山西省重污染天气监测预报预警系统设计

(山西省环境监测中心站，山西 太原 030022)

1 引 言

2013年1月以来，我国中东部地区多次发生了大范围持续性灰霾污染事件，严重影响人们的身体健康，给生产生活带来诸多不便，引起全社会的广泛关注[1]。为妥善应对重污染天气，包括山西省、内蒙古自治区、山东省省级和京津冀及周边地区地级及以上城市需要在2014年底完成重污染天气监测预警体系的建设任务。

山西省重污染天气监测预报预警系统建设，以气象数据、环境空气质量监测数据和污染源排放数据位基础，应用空气质量统计预报和数值预报模式，对山西省包括11个设区市县的环境空气质量AQI指数和六种污染物浓度(包括阿SO2、NO2、PM10、O3、PM2.5和CO)进行未来7天预测预报(48小时精准预报和5天潜势预报)，实现重污染天气预警、分析、污染源追因等功能，为及时应对重污染天气、最大限度降低重污染天气造成的危害提供权威的预报预警信息，同时为合理调整污染源布局、切实做好大气污染防治提供决策支持和科学依据。

2 系统设计

2.1 总体架构

山西省重污染天气预报预警系统建设由“四层三体系”组成。“四层”为软硬件支撑层、数据资源层、应用服务层和会商展示层；“三体系”包括环境信息标准规范体系、环境信息安全保障体系和环境信息运行管理体系。

2.2 主要模块设计及功能

(1)数据库系统模块。数据库系统模块为系统存储预报模拟所需的气象数据、污染源排放数据和空气质量监测数据，是模式运行的基础。

(2)污染源排放清单可视化系统模块。采用SMOKE排放源处理模型处理山西省源排放清单，直接为系统提供网格化的排放源。模块设计按照各数值模型的特点和运算需求合理分配软硬件资源，各空气质量预报模型均使用统一的污染源排放清单。

(3)空气质量统计预报系统模块。系统建设统计模式采用BP神经网络集成方法对40个集合预报成员进行集成。

(4)空气质量数值预报系统模块。空气质量数值预报[6]系统模块是山西省重污染天气监测预报预警系统建设的核心部分，选用中尺度气象模式WRF提供气象场驱动，基于排放源处理模型制作三维网格化排放源，选用中国科学院大气物理所自主研发的NAQPMS模式[5]，美国环保署(EPA)的Models-3/CMAQ[4]模式、美国Environ公司的CAMx模式和美国国家大气和海洋局(NOAA)的 WRF-Chem进行空气质量集合预报。

设置多模式预报系统区域嵌套计算网格：东亚区域(Domain1)→华中区域 (Domain2)→山西省域(Domain3)。

表1 模式计算区域网格设置

(5)重污染天气分析预警系统。依据未来5天统计预报和数值预报结果，达到预警级别时，进行重污染天气污染物来源进行分析、预警，为适时开展污染防治工作、正确引导公众健康出行提供支持。

表2 重污染天气预警响应级别划分

(6)空气污染来源追因系统。污染源追因系统分为遥感反演和后向轨迹模拟两个模块设计，实现对气溶胶、气态污染物的垂直方向浓度分布解译和为水平方向污染物传输的追因。

3 效益分析

总而言之，山西省重污染天气监测预报预警系统由“四层三体系”构成，基于环境空气质量监测数据、气象数据和污染源排放清单数据，应用空气质量数值预报与统计预报相结合的方式，实现山西省未来5天的空气质量分析、预报、预警和追因等功能，以期为合理调整污染源布局、切实做好大气污染防治提供科学依据和决策支持。

山西省重污染天气监测预报预警系统的建立，将大气污染源监管、城市环境空气质量监测、模型模拟分析、政策经济技术等空气质量管理各因素综合考虑，在日常预报工作中可以为地市级预报系统提供污染资料同化后的准确初始场及边界条件产品，指导各地开展精细化空气质量预报。在极端污染天气来临时，重污染天气预报预警系统可通过确定大气污染来源和污染贡献为管理部门建立应急预案和响应机制为公众提供健康指引和出行参考，减少污染天气对人体健康影响。

参考文献：

[1]解淑艳，刘冰，李健军.全国环境空气质量数值预报预警系统建立探析[J].环境监控与预警，2013，5(4)：1-3.

[2]Joseph B.Klemp.Weather Research and Forecasting Model：A technical Overview[R].84th AMS Annual Meeting，Seattle，U.S.A.2004.Jan：10-15.

[3]罗淦，王自发.全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证[J].大气科学，2006，30( 3)：504-518.

[4]Institute for the Environment University of North Carolina at Chapel Hill.Operational Guidance for the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) Modeling System[M/OL].http：//www.airqualitymodeling.org/cmaqwiki/index.phptitle=CMAQ_version_5.0_(February_2010_release)_OGD.

[5]王自发，谢付莹，王喜全，等.嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用[J].大气科学，2006，30( 5)：778-790.

[6]韩志伟，杜世勇，雷孝恩，等.城市空气污染数值预报模式系统及其应用[J].中国环境科学，2002，22(3)：202-206.