乌鲁木齐市空气质量多模式预报预警体系建设与应用

乌鲁木齐市空气质量多模式预报预警体系建设与应用李㊀沫（乌鲁木齐市环境监测中心站，新疆㊀乌鲁木齐㊀８３００００）
摘要：城市空气质量预报是指导生产和生活㊁预防环境污染事件发生的重要手段，是环境监测的重要任务㊂本文对乌鲁木齐市空气质量预报业务系统的设计构建及各项模块的功能作用进行了详细的介绍，该系统主要包括环境监数据统计㊁数值预报管理㊁ＧＩＳ数据分析管理㊁污染源清单建立㊁重污染案例库存储等模块㊂该预报预警体系可稳定提供乌鲁木齐市未来７２小时的空气质量预测数据，为管理部门在空气质量预测预报㊁污染源来源解析与追踪㊁污染源排放削减管理㊂重污染过程分析等方面的研究应用提供丰富的技术手段支持㊂
关键词：预报预警系统；空气质量；模型；乌鲁木齐
中图分类号：Ｘ５１，ＴＰ２７７㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀文章编号：１００８－２３０１（２０２０）０１－００２４－０４
ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ－ｍｏｄｅＦｏｒｅｃａｓｔａｎｄＷａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒＡｉｒＱｕａｌｉｔｙｉｎＵｒｕｍｑｉ．ＬＩＭｏ（ＵｒｕｍｑｉＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒＳｔａｔｉｏｎ，Ｕｒｕｍｑｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ８３００００，Ｃｈｉｎａ）．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＸｉｎｊｉａｎｇ２０２０，４２（１）：２４ ２７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｒｂａｎａｉｒｑｕａｌｉｔｙｆｏｒｅｃａｓｔｗａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｇｕｉｄｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅａｎｄｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｏｃｃｕｒ⁃ｒｅｎｃｅｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｅｖｅｎｔｓ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＵｒｕｍｑｉａｉｒｑｕａｌｉｔｙｆｏｒｅｃａｓｔｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｔａ⁃ｔｉｓｔｉｃｓ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｆｏｒｅｃａｓｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＧＩＳｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｉｎｖｅｎｔｏｒｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，ｈｅａｖｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃａｓｅｄａｔａｂａｓｅｓｔｏｒａｇｅａｎｄｓｏｏｎ．ＩｔｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｄａｔａｏｆａｉｒｑｕａｌｉｔｙｏｆＵｒｕｍｑｉｉｎｔｈｅｎｅｘｔ７２ｈｏｕｒｓ．Ｉｔｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｂｕｎｄａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｉｒｑｕａｌｉｔｙｆｏｒｅｃａｓｔ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ，ｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｅａｖｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｅｃａｓｔａｎｄｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｉｒｑｕａｌｉｔｙ，ｍｏｄｅｌ，Ｕｒｕｍｑｉ
㊀㊀近年来，大气污染问题受到越来越多的关注，长时间㊁大范围㊁高浓度污染频发，结构性㊁复合型㊁压缩性污染态势逐渐显现㊂国务院发布‘大气污染防治行动计划“确定了十项具体措施，其中第九条明确要求建立监测预警应急体系，制定完善并及时启动应急预案，妥善应对重污染天气㊂全面地了解和掌握空气中污染物的迁移变化规律以及污染源和气象条件对空气质量的影响，是当前城市及区域污染调控与治理的有效途径㊂２０１８年国务院下发‘打赢蓝天保卫战三年行动计划“，明确要求各地强化区域环境空气质量预测预报中心能力建设，２０１９年底前实现７ １０天预报能力，省级预报中心实现以城市为单位的７天预报能力，开展环境空气质量中长期趋势预测工作㊂当预测到区域将出现大范围重污染天气时，统一发布预警信息，各相关城市按级别启动应急响应措施，实施区域应急联动㊂
乌鲁木齐市受地形气象等自然因素制约㊁市区及周边区域大规模工业发展的影响，要实现乌鲁木齐市环境空气质量的根本改善，实现达标和持续向好，大气污染防治工作依然艰巨复杂㊂特别是重污染过程的及时预警㊁科学应对和有效管控得到政府和公众的高度关注㊂改善城市的空气质量，除了有效控制本地及周边城市各类污染源外，开展空气污染预报也是污染控制工作的一个重要方面，是空气质量保障的重要
新疆环境保护２０２０，４２（１）：２４ ２７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＸｉｎｊｉａｎｇ
收稿日期：２０２０－０３－１８
依据，及时准确地进行空气污染预报，为管理部门提供有效的污染控制依据，预报预警体系建设为决策部门全面掌握城市环境空气质量及未来变化趋势提供科学决策依据，同时在严重污染日期到来前有针对性地加大污染源控制，及时发出预警并采取相应的限制措施㊂通过不断探索，乌鲁木齐市现已经基本形成了多模式集合预报体系，为全市空气污染预警和空气质量改善提供了参考依据㊂
１㊀空气质量预报预警系统
１．１㊀系统总体框架
空气质量预报㊁预警多模式集成系统以多种空气质量预报模式为核心，系统综合运用数据库技术㊁并行计算技术㊁ＷｅｂＧＩＳ技术和高效网络传输技术，开发环境空气质量数值预报系统软件，搭建环境空气质量数值预报系统硬件平台及数据展示平台，选用Ｍｏｄｅｌｓ－３／ＣＭＡＱ（ＣｏｍｍｕｎｉｔｙＭｕｌｔｉｓｃａｌｅＡｉｒＱｕａｌｉｔｙＭｏｄｅｌｉｎｇＳｙｓ⁃ｔｅｍ）模式和ＣＡＭＸ（ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＡｉｒＱｕａｌｉｔｙＭｏｄｅｌＥｘｔｅｎｓｉｏｎｓ）模式实现气象条件预报㊁空气质量预报㊁污染源解析等功能㊂空气质量模式所需的三维气象场和排放源分别由ＷＲＦ（ＷｅａｔｈｅｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＦｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ）中尺度气象模式和ＳＭＯＫＥ（ＳｐａｒｓｅＭａｔｒｉｘＯｐｅｒａｔｉｎｇＫｅｒｎｅｌＥｍｉｓｓｉｏｎｓ）排放源处理模型驱动㊂空气质量预报㊁预警和源解析多模式集成系统业务系统是集大尺度气象背景场资料实时下载㊁污染源实时处理㊁气象预报㊁空气质量多模式集合预报㊁污染源解析㊁多模式后处理㊁统计预报㊁预报产品订正于一体的全自动业务运行后台系统，由ＳＭＯＫＥ污染源处理子系统㊁ＷＲＦ中尺度数值天气预报子系统㊁ＣＭＡＱ空气质量预报子系统㊁ＣＡＭＸ空气质量预报子系统以及ＣＡＭＸ源解析子系统以及全球大尺度气象背景场ＧＦＳ（ＧｌｏｂａｌＦｏｒｅｃａｓｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）资料下载子系统组成㊂
图１㊀空气质量预报、预警多模式集成系统之后台业务系统总体框架
Ｆｉｇ．１㊀Ｏｖｅｒａｌｌｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅｆｏｒｅｃａｓｔａｎｄｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆａｉｒｑｕａｌｉｔｙ
㊀㊀系统的气象模式采用ＷＲＦＶ３．３．１模式参数设置，为提高乌鲁木齐及周边地区的气象场预报准确率，根据国内外的最新研究结果对该模式的多种参数化方案进行优选㊂即设计了多种参数化组合预报试验方案（重点为微物理过程㊁近地面层㊁路面过程㊁边界层４种不同参数化组合），并进行了大量模拟试验计算，最终选定表１所示的模式参数化方案㊂另外参考国内有关专家在乌鲁木齐市的模拟试验结果，对边界层ＡＣＭ２方案中的部分参数进行了调整㊂
５２
第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李㊀沫：乌鲁木齐市空气质量多模式预报预警体系建设与应用
表１㊀ＷＲＦ模式的参数设置
Ｔａｂｌｅ．１㊀ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｓｆｏｒＷＲＦｍｏｄｅ
参数ＷＲＦ模式
垂直坐标地形追随质量坐标
嵌套网格方案二重双向
投影坐标类型Ｌａｍｂｅｒｔ投影坐标
边界层参数化方案ＡＣＭ２方案
大气辐射方案ＲＲＴＭ长波和云（Ｄｕｄｈｉａ）
短波辐射方案
微物理参数化方案０．５ʎˑ０．５ʎＧＦＳ／ＮＣＥＰ
预报场资料（３ｈ间隔）近地面层方案ＷＳＭ６方案
路面过程方案Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ相似理论
积云参数化方案Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ（ｎｅｗＥｔａ）方案１．２㊀多模式集合预报
１．２．１㊀数据收集
按照乌鲁木齐市环境监测站现有的自动监测数据采集系统的数据规范与格式，收集空气质量监测数据，并根据空气质量日报和预报业务需求，进行数据统计分析，并生成报表㊂获取模式运行结果文件，解析乌鲁木齐各监测站点未来７天的空气质量和气象预报数据㊂每天动态获取气象实况数据㊁环境空气质量监测数据㊁实况天气图㊁数值预报天气图㊁区域空气质量分布图㊁ＭＯＤＩＳ卫星遥感图像㊁沙尘卫星监测图像㊁天气雷达监测资料㊁卫星云图，日本㊁韩国㊁欧洲中心的预报传真图以及其它定制的关键图形分析信息㊂１．２．２㊀多模式集合预报
根据ＣＭＡＱ和ＣＡＭＸ空气质量预报模式对比６种常见污染物的长期预报效果，将两套模式预报结果进行加权平均处理，得到集合预报结果，其中不同污染物的权重系数有所不同㊂运行初期采用两个模式预报结果的算术平均作为集合预报结果，积累长期预报结果后根据不同污染物不同季节的预报效果对相应的权重系数进行调整㊂
１．２．３㊀统计预报
采用线性滚动预报方法和前３天６种污染物的实测浓度资料，建立各种污染物当天实测值与前３天实测值的线性滚动预报模型，并采用时间序列法对未来１天的污染物浓度进行统计外推计算得到该污染物的预报浓度㊂统计预报程序每天滚动更新预报模型㊂
１．２．４㊀预报产品订正
采用具有强非线性表达能力的自适应偏最小二乘回归法和各环境监测站６种污染物前１０天的预报浓度与实测浓度以及该站实测风速㊁风向㊁温度㊁湿度㊁气压建立滚动订正模型，并采用该订正模型对当天ＣＭＡＱ模式预报的污染物浓度预报产品分别进行订正㊂针对不同的污染物建立不同的滚动订正模型，而且可根据不同季节不同污染物的预报效果对统计订正模型的自变量和样本数进行调整
㊂
㊀
图２㊀基于ＧＩＳ对环境空气质量的模拟及预测数据进行动态诊断及显示示意图
Ｆｉｇ．２㊀ＤｙｎａｍｉｃｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｄｉｓｐｌａｙｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｄａｔａｏｆａｉｒｑｕａｌｉｔｙｂａｓｅｄｏｎＧＩＳ１．２．５㊀图形化展示建立空间数据分析及图形显示系统，基于ＧＩＳ对６２㊀㊀㊀㊀新㊀疆㊀环㊀境㊀保㊀护㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４２卷
环境空气质量的模拟及预测数据进行动态诊断及显
示；在统一的ＷｅｂＧＩＳ平台上显示环境空气质量监测
数据㊁预测预报数据㊁气象信息等，为科学决策提供有
效的技术支持㊂表征各类输出结果可视化模块需要
输出各等压面上天气图（包含风压温湿等常规量）㊁
污染物（ＳＯ２㊁ＮＯ２㊁ＰＭ１０㊁ＰＭ２．５㊁Ｏ３㊁ＣＯ等）时空变化图㊂获取模式生成的预报网格数据，实时的将气象和
空气质量共１２种数据处理成空间分布图，并叠加地
图和地形图以Ｗｅｂ形式发布，用户可通过数据类型
和时间来选择要素进行浏览㊁动画播放㊂１．３㊀预报产品
运用数据库技术㊁并行计算技术㊁ＷｅｂＧＩＳ技术
和高效网络传输技术，开发环境空气质量数值预报系
统软件，搭建环境空气质量数值预报系统硬件平台及
数据展示平台，在高性能计算机上自动运行每天００
时和１２时（北京时）启动业务运行模式系统，包括ＧＦＳ资料下载㊁ＷＲＦ气象模式计算㊁ＭＣＩＰ模块和ＳＭＯＫＥ模式计算㊁ＣＭＡＱ模式计算㊁ＷＲＦ气象模式后处理㊁ＣＭＡＱ模式后处理㊁ＣＡＭＸ模式后处理㊁ＣＡＭＸ源解析模式计算８个业务环节㊂每天２次预报计算区域和２７个环境监测站点未来７天多种气象要素和污染物浓度，每天生成１２类６４种气象和污染物预报产品㊂实现对环境空气质量的高精度数值预报，确保系统能够稳定的业务化运行，为空气质量预报工作提供支持㊂
１．４㊀预报评估及应用
对比实况数据，各模式中ＷＲＦ气象预报效果相
对较好，其中气压预报准确度高，温度和相对湿度次
之，风速预报偏大；ＣＭＡＱ模式预报的６种污染物浓
度效果优于ＣＡＭＸ模式，其中Ｏ３预报效果最好，ＰＭ１０和ＰＭ２．５的误差相对较大㊂ＣＡＭＸ模式预报的浓度总体偏小㊂一般污染时段６项污染物浓度预报效果优于重污染时段㊂人工订正后预报评估㊂２０１７年ＡＱＩ指数正负１５以内的准确率达到５６％，级别准确率达到６７％；非采暖期的预报准确率高于采暖期㊂由于采暖期乌鲁木齐市空气质量不佳，极易出现污染天气，尤其在重污染天发生时，各项污染物浓度值变化极大，造成采暖期的预报准确率低于非采暖期㊂
乌鲁木齐市空气质量集成预报系统，现已应用在日常空气污染预报业务中，空气污染预报服务架构了高性能的硬件系统，建立科学的业务流程㊁管理体系等保障机制，每天２次预报计算区域和２７个环境监测站点未来３天多种气象要素和污染物浓度，每日生成１２类６４种气象和污染物预报产品㊂实现了在日常工作中开展及时㊁定点㊁定时的业务预报㊂该预报系统满足设计和业务运行要求，系统建成以来业务运行稳定㊂
２㊀结语
乌鲁木齐市空气质量预报体系的建立，可提升预报员预测准确率，丰富空气质量分析手段，提高报告编制水平㊂在发布预警信息时，可提供有力的技术支持㊂预测预报系统统一以ＧＩＳ为平台，直观地表征空气质量保障预警措施的污染源信息，直观表征预测污染气团轨迹，同时预测系统能够预测污染来源和区域分担率㊂根据预测结果和污染源控制方案，进行污染控制措施的效果分析，为预警管理部门提供污染源控制方向和控制力度意见㊂实现对大气环境质量现状的客观化评价，对城市空气质量变化趋势的科学化预警预报，同时为大气环境信息及时发布㊁环境风险的预先防范㊁环境调控决策的模拟分析提供科学工具㊂
参考文献
［１］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．
［２］朱莉莉，晏平仲，王自发，等．江苏省级区域空气质量数值预报模式效果评估［Ｊ］．中国环境监测．２０１５．３ｌ（０２）：１７－２３．
［３］李彬华，王利超，唐征，等．城市大气重污染事件预警机制研究［Ｊ］．环境监控与预警２０１４，６（４）：６－９．
［４］江峰琴，杨雪，王晨波，等．江苏省区域空气质量多模式预报预警系统研究与设计［Ｊ］．环境监控与预警．２０１５，７（２）：４－７．［５］彭庆庆，罗岳平，黄钟霆，等．开展环境空气质量预报预警工作的研究［Ｊ］环境科学与管理，２０１５（４）：９－１２．
作者简介：李㊀沫（１９８１－），男，新疆石河子人，研究生，理学硕
士，高级工程师，主要从事空气质量预警预报工作㊂Ｅ－ｍａｉｌ：２５６３７７５７＠ｑｑ．ｃｏｍ
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第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀李㊀沫：乌鲁木齐市空气质量多模式预报预警体系建设与应用。