城市环境空气质量指数范围预报方法初探 王晓彦 陈佳 中国环境监测 2015.6期
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为提高预报准确性，需在设定的 AQI 范围中 心线上加减一个变化幅度（ 偏差） ，最终形成 AQI 范围预报。通常在中度污染以下加减 10 或 15 的 幅度，中度污染以上加减 20 或更大的幅度。例 如，初步判断未来 24 h 空气质量级别为良，并有 转差的趋势，AQI 中心线设定为 85，处于该级别的 稍高段位，再加减 10 的变化幅度进行修正，即最 终 AQI 预报结果为 75 ～ 95。具体预报范围修正
关键词： 空气质量指数； 范围预报； 变化幅度； 质量控制
中图分类号： X830. 3
文献标志码： A
文章编号： 1002-6002（ 2015） 06-0139-04
Discussion on the Methods of Urban Ambient Air Quality Index Ｒange Forecasting WANG Xiao-yan1 ，CHEN Jia2 ，ZHU Li-li1 ，ZHAO Yi-lin1 ，YAN Hui1 ，LI Jian-jun1 1． State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China 2． Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China Abstract： Urban ambient air quality index forecasting information is an important content of environmental information services for public． Taking 24 h air quality index forecasting as an example，this study discussed the method of air quality index range forecasting and related quality control techniques． Based on Standard Deviation statistical analysis，this study analyzed the fluctuation range of daily actual air quality index of several typical cities and the deviation of forecasting air quality index and actual air quality index，this study proposed a set of variation ranges of air quality index forecasting for different air quality levels． Key words： air quality index； range forecasting； variation range； quality control
7. 5 34. 0
—
6. 8 14. 0 12. 3 13. 8 31. 3 71. 8
注： 以上数据来自全国城市空气质量实时发布平台的自动审核数据，仅作为 AQI 波动的一般性总体分析。“—”表示该空气质量级
别天数少于 3 d。
由表 1 可以看出，各区域的清洁城市和污染城 市在同一级别内的 AQI 均方差无明显差别，且随着 空气质量级别加重，清洁城市和污染城市 AQI 均方 差均表现出递增的总体趋势。14 个城市空气质量 为优级别时，AQI 均方差为 3. 6 ～ 9. 1，均值为 6. 1； 良至中度污染级别时，各城市 AQI 均方差相差不 大，为 6. 4 ～ 21. 7，均值为 13. 4，且有 90% 的均方差 处于 10 ～ 16 的范围内； 在重度污染级别时，各城市 AQI 均方差明显增加，为 19. 9 ～ 34. 0，均值为 26. 6； 在严重污染级别时各城市 AQI 均方差进一步增加，
表 1 2014 年各区域典型城市不同空气质量等级 AQI 均方差统计
华北
东北
华东
华中
华南
西南
西北
空气质量级别
张家口 邢台 大连 沈阳 舟山 济南 长沙 郑州 海口 广州 拉萨 成都 西宁
西安
优 良 轻度 中度 重度 严重
6. 6 13. 8 10. 9 15. 0 32. 6 21. 7
6. 1 14. 4 15. 1 13. 6 26. 1 70. 3
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中国环境监测
第 31 卷 第 6 期 2015 年 12 月
势，分别将 AQI 预报范围的中心线定位在稍低、持 平、稍高段位。例如，初步判断 AQI 是跨越良到轻 度污染两级的变差趋势，根据预估的 AQI 变化幅 度，将 中 心 点 设 定 在 偏 良、居 中 或 偏 轻 度 污 染 的 段位。 1. 3 变化幅度修正
为 20. 2 ～ 106. 8，均值为 62. 4。由此可见，不同空气 质量级别的 AQI 波动范围差异明显，应针对不同级 别设置不同的 AQI 预报变化幅度。 2. 2 AQI 变化幅度范围
对于空气质量良好、大气化学机理单一、污染 源排放量稳定、外来传输影响较小的清洁城市，其 每日 AQI 的正常波动范围相当于 AQI 的本底变化 幅度，可作为其他城市 AQI 预报变化幅度修正基 本参考值。以三亚市 2014 年 301 个空气质量优 级天的 AQI 统计结果为例，见图 1。
1 AQI 范围预报方法
1. 1 级别判断 在空气质量模式 AQI 预报结果的基础上，根
据空气质量实况、天气形势预报和污染源排放变 化，初步判断次日 AQI 预报级别，确定将其定位在 某个级别内还是两个级别间。例如优、优 ～ 良， 良、良 ～ 轻等空气质量级别。通常若天气形势稳 定或变化趋势清晰，AQI 可定位在某级别内。若 未来天气形势变化不明朗，例如，出现弱槽过境、 弱降水等，可将 AQI 定位在级别间进行跨级预报。 1. 2 中心线设定
第 31 卷 第 6 期 2015 年 12 月
中国环境监测 Environmental Monitoring in China
Vol． 31 No． 6 Dec． 2015
城市环境空气质量指数范围预报方法初探
王晓彦1 ，陈 佳2 ，朱莉莉1 ，赵熠琳1 ，闫 慧1 ，李健军1
1． 中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2． 中国科学院大气物理研究所，北京 100029
3. 9 13. 0 13. 0 14. 6 22. 9 66. 1
8. 0 12. 6 17. 9
— — —
9. 1 13. 9 13. 3 14. 1
— —
4. 4 11. 6 6ห้องสมุดไป่ตู้ 4
— — —
7. 6 14. 0 14. 3 15. 5 26. 4 54. 5
4. 8 12. 4 12. 5
对于空气质量一般的城市，AQI 预报较易受到 气象条件、污染源排放、大气复合污染程度、季节等 因素变化的影响，每日 AQI 波动范围较大。以机动 车尾气污染为主的杭州市 2014 年 110 d 轻度污染 AQI 的分布为例，如图 2 所示。AQI 分布较为分散， 均方差为 13. 3，超过 78% 的 AQI 集中在轻度污染 （ 101 ～ 150） 的中低位区间（ 101 ～ 130） ，设定轻度污 染 AQI 预报较合理的变化幅度范围为 15。
4. 6 3. 6 12. 9 13. 0 12. 3 14. 5 13. 5 14. 2 22. 4 19. 9
— 106. 8
7. 3 12. 4 12. 7 21. 7
— —
— 10. 2 14. 0 12. 9 20. 9 88. 1
6. 3 13. 5 13. 2 13. 4 29. 3 20. 2
方法在下文详细讨论
2 AQI 预报范围订正
2. 1 AQI 分级波动范围 为分析不同区域、不同污染程度的城市 AQI
分级波动情况，选取张家口、邢台、大连、沈阳、舟 山、济南、长 沙、郑 州、海 口、广 州、拉 萨、成 都、西 宁、西安 14 个典型城市，分别代表华北、东北、华 东、华中、华南、西南、西北地区相对清洁和污染的 城市情况，采用均方差来反映一组数据离散程度 的最常用量化指标，对上述 14 个城市 2014 年的 实况 AQI 数据进行统计，以分析不同空气质量级 别的 AQI 波动情况。见表 1。
2. 3 AQI 模式预报偏差分析
城市空气质量模式预报结果与实况 AQI 的偏 差在一定程度上也有助于指导 AQI 预报变化幅度 的设定。以 2014 年中国科学院大气物理研究所研 发的 NAQPMS 数值预报模式对北京市的 24 h AQI 预报为例，统计每日预报 AQI 与实况 AQI 偏差的绝 对值，经过 3 轮异常值剔除（ 与平均值的偏差大于 2 倍均方差的视为异常值） ，不同空气质量等级的 偏差绝对值的均方差分布如图 4 所示。由图 4 可 知，从优级至严重污染，比偏差绝对值的均方差在 4. 4 ～ 32. 7。空气质量越好，均方差越小，反之亦 然。空气质量优级时，均方差小于 5。轻度污染至 严重污染级别的均方差在 29. 1 ～ 32. 7 范围内，各 等级差别不明显。比较现实，有必要区分优良等级 和污染等级的 AQI 预报变化幅度范围。
图 1 三亚市 2014 年优级天 AQI 分布
王晓彦等： 中小城市空气质量预报试验与问题研究
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由图 1 可见，优级天 AQI 近似服从平均值为 31. 8，方 差 为 62. 1 的 正 态 分 布，90% 的 优 级 天 AQI 集中在 18. 9 ～ 44. 7 的范围内，以 均 值 31. 8 为中心，上下均浮动 12. 9，设定 AQI 在优级天的 本底变化幅度为 10，在 一 定 程 度 上 可 视 为 城 市 AQI 预报的基本波动范围。
环境空气质量预报是落实《大气污染防治行 动计划》的 新 兴 核 心 业 务，是 重 污 染 预 警 应 急 和 大气污染防控不可或缺的基础工作。环境空气质 量指数（ AQI） 预报是城市环境空气质量预报的基 本内容，是公众了解未来空气质量状况最直接的 方式，成为空气质量预报业务部门的重要例行工 作。目前，国 内 重 点 城 市 已 陆 续 开 展 AQI 预 报［1-2］，但尚未形成规范的 AQI 预报方法，无法满 足城市 AQI 预报信息统一发布要求，迫切需要建 立一套标准化的 AQI 预报方法体系。本文以全国 城市空气质量实时发布平台 2014 年典型城市的 实况监测数据为基础，利用统计学方法对数据进 行分析，探讨城市 24 h AQI 范围预报方法和偏差 修正的确定依据，以及相关的质量控制技术，以期 为各城 市 开 展 AQI 预 报 提 供 实 用 方 法 和 技 术 参考。
摘 要： 城市环境空气质量指数预报是环境信息公众服务的重要内容，以城市 24 h 空气质量指数预报为例，探讨了其范围预报
方法，并通过均方差的数理统计方法，分析典型城市每日空气质量指数实况数据的波动范围以及预报与实况偏差，针对不同空
气质量级别提出建议性的空气质量指数预报变化幅度修正范围，并对预报过程中的质量控制技术进行了初步讨论。
根据初步判断 AQI 变化趋势，设定 AQI 范围 中心线的大致位置，即偏向趋势变化所向级别的 低、中、高 段 位。 通 常 根 据 好 转、稳 定、变 差 的 趋
收稿日期： 2015-08-20； 修订日期： 2015-09-08 基金项目： 2014 年环保公益项目“珠三角区域空气质量达标管理关键支撑技术研究”（ 201409009） 作者简介： 王晓彦（ 1985-） ，女，河北邢台人，硕士，工程师。 通讯作者： 李健军
关键词： 空气质量指数； 范围预报； 变化幅度； 质量控制
中图分类号： X830. 3
文献标志码： A
文章编号： 1002-6002（ 2015） 06-0139-04
Discussion on the Methods of Urban Ambient Air Quality Index Ｒange Forecasting WANG Xiao-yan1 ，CHEN Jia2 ，ZHU Li-li1 ，ZHAO Yi-lin1 ，YAN Hui1 ，LI Jian-jun1 1． State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China 2． Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China Abstract： Urban ambient air quality index forecasting information is an important content of environmental information services for public． Taking 24 h air quality index forecasting as an example，this study discussed the method of air quality index range forecasting and related quality control techniques． Based on Standard Deviation statistical analysis，this study analyzed the fluctuation range of daily actual air quality index of several typical cities and the deviation of forecasting air quality index and actual air quality index，this study proposed a set of variation ranges of air quality index forecasting for different air quality levels． Key words： air quality index； range forecasting； variation range； quality control
7. 5 34. 0
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6. 8 14. 0 12. 3 13. 8 31. 3 71. 8
注： 以上数据来自全国城市空气质量实时发布平台的自动审核数据，仅作为 AQI 波动的一般性总体分析。“—”表示该空气质量级
别天数少于 3 d。
由表 1 可以看出，各区域的清洁城市和污染城 市在同一级别内的 AQI 均方差无明显差别，且随着 空气质量级别加重，清洁城市和污染城市 AQI 均方 差均表现出递增的总体趋势。14 个城市空气质量 为优级别时，AQI 均方差为 3. 6 ～ 9. 1，均值为 6. 1； 良至中度污染级别时，各城市 AQI 均方差相差不 大，为 6. 4 ～ 21. 7，均值为 13. 4，且有 90% 的均方差 处于 10 ～ 16 的范围内； 在重度污染级别时，各城市 AQI 均方差明显增加，为 19. 9 ～ 34. 0，均值为 26. 6； 在严重污染级别时各城市 AQI 均方差进一步增加，
表 1 2014 年各区域典型城市不同空气质量等级 AQI 均方差统计
华北
东北
华东
华中
华南
西南
西北
空气质量级别
张家口 邢台 大连 沈阳 舟山 济南 长沙 郑州 海口 广州 拉萨 成都 西宁
西安
优 良 轻度 中度 重度 严重
6. 6 13. 8 10. 9 15. 0 32. 6 21. 7
6. 1 14. 4 15. 1 13. 6 26. 1 70. 3
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中国环境监测
第 31 卷 第 6 期 2015 年 12 月
势，分别将 AQI 预报范围的中心线定位在稍低、持 平、稍高段位。例如，初步判断 AQI 是跨越良到轻 度污染两级的变差趋势，根据预估的 AQI 变化幅 度，将 中 心 点 设 定 在 偏 良、居 中 或 偏 轻 度 污 染 的 段位。 1. 3 变化幅度修正
为 20. 2 ～ 106. 8，均值为 62. 4。由此可见，不同空气 质量级别的 AQI 波动范围差异明显，应针对不同级 别设置不同的 AQI 预报变化幅度。 2. 2 AQI 变化幅度范围
对于空气质量良好、大气化学机理单一、污染 源排放量稳定、外来传输影响较小的清洁城市，其 每日 AQI 的正常波动范围相当于 AQI 的本底变化 幅度，可作为其他城市 AQI 预报变化幅度修正基 本参考值。以三亚市 2014 年 301 个空气质量优 级天的 AQI 统计结果为例，见图 1。
1 AQI 范围预报方法
1. 1 级别判断 在空气质量模式 AQI 预报结果的基础上，根
据空气质量实况、天气形势预报和污染源排放变 化，初步判断次日 AQI 预报级别，确定将其定位在 某个级别内还是两个级别间。例如优、优 ～ 良， 良、良 ～ 轻等空气质量级别。通常若天气形势稳 定或变化趋势清晰，AQI 可定位在某级别内。若 未来天气形势变化不明朗，例如，出现弱槽过境、 弱降水等，可将 AQI 定位在级别间进行跨级预报。 1. 2 中心线设定
第 31 卷 第 6 期 2015 年 12 月
中国环境监测 Environmental Monitoring in China
Vol． 31 No． 6 Dec． 2015
城市环境空气质量指数范围预报方法初探
王晓彦1 ，陈 佳2 ，朱莉莉1 ，赵熠琳1 ，闫 慧1 ，李健军1
1． 中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2． 中国科学院大气物理研究所，北京 100029
3. 9 13. 0 13. 0 14. 6 22. 9 66. 1
8. 0 12. 6 17. 9
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7. 6 14. 0 14. 3 15. 5 26. 4 54. 5
4. 8 12. 4 12. 5
对于空气质量一般的城市，AQI 预报较易受到 气象条件、污染源排放、大气复合污染程度、季节等 因素变化的影响，每日 AQI 波动范围较大。以机动 车尾气污染为主的杭州市 2014 年 110 d 轻度污染 AQI 的分布为例，如图 2 所示。AQI 分布较为分散， 均方差为 13. 3，超过 78% 的 AQI 集中在轻度污染 （ 101 ～ 150） 的中低位区间（ 101 ～ 130） ，设定轻度污 染 AQI 预报较合理的变化幅度范围为 15。
4. 6 3. 6 12. 9 13. 0 12. 3 14. 5 13. 5 14. 2 22. 4 19. 9
— 106. 8
7. 3 12. 4 12. 7 21. 7
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— 10. 2 14. 0 12. 9 20. 9 88. 1
6. 3 13. 5 13. 2 13. 4 29. 3 20. 2
方法在下文详细讨论
2 AQI 预报范围订正
2. 1 AQI 分级波动范围 为分析不同区域、不同污染程度的城市 AQI
分级波动情况，选取张家口、邢台、大连、沈阳、舟 山、济南、长 沙、郑 州、海 口、广 州、拉 萨、成 都、西 宁、西安 14 个典型城市，分别代表华北、东北、华 东、华中、华南、西南、西北地区相对清洁和污染的 城市情况，采用均方差来反映一组数据离散程度 的最常用量化指标，对上述 14 个城市 2014 年的 实况 AQI 数据进行统计，以分析不同空气质量级 别的 AQI 波动情况。见表 1。
2. 3 AQI 模式预报偏差分析
城市空气质量模式预报结果与实况 AQI 的偏 差在一定程度上也有助于指导 AQI 预报变化幅度 的设定。以 2014 年中国科学院大气物理研究所研 发的 NAQPMS 数值预报模式对北京市的 24 h AQI 预报为例，统计每日预报 AQI 与实况 AQI 偏差的绝 对值，经过 3 轮异常值剔除（ 与平均值的偏差大于 2 倍均方差的视为异常值） ，不同空气质量等级的 偏差绝对值的均方差分布如图 4 所示。由图 4 可 知，从优级至严重污染，比偏差绝对值的均方差在 4. 4 ～ 32. 7。空气质量越好，均方差越小，反之亦 然。空气质量优级时，均方差小于 5。轻度污染至 严重污染级别的均方差在 29. 1 ～ 32. 7 范围内，各 等级差别不明显。比较现实，有必要区分优良等级 和污染等级的 AQI 预报变化幅度范围。
图 1 三亚市 2014 年优级天 AQI 分布
王晓彦等： 中小城市空气质量预报试验与问题研究
141
由图 1 可见，优级天 AQI 近似服从平均值为 31. 8，方 差 为 62. 1 的 正 态 分 布，90% 的 优 级 天 AQI 集中在 18. 9 ～ 44. 7 的范围内，以 均 值 31. 8 为中心，上下均浮动 12. 9，设定 AQI 在优级天的 本底变化幅度为 10，在 一 定 程 度 上 可 视 为 城 市 AQI 预报的基本波动范围。
环境空气质量预报是落实《大气污染防治行 动计划》的 新 兴 核 心 业 务，是 重 污 染 预 警 应 急 和 大气污染防控不可或缺的基础工作。环境空气质 量指数（ AQI） 预报是城市环境空气质量预报的基 本内容，是公众了解未来空气质量状况最直接的 方式，成为空气质量预报业务部门的重要例行工 作。目前，国 内 重 点 城 市 已 陆 续 开 展 AQI 预 报［1-2］，但尚未形成规范的 AQI 预报方法，无法满 足城市 AQI 预报信息统一发布要求，迫切需要建 立一套标准化的 AQI 预报方法体系。本文以全国 城市空气质量实时发布平台 2014 年典型城市的 实况监测数据为基础，利用统计学方法对数据进 行分析，探讨城市 24 h AQI 范围预报方法和偏差 修正的确定依据，以及相关的质量控制技术，以期 为各城 市 开 展 AQI 预 报 提 供 实 用 方 法 和 技 术 参考。
摘 要： 城市环境空气质量指数预报是环境信息公众服务的重要内容，以城市 24 h 空气质量指数预报为例，探讨了其范围预报
方法，并通过均方差的数理统计方法，分析典型城市每日空气质量指数实况数据的波动范围以及预报与实况偏差，针对不同空
气质量级别提出建议性的空气质量指数预报变化幅度修正范围，并对预报过程中的质量控制技术进行了初步讨论。
根据初步判断 AQI 变化趋势，设定 AQI 范围 中心线的大致位置，即偏向趋势变化所向级别的 低、中、高 段 位。 通 常 根 据 好 转、稳 定、变 差 的 趋
收稿日期： 2015-08-20； 修订日期： 2015-09-08 基金项目： 2014 年环保公益项目“珠三角区域空气质量达标管理关键支撑技术研究”（ 201409009） 作者简介： 王晓彦（ 1985-） ，女，河北邢台人，硕士，工程师。 通讯作者： 李健军