污染强化减排中小尺度气象信息支撑矩阵构建

崔志豪

（北京航空航天大学空间与环境科学学院 北京 102206）

引言

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中的“推动绿色发展 促进人与自然和谐共生”，为推动生态文明建设实现新进步，建设人与自然和谐共生的现代化指明了方向、明确了路径。并指出，要加强城市大气质量达标管理，推进细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）协同控制，基本消除重污染天气。众所周知，随着全球气候变暖，极端天气越来越频繁。有关报道和研究结果表明[1]，随着城市化发展，“热”“干”“湿”“雨”“浑浊”等方面的“城市岛”效应日趋显著，使得城市气象灾害的突发性、极端性、不可预见性进一步加强，这些气象因素及相应的具体时间段气象要素表现（即污染气象条件），都与城市精准治污决策和强化减排措施落实密切相关，于是中小尺度精细化的污染气象条件预报结论所需的信息支撑是否完整就显得尤显关键。近年来，各地结合实际需求建立了污染气象条件有关的业务平台[2～7]，但构建相关大数据平台[8]的研究却不很多见。本文结合在气象和环境部门的实习调研经历，提出比较全面的更贴合中小尺度污染强化减排的综合气象信息支撑矩阵构建内容，以期为相关领域提供参考。

1 污染强化减排的中小尺度气象信息支撑矩阵

时空分辨率高的精细化气象预报预警，决定后期精准污染管控调度；精准污染管控调度，依托前期污染气象条件的精细化监测预报。因此，监测是数据的源头、是污染气象条件预报服务工作的前提和基础，信息支撑是整个污染气象条件预报业务工作的核心。通过“地、天、空、网”立体监测，“采、传、存、治、用、管、服”一体化技术融合，以及“监测、预报、服务”一体化业务融合，全方位支撑污染气象条件精细化预报预警。

1.1 实况监测矩阵

实况监测矩阵包括雷达、自动站、各种卫星云图、基于雷达资料及其产品的灾种识别、精细化网格实况等，叠加展示降水区域变化情况，以能单帧显示和动画播放为宜，为中小尺度天气的短临预警提供信息支撑。

其中，雷达监测包括X 波段、双偏振、多普勒等各种雷达监测，以及相态识别、水凝物识别、雷达估测降水、冰雹识别、滤波后反射率、协相关系数、差分相移、差分相移率、差分反射率、差分反射率、径向速度等产品，叠加直观展示降水区域变化。

自动站则基于自动站网监测数据，在电子地图上以色斑图叠加展示风速、雨量、气温、湿度、气压、能见度等自动站气象要素，以图表提供实时和历史气象要素查询及统计分析信息。根据《环境空气质量监测点位布设技术规范（试行）》（HJ664-2013），城市加密网格点实测单个网格不大于2km×2km(面积＞200km2的城市也可适当放宽网格密度)的要求，中小尺度加密气象站的间距最好与此匹配，以便为进行污染气象条件的监测分析提供更好的信息支撑。

1.2 卫星云图监测矩阵

基于GIS 和可视化技术，对风云4 号卫星、葵花卫星等卫星监测产品进行综合展示，主要包括水汽、可见光、红外等高清卫星产品，可实时监测天气系统及云系的演变情况。

1.3 预报预警信息矩阵

预报预警模块包括格点预报、智能网格、环境监测、台风预报、数值预报、市局信息、预警信息等子功能模块。其中，格点预报结合中国气象局卫星下发的降雨、风场、气温精细化格点实况及预报数据，提供精细到社区的0～3h、3～24h、2～10d 的预报以及防汛风险和积水阈值触发表格展示，并在电子地图上以色斑图叠加展示降雨、风场、气温等要素产品。

1.4 台风监测和预报信息

基于GIS 和可视化技术，综合展示台风实况及多家预报机构的台风路径预报产品。支持叠加卫星云图、雷达产品、风向风力杆、实况监测等信息，且可查询台风风雨评估及历史台风信息，为台风及其灾害预报提供信息支持。

1.5 数值预报产品信息

以气象数据可视化技术对ECMWF、NCEP国外和CMA 全球集合模式、CMA 区域模式等我国主流数值预报模式产品进行显示，可支持单张和动画显示，为分析污染气象条件预报提供气象数值模式信息支撑。

1.6 实况天气图信息

获取并查看地面到高空各层次的东亚、亚欧和全世界实况天气图，为天气形势和气象要素的分析研判提供全国及全球的实况信息支撑。

1.7 污染气象条件预报辅助决策信息支撑矩阵

动态收集并实时显示人口、经济、重点场所、监测点位和监管重点单位等数据，结合强化减排工作方案或重污染天气应急预案，提供智能联动和应急响应信息，提高污染强化减排的指挥调度能力。

1.8 污染气象条件预报信息支撑矩阵构建原则

基于实际业务过程中对信息流实时高效的要求，污染气象条件预报信息支撑矩阵的构建应遵循5 项原则。

1.8.1 实用性与易用性原则

矩阵构建在设计与实施中要做到安装设置、使用操作、开发维护、日常管理等工作简单易用，符合各类使用者的操作习惯，使用方便，上手容易，不需要培训或进行简单培训就能使用，可减轻使用者日常工作量。

1.8.2 兼容性和开放性原则

矩阵构建过程中要充分考虑操作系统兼容性，方便进行功能扩展对接。

1.8.3 高可靠性和稳定性原则

矩阵构建的软、硬件平台应稳定可靠，能够满足业务系统7d×24h 不间断的运行要求。出现异常时，应具备有效的恢复方法。

1.8.4 可维护性原则

矩阵的维护需要简便快捷，不需要太多管理人员和复杂的操作。对于服务器等的操作系统，能够提供基于图形化、菜单或Web 界面的系统管理工具，帮助管理人员轻松进行相关工作。

1.8.5 安全性原则

矩阵应有安全测试方案和测试用例，从而保证应用的安全性。信息数据的备份策略要设计合理，既能保证方便快速恢复，又要确保不占用过多存储空间。

2 精细化污染气象条件预报业务流程初探

基于上述信息矩阵的支撑，借助气象和环境的专业知识和技术方法，可以实现对中小尺度污染气象条件的精细预报。如，利用雷达、自动站等精细化探测信息可实现中小尺度区域和定点0～3h 预报；3～12h 预报则利用东亚和全国的地面和高空各层次实况数据、各主流数值预报模式、各层次预报产品、卫星云图、雷达回波、自动站、上级指导预报等数据信息进行综合分析，实现精细预报。从要素来说，可以精细到天空状况、天气现象、气温、降水、风向风速、相对湿度、能见度；从空间分辨率说，可以细化到街道或指定点位。

具体实现过程包括4 个步骤，即①以雷达探测资料确定天气落区，通过定量估测模型研判会影响哪些街道；②结合平均2km 以内的自动站监测站网，实时研判指定区域附近的影响程度；③基于指定点位自动站监测数据，结合雷达探测、周围气象站点监测数据以及数值预报产品，建立专业预报模型，得到指定点位的精细化污染气象条件预报产品；④值班预报员根据上述信息产品，结合专业理论知识和预报经验进行综合研判，形成指定点位的精细预报结论，并进行发布服务。

综上可见，污染气象条件预报业务的高质量发展，需要对制约发展的问题定向突破，而更高目标的实现，离不开监测、预报、服务各环节信息矩阵的建设和接力攻坚。

3 重点和难点分析

3.1 数据的获取与存储难度

气象监测数据信息的来源依托于各类前端探测设备，数据获取需要多种方式的支持（包括设备系统对接、手工录入、手动导入等方式），来实现数据信息融合的便捷性、全面性。更为关键的是，数据存储需依托自建的数据库，实现数据库和服务器的全国产化，以增强数据的安全性。

3.2 信息的分析与查询难度

气象监测数据信息十分庞大且繁杂，工作人员就其进行服务与管理过程中对各项信息均有分析、统计、查询的需求。但实现分层次、分业务、分类型、分权限地细致分析和分类管理并非易事，而实时动态加载、叠加显示等因数据量过于庞大，要达到相关信息呈现结果的实用与易用、兼容开放、可靠稳定、安全且易维护，其难度也较大。

4 信息支撑所需的相关技术

污染气象条件分析预报所需的信息支撑是一个系统工程，不仅依赖于相关的硬件基础设备建设，还涉及信息和可视化等，需要相关技术的支持。

4.1 气象灾害风险评估技术

气象灾害风险评估技术通过对致灾因子、孕灾环境脆弱性、承灾体易损性、防灾减灾能力等指标的研判，建立起气象灾害风险评估模型，并通过该模型提供污染天气风险评估在线分析服务，实现污染风险区域圈定。

4.2 天气智能和人工识别技术

风、雨、强对流等天气识别技术，不仅要用到气象专业的原理和方法，还需用到大数据、人工智能等新技术。虽然，目前尚无任何智能化产品能完全代替专业技术人员的综合分析研判，但可通过提供参考工具，提升专业人员分析工作效率，增加精细化污染气象条件预报的提前量，为强化减排和精准管控争取更多的时间与主动性。

4.3 图形可视化技术

利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。因此，图形可视化技术涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。该技术通过把获得的气象数据、图像或是计算中涉及和产生的气象数字信息，变为直观的，能以图形、表格、文字等形式展示。

4.4 GIS 技术

GIS 是在计算机硬、软件系统支持下，对空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术。该技术基于图层模式的空间信息资源共享与应用模式，对于空间信息资源整合具有独特的优势，通过这种方式，能够将现有的气象基础数据和应用数据以及生态环境的专业数据展现在地理空间上，实现区域空间地理信息资源的有效整合与集成，提供数据共享服务和可视化的决策分析。

4.5 云计算技术

基于网络相关服务的使用和交付模式，通过网络来提供动态易扩展的资源（包括计算资源、网络资源、存储资源和安全资源），这些资源通常是虚拟化的资源，在云计算中，其主要指平台虚拟化，或者是使用资源的人和应用程序对物理IT 资源的抽象作用。虚拟化允许将服务器、存储设备和其他硬件视为一个资源池，而不是离散系统，可以根据需要来分配资源。准虚拟化将单个服务器视为多个虚拟服务器和群集，可以把多个服务器视为单个服务器。另外，作为一种物理资源封装手段，虚拟化技术解决数据中心面对的若干核心难题，并产生具体优势。

4.6 信息应用将产生较好的节能环保效应

以信息支撑矩阵为基础，可利用专业知识和技术方法分析得出城市的气温、风、雨、云、天空状况等污染气象条件的精细化预报结论，从而为大气污染减排各项管控措施的实施提供决策参考依据。如，强化移动机械污染控制；全面限制未加装颗粒捕集器的非道路移动机械的使用；建立重点行业建设项目挥发性有机物排放总量管理制度，对挥发性有机物新增排放量实行现役源削减替代；督促施工工地落实施工扬尘“7 个100%”。工程施工企业通过优化设计，强化节约用地和施工管理，设备能耗有效降低，强调废旧材料利用，节约建筑能源，从而确保项目施工节能减排措施的有效落实，进而确保减少对自然环境造成的影响，有效控制成本投入，提升施工的经济效益和资源利用率。

结论

通过分析中小尺度污染气象条件预报所需的信息矩阵和业务流程，得出结论，即①中小尺度污染气象条件精细预报的信息支撑矩阵构建是一个系统工程，不仅需要高精尖的观测设备和站网硬件建设基础，而且涉及气象、环境和信息等多专业技术支持；②气象数据庞大、安全要求高，信息分析存储显示查询涉及大数据、人工智能等多项现代信息技术，而最终精细预报结论还必须依赖于预报员的专业知识和经验而综合得出，因此各业务环节的难度较大，需要更多专业的协同；③中小尺度污染气象条件预报有别于大尺度污染气象条件预报，其不再满足于定性预报描述，而是需要污染气象条件全要素的精细定量预报，才能更好地为200km2内的小区域强化减排、精准治污提供科学的决策依据；④以信息支撑矩阵为基础，可分析得出城市污染气象条件的精细化预报结论，从而为大气污染减排各项管控措施的实施提供决策参考依据，达到节能环保的良好效应。