贵阳市环境空气质量预报预警系统建立的探讨

马琳达

(贵阳市环境监测中心站, 贵阳 550002)

贵阳市环境空气质量预报预警系统建立的探讨

马琳达

(贵阳市环境监测中心站, 贵阳 550002)

分析了贵阳市空气质量预报中污染物、地形及下垫面、植被等关键影响因素。提出了贵阳市环境空气质量预报预警系统的整体架构，分别对排放源监测与管理系统、环境空气质量预报系统和污染预警与控制决策支持系统等三个核心部分进行阐述，进一步提出了贵阳市大气污染防控措施及防控机制。

环境空气质量；大气污染；预报预警；数值模式

2013年1 月，全国发生了罕见的大范围、长时间的雾霾天气过程，影响全国中东部和西南部的很多城市。贵阳市是受此雾霾天气影响较严重的西南地区城市之一，出现了连续数日的污染天气，给人民群众的健康造成不同程度的影响，同时也给生产生活带来诸多不便，引起政府和公众的广泛关注[1]。

2013年9月，国务院出台《关于印发大气污染防治行动计划的通知》(国发〔2013〕37号)，提出大气污染防治的总体要求、奋斗目标和政策举措。其中明确指出要建立监测预警应急体系，妥善应对污染天气[2]。2013年底，贵阳市政府与贵州省政府签订了《贵州省环境保护重点工作目标责任书》。贵州省人民政府于2014年5月印发《贵州省大气污染防治行动计划实施方案》(黔府发〔2014〕13号)，方案中高度重视环境空气质量预报预警体系的建立。

各级政府建立有效的大气污染防治体系迫在眉睫，而环境空气质量预报预警系统是大气污染防治体系的关键和基础。

1 国内外空气质量预报进展

1.1 国际研究情况以及空气质量预报的主要方法

国外从20世纪50年代就开始了城市空气污染预报理论和方法的研究。从60年代开始，美国、英国、日本、荷兰、前苏联、新加坡等国家相继开展空气污染预报，当时大都采用污染潜势预报进行定性分析。70 年代，美国国家气象局根据天气预报的风、涡度及天气状况、大气稳定度、混合层高度等气象因子，用数值预报模式对污染源强进行未来24 h的扩散计算，做出空气污染潜势预报。20 世纪80 年代后，国际上开始致力于定量的空气污染预报，包括统计预报和数值预报。目前，国际上空气质量预报的方法主要有两种。

一种是空气质量统计预报方法。该方法以大气污染物和气象观测资料为基础，利用现有数据，研究大气环境的变化规律，将历史上的污染物浓度数据及同期气象资料利用统计方法进行数学分析，建立具有一定可信度的统计关系或数学模型。统计预报方法运算量少、易于操作、简单实用、经济高效，但统计预报的时间精度、时间长度和空间尺度上均有局限性。统计预报由于忽略污染源排放和变化影响，无法反映大气污染物在大气中的传输、扩散、沉降以及其他非线性化学转化过程。

另一种是空气质量数值预报方法。该方法以大气动力学理论为基础，在给定的气象场、源排放以及初始和边界条件下，建立大气污染物在空气中的各种物理化学过程的数值模型，预报污染物浓度动态分布和变化趋势，提供时空污染浓度区域分布，同时可用于污染源追踪与分析。由于数值预报可以评估和预测局地和区域环境空气质量状况、污染影响空间范围，对潜在的重污染事件进行预警，可为管理部门及时采取科学防范控制措施、减少空气污染对人体健康和人们生产生活的影响提供科学与技术支持。数值预报模式是大气污染预报的主流发展方向。目前，用于空气质量预报的主流模式有WRF-Chem、CMAQ、CAMx和NAQMPS等，这些模式都有各自的特点，为了避免某一模式在特定的条件下产生较大的误差，可将这些模式联合起来进行集成预报，提供预报的准确率。

1.2 国内城市以及贵阳市研究情况

中国城市空气质量预报工作始于20 世纪80年代，北京、沈阳、兰州、天津、南京等城市利用城市环境观测资料和对应的气象资料，通过统计方法建立了空气质量预报模型来预测城市内空气质量。2000 年开始，中国环境监测总站组织47个环境保护重点城市开展城市环境空气质量预报工作[1，3]。

贵阳市作为47个环境保护重点城市之一，开展了基于统计预报方法的API和SO2、NO2、PM10老3项环境空气污染物监测项目日均浓度值的24h预报。2012年，贵阳市作为全国第一批执行新GB 3095—2012《环境空气质量标准》的城市之一，于2012年12月开展对新标准规定的6项污染物的监测和发布，并于2013年初停止了对API和老3项日均浓度值的24h预报。

近几年，环境空气预报预警系统发挥了重要作用，通过预测空气污染的发生和变化趋势，使政府部门及时启动大气污染应急减排措施，以最低经济成本实现最大的社会效益。在北京、上海、广州等城市实现了环境空气质量预报预警的业务化运行，为北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等重大活动提供了有力的保障。

2 贵阳市空气质量预报关键影响因素

2.1 污染源

污染源是空气质量污染的根本源头，控制和治理空气质量的根本是对污染的防治。自从2000年国家公布实施修订后的《中华人民共和国大气污染防治法》以来，贵阳市大量民用生活锅炉改用燃气，一些燃煤量大的电厂、钢铁厂、水泥厂逐步迁出城区，同时大规模的城市建筑施工和燃油交通工具(汽车、飞机)运行量迅速扩张，工业源、生活源、建筑源和交通源的结构均有一定的变化。建立贵阳市污染源清单，掌握贵阳市及其周边污染源的排放情况，并且动态更新源清单，对空气质量预报有至关重要的影响。

目前，贵阳市桐木岭(清洁对照点)、太慈桥、市环境监测站、新华路、红边门、马鞍山、中院村、碧云窝、鉴湖路、燕子冲等10个国控环境空气质量自动监测站对空气中的污染物SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5进行24 h实时监测。贵阳市空气质量预报系统建立可以充分利用现有贵阳市环境空气质量监测网和污染源排放在线监测和管理系统提供的大量客观、可靠的历史监测数据，把监测网络数据进行同化，建成有一定技术梯度、功能完整、优势互补、满足环境空气管理科学性需求的环境空气质量预报预警和决策支持系统，并利用覆盖全市的环境空气质量监测系统对预报数据进行校验和修正，从而提高环境空气质量预报的准确性和可靠性。

2.2 气象条件

气象条件是影响空气质量预报的关键因素之一。在监测工作中常常发现，同一地点来自同一污染源的空气污染物，在固定监测点其浓度监测结果有时很高，有时很低，不同时间的测量值也有很大差异。一方面这与污染源排放条件的变化有关，但主要是气象条件影响所致。由于气象条件改变，大气对污染物的扩散稀释能力也随气象条件的变化而发生巨大变化。因此在不同气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染浓度相差巨大。因此气象条件的预测准确度直接影响到空气质量预报的准确度。掌握准确的气象条件信息，是空气质量预报基础。因此在建立模型时，应充分考虑贵阳市当地气候特点和气象条件，把气象参数纳入系统进行同化，提高空气质量预报的准确度。

2.3 复杂地形和下垫面

地形和下垫面的非均匀性，对气流运动和气象条件会产生动力和热力的影响，从而改变空气污染物扩散条件。贵阳市地处云贵高原，位于贵州省中部、云贵高原东斜坡上，属于全国东部平原向西部高原过渡地带。贵阳市为典型的喀斯特地貌，城市建设受喀斯特地形地貌影响，山地多，平地少，地形起伏大，西北部为高地，中部为海拔较低的喀斯特盆地，地势较平坦，但盆地四周山地地形高差变化大，城镇建设分散[4]。由于贵阳市特殊的山地地形，形成了其复杂气象特征和局地气象情况，污染物扩散场比较复杂。加上贵阳盆地面积小而周边山地坡度大阻碍了城市空间的向外发展，随着城市规模的不断扩大，建设用地紧张，主城区人口、建筑和交通高度集中，建筑向高空发展，形成污染物扩散的不利条件。综上所述，复杂地形、城市建筑、交通环境等同时造成了贵阳市污染扩散复杂环境。在一定的气象条件下，大气污染物和气象相互影响与作用，形成了复杂的大气污染状况，加上大气区域性输送，形成大气复合污染。

统计预报由于忽略污染源排放和变化影响，无法反映大气污染物在大气中的传输、扩散、沉降以及其他非线性化学转化过程，不能满足需求。可采用数值预报或者集合预报方式，预报污染物浓度时空分布，建模应充分考虑贵阳特殊地形和下垫面特征，结合高精度气象场预报，模拟大气污染物扩散。

2.4 植被

植被对污染物沉积和产生有很大的影响。一方面，植被通过对水气输送的影响调节区域的降水，降水直接影响污染物的湿沉积，同时植被自身又影响着污染物的干沉积，植被对污染物干湿沉积的作用对降低污染物的浓度有着重要贡献；另一方面，植被通过光化学反应又可以促进臭氧的生成，起到了加重环境空气污染的作用。在监测工作中发现，贵阳市近年来臭氧的污染呈上升趋势。在晴朗的夏秋季节，日照强、云量少、风力弱的时候，空气中臭氧浓度值比较高，城市郊区、风景区的臭氧浓度往往比市中心高。臭氧不是污染源直接排放的一次污染物，而是通过污染源排放的氮氧化物、挥发性有机物在大气中通过光化学反应生成的二次污染物。因此在空气质量预警系统中，需要考虑植被对空气质量的双重作用和注意对臭氧前体物的控制， 在建立预报模型系统中应考虑当地大面积植被对空气质量的影响。

3 预报预警系统整体架构

空气质量预报预警系统由三体系和五层组成。三体系是系统建设实施的指导规范，包括数据标准规范体系、安全保障体系和运行维护体系。五层为硬件支撑层、数据支撑层、公用组件层、模式层和应用展现层，其系统结构设计如图1所示。

图1 空气质量预报预警系统结构设计

该系统的核心是排放源监测与管理系统、空气质量预报系统、空气质量预警与控制决策支持系统等三部分。

3.1 排放源监测与管理系统

排放源监测与管理系统主要任务有：建立排放源清单的入库、查询、更新，排放源实时监控数据解析、分析和管理等内容。在环境空气质量预报预警工作中，污染源调查与排放源清单的建立是环境空气质量预测预报的重要前提，同时也是研究城市环境空气质量变化成因和污染排放控制管理的重要基础工作之一。大气污染物排放源清单及时更新，可为区域明确阶段性环境污染整治方向、出台污染控制措施、及时评估各项污染控制措施的效果提供重要的技术支撑。同时，排放源定期更新，对于科学制定区域环境污染控制决策、推行污染物排放总量控制和开展排污许可证发放、污染物排放标准建立和污染预警联动等工作具有深远的意义。

3.2 环境空气质量预报系统

环境空气质量预报是空气质量预报预警系统的核心工作，只有准确的预报，才能够准确的预警。预报系统可以设立气象、大气化学、资料处理和大气源解析等模块。通过建立数值预报模式或者集合预报模式，可预报污染物浓度动态分布和变化趋势，提供污染浓度时空分布；同时还可用于污染源追踪与分析，对区域尺度天气过程、气象要素、关键大气污染物及其产生的环境效应时空分布特征进行模拟。在此基础上追加大气污染物行业、地区来源解析；对大气污染监测网和空气自动监测网反馈的实时观测数据、排放源资料集进行动态处理，对关键参数实时修正，有效减少模拟的不确定性，提高对潜在的重污染事件预报的准确性。

3.3 污染预警与控制决策支持系统

环境空气质量预警与控制决策支持是大气防治工作中的核心，建立预警指标体系、空气污染分析、优化控制对策等内容。根据实时监测数据和数值预报结果，对污染天气进行分析，得出造成污染天气的排放源及贡献率，根据优化控制模式计算结果给出重点控制目标和控制措施，对应业务部门进行行政执法，降低重污染危害，改善环境空气质量。

此外，建设超级计算平台及配套设施，充分利用现有信息化系统各种软件硬件资源，搭建硬件系统和业务化平台，使成本降到最低，避免重复建设造成的浪费。

4 展望

空气质量控制是建立在排放源管理和空气质量预报预警基础之上的，通常包括污染天气的控制、产业结构调整和重污染源优化布局等方面，是一个涵盖自然科学、社会科学和人文科学的复杂系统工程。

环境空气质量预报预警体系可为环保部门提供环境空气质量预报信息并对潜在的重污染事件进行预警；提供科学的管理和政策咨询建议，使管理部门能够及时采取控制措施，建立应急处理机制，保障大气环境安全；引导服务模式转变，提升公众生活质量；强化政府管理效率，提升公共服务水平。

随着空气监测网络中监测点数量的扩大和监测项目的完善，未来将建立区域大气污染预警和大气污染的联防联控机制。目前从全国来看，大区域空气质量预警联防联控在京津冀、珠三角、长三角等沿海发达地区已经开展；东三省、中部地区、西南地区、西北地区等相邻省份之间空气质量预警联防联控是未来发展的趋势；从小区域来看，将建立省内各相邻城市或地区之间空气质量预警以及大气污染联防联控体系。

[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)：1674 -6732．

[2] 中国环境监测总站.环境空气质量预报预警方法技术指南(第一版)[M].北京：中国环境出版社，2014.

[3] 刘娟. 长三角区域环境空气质量预测预警体系建设的思考[J]. 中国环境监测, 2012,28(4)：135-140.

[4] 高红艳，刁承泰.试论喀斯特地貌对城市发展建设的影响—以喀斯特山区城市贵阳为例[J].中国岩溶，2010,29(1)：81-85.

Discussion on Guiyang Ambient Air Quality Forecast and Early Warning System

Ma Linda

(Guiyang Environmental Monitoring Center，Guiyang 550002，China)

this paper analyzed the key factors affecting the Guiyang air quality, including pollutants, underlying surface, topography and vegetation. The overall structure of Guiyang ambient air quality forecasting and early warning system was proposed, and the three core parts, emission source monitoring and management system, ambient air quality forecasting system, and decision support system for pollution early warning and control, were elaborated respectively. Guiyang atmosphere pollution control measures and prevention mechanisms were further proposed.

ambient air quality; air pollution; forecast and early warning; numerical model

2014-10-17；2014-12-31修回

马琳达，女，1981年生，硕士，工程师，研究方向：环境监测、空气质量预报预警。E-mail：air_gy@qq.com

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