辽宁中部城市群臭氧污染特征及CAMx 模式预报效果检验

王闯 刘闽 孙学斌 侯乐 高木木 王佳音 杜毅明 王男

（辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁沈阳 110167）

1 引言

自2012 年GB 3095—2012《环境空气质量标准》发布以来，我国大气污染防治工作逐年推进，2013年国务院印发了《大气污染防治行动计划》［1］，2017年党的十九大作出打赢蓝天保卫战的重大决策部署［2］。在全社会的共同努力下，环境空气质量有所好转，2018 年全国338 个城市的PM2.5年均值降至39 μg/m3，接近我国环境空气质量标准二级限值（35 μg/m3），但臭氧污染问题逐渐凸显［3］。臭氧作为首要污染物比例超过PM2.5［4-6］，特别是在夏季，臭氧已成为造成空气质量污染的首要污染物［7-8］。

在《大气污染防治行动计划》中明确要求地方政府建立监测预警体系，开展空气质量预报工作之后［9-10］，越来越多的城市积极开展环境空气质量预报工作，并将其作为地级环境监测机构的日常工作之一［11-13］。时至今日，环境空气质量预报的重点逐渐向臭氧预报倾斜，对臭氧预报开展定期回顾及评估，探索如何提高臭氧预报准确率已成为环境质量预报人员所共同探索的课题。

本研究基于2020 年辽宁中部城市群7 个城市环境自动监测数据，分析辽宁中部城市群臭氧浓度变化特征，利用CAMx 模式所得出的臭氧日最大8 h滑动平均值（O3-8 h）24 h 预报数据，评估该数值预报模式对臭氧浓度的预报效果，以期为城市环境空气质量预报工作积累可借鉴经验，进而提高城市环境空气质量预报的准确率，提升预报工作对区域污染联防联控及污染应急管控等环境管理的支撑水平，促进空气质量改善。

2 研究对象及方法

2.1 研究时段

研究时段为2020 年1 月1 日至2020 年12 月31 日。

2.2 监测数据

本研究所用的臭氧监测数据根据沈阳市、鞍山市、抚顺市、本溪市、营口市、辽阳市、铁岭市每个城市内国控监测站点中评价点位平均后得到对应城市的O3-8 h 值。监测仪器运行及维护、数据统计及分析参照GB 3095—2012《环境空气质量标准》［14］、HJ 633—2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》［15］、HJ 663—2013《环境空气质量技术评价规范（试行）》［16］等相关标准执行。将城市编号如下：沈阳市（210100）、鞍山市（210300）、抚顺市（210400）、本溪市（210500）、营口市（210800）、辽阳市（211000）、铁岭市（211200）。

2.3 预报模式

数值预报模式为CAMx［17］，该空气质量模型为一个欧拉的区域光化学离散模型，允许将从邻区到大陆空间尺度的对流层空气污染（臭氧、颗粒物、大气有毒物质）作为整体的“一个大气”来考虑。前一日20：00 发布未来5 d 预报，包括主要污染物浓度、AQI 范围、首要污染物等，本研究选取模式为对O3-8 h的24 h 预报结果进行评估。

2.4 预报评估方法

选择气象及环境的模式研究领域中通用的统计指标标准化平均偏差（NMB）、标准化平均误差（NME）、相关系数（R）3 项指标对臭氧数值预报结果进行评估。NMB，NME 可表现出预报值与实况值的平均偏离程度、平均绝对误差，此2 项指标均为越接近0 则预报效果越好［18］；R 表示预报值与实况值逐渐变化趋势的吻合程度，R＞0 表示正相关，R＜0 表示负相关，其值越接近1，表示预报效果越好。上述3 项指标的计算公式如下：

式中，Mi为第i 天的预报值；Oi为第i 天的实况值；M为预报结果的平均值；O 为实况结果的平均值。

参考《环境空气质量预报预警方法技术指南》，臭氧预报准确性的标准为：-15%＜NMB＜15%，NME＜35%，R＞0.4。

3 结果与讨论

3.1 辽宁中部城市群臭氧污染特征

图1 为2020 年辽宁中部城市群中7 个城市O3-8 h 浓度变化。结果显示，7 个城市O3-8 h 浓度均未超过国家二级标准限值（160 μg/m3），浓度范围在128～156 μg/m3。其中城市210800，210100 的O3-8 h浓度较高，接近二级标准，城市210500，211000 浓度较低。

图1 2020 年辽宁中部城市群臭氧浓度对比

逐月对比辽宁中部城市群臭氧浓度，全年7 个城市臭氧逐月浓度呈先上升后下降趋势变化，在4—8 月出现O3-8 h 浓度超标（大于160 μg/m3），6月、7 月O3-8 h 浓度较高，城市210100，210300，210400，211200 的O3-8 h 浓度均超过200 μg/m3，城市210800，211000 在6 月、7 月中有1 个月O3-8 h浓度均超过200 μg/m3；城市210500 的O3-8 h 浓度最低，均未超过200 μg/m3。7 个城市的臭氧超标天数变化特征与浓度相似，臭氧超标日集中出现在4—8月，6 月、7 月臭氧超标天数最多。其中，城市210400，210100 在6 月、7 月臭氧超标天数最多，分别为23，21 d。而城市210800 在3 月、10 月均出现臭氧超标，为7 个城市中臭氧超标时间跨度最长的城市。

统计2020 年辽宁中部城市群各城市O3-8 h 最大值出现时间，结果显示，最大O3-8 h 浓度在每日14：00—16：00 出现频率较大。7 个城市14：00—16：00 O3-8 h 最大值出现频率分别为：210100 为66.7%，210300 为51.1%，210400 为55.2%，210800 为54.6%，211000 为50.0%，211200 为61.7%，7 个城市均达到或超过50%。

3.2 臭氧预报效果评估

3.2.1 时间序列及散点图分析

图2—8 为2020 年辽宁中部城市群7 个城市O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列、散点图对比，可对CAMx 模式未来24 h 预报效果进行评估。

图2 2020 年城市210100 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图3 2020 年城市210300 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图4 2020 年城市210400 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图5 2020 年城市210500 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图6 2020 年城市210800 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图7 2020 年城市211000 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

图8 2020 年城市211200 O3-8 h 浓度预报值与实况值的时间序列及散点图

利用CAMx 模式未来24 h O3-8 h 浓度预报值与实况数据进行2020 年逐日趋势对比，图2—8 中7 个城市预报值、实况值的时间序列对比图显示，各城市的臭氧预报值与实况值的变化趋势基本一致，CAMx 模式基本可预测各城市O3-8 h 浓度变化趋势，但预报值与实况数据仍存在偏差。7 个城市中210500 在夏季、秋季出现预报值高估，春季、冬季均预报值低于实况值；其他城市在春、夏、秋、冬四季中存在预报值低于实况值，在冬季预报值低估情况更为明显，特别是城市210100，210300，210400，211200的预报值与实况值的相对误差在30%左右。

利用散点图所反映的预报值与实况值线性关系，可判断预报结果的高估或低估。设定预报值在实况值的0.5～2.0 倍范围为预报的合理范围［19］。图2—8 散点图显示，CAMx 模式对城市210800 预报落在合理范围内最高达到98.4%，其次为城市210500，211200，分别为95.1%，94.2%，而城市210300 最低，为89.9%。7 个城市未在合理范围内的预报结果低估多于高估。

3.2.2 统计指标分析

统计指标分析可以定量评估模式预报的偏差及对O3-8 h 浓度变化趋势预测的能力。表1 统计了CAMx 模式对辽宁中部城市群中7 个城市O3-8 h 浓度预报效果。各城市模式对O3-8 h 浓度预报的NMB，NME 平均误差在各个季节相差较大。城市210500 在夏季、秋季存在高估，其他城市、季节均有不同程度低估。除城市210500 外，其他6 个城市均在秋季的NMB，NME 最低，即预报数据与实况值相差较小，准确率相对较高；城市210500 在春季NMB，NME 最低，预报准确率为四季最高。

表1 CAMx 模式24 h 臭氧预报效果评估

利用NMB，NME，R 3 项指标综合评估CAMx 模式对7 个城市的预报结果，结果显示，7 个城市冬季预报效果均较差，城市210300 的春季、夏季，城市210500 的秋季预报效果较差，其他城市、季节预报效果较好，都达到了《环境空气质量预报预警方法指南》中对O3-8 h 预报准确性的要求。

4 结论

（1）2020 年辽宁中部城市群7 个城市的O3-8 h浓度，城市210800，210100 较高，城市210500 最低，7 个城市O3-8 h 浓度均未超过国家二级标准限值。

（2）辽宁中部城市群7 个城市的O3-8 h 浓度逐月变化呈先上升后下降趋势，6 月、7 月的臭氧浓度最高，臭氧超标日最多。城市210800 的臭氧超标时间跨度为7 个城市最长。7 个城市臭氧日最大小时值在14：00—16：00 出现频率最大，均超过50%。

（3）CAMx 模式对辽宁中部城市群7 个城市预报效果，对城市210500 的春季、夏季存在小幅高估，其他6 个城市及城市210500 秋季、冬季均存在不同程度的低估，冬季低估情况更加明显。

（4）CAMx 模式对城市210800 预报落在合理范围内最高达到98.4%，城市210300 最低，为89.9%。7个城市未在合理范围内的预报结果低估多于高估。

（5）CAMx 模式对7 个城市冬季预报，城市210300的春季、夏季，城市210500 的秋季预报效果较差，未达到O3-8 h 预报准确性的要求。