环境空气质量预报预警体系在我国发展目标及应用功能评述
来源：中科宇图天下科技有限公司 阅读：2776 更新时间：2014-08-08 11:20
当前我国大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到控制的情况下，以臭氧、细颗粒物（PM2.5）和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日益突出，区域内空气重污染现象大范围同时出现的频次日益增多，严重制约社会经济的可持续发展，威胁人民群众身体健康。在此背景下，各级政府高度重视空气质量监测预警工作。根据《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发[2013]37 号）要求，京津冀、长三角、珠三角区域之外的省（区、市）、副省级市、省会城市于 2015 年底要建立空气质量监测预警体系。空气质量预报预警系统建设是监测预警体系关键核心部分，因此预报预警平台建设是国家“大气十条”要求；同时空气质量预报预警平台对于重污染天气过程的趋势分析、以及污染源成因分析等具有重要的意义，它将为环境管理提供强有力的技术支撑。
目前，我国各级环保部门正在掀起一波建设空气质量预报预警系统的热潮。常见的空气质量预报预警系统采用的预报方法主要有统计预报和数值预报两类，其中统计预报模式主要依赖于对历史气象、环境空气质量数据的统计分析处理，常用的建模方法包括神经网络、线性回归等，具有简单易用性，在合理的选择影响因素和进行参数优化也能达到较好的空气质量预报精度，应用广泛，但其缺点在于无法对污染的过程和机制进行定量化的分析，对于污染防治的决策支持能力有限；数值预报是以大气动力学理论为基础，基于对大气物理和化学过程的理解，建立大气污染浓度在空气中的输送扩散模型，借助计算机来预报大气污染物浓度在空气中的动态分布。由于数值预报模式很好的考虑了污染过程与机制，能够为污染控制决策提供更为丰富的信息，是更有前景的一种预报方法，但由于模型构建复杂，对于源清单等基础数据要求高，且运算量大对于硬件基础设施要求较高，目前在我国的应用仍处于起步阶段。
微保监测空气质量AQI趋势
本文主结合国内广泛开展的基于数值预报方法的空气质量预测预报系统建设相关项目经验，对于环境空气质量数值预报系统的建设思路、技术路线，以及存在问题进行分析，以期为区域空气质量预报预警系统的建设提供借鉴。
建设目标与总体框架
1 系统建设目标
基于数值预报区域空气质量预报预警系统，其建设目标为：通过对区域环境空气质量监测预报预警系统的设计、开发和建设，集成单个或多个空气质量数值预报模式，并结合区域地形地貌特征、污染源和气象条件，进行相关参数的调整和优化，实现集空气质量监测数据、气象观测数据、污染源等基础信息接入、传输、管理以及空气质量预报结果运算、制作、分析、显示、发布于一体的可视化决策支持系统，以期达到稳定业务化运行的目的，为明确区域未来大气污染防治及空气质量保障工作的目标、方向与重点提供决策支持，为区域性大气环境污染的联防联控提供决策依据。
2 系统总体框架
系统总体框架采用层次化设计思想，将建设内容从逻辑上分为硬件支撑层、平台服务层、基础数据层及业务应用层。典型的系统建设框架如下图所示。系统硬件层采用高性能的计算集群技术。根据环境监测总站编制的《环境空气质量预报预警方法技术指南》要求，在硬件平台构建方面，需采用高性能浮点计算系统，通常省级预报系统计算能力应不小于 20Tflops，并要求配置中高端光纤存储系统及备份存储系统。
系统总体框架
技术路线与主要功能
1 技术路线
采用中尺度气象模式 MM5 或 WRF 模拟结果作为统一的气象场，采用 SMOKE 排放源处理模型统一处理排放清单，集成多个空气质量数值预报模式及统计预报模式，构建区域空气质量数值预报预警平台，典型的系统建设技术路线如下图所示。系统采用统一的模式区域设置，使用统一污染排放清单及排放处理过程（SMOKE），并由统一的气象模式产生统一气象驱动，以减小由于气象、排放处理的不一致所引起的模式性能差异，可更客观地评价不同空气质量模式模拟效果，并以此为基础发展合理的多模式集成预报方案，如算术集合平均、权重集成方法等。
典型技术路线
2 主要功能
系统的应用与展现层紧紧围绕环境空气质量监测业务，建立多个应用模块。主要功能包括：
（1）遥感监测模块通过对遥感数据 MODIS、OMI等的数据预处理，结合反演模型，获取颗粒物 PM10、 PM2.5 以及SO2、NO2等污染物浓度的逐日空间分布和合成数据。基于 ArcGIS 等开发工具，实现颗粒物 PM10、PM2.5和污染气体SO2、NO2与O3业务化监测、统计、分析、专题制图、报告制作和输出，辅助分析区域的污染成因。
（2）数据资源管理主要是对多个气象场资料、空气监测、污染源监测数据（含遥感监测数据）等多源数据的融合和管理，对数据进行再分析后存入数据库，并以图片形式展示尽可能多的数据信息。
（3）空气质量日报预报应用包括集合预报、综合预报和预报结果评估分析。多模式集合预报是将多种天气预报模型和空气质量预报模型集合起来，以地图、图表等多种形式提供查询和浏览。综合预报是为了预报员定制开发的功能，已便于预报员录入、编辑各污染物预报值、气象条件、污染过程等内容。
（4）预报结果分析是将数值预报产品、统计预报产品及预报员发布的预报结果等多种预报产品进行对比统计和分析评估，以图表等形式展示预报偏差规律，分析偏差原因，通过预报结果的对比分析和结果评估，进一步完善预报系统，提高预报的准确率。
（5）污染分析模块从污染来源分析着手，据数据预报数据，绘制影响区域污染团气流轨迹图，为预报员提供参考，为改善空气质量提供决策所需的量化数据。
（6）发布与展现模块根据 AQI 预报结果，自动制作各种形式的预报发布产品，实现发布到网站、手机短信、邮件、微波等多渠道的发布，为公众提供 AQI 预报服务。
（7）决策支持模块实现对若干套污染源控制技术方案以及应急控制预案的管理与调用，并通过情景设置，实现污染源排放清单的更新与动态转换。通过模式运算实现空气质量预报结果的更新，并基于 GIS 进行空间结果展示，为区域空气污染调控提供决策支持。
