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独家探秘:一份空气质量预报背后的“玄机”

12369.org chnlive.com 时间:2017-01-03 09:38:12作者:佚名 来源:中国环境报

摘要:在很多人眼里,空气质量预报与气象预报一样。但当你走近空气质量预报,才会发现,想要接近100%的空气污染过程预报准确率是多么不容易。...

  走进中国环境监测总站空气质量预报室,几个电子显示屏上的气象云图风云变幻,几位空气质量预报员正在研讨未来几天气象变化对空气质量的影响。旁 边的显示屏上,北京、河北、山东等地的空气质量预报员也在参与联合会商,提出自己对本区域的空气质量预测。

  这是每天大家接收到的空气质量预报的产生过程。在很多人眼里,空气质量预报与气象预报一样。但当你走近空气质量预报,才会发现,想要接近100%的空气污染过程预报准确率是多么不容易。

  空气质量预报出炉:科学技术与人类经验的完美结合 

  坐在记者面前的3位中国环境监测总站环境质量预报预警中心预报员都很年轻。但是,他们却已经是“久经沙场”经验丰富的“老”预报员了。从2013年1月1日中国环境监测总站开始发布空气质量预报,他们就一直在从事预测预报工作。

  目前,中国环境监测总站空气质量预报的职责主要有两个方面:一个是为社会公众服务,提供环境空气质量日常预报、重污染过程预报和春节等主要节假日预报信息服务;一个是为管理部门服务,提供大气污染程度预报预测和大气重污染过程预报,提供重污染应急响应、大气污染防治、环境质量管理等科学决策所需综合预报预测技术支撑,提供重大活动环境质量保障预报技术支持。

  一份空气质量预报的出炉,需要经过5道门槛。以中国环境监测总站环境质量预报预警中心所负责的京津冀及周边区域预报工作为例,目前大尺度区域预报是在空气质量数值预报基础上,结合对污染源变化的认识、对大气条件对扩散传输沉降影响变化的认识、对实时空气质量变化监测的认识、对大气化学机理规律尤其是重污染过程影响的认识等主要影响方面的综合分析。通俗地讲,就是将空气质量数值预报模型得出的结论,与污染源、大气条件变化、实时空气质量监测、大气化学机理结合起来,进行综合分析后再做出预测。

  “经验是我们最宝贵的财富,也是我们准确预报空气质量状况的依仗之一。”预报员刘冰告诉记者,“空气质量预报需要以现有可供利用的最高水平科学技术应用为基础,建立可靠的预报值班和会商制度,遵循严格的作业流程,最大程度地进行客观分析,冷静沉着地完成预报业务。”

  一次准确的空气质量预报,就是一次由科学技术与人类经验的完美结合。

  空气质量预报为什么那么难? 

  “空气质量预报面临多种主要影响因素,具有很高程度的复杂性。”预报员王威介绍说,“预报员必须具备多方面知识和分析技能,善于应用模式集合预报、实时监测数据同化、污染过程分析、源识别和源追踪等技术手段,严格遵循预报作业流程,才能够尽可能减少人为判断误差。”

  空气质量预报的基础就是空气质量数值预报产品。目前,中国环境监测总的空气质量预报有效参考可以达到5天,部分情况可以达到6~7天。

  在预报作业时,预报员首先要了解多模式数值预报综合反映的空气质量变化模拟趋势,对京津冀及周边区域和中东部大范围潜在污染过程的发生发展相关的系列特征和指标进行预判,包括污染开始、演变和消除关键过程,影响范围、严重程度、持续时间,以及可能影响的城市,城市PM2.5小时浓度最高值及最高值出现的时间以及相关的污染来源追因、局地变化、区域传输模拟等关键预报内容。

  污染源的变化是预报需要考虑的大气污染内因。在预报作业时,预报员需要对人为源和自然源的分布及变化有较全面的动态分析。在对预报区域的主要人为污染源规模及其季度变化了解的基础上,还需要在特定的时间,关注主要自然源包括沙尘暴传输、秸秆燃烧传输、节假日烟花爆竹排放等突发性排放的后续影响。

  大气条件的变化是预报需要考虑的大气污染外因。在预报作业时,预报员需要对影响大气污染物扩散、传输、湿沉降和干沉降的大气条件进行较全面的预测分析。

  在预测未来5至7天的大气条件时,预报员需要分析从高空到地面的气象预报产品,通常包括500百帕(约5500米高度)、700百帕(约3000米高度)、850百帕(约1500米高度)、海平面等高、中、低不同层面有代表性的气压、气温、风向、风速、相对湿度、降雨量等气象预报场。

  预报员在秋冬季节需要分析影响二次生成污染物包括PM2.5浓度水平变化的大气边界层厚度及环境能见度变化、边界层水平和垂直风分布变化、边界层逆温和水汽变化,在夏季还需要分析影响光化学反应及臭氧浓度水平变化的太阳辐射强度、紫外辐射强度变化。

  空气质量综合实时监测是预报的起始条件。预报员需要通过关注和分析区域与城市常规监测站和超级站等各种不同有代表性地理位置的实时在线监测数据的变化,例如常规污染物包括臭氧、氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫等质量浓度,PM1、PM2.5、PM10质量浓度,大气环境卫星遥感立体观测结果等数据,分析大气污染物的浓度水平动态变化,简要分析这些数据所代表的污染来源和贡献,来判断局地污染源排放和邻近区域污染物传输变化的前期影响和后续影响。

  大气化学机理是预报需要考虑的大气污染形成机制。预报员需要在大气污染过程主要涉及的数以百计的大气化学反应方程中,根据不同的污染过程条件关注细粒子二次生成、光化学反应烟雾生成、混合反应、异相反应等等主要影响机制,来分析判断可能的污染物生成水平或增幅。

  在上述预报作业流程中,预报员还需要分析未来7~10天数以百计的空气质量相关数值预报图形和数据产品、气象数值预报相关图形和数据产品、实时空气质量监测相关图形和数据产品、气象实况观测相关图形和数据产品。

  这些复杂而繁琐的流程,眼花缭乱的图表,足以让普通人望而却步,而预报员却是每天都要面对,不但要准确把握,还要做出精准分析,进而预判未来趋势,难度可想而知。

  预报为什么有时不准? 

  预报空气质量很难,更难的是要预测准确。

  今年秋冬以来,几次大范围的雾霾都被中国环境监测总站准确预报。“预报空气污染过程我们的准确率很高,但是准确预报污染等级却非常难。”刘冰说。

  “预报的不确定性取决于预报的偏差。预报的偏差客观上主要来源于影响空气质量数值预报产品的4个主要因素,包括污染源清单的完整性和准确性、气象初始场的完整性和准确性、大气污染物监测初始场的完整性和准确性、大气化学反应机理的完整性和准确性。”预报员王晓彦介绍说。

  污染源清单的偏差,主要来源于人为污染源和自然源的尚未了解程度和变化的影响。自然源方面,例如森林植被的天然挥发性有机物排放对臭氧生成有很大的影响,但是天然挥发性有机物的排放清单,目前还有不少地区空白,因此这些自然源还有不少尚未了解其程度和变化的影响。

  环境空气质量监测的偏差,主要来源于监测网络覆盖的密度和立体监测的缺乏。

  大气化学反应机理的偏差,主要来源于我国大气污染物生成和演化机理的尚未了解程度。

  “在现有污染源清单、空气质量监测和大气化学机理的基础上,影响日常空气质量预报最常见的是气象预报的不确定性。”王威说,预报员需要比较至少3个不同的空气质量数值预报模式、至少3个国际主流气象机构至少两个主要时次的气象产品,这些产品经常可能是不一致和矛盾的,因此预报员在进行这些预报作业中,需要缜密的分析、清晰的判断和逻辑的总结。

  “空气质量预报涉及环境科学交叉学科的多个研究领域,存在受多种客观因素影响的不确定性。”刘冰告诉记者,空气质量预报需要联合国内外空气质量预报研究发展水平最高、业务化水平经验最丰富的科研院所的前沿科研技术力量团队,进行联合研究及业务化应用等共同建设,以集中最先进的科学技术和资源,持续提高预报准确性水平,减少预报偏差和不确定性,达到最佳的服务效果。

  一句话,没有身经百战的多年磨练、高超的技术水平、过硬的心理素质,难以成为一名优秀预报员。

  目前,我国空气质量预报工作在逐步推进过程中。全国直辖市、省会城市、计划单列市已经首先实现24~48小时城市短期空气质量预报,提供公众健康生活出行指引服务,同时提供未来3~5天的污染预测。

  在“十三五”期间,更多的省市将实现5天预报和未来一周的污染潜势预测,推进应用污染源追因等综合预报支持技术应用。

作者:佚名 来源:中国环境报



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