晋江城市空气质量污染潜势统计预报方法初探

书书书第２５卷第５期２００９年１０月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．５Ｏｃｔｏｂｅｒ２００９收稿日期：２００９－０５－０７；修订日期：２００９－０６－０１。基金项目：福建省晋江市科技项目基金（２００７－４－４－７）资助。作者简介：赵惠芳，女，１９７２年生，工程师，主要从事天气动力和应用气象研究。晋江城市空气质量污染潜势统计预报方法初探赵惠芳１　陈雅莲１　唐会荣２　杨建东１（１晋江市气象局，福建晋江３６２２００；２石狮市气象局，福建石狮３６２７００）　　摘　要：根据实际工作经验，通过分析气象条件对晋江城市空气质量的影响，建立了一套以天气形势为依托，综合考虑气象要素变化，以分类法与趋势外推法相结合的空气污染潜势的统计预报方法。经实践检验：用该方法预报空气质量为Ⅰ级和Ⅲ级以上的准确率分别为９５２％和７９２％，ＡＰＩ指数误差在［－１０，１０］的命中率达到８２５％。预报方法简单、经济、实用，预报准确率较高，可为沿海地区中小城市今后开展空气质量预报提供参考。关键词：空气质量；污染潜势；气象条件；统计预报方法　　中图分类号：Ｐ４５６８　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０５－００２７－０４　　１　引言按照环境空气质量预报模式分类，当前有三类方法，分别为潜势预报、统计预报模式和数值预报模式［１］，而实际工作中，常用的预报方法为后两种。数值预报方法研究工作技术难度大，投资高，系统运行时间较长，难以满足地市级以下的日常预报工作的时效性要求。统计预报模式是以数理统计为基础，以空气污染浓度资料及同期的气象资料为依据建立的预报模式。统计模式主要有多元回归法（应用过去的浓度气象资料进行分析预测）、分类法（通过分析过去的污染物浓度与天气形势之间的对应关系，导出每类天气型的浓度时空分布规律，建立定性关系）和趋势外延法（根据污染物变化的特点，通过对历史污染物浓度的变化趋势进行分析，找出其中的变化规律特征，由此对未来污染物浓度的变化情况进行推断）。目前利用多元回归方法制作污染指数预报的研究较多，如天津［２］、合肥［３］和山东日照［４］、新疆石河子［５］等地先后使用多元回归法开展空气质量预报。福建省福州和泉州两地也都采用回归方程制作当地空气质量污染指数预报。由于所采用的回归法一般假定气象因子与污染物浓度呈线性关系，但实际上两者并非一定为线性，故实践发现，回归法预报效果并不理想：泉州环境监测站［７］采用回归方程制作的ＡＰＩ指数预测仅达５６６７％。而南通市环境监测中心站［８］利用分类法和趋势外延法作出的ＡＰＩ指数预报准确率为６１００％，高于回归方法和其他方法。本文主要借鉴统计分类法和趋势外延法的思路，寻找一种适合本地的空气质量污染潜势的统计预报方法。通过分析晋江市区气候及空气质量分布特征，基于空气质量为Ⅰ级和Ⅲ级以上的气象条件，归纳出空气质量等级为Ⅰ级和Ⅲ级以上与气象条件的内在关系，摸索出一套以天气形势为依托、综合考虑气象要素变化和分类法与趋势外推法相结合的综合预报方法，建立空气污染潜势统计预报方法模式。２　空气质量影响因素的分析２１　空气污染特征根据２００６—２００７年观测资料统计，可以发现晋江市空气质量状况主要有以下特征［９］：（１）晋江市空气质量总体较好，优良率高达９４％，其中Ⅰ级（优）占３６％，而Ⅲ级（轻微污染）以上仅占６％，其中２ａ内仅１ｄ出现Ⅳ级（中度污染），无Ⅴ级（重污染）天气。（２）晋江市大气污染物主要有ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０，其中ＰＭ１０浓度远大于其他两种污染物浓度，而ＰＭ１０作为首要污染物出现频率近似为１００％。ＰＭ１０浓度对空气质量起到关键的作用。２２　天气形势对空气质量的影响统计资料证明，海洋性气候是晋江市空气质量优良率高的主要原因。普查２００６—２００７年空气质量为Ⅰ级和Ⅲ级以上对应的天气形势，可以得到以下研究结果［９］（另文分析）：（１）空气质量为Ⅰ级对应的主要天气形势有：冷空气影响过程占４８％，副热带高压稳定控制和副热带高压边缘不稳定型［１０］占２５％，台风影响过程占１５％，低涡切变影响过程和高空槽东移过程。（２）空气质量为Ⅲ级以上对应的主要天气形势：２８　　　气象与环境学报第２５卷　ＳＷ暖湿气流占３６％，高压后部或底部占２２％，弱冷空气影响后期占１６％及副热带高压减弱及台风外围下沉气流等。２３　地面气象要素对空气质量的影响统计２００６—２００７年空气质量为Ⅰ级和Ⅲ级以上对应的地面气象要素变化及天气现象，可以发现：（１）降水和大风对净化空气非常有利：明显的强降水对空气的洗刷作用显著，而雷雨净化空气的能力受到一定限制，多数雷雨不能彻底净化空气；本站出现１０ｍｉｎ最大风力３—４级或以上时，有利于污染物的扩散［９］。（２）气压下降，气温和水汽压升高，易导致污染物浓度升高，产生空气污染；出现空气污染的天气中一般有（轻）雾霾等视程障碍现象，地面伴有露水现象。３　预报模型的建立３１　基本思路（１）由于晋江市区空气质量为Ⅱ级的多达５８％，首要污染物近似均为ＰＭ１０，均属于较大概率事件；而Ⅰ级和Ⅲ级以上的天数分别占３４％和６％，其中后者对人们的健康及出行影响较大，属于较小概率事件；所以在此以空气质量为Ⅱ级作为预报基础，默认首要污染物为ＰＭ１０，重点讨论空气质量等级为Ⅰ级和Ⅲ级以上的预报问题。（２）在晋江不存在冬季采暖，北方的沙尘暴对晋江市没有明显影响。晋江市区无重工业区，可以说气象条件是影响晋江市区空气质量的重要因素之一。而气象条件的宏观体现为天气形势的变化，微观体现为气象要素的变化，这些气象因子在空气污染预报中起决定性作用。因此，将影响晋江市的天气形势主要分成六大类即：冷空气型、副热带高压型、台风型、ＳＷ暖区型、高压底（后）部和气压梯度力型。（３）选择对空气质量起主要作用的预报因子，即风速、风向、降雨量、气温、２４ｈ变温、２４ｈ变压和能见度等。（４）空气中污染物的浓度从低到高有一个积累过程，从高到低也有一个稀释过程，而污染物浓度直接体现在ＡＰＩ指数中，为简化起见，直接预报ＡＰＩ指数的变化趋势。３２　预报技术流程空气污染指数即ＡＰＩ指数是一种定量、客观评价空气环境质量的指标，由于空气中的污染物浓度有积累和稀释过程，对应的ＡＰＩ指数也存在相似规律。在空气质量预报中，过去２４ｈＡＰＩ指数即空气污染物实况是预报基础，关键是未来２４ｈ的天气形势和地面气象要素的预报及选择的预报指标，预报指标的优劣将直接影响空气质量预报的准确率。预报流程见图１。图１　预报技术流程３３　空气质量污染潜势统计预报模式晋江空气质量的优劣很大程度上取决于气象条件的变化，而空气质量的优劣又直接体现在ＡＰＩ指数中。研究发现，ＡＰＩ指数变化与气象条件密切相关。在特定的气象条件下，ＡＰＩ指数会突然升高或突然降低，但升降幅度依赖于天气形势的变化，如２００６年２月２１—２２日，晋江处于冷空气前的回暖天气当中，平均气温由２１日的１６４℃升至２２日的１８５℃，ＡＰＩ指数也由２１日的７０增加到２２日的１１５；２２日傍晚前后，受强冷空气的影响，沿海风力明显加大，同时气温骤降，气温由中午的最高２５３℃下降至２０时的１４２℃；２３日继续降温至１１６℃，ＡＰＩ指数也随着冷空气的影响呈现显著下降趋势，由２２日的１１５骤降至２３日的３３，空气质量由前日的轻微污染直接转为优。因此预报模式中，将前期ＡＰＩ指数作为基础，对影响晋江的天气形势分类，重点找出相关的气象因子指标，预报ＡＰＩ指数的趋势变化，通过最终预报得到的ＡＰＩ指数，预报空气质量等级。预报模式见表１和表２。４　模型效果检验４１　空气质量Ⅰ级和Ⅲ级以上预报检验通过２００８年１—１０月模型实践检验，发现空气质量为Ⅰ级和Ⅲ级以上的准确率分别为９５２％和７９２％，远远高于目前环境监测站３００％的准确率，Ⅰ级预报能力总体高于Ⅲ级以上，其中Ⅰ级空报率略多于漏报率，Ⅲ级以上空报和漏报率相对较大，均达到２０８％，总体效果较好，对空气质量的等级预报有较好的指导意义。见表３。４２　ＡＰＩ指数预报检验　　模型实质是预报ＡＰＩ指数，统计检验期内预报　第５期赵惠芳等：晋江城市空气质量污染潜势统计预报方法初探２９　　　ＡＰＩ指数≥１００和≤５０的次数，共为１２３次。在此定义：ＡＰＩ误差＝预报ＡＰＩ指数－实际ＡＰＩ指数，若表１　空气质量为Ⅰ级的统计预报模式天气类型前期ＡＰＩ指数ＡＰＩ指数趋势气象因子指标冷空气东路强冷空气中西路冷空气＞１００下降８０以上下降５０以上（１）地面由偏南风转为东北风，沿海有８级以上大风，本站风力为３—４级或以上；（２）日平均气温下降５℃以上，气压上升５ｈＰａ以上。（１）日平均气温下降２℃以上，气压上升５ｈＰａ以上；（２）有小到中雨以上。台风台风正面影响台风外围影响５０—８０下降２０—３０（１）有明显的大风（东北或西南）和降水。（１）地面为东北风，本站最大风力为４级以上；（２）有弱降水或明显降水。副热带高压强盛的副热带高压控制副热带高压边缘不稳定５０—６０下降０—１０（１）２４ｈ内气压上升；（２）能见度大于２５ｋｍ；（３）日最高气温小于３４℃。（１）平均气温和最高气温有所下降；（２）有不稳定阵雨。气压梯度力６０—８０下降２０—３０（１）东北风，本站最大风力为４—５级或以上。　　注：系统性的连续降水（如切变和台风等）或系统性的大风（如冷空气和台风等）已造成前期ＡＰＩ指数低于５０，则在该系统影响结束或减弱前，ＡＰＩ指数将持续较低水平，变化不大。表２　空气质量为Ⅲ级以上的统计预报模式天气类型前期ＡＰＩ指数ＡＰＩ指数趋势气象因子指标冷空气前回暖７０—９０上升３０—６０（１）地面多为东南风，最大风力不超过３级；（２）前２—３ｄ平均气温回升２℃以上，气压下降１５ｈＰａ以上；（３）有时伴有弱雷暴，或远处闻雷；（４）能见度连续２—４ｄ低于１０ｋｍ。ＳＷ暖区高空弱脊地面倒槽ＳＷ气流６０—８０６０—７０上升４０—６０上升１００以上上升５０—６０（１）地面多为东南偏东风或偏南风，风力较弱；（２）平均气温上升２℃以上，气压下降２０ｈＰａ以上；（３）地面有倒槽发展时，伴有雷雨；（４）能见度低于１０ｋｍ。（１）地面多为西南风；（２）气温明显上升，平均气温上升３℃以上，气压下降２０ｈＰａ以上。减弱的副热带高压６０—７０上升４０—５０（１）地面多为偏南风或东南风；（２）天气晴热无雨或午后弱雷雨，最高气温超过３５℃；（３）能见度低于１０ｋｍ。台风外围下沉气流６０—７０上升５０—６０（１）地面多为偏西风或西南风，风力弱；（２）高温闷热，最高气温超过３５℃；（３）能见度低于１０ｋｍ。高压底部或后部６０—８０上升４０—５０（１）地面多为偏东风，风力弱；（２）云系较多，大多有弱降水；（３）能见度低于１０ｋｍ。　　注：前期ＡＰＩ指数已经高于１００，在没有明显系统影响前，ＡＰＩ指数仍然处于较高水平，一般为地面倒槽发展和减弱的副热带高压控制下的晴热天气，可持续１—２ｄ。表３　空气质量等级为Ⅰ级和Ⅲ级以上的预报检验空气质量等级总数／次准确率／（％）空报率／（％）漏报率／（％）Ⅰ级８３９５２１３３４８Ⅲ级以上２４７９２２０８２０８ＡＰＩ误差在［－１０，１０］内，则为ＡＰＩ指数命中率，统计ＡＰＩ命中率为８２３％，ＡＰＩ误差＞（±１０）为１７７％，其中ＡＰＩ误差＞（±２０）仅为５６％，说明在１７７％的ＡＰＩ误差率中有三分之二以上的预报ＡＰＩ指数接近５０或１００的标准。４３　预报误差率预报模型是建立在“污染源不变”这个假定的基础上，而事实上污染源（大气气溶胶）存在着周末效应［１１］、城市热岛效应等规律，人类活动对污染源的排放也起到一定的负面作用，所以污染源头较复杂，３０　　　气象与环境学报第２５卷　该模型中没有考虑污染源的变化是不客观的，势必产生预报误差。由于空气质量预报时效为１１时至翌日１１时，预报的空气质量等级和ＡＰＩ指数是一个静态平均值，而天气预报时效为２０时—２０时，有明显天气系统影响时，预报主体常常存在转折性动态变化，天气的转折