美国 AIRNow空气质量动态发布技术在上海的应用

陆 涛

(上海市环境监测中心,上海 200030)

·环境预警·

美国 AIRNow空气质量动态发布技术在上海的应用

陆 涛

(上海市环境监测中心,上海 200030)

美国 EPA开发的A I RNow系统是国际先进的环境空气质量信息管理和发布系统,具有空气质量数据管理自动化、环境产品丰富、发布及时、质量保证和控制 (QA/QC)数据审核快速等优点,可通过明确的数据交换协议和原则,实现地区性数据交换和共享。该技术在上海市环境空气质量日报预报系统中得到应用、整合和二次开发,并实现了 2010年上海世博环境空气质量数据的实时发布,为中国未来环境空气质量的动态发布提供了重要的技术示范。

环境空气质量;日报;预报;A IRNow;上海

在上海市外专局外资办项目和美国 EPA支持下,中美双方通过互访,就 A I RNow关键技术进行了多次技术交流和培训,通过多方筹备和积极努力,最终于 2008年 4月确定了“中美合作——上海市环境空气质量发布系统 (A I RNow-I)示范项目”。在美国 EPA资助的 A I RNow-I系统基础上,上海市环境监测中心就环境空气质量预报辅助系统、数据自动导入模块进行了自主开发,通过进一步完善现有的日报发布和查询功能,整合了现有分散的空气质量日报管理系统,最终形成较为完整的、高效的上海市空气质量信息管理系统。

1 概述

1.1 上海市环境空气质量日报预报进展

自上世纪 80年代末以来,包括上海在内的中国少数大城市开始建设空气自动监测系统[1]。上海市环境空气自动监测系统的建设已经历了 30余年,从仅由 5个环境空气自动监测点组成的空气质量监测网发展到今天能基本覆盖全市各类功能区的综合性监测系统。该系统的建成和发展,为跟踪分析上海市空气污染特征与变化趋势,为污染预警和污染源控制管理措施的制定提供了重要的宝贵基础数据。

随着上海市环境空气监测、日报和预报业务工作的深入开展,目前,上海市环境空气质量监测和预报系统每天动态产生的数据达 2万余条,产生的有效数据产品约 10 G,海量数据为环境空气质量管理决策奠定了坚实的基础,但是,同时也给大气环境空气质量日报、预报的信息化管理系统带来前所未有的压力,现有的环境空气质量数据管理系统在数据快速审核、辅助综合分析、快速加工发布和海量数据管理等方面已不能满足正在蓬勃发展中的环境空气质量日报、预报业务的需求。

与中国的环境空气质量监测和管理工作相比,发达国家和地区如美国、欧洲、日本、韩国、香港等环境空气质量监测数据的快速加工和发布业务起步较早,所取得的经验也更为丰富。其中,以美国国家级环境空气质量 (A IRNow)系统的应用最为广泛[2,3],其涉及的技术也更为先进。A I RNow系统采用了先进的空气质量日报实时发布技术和预报方法,作为一项全国性公益环境项目获得美国国家最受欢迎金奖。1997年以来,为美国、加拿大、墨西哥等国家和地区 2 000余个环境监测站提供O3和颗粒物 (PM2.5)的实时空气质量通报服务,并为美国 300多个城市发布 24 h的空气质量预报。

1.2 A I RNow和 A IRNow-I简介

美国 EPA开发的 A I RNow系统是国际先进的环境空气质量信息管理和发布系统,具有以下显著优点:自动化的空气质量数据管理,提供丰富生动的环境质量数据产品;为政府和公众提供空气质量实时状况,并对空气污染事件作出应急反应和采取适当的措施;快速成熟的监测系统的质量保证和控制 (QA/QC),数据审核实现自动化;成熟的预报方法和系统;明确数据交换协议和原则,使地区性数据交换和共享成为现实。

A IRNow-I是在A I RNow系统的基础上总结其通用性,由美国 EPA资助,上海参与开发的A I RNow国际版,主要由 DMS和 IMS两个模块构成。

A I RNow-IDMS数据管理系统模块是 A I RNow-I系统中数据处理的核心,它有效提升了环境空气质量的数据控制和管理能力。主要由数据导入、自动数据审核、人工辅助数据审核、站点管理等功能构成。DMS模块可以通过Web Service方式实现数据的发布,为数据使用者提供方便的数据接口[4,5]。

A IRNow-I IMS信息管理系统模块的主要目的是生成浓度空间分布图等各种地图产品,并且具有灵活的控制和管理接口,能够自动生成和发布地图产品。报、预报信息管理发布平台,从而帮助实现了环境空气质量信息产品的快速浏览和及时预报,实现了空气质量日报、预报信息的快速处理和发布,整合已有的分散式的环境空气质量日报、预报子系统,重新构建了较为完整的上海市空气质量信息管理系统,系统框架如图 1所示。

图1 上海市环境空气质量信息管理系统架构

2 上海市环境空气质量信息管理系统框架

基于“中美合作——上海空气质量发布系统(Airnow-I)示范项目”的实施,成功地将 A I RNow-I两大主要功能模块——DMS、 IMS应用于上海。此外,上海还配套开发了网络气象资源下载模块、数值模式产品集成模块及预报结果分析模块等预报辅助工具,并研究开发了上海市环境空气质量日

3 关键技术

3.1 空气质量监测数据的快速自动审核技术

数据自动审核对于海量空气质量监测数据尤为重要。A I RNow DMS的质量控制 (QC,以下简称“质控”)检查可以快速对空气质量数据的有效性进行判断,从而实现空气质量监测数据的快速自动审核。质控检查方法主要包括:最小值、最大值、零值、稳定值、变化率、幅度和相邻检查 7种。上海市环境空气信息管理系统可以根据以上规则自动对空气质量监测数据的异常情况进行判断,从而达到快速自动审核的目的。结合系统具备的人工数据审核,对自动审核结果中的怀疑值进行进一步人工判断,可得到更高质量的审核数据。

具体功能如下:

(1)最小值质控检查 (Minimum QC check):检查数据是否超过用户设定的某一最小值。

(2)最大值质控检查 (Max imum QC check):检查数据是否超过用户设定的某一最大值。

(3)零值质控检查 (Zero QC check):检查数据在零值附近的漂移情况并作出相应处理。漂移值小于合理范围值 X(通常为 -5)时将被标记为无效值。例如,如果臭氧含量为 X—0,臭氧值为 0。如果 ozone≤X,标记为无效。漂移值在漂移正常范围之内的负数可以直接赋值为需要的正值,如1/2检出限。

(4)稳定值质控检查 (Sticking QC check):检查数据是否保持不变。夜间检测值小于 X(对臭氧而言通常为 40)时通常为一固定值,不再进行检查。即 ozoneX且 Y持续时间 (通常为 3 h)内没有发生变化,标记为无效。

(5)变化率质控检查 (Rate of Change QC check):比较某小时到下一小时的污染物变化率。当不同点 (或变化)超过每小时每站点标准值时,则标记为无效或者怀疑值。

(6)幅度质控检查 (Range QC check):检查某站点的小时最高值。例如,如果 ozone>maximum,臭氧被标记为无效或者怀疑值。

(7)相邻质控检查 (BuddyQC check):将数据与周边具有相似环境条件的站点 (如城区、农村地区等)的平均值进行比较。相邻站点数可以为 0～5个。如果检测值不在相邻站点值的用户设定范围内 (例如臭氧,其范围通常设定为 20～40),数据标记为无效。在此检查中,需要设定一个必须完成检查的相邻站点的最小值 (如果相邻站点数设定为 5个,则通常最少站点数为 3个)。如果臭氧浓度减相邻站点的绝对值大于检测阈值,则标记为无效或怀疑值。

3.2 多数据源处理和多模式信息集成技术

上海市环境空气质量信息管理系统整合了多种采集仪传输的空气质量监测数据、多个数值预报模式数据和分散的网络资源 (如气象数据)。数据源种类繁多,信息量庞大。系统提供两种灵活的数据交换方式,一种为 CVS格式文件,另一种为Web service。其他各种数据源可以通过这两种交换方式进入系统。数据交换主要包括监测数据及其对应的属性信息,即测点编码、参数编码、均值时间长度、监测值、计量单位、现场标志位、QC标志位等信息,这样可以保证不同时段的数据 (如1 min均值、5min均值或小时均值的数据)均可纳入到系统的数据库中统一管理,同时可以保证数量不限的新的监测参数 (如大量种类的微量有机物监测数据)根据未来业务需要随时导入到数据库中。

灵活方便的数据导入方式使系统具有更强的生命力,不同时间粒度的任意监测数据参数均能导入到系统中进行管理。目前,自动导入系统进行管理的有各种采集系统采集的监测数据、网络自动下载的空气质量数据和气象数据 (全国重点城市日报数据、气象局自动站气象数据、机场气象数据等),以及空气质量数值预报模型数据等,详见图2。

图2 上海市空气质量日报、预报系统的多数据源、多模式数据集成

3.3 空气质量数据的 GIS处理与表达技术

采用 ARCGIS Server 9.2作为 GIS引擎进行空气质量地图制作。

3.3.1 自动化地图处理

系统通过向导方式使用户进行不同地图产品的自动化定制,能够产生的地图产品主要有浓度或API空间分布图、GIF动画、shapefile、GR ID文件(netCDF格式)、K ML等,系统能够通过界面浏览监控任何一个地图产品在自动化过程中的状态。系统还能够通过管理 (修改、替换)自动化过程中的各个环节中的程序来自定义插值等参数和方式。

3.3.2 空间浓度分布图时间轴插值

空间时间轴插值技术是在时间轴上生成时间分辨率更密的空间分布图,使得空间浓度分布图动画更平滑。目前,数据库中监测数据为小时数据,通过时间轴插值技术能得到 10 min、5 min、1 min甚至更密的空间分布图。

4 系统应用

4.1 上海市环境空气质量日报、预报业务工作和发布

基于 A I RNow-I开发的上海市环境空气质量信息管理系统主要用来完成该市日报、预报业务工作和信息发布。该系统集成了数据导入、数据审核、数据加工处理、日报预报、查询统计、信息发布等业务内容。上海市 67个监测站点 (包括世博园区站点)已在该系统的管理之下,目前进入该系统的监测参数因子有 SO2、NO2、PM10、PM2.5、PM1、NOX、NO、O3、CO等 ,另外还有风速、风向、气压、能见度等气象因子。系统能够完成臭氧日报、全市日报、分区日报、全市预报、一周点评等全部任务,并直接将结果通过传真、E-mail、短信或其他数据形式发布给国家总站、媒体、对外网站等。系统每小时能够自动生成全上海浓度空间分布图并发布于对外网站,如图 3所示。

图3 浓度空间分布

4.2 上海世博环境空气质量专栏

世博空气质量专栏内容主要包含世博区域实时空气质量、世博区域日报、全市日报、全市预报、分区日报和长三角空气质量日报。基于 A I RNow-I开发的上海市环境空气质量信息管理系统实时为上海世博环境空气质量专栏提供空气质量数据和污染物空间分布动态变化图。世博空气质量专栏成为国内首次实时发布空气质量的典范[6,7],如图 4所示。

图4 上海世博环境空气质量专栏实时空气质量发布

5 结论

通过 A IRNow-I系统模块的开发及应用,多样化监测数据自动导入管理程序的开发,以及数据质量自动审核方法的研究等技术工作的开展,上海市环境空气质量信息管理系统实现了多样化监测数据自动导入与集中管理、数据自动化审核加工、空气质量数据快速空间插值等关键技术的应用突破。系统研发了集空气质量日报、预报信息浏览和信息发布于一体的工作平台,为区域空气质量联合日报、预报工作的开展提供技术基础。由于其卓越的数据库管理性能和充分的扩展性,上海市环境空气质量管理信息系统将为上海市环境空气质量监测系统的未来发展提供重要的信息化管理平台。该系统不仅为 2010年上海世博会提供了实时环境空气质量信息发布服务,并可以满足上海未来 5～10年间交通环境监测网络、光化学污染物监测网络、霾污染监测网络的后台数据管理需求,并可为中国未来开展实时环境监测数据的发布及区域环境信息的共享提供技术示范。

[1]方刚,王瑞斌,李钢,等.中国环境空气质量监测现状与发展[J].中国环境监测,2004,20(6):8-10.

[2]WAYLAND R A,DYE T S.A IRNOW:America's resource for real-time and forecasted air quality information[J].Environmental Manager,2005(September):19-27.

[3]HUSAR R B,PO I ROT R.DataFed and Fastnet:Tools for agile air quality analysis[J].EnvironmentalManager,2005(September):39-41.

[4]HUSAR R B,FALKE S R,HOIJARV I K H.Interoperability of web service-based data access and processing:experience using the DataFed system[C]//ESTO MEET ING.2006.

[5]DOMEN ICO B,CARON J,DAV IS E.GALEON:Standards-based web services for interoperability among earth sciences data systems[C]//IEEE International Conference on Geoscience and Remote Sensing Symposium.2006.

[6]蔡新华.中美合作高效管理保世博空气质量上海空气质量发布系统投运[N].中国环境报,2010-06-02.

[7]刘彬.上海将实时监控世博园区环境质量并向公众发布[N].燕赵都市报,2010-5-6.

Application of A IRNow Ambient A ir Quality Notification System of USA in Shangha i

LU Tao
(Shanghai EnvironmentalMonitoring Center,Shanghai 200030,China)

A IRNow developed byUS EPA is the advanced air quality notification system in the world,which processes the advantages of automatic datamanagement,rich products,real-t ime notification and fast automaticQA/QC.Based on the clear data exchange protocol,A IRNow is the most successful air quality notification system for the regional data sharing in North American.The real-time air quality data has been published by theAirnow-A pilotproject betweenUS EPA and SEPB for the area around Expo park during 2010 Shanghai EXPO,which provided the important demonstration for the national real-time data notification in China.

ambient air quality;API reporting;API forecasting;A IRNow;Shanghai

X84

A

1674-6732(2011)-01-0004-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.002

2010-11-02

上海市环境保护科学技术发展基金[沪环科(08-29)]。

陆涛 (1974—),男,工程师,硕士,从事环境信息化开发和应用工作。