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城市环境空气质量指数范围预报

2015/12/31 阅读:

环境空气质量预报是落实《大气污染防治行动计划》的新兴核心业务,是重污染预警应急和大气污染防控不可或缺的基础工作。环境空气质量指数(AQI)预报是城市环境空气质量预报的基本内容,是公众了解未来空气质量状况最直接的方式,成为空气质量预报业务部门的重要例行工作。目前,国内重点城市已陆续开展AQI预报[1-2],但尚未形成规范的AQI预报方法,无法满足城市AQI预报信息统一发布要求,迫切需要建立一套标准化的AQI预报方法体系。本文以全国城市空气质量实时发布平台2014年典型城市的实况监测数据为基础,利用统计学方法对数据进行分析,探讨城市24hAQI范围预报方法和偏差修正的确定依据,以及相关的质量控制技术,以期为各城市开展AQI预报提供实用方法和技术参考。

1AQI范围预报方法

1.1级别判断在空气质量模式AQI预报结果的基础上,根据空气质量实况、天气形势预报和污染源排放变化,初步判断次日AQI预报级别,确定将其定位在某个级别内还是两个级别间。例如优、优~良,良、良~轻等空气质量级别。通常若天气形势稳定或变化趋势清晰,AQI可定位在某级别内。若未来天气形势变化不明朗,例如,出现弱槽过境、弱降水等,可将AQI定位在级别间进行跨级预报。

1.2中心线设定根据初步判断AQI变化趋势,设定AQI范围中心线的大致位置,即偏向趋势变化所向级别的低、中、高段位。通常根据好转、稳定、变差的趋势,分别将AQI预报范围的中心线定位在稍低、持平、稍高段位。例如,初步判断AQI是跨越良到轻度污染两级的变差趋势,根据预估的AQI变化幅度,将中心点设定在偏良、居中或偏轻度污染的段位。

1.3变化幅度修正为提高预报准确性,需在设定的AQI范围中心线上加减一个变化幅度(偏差),最终形成AQI范围预报。通常在中度污染以下加减10或15的幅度,中度污染以上加减20或更大的幅度。例如,初步判断未来24h空气质量级别为良,并有转差的趋势,AQI中心线设定为85,处于该级别的稍高段位,再加减10的变化幅度进行修正,即最终AQI预报结果为75~95。具体预报范围修正方法在下文详细讨论

2AQI预报范围订正

2.1AQI分级波动范围为分析不同区域、不同污染程度的城市AQI分级波动情况,选取张家口、邢台、大连、沈阳、舟山、济南、长沙、郑州、海口、广州、拉萨、成都、西宁、西安14个典型城市,分别代表华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北地区相对清洁和污染的城市情况,采用均方差来反映一组数据离散程度的最常用量化指标,对上述14个城市2014年的实况AQI数据进行统计,以分析不同空气质量级别的AQI波动情况。由表1可以看出,各区域的清洁城市和污染城市在同一级别内的AQI均方差无明显差别,且随着空气质量级别加重,清洁城市和污染城市AQI均方差均表现出递增的总体趋势。14个城市空气质量为优级别时,AQI均方差为3.6~9.1,均值为6.1;良至中度污染级别时,各城市AQI均方差相差不大,为6.4~21.7,均值为13.4,且有90%的均方差处于10~16的范围内;在重度污染级别时,各城市AQI均方差明显增加,为19.9~34.0,均值为26.6;在严重污染级别时各城市AQI均方差进一步增加,为20.2~106.8,均值为62.4。由此可见,不同空气质量级别的AQI波动范围差异明显,应针对不同级别设置不同的AQI预报变化幅度。

2.2AQI变化幅度范围对于空气质量良好、大气化学机理单一、污染源排放量稳定、外来传输影响较小的清洁城市,其每日AQI的正常波动范围相当于AQI的本底变化幅度,可作为其他城市AQI预报变化幅度修正基本参考值。以三亚市2014年301个空气质量优级天的AQI统计结果为例。由图1可见,优级天AQI近似服从平均值为31.8,方差为62.1的正态分布,90%的优级天AQI集中在18.9~44.7的范围内,以均值31.8为中心,上下均浮动12.9,设定AQI在优级天的本底变化幅度为10,在一定程度上可视为城市AQI预报的基本波动范围。对于空气质量一般的城市,AQI预报较易受到气象条件、污染源排放、大气复合污染程度、季节等因素变化的影响,每日AQI波动范围较大。以机动车尾气污染为主的杭州市2014年110d轻度污染AQI的分布为例,如图2所示。AQI分布较为分散,均方差为13.3,超过78%的AQI集中在轻度污染(101~150)的中低位区间(101~130),设定轻度污染AQI预报较合理的变化幅度范围为15。通常空气质量较差的城市,本地污染源排放量大,且大气污染物不易扩散,AQI预报更多考虑气象条件和季节变化(如冬季北方采暖燃煤)的影响,在空气质量重度及以上污染时,AQI波动明显以煤烟污染为主的邢台市2014年74d重度污染AQI分布为例,如图3所示。AQI分布明显分散,均方差为26,超过86%的AQI集中在重度污染(201~300)的中低位区间(201~270),设定重度污染AQI预报较合理的变化幅度范围为25。

2.3AQI模式预报偏差分析城市空气质量模式预报结果与实况AQI的偏差在一定程度上也有助于指导AQI预报变化幅度的设定。以2014年中国科学院大气物理研究所研发的NAQPMS数值预报模式对北京市的24hAQI预报为例,统计每日预报AQI与实况AQI偏差的绝对值,经过3轮异常值剔除(与平均值的偏差大于2倍均方差的视为异常值),不同空气质量等级的偏差绝对值的均方差分布如图4所示。由图4可知,从优级至严重污染,比偏差绝对值的均方差在4.4~32.7。空气质量越好,均方差越小,反之亦然。空气质量优级时,均方差小于5。轻度污染至严重污染级别的均方差在29.1~32.7范围内,各等级差别不明显。比较现实,有必要区分优良等级和污染等级的AQI预报变化幅度范围。综上所述,不同空气质量等级对应的AQI范围区间大小有所不同,并根据实况统计分析和模式预报经验,无论是AQI实况波动范围,还是模式预报偏差,不同空气质量级别差别明显。因此,在开展城市AQI预报时,有必要针对各级空气质量等级分别设定不同的AQI变化幅度,力求合理并准确地反映未来AQI的变化范围。建议空气质量优良等级设定AQI变化幅度为10,轻度和中度污染等级设定为15,重度和严重污染等级设定为25。

3AQI预报质量控制讨论

为保证城市AQI预报的有序开展,应建立一套完善的质量控制体系,对城市例行的AQI业务预报进行全过程的质量控制。1)建立预报日常值班制度,每日值班人员分为主班和副班2人,主班负责预报结果确定和会商启动等,副班负责预报信息和值班日志的编写,并对预报结果提出参考性意见,减少主班的个人盲区。2)建立预报会商制度,在预测到可能出现重污染时,联合相关预报部门和气象部门等机构开展预报会商,集思广益,从不同专业领域和学术背景获取多方意见,最终达成全体认可的预报结果,避免错报、漏报等预报失误。3)建立严格的工作流程,最大程度地减少人为干预,以控制预报的随意性。尽可能实现预报业务自动化分析,避免过多人工参与,提高预报客观性和客观订正效率。4)采用集合预报方法,降低单一模式预报的不确定性误差,通过取长补短,综合利用各模式的优势,缩小预报的误差范围,从而改善预报效果。5)定期开展预报效果回顾,一方面可评判预报模式对各项污染物预报的系统误差及误差范围,便于模式的后续改进,另一方面有利于预报员总结预报经验,纠正个人倾向,提高预报准确率。

4总结

目前,全国重点城市已不同程度地开展AQI预报能力建设。考虑到国内城市间空气质量水平差异较大和预报模式多样化等特点,为保证各城市AQI预报的规范性和可比性,急需建立一套标准化并可统筹兼顾的AQI预报方法体系,包括AQI预报方法、预报流程、预报范围订正、质量控制等一系列技术规范。文中通过对典型城市2014年每日AQI实况分析的基础上,阐述了针对不同空气质量等级设定不同的AQI预报范围变化幅度的必要性,并建议性地提出分级变化幅度参考值,同时对加强预报过程的质量控制技术进行了讨论,期望能够为各城市开展AQI预报提供借鉴和参考。

作者:王晓彦 陈佳 朱莉莉 赵熠琳 闫慧 李健军 单位:中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室 中国科学院大气物理研究所

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