5-重污染天气预警预报系统及应急对策

能见度于20日傍晚开始急剧下降， 能见度不足百米，局部2-3米。
主要内容
1、重污染：重大的挑战
2、重污染天气预报方法 3、重污染天气预警方式
4、重污染天气应急对策
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大气污染预报的主要方法有： 潜势预报、统计预报、数值模式预报。
预报方法 潜势预报 特征 以经验为主 的预报方式 事例 优缺点 美国：分停滞区 方法简单，实际操 英国：结合气象因素的经验模式 作方便，但需要基 日本：根据地理位置及气象，分 于大量的数据。 类预报 前苏联：经验统计方法 多采用统计学回归模型，以多元 原理简单，运用比 回归方法为主。我国推荐多元回 较方便。且能快速 归与kalman滤波方法 得出预报结果 国外有基于WRF-Chem，CMAQ 操作复杂，需要数 的预报方法，我国推荐中科院大 据量大，且运算耗 气所模式、气科院模式及国家气 时长 象中心模式
酸沉降超临界符合区域
近地层臭氧污染加剧
2013年京津冀臭氧污染
日最大8小时平均浓度超标率
• • • • •
5月份：40.7% 6月份：49.7% 7月份：40.7% 8月份：44.5% 9月份：24.6%
典型地区大气氧化性持续增强
8月份平均超标19.6天， 其中臭氧超标9.5天，PM2.5超标 8.1天
向传送并修正各层连接权值，当每个训练模式都满足要 求时，学习结束。
（杨树平等，2003）
相对误差在14.3%之下
数值预报
排 放 源 清 单
其它
点源 面源 移动源 。。。。
气象场
空 气 质 量 模 型
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统计预报
排放源清单的要求：
包含各类排放源和各种污染物
排放源：固定源和移动源，另外要涵盖一些其它源，如道路、建筑扬尘源， 生物质燃烧源。 污染物：除了常规的SO2、NOX、PM2.5、PM10，还要包含参与光化学反应 的大气污染物CO和VOC。
PRICAN与AGGEGATION是后处理模块
NAQPMS由四个子系统构成，即ftp数 据自动下载系统，中尺度天气预报系 统(MM5)，空气污染预报系统 （NAQM)和预报结果分析系统。在国 内运用较多。
各模式对三种污染物的预测比较（王茜等，2010） 总体看来，数值模式相比于其他模式，准确率更高。误差更 小
详细的污染源排放信息
包括：排放源类别信息、空间地理分布、技术类别和控制措施等信息。
高空间分辨率
对于点源，需要详细的经纬度坐标信息；对于面源，需要达到模拟网络分辨 率的空间权重因子（高分辨率人口、道路、土地利用数据）
高时间分辨率
区域空气质量模拟需要每小时的排放量数据，因此需要收集反应各类排放源 时间变化规律活动信息。
统计预报
以数学统计 为主的预报 模式 以定量描述 空间污染物 浓度为主的 模式
数值模式
潜势预报
是以天气形势预报为基础的
二次预报
其预报的准确程度与天气形 势预报的精度有着直接的关系 基本方法是从已发生的各污 染事件着手，归纳总结出发生
准确率75%左右
污染事件时，所特有的气象条
件，天气形势及气象指标。
相对误差在48%以下
统计预报
3.人工神经网络
人工神经网络的原理是：当给定网络一个输入模式时，
它由输入层单元传递到隐藏层单元，经隐藏层单元逐层
处理后再传递到输出层单元，由输出层单元处理后产生 一个输出模式、这是一个逐层状态更新过程，称前向传 播；如果输出响应与输出期望输出模式有误差，不满足
要求，则转入误差反向传播，将误差沿连接通路逐层反
臭氧：“在天是佛，在地是魔”
平流层臭氧浓度显著下降
重污染过程频发：2013年1月京津冀
2013年1月PM2.5日均浓度分布
重污染过程频发：2013年国庆节
石家庄空气质量指数 北京空气质量指数
重污染过程频发：哈尔滨采暖初期
2013年10月PM2.5浓度日变化
第一次：中小学放假两天！
PM2.5最大小时浓度达到1956毫克/立方米
中国环境科学研究院
Chinese Research Academy of Environmental Sciences
重污染预报预警系统及应急对策
柴发合 邱雄辉 中国环境科学研究院 2013年11月8日 无锡
ຫໍສະໝຸດ Baidu 主要内容
1、重污染：重大的挑战
2、重污染天气预报方法 3、重污染天气预警方式
4、重污染天气应急对策
天气分型与兰州污染事件的对 应关系（杨民）
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潜势预报
Ⅰ级
污染特征 天气类型 气象因素
（赵惠芳，2009）
Ⅲ级
统计预报
统计预报分统计学回归模型、分类法、趋势外推法
三类。常用的用于空气质量预测的模型有逐步回归、
Kalman滤波法、人工神经网络等方法。 1、逐步回归方法
选取与预报对象相关度高的因子，建立线性回归 方程，并进行逐步回归，回归方程为：
PM2.5污染非常严重
北非撒哈拉沙漠
中国沿海地区
2001-2006年PM2.5浓度平均值 （Source：NASA，2010年）
酸雨污染格局没有明显改变！
2009 年，酸雨分布未发生明显变化。全国酸雨污染仍然较重，酸雨 （pH<5.6）发生面积约120万平方公里。 在我国西南、华南地区出现的区域性的酸雨污染由原来的硫酸型酸雨 逐渐向硫氮混合型酸雨转变，且呈加剧趋势。
1130 2260 3000 3750
282 565 750 938
一级 二级 三级 四级
350ug/m3 420ug/m3 500ug/m3 600 ug/m3
欧盟指令2008/50/EC中的预警规定
臭氧警示信息（ozone information）浓度（一
小时）为180ug/m3
臭氧警报（ozone alert）浓度（一小时）为 240ug/m3 二氧化硫警报浓度为连续3小时超过100平方公 里达到500ug/m3
0.3ppm 一级 0.6ppm 0.15ppm 一级
二级
三级 一级
0.4ppm
二级
30ppm 二级
40ppm 三级 一级 二级 三级
0.6ppm 二级 1.2ppm 0.3ppm
0.8ppm 三级 1.6ppm 0.4ppm 0.3ppm 0.6ppm 0.8ppm
二级
三级
420ug/m3
500ug/m3
严重污染级别。
Ⅰ级预警（红色）：一天以上AQI≥500，空气质量为极严 重污染。 当臭氧是首要污染物时，要同时计算次要污染物AQI指数， 并按照次要污染物AQI指数进行预警级别划分。
二氧化氮警报浓度为连续3小时超过100平方公
里达到400ug/m3
我国重污染分级
我国分类较多，环境保护部发布的《城市 大气重污染应急事件编制指南》中将重污染 预警按按AQI指数分为二级。 目前约有40多个省、市（直辖市）、县发 布了大气重污染应急预案，但分级情况均不
统一。
此外，在预警时间划分上，各地也不统一。 北京市 四级（蓝色）：未来1天出现重度污染
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二氧化硫减排取得明显成效
氮氧化物、挥发性有机物排放量快速攀升，一次细颗粒物排放成增加趋势！
纵向：城市空气质量持续改善
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 劣于三级 处于三级 优于二级 2002 31.2 34.7 34.1 2003 26.8 31.5 41.7 2004 20.2 41.2 38.6 2005 10.6 29.1 60.3 2006 9.1 28.5 62.4 2007 3.4 36.1 60.5 2008 1.4 21.8 76.8 2009 1.3 16.2 82.5 2010 1.7 15.5 82.8
多层双向网格嵌套 计算，模拟的结果 由粗到细
单网格内考虑 复杂化学反应
CMAQ特点——One atmosphere
CMAQ模块组成
WRF SMOKE
初始值模块（ ICON）， 提供初始场 边界值模块（BCON）， 提供边界场 光解速率模块（JPROC），计算光化学分解率
化学反应机制处理（CCTM），是CAMQ核心模块
0.35ppm 二级 0.5ppm 0.2ppm 0.4ppm 0.5ppm --三级 一级 二级 三级 一级
100ppm 40ppm 三级 15ppm 一级 30ppm 二级 40ppm 三级 --一级
0.3ppm 一级 0.6ppm 0.15ppm 一级 0.6ppm 二级 1.2ppm 0.3ppm 0.8ppm 三级 1.6ppm 0.4ppm 二级 三级
美国：采用AirNOW预报系统，能提前24小时预报空气情况。
美国空气指数与24小时预测图 数据时间：北京时间2013年9月8日
数据来源http://www.airnow.gov
英国：采用AirText预报系统，能 提前未来48小时预报空气情况。
欧盟：通过MACC（Monitoring atmospheric composition & climate）评估空气质量，该系统由法国的空气质量预测模型 及地图平台PREV’AIR/CHIMERE发展而来
主要内容
1、重污染：重大的挑战
2、重污染天气预报方法 3、重污染天气预警方式
4、重污染天气应急对策
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美国大气重污染预警分级
不同的州污染物浓度警报基本相同，但是也有个别污染物规定不同。
O3 加州南海 岸空气质 量控制局 一级 二级 三级 一级 北卡罗来 纳州 二级 三级 一级 西弗吉尼 亚州 1h 0.2ppm CO 一级 1h 40ppm 75ppm 8h SO2 1h 24h N02 1h 24h PM10 24h 350ug/m3 420ug/m3 500ug/m3 350ug/m3 420ug/m3 500ug/m3 350ug/m3(24小 时)，15ppm(8小 时)，0.2ppm(1 小时) 375ug/m3 625ug/m3 875ug/m3 PM 15ppm 一级 30ppm 二级 0.5ppm 0.2ppm 一级 0.6ppm 0.15ppm 一级 1ppm 2ppm 0.6ppm 二级 1.2ppm 0.3ppm 0.8ppm 三级 1.6ppm 0.4ppm 二级 三级
为预报浓度的估计值， 为预报因子,αn为 回归 系数，b为常数项，n为预报方程选入 的因子数
统计预报
2.kalman滤波法
卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器, 它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中， 估计动态系统的状态。广泛用于导弹航道计 算及雷达跟踪中。
Kalman滤波在大连空气质量预测中 的应用（周势俊，2000）
四级
三级（黄色）：未来1天出现严度污染或持续三天出现重度污染 二级（橙色）：未来持续3天交替出现重度污染或严重污染 一级（红色）：未来持续3天出现严重污染
石家庄市 Ⅲ级预警（黄色）：连续三天AQI>200(指城市所有国控环 境空气监测点AQI日均值)，但未达到Ⅱ级、Ⅰ级预警等级， 空气质量为重度污染或以上级别。 Ⅱ级预警（橙色）：连续三天500＞AQI>300，空气质量为
0.65ppm 三级
阿拉巴马 州
二级 三级 一级
环境空气 质量标准 二级 第7条：空 气污染应 三级 急事件 四级
400 一级 （g/m3） 800 二级 （g/m3） 1000 三级 （g/m3） 1200 四级 （g/m3）
17 34 46 114 57.5
一级 二级 三级 四级
800 一级 （g/m3） 1600 二级 （g/m3） 2100 三级 （g/m3） 2620 四级 （g/m3）
高化学物种分辨率
空气质量模型中的化学反应模块要求排放源清单要处理成化学反应的物种成 分，因此需要根据排放源特征，建立对应的化学物种谱。
空气质量预报模型
常见的预报模型有：CMAQ(Community Modeling and Analysis System， 美国EPA )，NAQPMS(嵌套网格空气质量模式系统，中科院大气所)， WRF-CHEM作为在线模式，已被广泛用于预报工作，目前美国CMAQ 也在向在线模式方向努力。
仅按GB3095-1996以SO2、PM10、NO2三项指标衡量
2010年，在监测的471个城市中，81个城市（其中30个为重点 城市）空气质量达不到二级标准，8个城市空气质量劣于三级。
横向：城市大气污染仍然十分严重
WHO公布了世界1082个城市2008-2010年可吸入颗粒物年均浓度分布，我国 32个省会城市参与排名，最好的是海口，排名第814位，其余均在890位以后， 北京排名相当靠后，列1035位