几种空气质量预报方法的预报效果对比分析_朱玉强

几种空气质量预报方法的预报效果对比分析

朱玉强

(天津市气象科学研究所, 300074)

提　　要

　　目前应用于我国各个城市空气质量预报业务的预报方法主要有三种:数值模式预报、统计预报和综合经验预报。这几种预报方法都有其各自的优势, 同时也存在一

些不足。应用以上方法对天津市市区进行空气质量业务预报, 通过实测资料与预报结果进行对比分析, 给出这几种方法在天津市区空气质量预报中的预报效果客观评价。

关键词:　空气质量　预报质量　统计方法　数值模式　经验预报

引　言

自2001年6月5日起, 全国有47个重点城市对公众发布空气质量预报, 主要业务预报方法主要有三大类:数值模式预报方法、统计预报方法和综合经验预报方法。其中数值预报方法主要有两种模式系统:一是中国科学院大气物理所开发的城市空气污染预报

[1]

模式系统(以下简称EMH ) 包括ETA 模式、能较好预测山谷风、河陆风及城市热岛环流的M -β模式、干湿沉积模式、高分辨率对

流层化学模式; 另一个是中国气象局气象科

[2]

学研究院开发的城市空气污染预报系统(CAPPS ) 。统计方法主要是各地根据自己的污染气象特征开发的大多以多元回归为主的各类统计预报方法。综合经验预报方法主要是预报员在参考天气形势预报、气象要素预报和当日污染状况的基础上, 对各种方法如统计预报和数值预报的结果进行人工加权

[3]

做出的综合预报。在天津市的空气质量预报中主要采用以上两种模式系统和统计预报方法。通过一年多的业务运行, 先将各种预报方法的预报效果进行对比分析, 力求找到一种更加适合于当地的空气质量预报方法, 为更好地做好空气质量预报工作提供一些参考依据。1　预报方法中国科学院大气物理所的城市空气污染

预报模式系统, 其初始场采用T213的预报场, 中间加入地表温度和水面温度、下垫面类型资料及污染源排放资料通过资料同化和网格嵌套, 最终计算出未来24～36h 的污染物

[1, 4]

浓度预报值。

中国气象局气象科学研究院开发的城市空气污染预报系统CAPPS 包括M M4(目前普遍使用的是MM 5) 气象模式和一个箱格模式, 它不需要污染源的资料, 而是采用实时监测资料在箱格单元中对平流扩散方程进行积分反演出污染源的方法进行空气污染潜势及污染浓度预报。其初始场采用当天的实时探空气象资料内插和实时的污染监测资料, 预

[2]

报时效为24～48h 。

多元回归统计预报方法(以下简称MRA ) 是采用1997～2001年长期的气象和空气质量同步监测资料, 选取对天津市空气质量有直接影响的因子并对其中的非量化因子进行量化后进行逐步回归, 用0. 05作为F 检验的参考值, 最后建立最优预报方程。以后把预报的气象因子代入方程进行计算得到

[5]

污染浓度预报结果。

经验预报方法就是综合集成预报方法(以下简称ECF ) , 预报员根据在对上述几种方法预报效果充分认知的情况下, 在深入了

气象　第30卷　第10期

解当地的污染特征的基础上, 再参考天气形

势预报、气象要素预报, 对各种方法进行人工加权做出综合预报结果。2　资料说明

城市环境监测资料采用2002年天津市城区及滨海新区12个自动监测站三种污染物(SO 2、NO 2和PM 10) 浓度的采样记录。CAPPS 、M RA 、ECF 的预报结果是2002年全年(包括取暖期11～3月和非取暖期4～9月) 的原始预报结果, 没有经过任何处理。而EMH 由于技术原因只有非取暖期的38天的预报结果, 出于比较需要本文将2001年对EMH 调试阶段取暖期的预报结果也进行了分析。3　评分办法

为了客观评价这几种预报方法的预报效果, 采用目前较为公认的三种评分办法:

(1) 中国气象局于2001年下发的《气象部门城市空气质量预报质量考核和管理暂行办法》的综合评分办法。

(2) 由环保部门规定的指数评分办法即预报指数与实际监测指数差值不超过±10为正确预报, 否则为错误预报。

(3) 级别判定评分办法即预报的污染级别与实际污染监测级别相同为正确预报, 否则为错误预报。为了更客观地比较, 同时还给出了各种预报方法的预报值和监测值的相关分析。4　评分结果

2001年2月17日至3月17日期间共24天应用EM H 模式在天津市区进行试验预报, 采用API 指数分级法对空气污染预报的结果进行分析。将天津市区六个监测站空气污染物浓度实测结果及模式预报结果用空气污染等级表示(表1) 。

表1　取暖期实测与EMH 预报结果级别正确率/%

站点南开区河北区河西区红桥区和平区河东区平均SO 2NO 2T SP

62. 587. 562. 5

66. 787. 575. 0

91. 779. 2-62. 566. 787. 5

58. 358. 3-75. 095. 887. 5

69. 579. 278. 1

预报准确率总体平均为69. 5%;NO 2浓度预报准确率总体平均为79. 2%;TSP 浓度预报

准确率总体平均为78. 1%;平均而言, EM H 模式系统对污染物浓度的API 指数级别的预报准确率在68%以上。说明EM H 方法在空气质量诊断及预报中是可行和适用的。

表2是2002年取暖期另外三种预报方法的污染物级别预报效果对比。从中可见, SO 2与PM 10的级别预报准确率最高的是ECF , 最低的是M RA 预报方法, 而NO 2的级别预报准确率最高的是CAPPS , 最低的却是ECF 方法。造成这种预报效果差异的原因在于天津市的污染特征, 在取暖期SO 2与PM 10浓度变化幅度较大, 在污染物浓度发生陡变时尤其是遇有沙尘天气发生时, CAPPS 和M RA 很难将这种变化的幅度预报出来, 此时预报员经验的作用就明显了, 所以ECF 方法在SO 2和PM 10(尤其是PM 10) 预报效果明显好于其他预报方法。而NO 2的变化幅度小且级别低, 所以CAPPS 模式的预报效果最好, 甚至超过了预报员的经验预报。

表2　取暖期三种预报方法的预报

级别正确率/%

预报方法CAPPS M RA ECF

S O 267. 944. 875. 5

NO 281. 6

81. 276. 2

PM 1060. 2

58. 867. 8

　　表3是非取暖期四种预报方法的预报效

果对比。这是用三种评分办法进行评价的, 由此可见, 无论是采用那种评分办法, ECF 效果最好, 而EMH 除NO 2的级别预报准确率和其他几种方法相当外, 其它预报效果都不很好。CAPPS 与M RA 的综合评分几乎相同, 而CAPPS 的污染物级别预报准确率明显高于M RA , 指数预报准确率除PM 10略低

表3　非取暖期四种预报方法的预报效果对比/%

综合

评分

EM H 80. 5CAPPS 90. 8M RA 90. 9ECF 93. 6

指数法(±10)

SO 2NO 2PM 1036. 860. 059. 676. 3

44. 7

83. 665. 591. 7

15. 8

42. 943. 860. 6

SO 257. 9

93. 781. 696. 7

级别法

NO 2PM 10

10010099. 5100

36. 882. 980. 587. 4

　　当预报的污染物浓度级别与监测的级别

一致时, 认为预报准确。由表可见, SO 2浓度

31

气象　第30卷　第10期

于M RA 外, SO 2和NO 2的指数预报准确率也高于MRA 方法。

　　表4是M RA 、CAPPS 和ECF 三种预报方法2002年各季代表月及全年的平均评分结果。从年平均评分结果看, CAPPS 方法的预报效果界于M RA 和ECF 之间, 在综合集成预报中占有相当重的比例, 是预报员进行空气质量预报的重要参考。

表4　2002年M RA 、CA PPS 和ECF 三种预报方法

各月及全年的平均评分/%

预报方法

评分办法综合评分指数法

MA R

(±10)

SO 2NO 2SO 2

级别法

NO 2

1月

4月

7月

10月84. 877. 522. 635. 577. 587. 180. 689. 768. 862. 550. 087. 581. 387. 598. 380. 674. 245. 293. 510090. 3

年87. 542. 852. 837. 167. 991. 772. 689. 453. 666. 833. 582. 490. 866. 393. 966. 676. 749. 087. 790. 179. 5

83. 385. 991. 610. 353. 338. 718. 553. 383. 948. 366. 793. 559. 396. 7

100

表5　预报值和检测值的相关系数

预报方法

EM H CAPPS M RA

S O 20. 13740. 88920. 8478

NO 2

-0. 14270. 69740. 5221

PM 10

-0. 37410. 36180. 3797

5　结　论

通过对几种空气质量预报方法在天津市区的预报效果的对比分析, 发现CAPPS 模式无论是在取暖期还是在非取暖期对目前三种污染物(SO 2、NO 2、PM 10) 的预报效果都是比较好的, MRA 方法的预报效果略低于CAPPS , 而EM H 模式在科研模拟阶段的预报效果是不错的, 但是在业务预报中的预报效果明显不如CAPPS 和M RA , 这可能与模式的气象资料的初始场和污染源资料不完备有关系, EMH 模式输入的污染排放源清单资料是固定的, 而实际的污染源强是变化的, 由于污染物源强的误差造成了污染物浓度预报的较大误差。CAPPS 模式是使用实时的污染物监测资料作为初始浓度反演源强, 这就大大降低了由于污染物排放源强资料误差造成的影响, 所以预报的效果要明显好于EMH 和M RA 。因此, CAPPS 方法和M RA 应是目前各地开展空气质量预报的主要预报手段, 随着监测资料的加密及污染物排放源资料的细化, EMH 方法也可能会发挥其作用, 为预报员准确预报未来的空气质量提供有力的参考, 而我们最终的目的是发展一种完善的包含预报员经验及各种预报方法信息的综合集成预报, 目前最为关心的是发展一个能较好预报PM 10浓度的预报方法。参考文献

1　雷孝恩, 韩志伟, 张美根等. 城市空气污染数值预报模式

系统. 北京:气象出版社, 1998. 2　徐大海, 朱蓉. 大气平流扩散的非静稳多箱模型与污染潜势指数预报. 应用气象学报, 2000, 11(1) :1～12. 3　上海市环境监测中心, 上海市气象局城市环境气象研究中心. 上海市空气质量预报工作回顾. 城市气象服务科学讨论会学术论文集, 2001:123～124. 4　雷孝恩, 张美根, 韩志伟. 大气污染数值预报基础和模式. 北京:气象出版社, 1998. 5　王长友, 朱玉强等. 天津城市空气污染预报. 城市气象服

务科学讨论会学术论文集, 2001:353～356.

. 523. 348. 4PM 1034

. 156. 787. 1PM 1062综合评分指数法

CAPPS

(±10)

SO 2NO 2SO 2

级别法

NO 2

87. 986. 891. 246. 231. 361. 540. 968. 880. 857. 768. 877. 3

100

100100

PM 1015. 431. 338. 5

PM 1061. 556. 396. 2综合评分指数法

CAPPS

(±10)

SO 2NO 2SO 2

级别法

NO 2

90. 694. 692. 641. 970. 080. 635. 583. 393. 561. 386. 758. 1

100

100100

. 856. 767. 7PM 1025

. 470. 090. 3PM 1048

　　再从取暖期与非取暖期的预报效果对比

看, 各种预报方法都是非取暖期的预报效果明显好于取暖期的预报效果, 这是与天津市的污染特征和能源结构密切相关的, 而与预报方法的关系不大。

表5为EM H 、CAPPS 和M RA 预报方法的所有时间序列的预报值和监测值的相关系数, 从该表可见, CAPPS 预报值和检测值的相关性总体上要比其他两种方法好一些, 但是对PM 10而言, 任何一种方法的预报效果都不能令人满意。

如果将沙尘暴天气排除, CAPPS 和M RA 方法对PM 10的预报效果会有所提高。

天气气候分析

登陆广东热带气旋中尺度降水分布变化特征

林爱兰　丁伟钰　万齐林　梁建茵　何溪澄

(1. 广州热带海洋气象研究所, 510080; 　2. 广东省气象局)

提　　要

　　利用每小时地面观测资料和卫星遥感资料, 以1999～2001年在珠江三角洲地区

登陆的热带气旋为研究对象, 从合成分析和个例分析两方面揭示了登陆广东热带气旋降水的中尺度特征及其分布变化。结果表明, 热带气旋登陆前后中尺度强降水分布发生明显变化, 登陆后降水不对称性加大; 热带气旋登陆后中尺度强降水分布随时间变化, 登陆后第10个小时之前, 中尺度强降水基本上分布于热带气旋中心附近; 而热带气旋登陆第10个小时之后, 中尺度强降水具有明显的“离心”或“偏心”特征。

关键词:　热带气旋　中尺度降水　卫星遥感资料

引　言

在热带气旋中经常出现局地性强烈天气

[1]

①

11112

或数值实验研究了热带气旋中尺度暴雨的发生、发展

[2～4]

, 这些工作基本针对个例进行。

, 在小范围地区带来狂风暴雨, 酿成灾本工作利用广东地面站自记资料每小时降水量及静止卫星(GMS5) 三个通道(波长6. 7、

11、12μm ) 每小时遥感资料, 对多个热带气旋进行分析, 反映热带气旋中尺度降水分布在

害, 它们的范围一般最大不超过200～

300km , 最小的只有几十米, 是热带气旋内的中小尺度系统。近年来不少专家从观测资料

　①科技部2000年社会公益研究专项“登陆的南海热带气旋灾害预警技术研究”、广东省科技攻关项目“珠江三角洲热带气旋、暴雨预警信号发布关键技术研究”、科技部重点公益性研究项目“我国登陆台风灾害的监测及预报技术研究”(2001DIA20026) 及广东省重点科技攻关项目“卫星资料在海洋气象监测和预报上的综合应用”(99M 05002G ) 共同资助。

Comparison of Prediction Effects of Some U rban Air Pollution Methods

Zhu Yuqiang

(Tianjin M eteorological Institute , 300074)

Abstract

The predictions of three urban air pollution methods , statistical method , numerical model and empirical prediction , are com pared against the daily SO 2, NO 2and PM 10g round mean con -centrations observed in Tianjin urban area . The emphasis is on the objective evaluation of predic -tion effects of these urban air pollution prediction methods in Tianjin urban area .

Key Words :urban air pollution 　prediction effect 　comparison 　statistical method 　numeri -cal model 　empirical prediction

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