污染強(qiáng)化減排中小尺度氣象信息支撐矩陣構(gòu)建

崔志豪

（北京航空航天大學(xué)空間與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 北京 102206）

引言

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中的“推動(dòng)綠色發(fā)展 促進(jìn)人與自然和諧共生”，為推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化指明了方向、明確了路徑。并指出，要加強(qiáng)城市大氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)管理，推進(jìn)細(xì)顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）協(xié)同控制，基本消除重污染天氣。眾所周知，隨著全球氣候變暖，極端天氣越來(lái)越頻繁。有關(guān)報(bào)道和研究結(jié)果表明[1]，隨著城市化發(fā)展，“熱”“干”“濕”“雨”“渾濁”等方面的“城市島”效應(yīng)日趨顯著，使得城市氣象災(zāi)害的突發(fā)性、極端性、不可預(yù)見(jiàn)性進(jìn)一步加強(qiáng)，這些氣象因素及相應(yīng)的具體時(shí)間段氣象要素表現(xiàn)（即污染氣象條件），都與城市精準(zhǔn)治污決策和強(qiáng)化減排措施落實(shí)密切相關(guān)，于是中小尺度精細(xì)化的污染氣象條件預(yù)報(bào)結(jié)論所需的信息支撐是否完整就顯得尤顯關(guān)鍵。近年來(lái)，各地結(jié)合實(shí)際需求建立了污染氣象條件有關(guān)的業(yè)務(wù)平臺(tái)[2～7]，但構(gòu)建相關(guān)大數(shù)據(jù)平臺(tái)[8]的研究卻不很多見(jiàn)。本文結(jié)合在氣象和環(huán)境部門的實(shí)習(xí)調(diào)研經(jīng)歷，提出比較全面的更貼合中小尺度污染強(qiáng)化減排的綜合氣象信息支撐矩陣構(gòu)建內(nèi)容，以期為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。

1 污染強(qiáng)化減排的中小尺度氣象信息支撐矩陣

時(shí)空分辨率高的精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)預(yù)警，決定后期精準(zhǔn)污染管控調(diào)度；精準(zhǔn)污染管控調(diào)度，依托前期污染氣象條件的精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。因此，監(jiān)測(cè)是數(shù)據(jù)的源頭、是污染氣象條件預(yù)報(bào)服務(wù)工作的前提和基礎(chǔ)，信息支撐是整個(gè)污染氣象條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的核心。通過(guò)“地、天、空、網(wǎng)”立體監(jiān)測(cè)，“采、傳、存、治、用、管、服”一體化技術(shù)融合，以及“監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)”一體化業(yè)務(wù)融合，全方位支撐污染氣象條件精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警。

1.1 實(shí)況監(jiān)測(cè)矩陣

實(shí)況監(jiān)測(cè)矩陣包括雷達(dá)、自動(dòng)站、各種衛(wèi)星云圖、基于雷達(dá)資料及其產(chǎn)品的災(zāi)種識(shí)別、精細(xì)化網(wǎng)格實(shí)況等，疊加展示降水區(qū)域變化情況，以能單幀顯示和動(dòng)畫(huà)播放為宜，為中小尺度天氣的短臨預(yù)警提供信息支撐。

其中，雷達(dá)監(jiān)測(cè)包括X 波段、雙偏振、多普勒等各種雷達(dá)監(jiān)測(cè)，以及相態(tài)識(shí)別、水凝物識(shí)別、雷達(dá)估測(cè)降水、冰雹識(shí)別、濾波后反射率、協(xié)相關(guān)系數(shù)、差分相移、差分相移率、差分反射率、差分反射率、徑向速度等產(chǎn)品，疊加直觀展示降水區(qū)域變化。

自動(dòng)站則基于自動(dòng)站網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在電子地圖上以色斑圖疊加展示風(fēng)速、雨量、氣溫、濕度、氣壓、能見(jiàn)度等自動(dòng)站氣象要素，以圖表提供實(shí)時(shí)和歷史氣象要素查詢及統(tǒng)計(jì)分析信息。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ664-2013），城市加密網(wǎng)格點(diǎn)實(shí)測(cè)單個(gè)網(wǎng)格不大于2km×2km(面積＞200km2的城市也可適當(dāng)放寬網(wǎng)格密度)的要求，中小尺度加密氣象站的間距最好與此匹配，以便為進(jìn)行污染氣象條件的監(jiān)測(cè)分析提供更好的信息支撐。

1.2 衛(wèi)星云圖監(jiān)測(cè)矩陣

基于GIS 和可視化技術(shù)，對(duì)風(fēng)云4 號(hào)衛(wèi)星、葵花衛(wèi)星等衛(wèi)星監(jiān)測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行綜合展示，主要包括水汽、可見(jiàn)光、紅外等高清衛(wèi)星產(chǎn)品，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天氣系統(tǒng)及云系的演變情況。

1.3 預(yù)報(bào)預(yù)警信息矩陣

預(yù)報(bào)預(yù)警模塊包括格點(diǎn)預(yù)報(bào)、智能網(wǎng)格、環(huán)境監(jiān)測(cè)、臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)、市局信息、預(yù)警信息等子功能模塊。其中，格點(diǎn)預(yù)報(bào)結(jié)合中國(guó)氣象局衛(wèi)星下發(fā)的降雨、風(fēng)場(chǎng)、氣溫精細(xì)化格點(diǎn)實(shí)況及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，提供精細(xì)到社區(qū)的0～3h、3～24h、2～10d 的預(yù)報(bào)以及防汛風(fēng)險(xiǎn)和積水閾值觸發(fā)表格展示，并在電子地圖上以色斑圖疊加展示降雨、風(fēng)場(chǎng)、氣溫等要素產(chǎn)品。

1.4 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)信息

基于GIS 和可視化技術(shù)，綜合展示臺(tái)風(fēng)實(shí)況及多家預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)產(chǎn)品。支持疊加衛(wèi)星云圖、雷達(dá)產(chǎn)品、風(fēng)向風(fēng)力桿、實(shí)況監(jiān)測(cè)等信息，且可查詢臺(tái)風(fēng)風(fēng)雨評(píng)估及歷史臺(tái)風(fēng)信息，為臺(tái)風(fēng)及其災(zāi)害預(yù)報(bào)提供信息支持。

1.5 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品信息

以氣象數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對(duì)ECMWF、NCEP國(guó)外和CMA 全球集合模式、CMA 區(qū)域模式等我國(guó)主流數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品進(jìn)行顯示，可支持單張和動(dòng)畫(huà)顯示，為分析污染氣象條件預(yù)報(bào)提供氣象數(shù)值模式信息支撐。

1.6 實(shí)況天氣圖信息

獲取并查看地面到高空各層次的東亞、亞歐和全世界實(shí)況天氣圖，為天氣形勢(shì)和氣象要素的分析研判提供全國(guó)及全球的實(shí)況信息支撐。

1.7 污染氣象條件預(yù)報(bào)輔助決策信息支撐矩陣

動(dòng)態(tài)收集并實(shí)時(shí)顯示人口、經(jīng)濟(jì)、重點(diǎn)場(chǎng)所、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和監(jiān)管重點(diǎn)單位等數(shù)據(jù)，結(jié)合強(qiáng)化減排工作方案或重污染天氣應(yīng)急預(yù)案，提供智能聯(lián)動(dòng)和應(yīng)急響應(yīng)信息，提高污染強(qiáng)化減排的指揮調(diào)度能力。

1.8 污染氣象條件預(yù)報(bào)信息支撐矩陣構(gòu)建原則

基于實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)程中對(duì)信息流實(shí)時(shí)高效的要求，污染氣象條件預(yù)報(bào)信息支撐矩陣的構(gòu)建應(yīng)遵循5 項(xiàng)原則。

1.8.1 實(shí)用性與易用性原則

矩陣構(gòu)建在設(shè)計(jì)與實(shí)施中要做到安裝設(shè)置、使用操作、開(kāi)發(fā)維護(hù)、日常管理等工作簡(jiǎn)單易用，符合各類使用者的操作習(xí)慣，使用方便，上手容易，不需要培訓(xùn)或進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能使用，可減輕使用者日常工作量。

1.8.2 兼容性和開(kāi)放性原則

矩陣構(gòu)建過(guò)程中要充分考慮操作系統(tǒng)兼容性，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展對(duì)接。

1.8.3 高可靠性和穩(wěn)定性原則

矩陣構(gòu)建的軟、硬件平臺(tái)應(yīng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)7d×24h 不間斷的運(yùn)行要求。出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)具備有效的恢復(fù)方法。

1.8.4 可維護(hù)性原則

矩陣的維護(hù)需要簡(jiǎn)便快捷，不需要太多管理人員和復(fù)雜的操作。對(duì)于服務(wù)器等的操作系統(tǒng)，能夠提供基于圖形化、菜單或Web 界面的系統(tǒng)管理工具，幫助管理人員輕松進(jìn)行相關(guān)工作。

1.8.5 安全性原則

矩陣應(yīng)有安全測(cè)試方案和測(cè)試用例，從而保證應(yīng)用的安全性。信息數(shù)據(jù)的備份策略要設(shè)計(jì)合理，既能保證方便快速恢復(fù)，又要確保不占用過(guò)多存儲(chǔ)空間。

2 精細(xì)化污染氣象條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程初探

基于上述信息矩陣的支撐，借助氣象和環(huán)境的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中小尺度污染氣象條件的精細(xì)預(yù)報(bào)。如，利用雷達(dá)、自動(dòng)站等精細(xì)化探測(cè)信息可實(shí)現(xiàn)中小尺度區(qū)域和定點(diǎn)0～3h 預(yù)報(bào)；3～12h 預(yù)報(bào)則利用東亞和全國(guó)的地面和高空各層次實(shí)況數(shù)據(jù)、各主流數(shù)值預(yù)報(bào)模式、各層次預(yù)報(bào)產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波、自動(dòng)站、上級(jí)指導(dǎo)預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)精細(xì)預(yù)報(bào)。從要素來(lái)說(shuō)，可以精細(xì)到天空狀況、天氣現(xiàn)象、氣溫、降水、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度；從空間分辨率說(shuō)，可以細(xì)化到街道或指定點(diǎn)位。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括4 個(gè)步驟，即①以雷達(dá)探測(cè)資料確定天氣落區(qū)，通過(guò)定量估測(cè)模型研判會(huì)影響哪些街道；②結(jié)合平均2km 以內(nèi)的自動(dòng)站監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，實(shí)時(shí)研判指定區(qū)域附近的影響程度；③基于指定點(diǎn)位自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)探測(cè)、周圍氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，建立專業(yè)預(yù)報(bào)模型，得到指定點(diǎn)位的精細(xì)化污染氣象條件預(yù)報(bào)產(chǎn)品；④值班預(yù)報(bào)員根據(jù)上述信息產(chǎn)品，結(jié)合專業(yè)理論知識(shí)和預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合研判，形成指定點(diǎn)位的精細(xì)預(yù)報(bào)結(jié)論，并進(jìn)行發(fā)布服務(wù)。

綜上可見(jiàn)，污染氣象條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的高質(zhì)量發(fā)展，需要對(duì)制約發(fā)展的問(wèn)題定向突破，而更高目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)各環(huán)節(jié)信息矩陣的建設(shè)和接力攻堅(jiān)。

3 重點(diǎn)和難點(diǎn)分析

3.1 數(shù)據(jù)的獲取與存儲(chǔ)難度

氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的來(lái)源依托于各類前端探測(cè)設(shè)備，數(shù)據(jù)獲取需要多種方式的支持（包括設(shè)備系統(tǒng)對(duì)接、手工錄入、手動(dòng)導(dǎo)入等方式），來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合的便捷性、全面性。更為關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需依托自建的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器的全國(guó)產(chǎn)化，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性。

3.2 信息的分析與查詢難度

氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息十分龐大且繁雜，工作人員就其進(jìn)行服務(wù)與管理過(guò)程中對(duì)各項(xiàng)信息均有分析、統(tǒng)計(jì)、查詢的需求。但實(shí)現(xiàn)分層次、分業(yè)務(wù)、分類型、分權(quán)限地細(xì)致分析和分類管理并非易事，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加載、疊加顯示等因數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，要達(dá)到相關(guān)信息呈現(xiàn)結(jié)果的實(shí)用與易用、兼容開(kāi)放、可靠穩(wěn)定、安全且易維護(hù)，其難度也較大。

4 信息支撐所需的相關(guān)技術(shù)

污染氣象條件分析預(yù)報(bào)所需的信息支撐是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅依賴于相關(guān)的硬件基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)，還涉及信息和可視化等，需要相關(guān)技術(shù)的支持。

4.1 氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)通過(guò)對(duì)致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力等指標(biāo)的研判，建立起氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并通過(guò)該模型提供污染天氣風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在線分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域圈定。

4.2 天氣智能和人工識(shí)別技術(shù)

風(fēng)、雨、強(qiáng)對(duì)流等天氣識(shí)別技術(shù)，不僅要用到氣象專業(yè)的原理和方法，還需用到大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)。雖然，目前尚無(wú)任何智能化產(chǎn)品能完全代替專業(yè)技術(shù)人員的綜合分析研判，但可通過(guò)提供參考工具，提升專業(yè)人員分析工作效率，增加精細(xì)化污染氣象條件預(yù)報(bào)的提前量，為強(qiáng)化減排和精準(zhǔn)管控爭(zhēng)取更多的時(shí)間與主動(dòng)性。

4.3 圖形可視化技術(shù)

利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。因此，圖形可視化技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)把獲得的氣象數(shù)據(jù)、圖像或是計(jì)算中涉及和產(chǎn)生的氣象數(shù)字信息，變?yōu)橹庇^的，能以圖形、表格、文字等形式展示。

4.4 GIS 技術(shù)

GIS 是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)。該技術(shù)基于圖層模式的空間信息資源共享與應(yīng)用模式，對(duì)于空間信息資源整合具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)這種方式，能夠?qū)F(xiàn)有的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)以及生態(tài)環(huán)境的專業(yè)數(shù)據(jù)展現(xiàn)在地理空間上，實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間地理信息資源的有效整合與集成，提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)和可視化的決策分析。

4.5 云計(jì)算技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)服務(wù)的使用和交付模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展的資源（包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源和安全資源），這些資源通常是虛擬化的資源，在云計(jì)算中，其主要指平臺(tái)虛擬化，或者是使用資源的人和應(yīng)用程序?qū)ξ锢鞩T 資源的抽象作用。虛擬化允許將服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和其他硬件視為一個(gè)資源池，而不是離散系統(tǒng)，可以根據(jù)需要來(lái)分配資源。準(zhǔn)虛擬化將單個(gè)服務(wù)器視為多個(gè)虛擬服務(wù)器和群集，可以把多個(gè)服務(wù)器視為單個(gè)服務(wù)器。另外，作為一種物理資源封裝手段，虛擬化技術(shù)解決數(shù)據(jù)中心面對(duì)的若干核心難題，并產(chǎn)生具體優(yōu)勢(shì)。

4.6 信息應(yīng)用將產(chǎn)生較好的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)

以信息支撐矩陣為基礎(chǔ)，可利用專業(yè)知識(shí)和技術(shù)方法分析得出城市的氣溫、風(fēng)、雨、云、天空狀況等污染氣象條件的精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)論，從而為大氣污染減排各項(xiàng)管控措施的實(shí)施提供決策參考依據(jù)。如，強(qiáng)化移動(dòng)機(jī)械污染控制；全面限制未加裝顆粒捕集器的非道路移動(dòng)機(jī)械的使用；建立重點(diǎn)行業(yè)建設(shè)項(xiàng)目揮發(fā)性有機(jī)物排放總量管理制度，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物新增排放量實(shí)行現(xiàn)役源削減替代；督促施工工地落實(shí)施工揚(yáng)塵“7 個(gè)100%”。工程施工企業(yè)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化節(jié)約用地和施工管理，設(shè)備能耗有效降低，強(qiáng)調(diào)廢舊材料利用，節(jié)約建筑能源，從而確保項(xiàng)目施工節(jié)能減排措施的有效落實(shí)，進(jìn)而確保減少對(duì)自然環(huán)境造成的影響，有效控制成本投入，提升施工的經(jīng)濟(jì)效益和資源利用率。

結(jié)論

通過(guò)分析中小尺度污染氣象條件預(yù)報(bào)所需的信息矩陣和業(yè)務(wù)流程，得出結(jié)論，即①中小尺度污染氣象條件精細(xì)預(yù)報(bào)的信息支撐矩陣構(gòu)建是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅需要高精尖的觀測(cè)設(shè)備和站網(wǎng)硬件建設(shè)基礎(chǔ)，而且涉及氣象、環(huán)境和信息等多專業(yè)技術(shù)支持；②氣象數(shù)據(jù)龐大、安全要求高，信息分析存儲(chǔ)顯示查詢涉及大數(shù)據(jù)、人工智能等多項(xiàng)現(xiàn)代信息技術(shù)，而最終精細(xì)預(yù)報(bào)結(jié)論還必須依賴于預(yù)報(bào)員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)而綜合得出，因此各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的難度較大，需要更多專業(yè)的協(xié)同；③中小尺度污染氣象條件預(yù)報(bào)有別于大尺度污染氣象條件預(yù)報(bào)，其不再滿足于定性預(yù)報(bào)描述，而是需要污染氣象條件全要素的精細(xì)定量預(yù)報(bào)，才能更好地為200km2內(nèi)的小區(qū)域強(qiáng)化減排、精準(zhǔn)治污提供科學(xué)的決策依據(jù)；④以信息支撐矩陣為基礎(chǔ)，可分析得出城市污染氣象條件的精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)論，從而為大氣污染減排各項(xiàng)管控措施的實(shí)施提供決策參考依據(jù)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的良好效應(yīng)。