河北環(huán)境氣象智能評估系統(tǒng)研發(fā)與應用

馬翠平 ，楊雨靈 ，焦亞音 ，孟 凱 ，趙 娜 ，趙玉廣

（1.河北省環(huán)境氣象中心，石家莊 050021；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，石家莊 050021；3.河北省環(huán)境氣象職工創(chuàng)新工作室，石家莊 050021）

在經(jīng)濟高速發(fā)展的形勢下，由于環(huán)保意識滯后，導致空氣質(zhì)量惡化、重污染事件頻發(fā)[1]，尤其以京津冀、珠三角、長三角、關中地區(qū)等城市經(jīng)濟帶尤為顯著。大氣污染防治已成為我國面臨的一個嚴峻的挑戰(zhàn)與難題[2-4]。京津冀地區(qū)作為我國政治文化中心、經(jīng)濟發(fā)展重地，頻發(fā)的大氣污染事件已成為地區(qū)經(jīng)濟社會進一步發(fā)展的重大障礙。京津冀區(qū)域集聚了大量的水泥、鋼鐵、煉油石化等高污染產(chǎn)業(yè)和遍布各地的無組織零散高危害產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生的大氣污染物排放量巨大[5-6]，加上地形和氣候系統(tǒng)的不利影響，河北污染擴散能力較差，成為大氣污染的重災區(qū)[7]。

近年來，京津冀協(xié)同發(fā)展已上升到國家戰(zhàn)略層面。在經(jīng)濟、交通和文化等方面取得長足發(fā)展的同時，大氣治理作為京津冀一體化重點推進的工作任務之一，理應有所突破[8]。大氣污染防治要做到精準發(fā)力，有針對性地采取相應的污染防治措施。對大氣污染物來源分析，評估對空氣質(zhì)量影響顯著的敏感區(qū)域和敏感源是大氣污染防治工作的前提。其分析結(jié)果是制定大氣污染防治規(guī)劃的重要依據(jù)，也是基于污染天氣分型建立精準施策應急機制的重要科技支撐[9]。

多名學者利用中國科學院大氣物理研究所開發(fā)的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預報模式系統(tǒng)WRF?NAQPMS和美國NOAA預報系統(tǒng)實驗室開發(fā)的空氣質(zhì)量模式WRF-chem，模擬了京津冀、江蘇、上海等地PM2.5典型重度污染過程，分析了顆粒物及其組分的時空變化特征及其氣象影響因子[10-14]。朱莉莉等[15]采用WRF?NAQPMS搭建了江蘇省空氣質(zhì)量數(shù)值預報模式系統(tǒng)，并對系統(tǒng)預報效果進行了評價，模式系統(tǒng)整體能準確把握PM2.5質(zhì)量濃度的變化趨勢。唐湘博等[16]利用定量分析方法模擬計算出區(qū)域減排總成本最小化狀況下的污染協(xié)同減排補償標準及各轄區(qū)所承擔的污染物減排量，就區(qū)域污染協(xié)同減排補償機制提出了實施思路及保障措施。熊亞軍等[17]基于KNN數(shù)據(jù)挖掘算法計算的減排評估結(jié)果顯示，數(shù)值模擬結(jié)果與KNN數(shù)據(jù)分析結(jié)論吻合，進一步驗證了減排措施的有效性。潘錦秀等[18]利用NAQPMS評估不同減排方案對冬奧賽區(qū)PM2.5的影響，給出京津冀及周邊城市污染物排放量在當前的基礎上減排50%，冬奧期間將可能不出現(xiàn)重污染日的提議，為冬奧保障提供依據(jù)。翟世賢等[19]基于美國國家環(huán)境保護局研制的第三代空氣質(zhì)量預報和評估模式Model-3/CMAQ，進行不同區(qū)域、不同比例、不同減排時刻北京減排效果評估。

現(xiàn)階段利用數(shù)值模式開展空氣質(zhì)量預報效果準確性評價的成果相對較多，對空氣質(zhì)量數(shù)值預報效果給予可靠性評估，但利用數(shù)值模擬技術開展減排效果評估的成果相比甚少，僅有的文獻也以個例研究為主，在國內(nèi)沒有見到將該技術業(yè)務化應用的相關報道。

隨著大氣污染治理的深入，依據(jù)污染天氣分型開展重污染聯(lián)防聯(lián)控精準施策的需求越來越迫切，常態(tài)化開展重點區(qū)域和重點行業(yè)減排效果評估的意義十分重大，本文基于WebGIS平臺，利用數(shù)值模擬技術建立減排調(diào)控智能評估系統(tǒng)，實現(xiàn)科研級模擬評估技術業(yè)務化應用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

大氣污染減排調(diào)控智能評估系統(tǒng)集減排效果評估、污染源排放清單動態(tài)反演、污染物來源解析、氣象條件貢獻評估、運行監(jiān)控管理五大功能模塊于一體，利用“云后臺”集合了多源氣象和環(huán)境大數(shù)據(jù)，集成了空氣質(zhì)量模式CMAQ、污染追蹤模式CMAx等數(shù)值模式，把復雜的清單處理和格點轉(zhuǎn)換計算封裝在后臺，基于B/S（Browser/Server）架構(gòu)和WebGIS，實現(xiàn)基于“Web”前臺操控Linux系統(tǒng)自動運行腳本和數(shù)值模式作業(yè)，解決非專業(yè)人員開展數(shù)值模擬技術評估的技術瓶頸，實現(xiàn)科研級模擬評估技術的低門檻、廣應用，使減排效果模擬評估、污染物來源解析和氣象條件貢獻定量評估等研究性工作轉(zhuǎn)向業(yè)務應用，為省市縣氣象部門在削峰降污、精準治霾中發(fā)揮重要作用提供技術保障。圖1為河北省環(huán)境氣象智能評估系統(tǒng)框架示意圖，具體功能特征在文中詳細介紹。

圖1 河北省環(huán)境氣象智能評估系統(tǒng)框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent environmental meteo?rological assessment system in Hebei Province

1.1減排評估子系統(tǒng)

基于WRF-CMAQ模式實現(xiàn)重點行業(yè)污染排放管控效果數(shù)值模擬技術應用，減排效果智能評估流程見圖2。研發(fā)了脫離服務器級別的、可獨立交互操作的“1-click”一鍵式重點行業(yè)污染排放管控效果智能評估子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)值模擬技術由過去依賴專業(yè)人員的科研工具轉(zhuǎn)向業(yè)務應用。

1.1.1 減排方案制作

基于WebGIS人機交互技術，實現(xiàn)在地圖上圈選任意不規(guī)則調(diào)控區(qū)域與模式網(wǎng)格的自動轉(zhuǎn)換，克服以往手動評估只能根據(jù)經(jīng)緯度范圍確定規(guī)則矩形區(qū)域的弊端，克服人為只能通過經(jīng)緯度矩形網(wǎng)格確定模擬區(qū)域帶來的與實際減排區(qū)域偏差較大的不足，實現(xiàn)精準地基于行政區(qū)域確定減排調(diào)控模擬實驗區(qū)域，降低實驗區(qū)域帶來的誤差。通過Windows控件實現(xiàn)減排區(qū)域、減排行業(yè)和減排比例的任意設置，完成減排方案的預設。

1.1.2 減排方案模擬

基于屏幕定位技術，提出Web前臺操控服務器級模式作業(yè)腳本的技術路線?；赟MOKE模式，采用歐拉后向迭代算法求解數(shù)值網(wǎng)格時間-空間積分，解決重點行業(yè)污染排放管控信息的空間網(wǎng)格化、時間分配以及物種分配；構(gòu)建地理信息技術網(wǎng)絡地圖平臺，搭載空間分析引擎，解決服務器級減排調(diào)控模擬方案智能化處理技術難題，通過排放源行業(yè)分類和消減比例的任意交互組合，將復雜的評估方案和繁瑣的源清單處理技術封裝在后臺，建立模擬評估由過去依賴高技術人才的科研級工具轉(zhuǎn)向業(yè)務應用的技術方案，降低減排效果評估的技術門檻。

1.1.3 減排效果評估

WebGIS子系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡地圖平臺，它是所有環(huán)境氣象評估相關數(shù)據(jù)進行顯示的地理基礎和背景底圖，根據(jù)設置啟動響應處置的自動運行腳本，智能生成重污染應急、常態(tài)化調(diào)控等不同需求的模擬評估方案，結(jié)合氣象初始場的交互選擇實現(xiàn)預評估或后評估。減排效果評估流程見圖2。

圖2 減排效果評估流程Fig.2 Assessment process of emission reduction effect

1.2 污染源追蹤子系統(tǒng)

CAMx模式是美國Environ公司開發(fā)的第三代空氣質(zhì)量模型，其化學傳輸模型綜合了空氣動力學、氣象化學、氣溶膠、云化學與動力學等過程。顆粒識別技術（particulate source apportionment technolo?gy，PSAT）是CAMx模式的一個擴展功能，用來評估不同區(qū)域排放源對目標區(qū)域顆粒物的傳輸貢獻。

基于CAMx-PSAT模式的顆粒物源解析技術，建立精細到區(qū)縣的精準識別京津冀城市群污染物傳輸貢獻的技術方法，實現(xiàn)了污染物示蹤、全物理化學過程和快速評估，能夠精準識別區(qū)域污染的來源，并實現(xiàn)京津冀城市群污染物相互輸送貢獻評估業(yè)務化。圖3為唐山（左）、石家莊（中）、秦皇島（右）對周邊城市輸送貢獻分析。同時，基于WebGIS技術，實現(xiàn)模擬范圍的自定義，使資源利用實現(xiàn)最大化。建立可視化的分析環(huán)境為業(yè)務人員提供一個定性和定量結(jié)合的效果評估平臺，靈活載入各源解析方案并控制模式運行，可提供自定義范圍內(nèi)所有區(qū)縣的顆粒物源解析結(jié)果的快速展示。圖4為不同時刻京津冀十三地市對北京（左）、天津（右）PM2.5傳輸貢獻分析。

圖3 京津冀部分城市的PM2.5輸送圖例Fig.3 PM2.5transportation in some cities of Beijing,Tianjin and Hebei

圖4 北京、天津PM2.5輸送時序圖例Fig.4 PM2.5transportation time series in Beijing and Tianjin

1.3 污染源反演子系統(tǒng)

隨著大氣污染治理工作不斷推進，污染排放源清單逐年變化較大，為克服中國多尺度排放清單模型（multi-resolution emission inventory for Chi?na，MEIC）更新周期長的難題，基于OMI（Aura衛(wèi)星搭載的監(jiān)測大氣中NO2、SO2、HCHO、BrO、OClO等痕量氣體的傳感器）高分辨衛(wèi)星遙感資料和地面污染監(jiān)測實況資料，結(jié)合“nudging自適應模式逼近的排放源動態(tài)同化反演技術”，實現(xiàn)WRF-CMAQ氣象-化學模式污染源排放清單逐月更新自動化和業(yè)務化（排放源動態(tài)反演技術流程見圖5），使排放清單更真實地反映實際排放情況，提升模式預報的可靠性。子系統(tǒng)利用bash/csh（bash shell和csh shell是Linux常見的shell）腳本、WebGIS和屏幕定位技術，將繁瑣的源清單處理技術封裝在后臺，用戶可通過在“Web前端”簡單的屏幕智能點選，靈活選擇反演區(qū)域、時間和分辨率，自動運行生成所需要的動態(tài)排放源，同時得到模擬檢驗效果，幫助用戶評估排放源結(jié)果，簡化操作流程，縮短運行時間。解決人為操作效率低、清單更新周期長的難題，同時提升了排放源清單的空間分辨率，氣態(tài)污染物預報相關系數(shù)由0.4提升至0.8，可靠性顯著提升。

圖5 排放源動態(tài)反演技術流程圖Fig.5 Flow chart of emission source inversion technology

1.4 氣象條件評估子系統(tǒng)

氣象條件對大氣污染防治效果影響的分析評估是指特定時段內(nèi)，不考慮排放源的變化，僅評估風場、氣溫、氣壓、濕度、降水、邊界層特征等多種氣象要素的變化對PM2.5濃度變化所造成的影響。氣象條件評估子系統(tǒng)基于WebGIS平臺，利用PM2.5氣象條件評估指數(shù)EMI（evaluation on mete?orological condition index of PM2.5pollution）建立京津冀地區(qū)分季節(jié)、分區(qū)域氣象貢獻評估模型及處理技術，開展氣象條件對大氣污染防治效果影響評估，客觀評價氣象條件和人為減排對大氣污染防治效果的分別貢獻。

EMI是表征PM2.5濃度變化中氣象條件貢獻的無量綱指標，用地面至1 500 m高度氣柱內(nèi)PM2.5平均濃度與參考濃度的比值表示，值越大表征氣象條件越不利于近地面大氣中PM2.5稀釋與擴散。兩個對比時段氣象條件評估指數(shù)EMI的變化表征了氣象條件對PM2.5濃度變化的貢獻。氣象條件貢獻包含了擴散、傳輸、干濕沉降，也考慮了氣象因素對化學轉(zhuǎn)化的貢獻率。EMI來源于國家氣象中心每日運行中國氣象局化學天氣預報系統(tǒng)-EMI評估模式（CUACE-EMI），空間分辨率15 km的逐小時隔斷和站點數(shù)據(jù)，排放數(shù)據(jù)源采用2015年排放源清單；評估原則依據(jù)《氣象條件對大氣污染防治效果影響分析評估服務規(guī)范（暫行）》。

EMI適用于定量評估氣象條件對PM2.5削減或增長的貢獻效率。氣象條件評估子系統(tǒng)遵循“先空間，再時間”原則，提供全省各市、縣氣象條件對大氣污染防治效果影響評估。通過同比、環(huán)比、時間選擇等功能，用戶可根據(jù)實際服務需要，進行特定點位、特定城市、特定區(qū)域、特定時段（月、季、年尺度）排放變化率、氣象條件變化率及污染物濃度變化率分析。評估結(jié)果以平面圖、表格和柱狀圖不同的形式輸出，提升評估效率，圖6為河北省各市氣象貢獻評估結(jié)果柱狀展示圖例。

圖6 河北省各市氣象貢獻評估產(chǎn)品輸出Fig.6 Output of meteorological contribution evalutation products in cities of Hebei Province

1.5 管理監(jiān)控子系統(tǒng)

管理監(jiān)控子系統(tǒng)提供系統(tǒng)管理員及業(yè)務人員對整個河北省環(huán)境氣象智能評估系統(tǒng)進行后臺管理及模式作業(yè)監(jiān)控的功能，主要實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶進行管理以及對系統(tǒng)運行情況的監(jiān)控和相關日志管理，圖7和圖8分別為CPU和硬盤使用情況監(jiān)控結(jié)果；更重要的是，實現(xiàn)Windows下，監(jiān)控后臺空氣質(zhì)量預報模式、評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、評估系統(tǒng)各業(yè)務分析處理等主要模塊運行情況，并生成模式運行過程及評估系統(tǒng)各模塊運行過程的日志，通過用戶功能管理終端和不同級別用戶權限，使平臺使用更加規(guī)范化。

圖7 CPU使用情況監(jiān)控Fig.7 CPU usage monitoring

圖8 硬盤使用情況監(jiān)控Fig.8 Hard disk usage monitoring

2 應用案例

2.1 減排效果模擬評估

利用減排效果評估子系統(tǒng)，對2015年12月6—14日京津冀地區(qū)出現(xiàn)的嚴重霧霾天氣進行減排效果模擬評估。此次重污染過程中，7—12日河北省中南部大部分地區(qū)空氣質(zhì)量維持重度到嚴重污染，各城市過程峰值日出現(xiàn)在8—9日，12月9日07時邯鄲PM2.5濃度達594 μg/m3，為過程極值。

針對此次重污染過程開展減排效果模擬評估[19]，采取兩套評估方案。方案一：根據(jù)重污染應急實際減排對策開展效果評估。針對8—10日期間石家莊、唐山、廊坊、保定、衡水、邢臺、邯鄲地區(qū)，污染物排放總量削減30%，模擬評估減控前后PM2.5濃度削減效果。方案二：采取不同減排啟動時間，模擬評估可能帶來的重污染削峰效果。模擬減排啟動時間分別為6日和8日，結(jié)束時間均為10日，對比兩種方案的模擬削峰效果。

方案一，模擬評估結(jié)果。對實際減排模擬評估，結(jié)果顯示，采取減排措施對重污染過程具有降低污染效果，削峰效果更明顯。減排前，減控區(qū)域8、9日PM2.5日均濃度分別為192 μg/m3、206 μg/m3，9日為污染峰值日，PM2.5峰值濃度為336 μg/m3，出現(xiàn)在石家莊。減控后，減控區(qū)域8、9日PM2.5日均濃度分別下降16 μg/m3、28 μg/m3，削減率分別為8%和14%；9日石家莊PM2.5峰值濃度下降62.3 μg/m3，峰值削減率為19%，污染峰值日削減率最大。

方案二，不同減排啟動時間模擬評估。表1結(jié)果顯示，提前3天減排比重污染日開始減排削峰效果更顯著。以石家莊為例，6日啟動減排，4天平均PM2.5濃度下降50 μg/m3，污染峰值日削減最大，為66 μg/m3，削減率達22%，污染等級從嚴重污染降為重度污染。8日啟動減排，2天平均PM2.5濃度下降44 μg/m3，污染峰值日削減 55 μg/m3，下降率為19%。以峰值日PM2.5削減效果看，提前3天開始采取減排措施比重污日開始減排，削峰效果提高20%。兩種方案比較，6日比8日啟動減排削峰效率更高，對年均空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）控制效果更明顯（表1）。通過12月4—14日空氣質(zhì)量模式預報結(jié)果檢驗，預報與實況相關系數(shù)為0.93，本次減排效果模擬評估結(jié)論可靠性較高。

表1 石家莊市區(qū)啟動減排前后PM2.5日均濃度變化Table 1 Change of PM2.5daily average concentration before and after emission reduction in Shijiazhuang

2.2 污染物輸送影響評估

利用污染追蹤子系統(tǒng)，定量評估2020年上半年邢臺市PM2.5來源及本地貢獻。結(jié)果顯示邢臺市PM2.5以本地排放為主，春季本地排放高于冬季。

上半年平均本地貢獻達61.6%，主要外來輸送地為邯鄲和石家莊，平均輸送貢獻分別為16.5%和8.5%，其他城市輸送總和不足10%，見表2。

表2 2020年上半年邢臺市PM2.5輸送貢獻Table 2 Contribution of PM2.5transportation in Xingtai in the first half of 2020（單位：%）

PM2.5輸送貢獻與氣象環(huán)流場變化密切相關。1月，在有利的氣象擴散條件下，邢臺PM2.5本地排放貢獻占一半左右，僅為50.6%；4月，受不利的氣象條件影響，本地排放貢獻占比激增至69.4%，本地貢獻比1月高出近37.2%。

周邊城市對邢臺PM2.5傳輸貢獻存在明顯的季節(jié)特征。1—2月，邯鄲對邢臺的傳輸貢獻（平均12.7%）小于石家莊（平均13.8%），3—6月，邯鄲對邢臺的傳輸貢獻（平均18.4%）遠高于石家莊（平均5.9%）。邢臺冬季盛行西北風，4—6月，盛行南-東南風，這是影響傳輸貢獻的重要原因。

2.3 氣象條件定量評估

利用氣象條件評估子系統(tǒng)，開展2020年上半年邢臺區(qū)縣氣象條件對空氣質(zhì)量改善的貢獻評估，結(jié)果顯示整體氣象條件不利于PM2.5改善（圖9）。

圖9 2020年上半年邢臺區(qū)縣氣象條件對PM2.5濃度變化貢獻空間分布Fig.9 Spatial distribution of meteorological conditions contrib?uting to PM2.5concentration change in districts and counties of Xingtai in the first half of 2020

2020年上半年邢臺區(qū)縣氣象條件對PM2.5改善略不利，與去年同期相比，氣象條件對PM2.5濃度上升貢獻為2%。其中，巨鹿、臨城、內(nèi)丘和邢臺縣上半年氣象條件同比略有利，除巨鹿外，其他三縣在人為減排和氣象貢獻的共同作用下，PM2.5濃度同比下降均在20%以上；而氣象條件同比持平或略不利的區(qū)縣中，只有邢臺市轄區(qū)PM2.5濃度同比下降高于20%，其他均在18%及以下，可能與邢臺市轄區(qū)人為治理力度高于周邊縣有關。整體來看，上半年西部氣象條件優(yōu)于東部，西部PM2.5的改善程度也明顯好于東部，見表3。

表3 2020年上半年邢臺區(qū)縣PM2.5濃度同比變化分析Table 3 Analysis on the year-on-year change of PM2.5concen?tration in districts and counties of Xingtai in the first half of 2020（單位：%）

上半年邢臺氣象條件對PM2.5增減貢獻在24%以內(nèi)，同一地點氣象變化對PM2.5增減貢獻最大可達42%。與去年同期對比，1、3和5月氣象條件均不利于PM2.5改善，其中，1月氣象條件最不利，除西部三個縣，其他區(qū)縣氣象條件同比對PM2.5濃度上升貢獻接近20%；3月和5月全市平均氣象條件對PM2.5濃度上升貢獻接近10%。2月全市平均氣象條件同比持平；4月和6月，全市氣象條件同比均比較有利，對PM2.5濃度下降貢獻率達14%。上半年中，氣象條件最不利的為新河，1月氣象條件對PM2.5濃度上升貢獻為24%，氣象條件最有利的為邢臺縣，4月邢臺縣氣象條件對PM2.5濃度下降貢獻為22%，氣象影響變化最大的為新河，對PM2.5濃度增減貢獻幅度最大可達42%，見表4。

表4 2020年上半年邢臺區(qū)縣氣象條件對PM2.5濃度變化貢獻分析Table 4 Contribution of meteorological conditions to PM2.5concentration change in districts and counties of Xingtai in the first half of 2020

氣象貢獻與PM2.5變化呈正相關。1月受不利的氣象條件影響，平均PM2.5濃度同比不降反升；2—4月，受疫情停工停產(chǎn)和氣象貢獻共同影響，2月在氣象條件同比持平的情況下，PM2.5濃度同比下降幅度最大（40%）；同樣受疫情影響，3月在不利的氣象條件下，PM2.5濃度仍維持下降，但幅度大大減小，僅下降14%；4月，在有利的氣象條件下，PM2.5濃度同比下降幅度增加到33%。盡管4月和6月氣象貢獻相當，但5月、6月PM2.5濃度下降率分別低于3月、4月，可能與5月、6月大部分企業(yè)恢復生產(chǎn)，排放增加有關，見表3和表4。

3 結(jié)語

隨著大氣污染治理工作的不斷深入，大氣污染防控效果評估工作也顯得越來越重要。為推進防控對策減排效果工作常態(tài)化，有效支撐大氣污染防治氣象保障能力，河北省率先研發(fā)了脫離服務器級別的、可獨立交互操作的“1-click”一鍵式重點行業(yè)污染排放管控效果智能評估軟件系統(tǒng)。降低了數(shù)值模擬評估的技術門檻，實現(xiàn)數(shù)值模擬技術由過去依賴專業(yè)人員的科研工具轉(zhuǎn)向業(yè)務應用。

基于CAMx-PSAT顆粒物源解析技術，建立精準識別京津冀城市群污染物傳輸貢獻的技術方法，該技術已在重點企業(yè)搬遷、重大活動環(huán)境氣象保障等服務中心廣泛應用。定量評估氣象條件對PM2.5濃度變化影響服務對客觀、科學評價大氣污染治理效率提供重要依據(jù)，該系統(tǒng)已在河南、青海省氣象臺成果轉(zhuǎn)化，取得了一定的社會效益。