小，總體上預(yù)報(bào)值接近實(shí)測(cè)值.

2)AQI和PM2.5， NO2，O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)為0.48～0.70，在顯著水平0.01下，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值均為顯著相關(guān).

3)AQI等級(jí)為4時(shí)，預(yù)報(bào)值偏小2級(jí)的概率較大，在5級(jí)時(shí)，偏小1至3級(jí)的概率為20%～24%，在6級(jí)時(shí)，偏小3級(jí)的概率為50%.

4)首要污染物為顆粒物時(shí),預(yù)報(bào)正確率為73.8%～75.0%，首要污染物為O3時(shí)，預(yù)報(bào)正確率較低.