基于数值模式与客观方法的辽宁地区空气质量预报检验分析

为检验数值模式和客观方法的空气质量产品预报能力,基于中国气象科学研究院(简称气科院,下同)CUACE模式、中国气象局沈阳大气环境研究所(简称沈阳大气所,下同)CUACE模式和中央气象台(简称中央台,下同)空气质量客观预报方法的产品,利用辽宁地区14个地市大气污染物质量浓度地面观测资料,对2019年1月至2021年4月各家预报产品在辽宁地区的预报效果进行检验。结果表明:中央台的环境空气质量指数(Air Quality Index,AQI)预报偏大,气科院和沈阳大气所偏小;各家的PM_(2.5)和PM_(10)预报均偏小,但中央台的误差最小;各家的O_(3)预报均偏大,气科院的预报误差最小。各家产品对PM_(2.5)和O_(3)浓度变化趋势的预报能力较高,对AQI范围的预报能力是强于AQI等级的。各家产品预报的PM_(2.5)质量浓度离散度和预报偏差最小,TS评分最高;大气污染物浓度和AQI在辽宁东南部的预报可靠性最高、中部地区最差。三家产品相比,中央台在辽宁地区的预报能力最强,对AQI、大气污染物浓度和首要污染物的预报TS评分均为最高,特别是在有(或无明显首要污染物)特定大气污染物对应的季节,预报更具有指导性。沈阳大气所的本地化CUACE模式对于大气污染物浓度和AQI的预报能力显著提高。

不同通风模式对猪舍空气质量及猪只健康的影响

目的分析不同通风模式对猪舍空气质量及猪只健康的影响。方法选择3种不同的通风模式对贵州省印江土家族苗族自治县某规模化养猪场的猪舍进行研究,分析3种通风模式下猪舍内的有害气体浓度、粉尘微粒浓度、病原微生物种类及动物血清AST活性。结果应用新风系统的猪舍内氨气、二氧化碳、硫化氢和甲烷等气体的浓度均显著低于纵向通风系统和无动力通风系统(p<0.05);应用新风系统的猪舍内可吸入颗粒物PM_(1.0)、PM_(2.5)、PM_(10)浓度及总悬浮颗粒TSP等浓度均显著低于纵向通风系统和无动力通风系统(p<0.05);新风系统猪舍内猪仅检测出猪链球菌,其余各种病原体均为阴性,其病原微生物检测种类数少于纵向通风系统和无动力通风系统;应用新风系统的猪舍内猪血清AST活性显著低于纵向通风系统和无动力通风系统(p<0.05)。结论新风过滤系统可显著提高猪舍空气质量及猪只健康,为后期规模化养猪场进行健康养殖管理及畜牧养殖场舍内的空气净化提供了参考依据。

基于CMAQ模式产品的福州市空气质量预报系统

利用CMAQ（Community Multiscale Air Quality Model）模式预报产品和福州市2007年1月至2010年6月大气污染物的观测资料以及常规地面气象观测资料,根据动力-统计相结合的预报方法,通过多元线性逐步回归,建立不同天气系统下CMAQ模式产品和多类预报因子相结合的日污染物浓度预报模型.结果表明,影响福州市的天气系统共分为大陆高压、副热带高压、切变、暖区辐合、高空槽、台风和热带辐合带7类天气型.在暖区辐合、高空槽和大陆高压控制下,福州市的空气质量较差,而副热带高压和台风系统影响时,福州市的空气质量最好.日污染物浓度预报方程置信度均为P=0.000,模型有统计学意义.利用模型对2010年7~12月福州市各污染物浓度进行预报效果回代检验,模型对PM10的污染指数等级预报正确率达到了71.3%,对SO2和NO2的级别预报正确率达到了100%,日预报综合评分平均达88.8分.

两种空气质量数值模式的应用评估与集合改进研究

利用2018—2019年国控站观测,评估CAMx和CMAQ模式对广东珠海主要污染物时空分布与演变特征的预报能力,并引入多元线性回归和随机森林方法对预报结果进行集成,探究不同集合方法的改进能力。结果表明:CMAQ在各污染物浓度季节-日变化方面明显优于CAMx,但两者存在明显系统偏差,并对多数污染物(除O_(3)之外)的昼夜和空间变化的模拟能力仍存在明显缺陷。例如,CMAQ合理地还原了CO、PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、O_(3)和NO_(2)的季节变化,相关系数介于0.72~0.84,但NMB分别达到-0.58、-0.18、-0.30、1.52,-0.16和-0.20,RMSE分别达到0.40 mg/m^(3)、6.86、16.02、10.71、25.05和10.21μg/m^(3)。同时,基于不同污染物构建的两种集合方法均有效移除了系统偏差,加强了CMAQ的模拟优势,并且随机森林方法明显优于多元线性回归,但两者均对模式缺陷无明显改进。进一步分析发现,CMAQ与CAMx模型的重要性基本相当,表明集合方法的预报能力与集合成员的线性偏差无关,主要取决于不同成员的代表性。最后,本研究揭示以随机森林为代表的集合方法虽有效提高了污染物的预报能力,但改进数值模式自身能力和增加具有代表性的集合成员对预报水平的进一步提升十分关键。

基于环保新国标和CMAQ模式的宁夏空气质量预报业务系统设计与实现

2013年起我国实施《环境空气质量标准》(GB 3095—2012),为满足空气质量预报业务需求,设计开发了宁夏空气质量预报业务系统.该系统能够根据业务规定,利用上级指导产品和CMAQ模式的预报结果,订正并生成未来72 h宁夏5个地市6种污染物的浓度预报结果,实现结果自动入库存储,并生成中国气象局规定格式的报文上传,提高工作效率.

轨道交通TOD模式对站点空气质量的影响及规划策略研究——以武汉市为例

在生态文明建设背景下,随着绿色TOD模式研究的不断推进,学者们对轨道交通是否能改善城市空气质量展开了广泛探讨。该类研究主要以城市或区域等宏观尺度为对象,而忽略了轨道交通对沿线及站点等微观地区的影响。文章以武汉市6条轨道交通线路的站点为例,评估轨道交通对站点空气质量的影响,并探讨TOD模式指标对空气质量的影响机制,提出改善空气质量的TOD模式优化策略。结果发现,轨道交通对多数站点空气质量有显著的改善作用,但不同站点间的影响差异较大。站点地区的工业用地占比、绿地与水域占比、土地混合度、容积率等因素与空气质量具有相关性。高水平的土地混合,可提升土地利用效率,改善空气质量;开发集聚度越高,城市越紧凑,空气污染改善越明显;合理的交通接驳方式,减少了机动车尾气排放,可改善空气质量。因此,应通过高水平的土地混合、紧凑的空间形态、完善交通接驳等措施,优化轨道交通TOD建设,提升对空气质量的改善效果。

基于HHO-CNN-LSTM的CMAQ修正模型及其在上海市空气质量预报中的应用

建立空气质量预报模型,预测污染物浓度对人类健康和社会经济发展具有重要意义。然而,传统的空气质量模型CMAQ对污染物浓度的预报精度并不理想。对此,本文提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和长短期记忆神经网络(LSTM)的空气质量预报修正模型,并使用哈里斯鹰算法(HHO)对模型的超参数进行优化;用CMAQ模型对上海市2022年12月六种大气污染物(SO_(2)、NO_(2)、PM_(10)、PM2.5、O_(3)、CO)浓度的预报数据以及监测站的气象数据和污染物浓度实测数据作为HHO-CNN-LSTM模型的输入,对CMAQ模型预报结果进行修正。使用均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和一致性指数(IOA)作为评价指标。结果显示,修正模型显著提高了六项污染物浓度的预测精度,RMSE减少了73.11%~91.31%,MAE减少了67.19%~89.25%,IOA提升了35.34%~108.29%。同时针对HHO算法陷入局部最优而导致修正模型对CO浓度预测效果不佳的问题,使用高斯随机游走策略对HHO算法进行改进,显著提高了CO浓度的预测精度。相比于改进之前,RMSE减少了39.55%,MAE减少了45.93%,IOA提高了32.43%。

空气质量模型CMAQ的国内外研究现状

空气质量模型是支撑环境管理与决策的重要工具。文章系统地回顾了空气质量模型的发展历程,重点介绍了多尺度空气质量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)在模拟预测臭氧、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等方面的国内外应用研究现状,同时指出CMAQ模型存在的问题、在我国环境管理中的应用以及未来空气质量模型的发展方向。研究表明,国内外对CMAQ模型的应用研究主要体现在3个方面:评价模型的模拟性能、模拟预测空气中污染物浓度以及研究各污染物的来源、产生机理及传输扩散过程。

基于CMAQ空气质量模型研究机动车对济南市空气质量的影响

为研究济南市机动车排气对城市区域空气质量的影响,利用环境空气质量监测站点(简称“1号站点”)和路边机动车尾气监测站点(简称“2号站点”)的在线数据,以及基于4种模拟情景的CMAQ空气质量模型预测数据,研究了济南市城市区域大气污染物质量浓度变化规律及不同机动车车型对6种常规大气污染物的贡献.结果表明:①在采暖季,1号站点ρ(PM 2.5)、ρ(PM 10)、ρ(NO 2)、ρ(CO)、ρ(O 3)和ρ(SO 2)月均值分别为435μg m^3、702μg m^3、84.2μg m^3、6.8 mg m^3、4.5μg m^3和92μg m^3.②2015年12月24日(灰霾天),1号站点ρ(CO)、ρ(PM 2.5)和ρ(PM 10)均明显升高,ρ(SO 2)、ρ(O 3)和ρ(NO 2)均变化不明显.2个监测站点中ρ(NO 2)和ρ(PM 10)均呈双峰趋势,2个峰值出现的时间与上、下班高峰期基本一致.除ρ(O 3)和ρ(SO 2)达GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准外,其他污染物均超过GB 3095—2012二级标准限值,采暖季大气污染特征为颗粒物型污染.③机动车对研究区域NO 2和PM 10贡献率较大,其中,小型车对CO、NO 2、PM 10和PM 2.5贡献率最大,其贡献率分别为85.7%、50.1%、53.4%和52.8%.机动车排放源能降低空气中ρ(O 3),其总贡献率为-25.5%,其中大型车、中型车、小型车对O 3的贡献率分别为-8.8%、-2.7%和-8.9%.灰霾天下不同机动车车型对空气中污染物质量浓度的总贡献率均比采暖季大.研究显示,济南市采暖季大气污染特征为颗粒物型污染,机动车排放源对空气中NO 2和PM 2.5有较大贡献.

城市空气质量数值预报模式系统及其应用

介绍了一种城市空气质量数值预报模式系统 ,该系统由气象模式 (中尺度气象模式MM5及城市大气边界层模式CBLM)和大气污染物输送扩散化学模式组成 .将模式系统应用于南京市 ,试预报结果同监测结果一致 ,表明模式具有较好的模拟性能 .模式系统试运行后的检验改进工作 ,气象资料、污染源及环境参数等质量的提高 ,预报结果检验方法的确定等都是模式系统业务化时应予以充分考虑的 .

北京空气质量多模式集成预报系统的建立及初步应用

介绍了北京空气质量多模式集成预报系统（EMS-Beijing）．系统中区域空气质量模式包括中国科学院大气物理所自主开发的嵌套网格空气质量模式系统（NAQPMS）模式、美国环保署（EPA）开发的Models-3／CMAQ模式及美国Environ公司开发的CAMx模式等，均使用SMOKE排放模型统一处理大气污染排放清单．此系统各模式采用统一的模拟区域和网格分辨率，采用中尺度气象模式MM5提供统一的气象场，并采用算术平均、权重集成等方法集成各空气质量模式结果，并投入北京空气质量业务预报，有效支持了北京奥运会空气质量数值预报．业务预报结果表明：1）采用SMOKE处理的奥运排放清单较接近实际，2008年8月各空气质量模式可吸入颗粒物（PM10）日均值预报结果相对偏差为-3％～17％，与观测数据相关系数在0．7以上；2）在排放清单较接近实际的情况下，PM10日均值多模式算术平均优于单个空气质量模式；3）分析2008年4—11月业务预报表明，采用权重集成方法预报的PM10日均值优于算术平均方法，达61％．总体上，权重集成方法优于算术平均结果．

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,NestedAir Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况。模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论;在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据;利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大;发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟;研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律。在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究。系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报。未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统。

空气质量多模式系统在广州应用及对PM10预报效果评估

介绍了广州空气质量多模式系统并评估其对2010年9月广州市的气象要素和PM10日均浓度的24h的预报效果。评估结果表明:模式系统较好地预测了气象要素的变化,但高估了风速;各空气质量模式能合理预测广州PM10浓度的时空变化,预报效果均处于可接受范围内(平均分数偏差MFB小于±60%且平均分数误差MFE小于75%),部分模式可达到优秀水平(MFB小于±30%且MFE小于50%),但同时各模式在郊区均预测偏高而在市区偏低;总体上,模式在广州郊区的PM10预报效果优于市区。模式间对比表明,在本次业务预报实践中,不存在最优的单模式,同一模式对不同的统计指标、不同的站点,其预报效果可能存在差异,基于算术平均集成各模式结果未能获得最优的预报效果。优化排放源空间分布并引进更好的集成预报方法(如权重平均、神经网络、多元回归等)是未来改进广州空气质量多模式系统预报效果的可能途径。

基于CMAQ的空气质量模拟预报系统构建

介绍了一种由Gambas语言开发的界面化CMAQ空气质量模拟预报系统。该系统适用于使用Linux操作系统的计算机,整合气象模式(MM5和WRF)、污染排放模式(SMOKE)和空气质量模式(CMAQ),支持GRIB1和GRIB2格式的气象数据,通过图形化参数设置和自动化模块调用实现空气质量自动模拟或预报。测试表明,该系统可以进行多种尺度的空气质量模拟和预报,操作简单,有助于空气质量数值模拟技术的推广。

美国加州空气质量政府管理模式及对中国的启示

中国城市空气污染呈区域化和恶化趋势,亟需突破当前空气质量管理模式的制约。从管理体制和管理内容两方面对美国空气质量政府管理模式的先进经验进行了分析,并与北京市空气质量管理模式进行了初步比较,得出中国空气质量政府管理模式缺乏外部性的考虑;政府部门内部机构按照行政管理过程划分,导致管理成本偏高;决策机制与执行机制未分离,影响行政效率;对污染源的管理不专业;缺乏信息公开和公众参与等问题。建议成立空气质量管理分局,对固定源实行排污许可证管理,对移动源实行统一综合管理,细化面源的管理,建立空气质量管理信息公开平台。

空气质量数值模式预报中资料同化的初步研究

利用嵌套网格空气质量预报模式,在对上海市环境监测中心提供的观测数据进行必要的质量控制后,采用最优插值方法对可吸入颗粒物(PM10)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)进行资料同化。选取2004年8月1～20日做作逐日同化试验的结果表明,无论是PM10、NO2还是SO2,其同化偏差平均值均在20μg.m-3以下,比同化前减少了至少50%;3种污染物的同化偏差小于其未同化偏差的天数均在16天以上。在大气清洁和污染两种情况下,对PM10分别作10天的同化试验表明,同化后的均方根误差均小于同化之前。此同化方法能利用观测数据较好地修正空气质量模式预报场,从而为模式提供与实际更加接近的初始场。

室内空气质量卫生综合评价最佳模式的比较

目的:选择和设计室内空气综合质量评价模式。方法:利用几何模式、Nemerow模式、姚志麒模式、公共场所卫生质量指数评价模式和“修改模式”对3份调查资料进行P值计算、排序、分辨效能比较和发生分辨失效的原因分析。结果:“修改模式”计算出的P值比其他模式具有更好的分辨效能和警示作用,尤其是平均分指数(Iav)和最大分指数(Imax)分别相同而分指数超标率不同的两资料,或分指数超标率相同而最大分指数(Imax)超标倍数不同的两资料,“修改模式”都能有很好的分辨效能。特别是仅有1项分指数大于1,其他分指数接近零的资料,也能保证P值大于1,具有警示作用。结论:“修改模式”P值计算结果分辨效能好,排序合理,符合客观实际,具有警示作用,是室内空气质量卫生综合评价的比较理想的模式。

利用烟团轨迹模式预测山区空气质量的研究

本文建立了适合山复杂地形、中尺度范围的空气质量模式——烟团轨迹模式。在模式中考虑了地形、沉积、化学衰减和混合层顶多次反射等影响因素的作用。经过实测资料检验,表明模式具有较高的模拟能力。文中尝试将二维地面流场诊断模式输出风场引入烟团轨迹模式,用数值模拟的风场来决定烟团运行轨迹,估算长期平均浓度,弥补了单站实测地面风资料之不足。

拉格朗日烟团空气质量模式系统气象要素模拟验证

侧重介绍拉格朗日烟团空气质量模式系统及其在北京的应用。这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物之输送、扩散、转化和迁移过程的影响,区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响,以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对污染物浓度时空分布的影响。在空气质量模拟方面,采用烟团函数分割方法,垂直坐标采用地形追随坐标。可以模拟区域与城市尺度大气气溶胶、对流层臭氧、酸雨、能见度和常规污染物的浓度。在环境风险预警与应急过程中,能为政府提供可靠的环境空气质量及暴露水平数据。通过对比气象要素(风向、风速和露点温度)的模拟值与观测值,结果表明,模拟值与其相应的观测值具有很好的线性关系,相关系数分别为0.95,0.74,0.94。这套模式系统将诊断模型与中尺度模型相耦合,对城市区域的环流特征和边界层结构具有很好的模拟能力,同时能够较真实地模拟下垫面非均匀性对大气边界层结构和局地天气条件的影响。

沈阳市区2种空气质量数值模式预报结果的对比分析

建立了一个简单空气质量数值模式预报系统(SAQMS)。该系统是由中尺度数值预报模式(MM5)、Pielke中-β尺度气象模式和Eu-ler大气平流-扩散模式以及Erisman干沉降模式所组成。分别利用该系统和中科院大气物理研究所提供的高分辨率化学模式预报系统(HRCM)对沈阳地区的SO2浓度值进行了预报试验,结果表明,这2个模式的预测值都非常接近实测值,初步说明该模式系统可用于沈阳市的空气质量预报业务。