王晓彦，陈 佳，朱莉莉，赵熠琳，闫 慧，李健军

1．中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

2．中国科学院大气物理研究所，北京 100029

环境空气质量预报是落实《大气污染防治行动计划》的新兴核心业务，是重污染预警应急和大气污染防控不可或缺的基础工作。环境空气质量指数(AQI)预报是城市环境空气质量预报的基本内容，是公众了解未来空气质量状况最直接的方式，成为空气质量预报业务部门的重要例行工作。目前，国内重点城市已陆续开展AQI预报［1-2］，但尚未形成规范的AQI预报方法，无法满足城市AQI预报信息统一发布要求，迫切需要建立一套标准化的AQI预报方法体系。本文以全国城市空气质量实时发布平台2014年典型城市的实况监测数据为基础，利用统计学方法对数据进行分析，探讨城市24 hAQI范围预报方法和偏差修正的确定依据，以及相关的质量控制技术，以期为各城市开展AQI预报提供实用方法和技术参考。

1 AQI范围预报方法

1.1 级别判断

在空气质量模式AQI预报结果的基础上，根据空气质量实况、天气形势预报和污染源排放变化，初步判断次日AQI预报级别，确定将其定位在某个级别内还是两个级别间。例如优、优～良，良、良～轻等空气质量级别。通常若天气形势稳定或变化趋势清晰，AQI可定位在某级别内。若未来天气形势变化不明朗，例如，出现弱槽过境、弱降水等，可将AQI定位在级别间进行跨级预报。

1.2 中心线设定

根据初步判断AQI变化趋势，设定AQI范围中心线的大致位置，即偏向趋势变化所向级别的低、中、高段位。通常根据好转、稳定、变差的趋势，分别将AQI预报范围的中心线定位在稍低、持平、稍高段位。例如，初步判断AQI是跨越良到轻度污染两级的变差趋势，根据预估的AQI变化幅度，将中心点设定在偏良、居中或偏轻度污染的段位。

1.3 变化幅度修正

为提高预报准确性，需在设定的AQI范围中心线上加减一个变化幅度(偏差)，最终形成AQI范围预报。通常在中度污染以下加减10或15的幅度，中度污染以上加减20或更大的幅度。例如，初步判断未来24 h空气质量级别为良，并有转差的趋势，AQI中心线设定为85，处于该级别的稍高段位，再加减10的变化幅度进行修正，即最终AQI预报结果为75～95。具体预报范围修正方法在下文详细讨论

2 AQI预报范围订正

2.1 AQI分级波动范围

为分析不同区域、不同污染程度的城市AQI分级波动情况，选取张家口、邢台、大连、沈阳、舟山、济南、长沙、郑州、海口、广州、拉萨、成都、西宁、西安14个典型城市，分别代表华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北地区相对清洁和污染的城市情况，采用均方差来反映一组数据离散程度的最常用量化指标，对上述14个城市2014年的实况AQI数据进行统计，以分析不同空气质量级别的AQI波动情况。见表1。

表1 2014年各区域典型城市不同空气质量等级AQI均方差统计

由表1可以看出，各区域的清洁城市和污染城市在同一级别内的AQI均方差无明显差别，且随着空气质量级别加重，清洁城市和污染城市AQI均方差均表现出递增的总体趋势。14个城市空气质量为优级别时，AQI均方差为3.6～9.1，均值为6.1;良至中度污染级别时，各城市AQI均方差相差不大，为6.4～21.7，均值为13.4，且有90%的均方差处于10～16的范围内;在重度污染级别时，各城市AQI均方差明显增加，为19.9～34.0，均值为26.6;在严重污染级别时各城市AQI均方差进一步增加，为20.2～106.8，均值为62.4。由此可见，不同空气质量级别的AQI波动范围差异明显，应针对不同级别设置不同的AQI预报变化幅度。

2.2 AQI变化幅度范围

对于空气质量良好、大气化学机理单一、污染源排放量稳定、外来传输影响较小的清洁城市，其每日AQI的正常波动范围相当于AQI的本底变化幅度，可作为其他城市AQI预报变化幅度修正基本参考值。以三亚市2014年301个空气质量优级天的AQI统计结果为例，见图1。

图1 三亚市2014年优级天AQI分布

由图1可见，优级天AQI近似服从平均值为31.8，方差为62.1的正态分布，90%的优级天AQI集中在18.9～44.7的范围内，以均值31.8为中心，上下均浮动12.9，设定AQI在优级天的本底变化幅度为10，在一定程度上可视为城市AQI预报的基本波动范围。

对于空气质量一般的城市，AQI预报较易受到气象条件、污染源排放、大气复合污染程度、季节等因素变化的影响，每日AQI波动范围较大。以机动车尾气污染为主的杭州市2014年110 d轻度污染AQI的分布为例，如图2所示。AQI分布较为分散，均方差为13.3，超过78%的AQI集中在轻度污染(101～150)的中低位区间(101～130)，设定轻度污染AQI预报较合理的变化幅度范围为15。

图2 杭州市2014年轻度污染天AQI分布

通常空气质量较差的城市，本地污染源排放量大，且大气污染物不易扩散，AQI预报更多考虑气象条件和季节变化(如冬季北方采暖燃煤)的影响，在空气质量重度及以上污染时，AQI波动明显以煤烟污染为主的邢台市2014年74 d重度污染AQI分布为例，如图3所示。AQI分布明显分散，均方差为26，超过86%的AQI集中在重度污染(201～300)的中低位区间(201～270)，设定重度污染AQI预报较合理的变化幅度范围为25。

图3 邢台市2014年重度污染天AQI分布

2.3 AQI模式预报偏差分析

城市空气质量模式预报结果与实况AQI的偏差在一定程度上也有助于指导AQI预报变化幅度的设定。以2014年中国科学院大气物理研究所研发的NAQPMS数值预报模式对北京市的24 hAQI预报为例，统计每日预报AQI与实况AQI偏差的绝对值，经过3轮异常值剔除(与平均值的偏差大于2倍均方差的视为异常值)，不同空气质量等级的偏差绝对值的均方差分布如图4所示。由图4可知，从优级至严重污染，比偏差绝对值的均方差在4.4～32.7。空气质量越好，均方差越小，反之亦然。空气质量优级时，均方差小于5。轻度污染至严重污染级别的均方差在29.1～32.7范围内，各等级差别不明显。比较现实，有必要区分优良等级和污染等级的AQI预报变化幅度范围。

图4 2014年NAQPMS模式对北京市AQI预报偏差分布

综上所述，不同空气质量等级对应的AQI范围区间大小有所不同，并根据实况统计分析和模式预报经验，无论是AQI实况波动范围，还是模式预报偏差，不同空气质量级别差别明显。因此，在开展城市AQI预报时，有必要针对各级空气质量等级分别设定不同的AQI变化幅度，力求合理并准确地反映未来AQI的变化范围。建议空气质量优良等级设定AQI变化幅度为10，轻度和中度污染等级设定为15，重度和严重污染等级设定为25。

3 AQI预报质量控制讨论

为保证城市AQI预报的有序开展，应建立一套完善的质量控制体系，对城市例行的AQI业务预报进行全过程的质量控制。1)建立预报日常值班制度，每日值班人员分为主班和副班2人，主班负责预报结果确定和会商启动等，副班负责预报信息和值班日志的编写，并对预报结果提出参考性意见，减少主班的个人盲区。2)建立预报会商制度，在预测到可能出现重污染时，联合相关预报部门和气象部门等机构开展预报会商，集思广益，从不同专业领域和学术背景获取多方意见，最终达成全体认可的预报结果，避免错报、漏报等预报失误。3)建立严格的工作流程，最大程度地减少人为干预，以控制预报的随意性。尽可能实现预报业务自动化分析，避免过多人工参与，提高预报客观性和客观订正效率［3］。4)采用集合预报方法，降低单一模式预报的不确定性误差，通过取长补短，综合利用各模式的优势，缩小预报的误差范围，从而改善预报效果［4-5］。5)定期开展预报效果回顾，一方面可评判预报模式对各项污染物预报的系统误差及误差范围，便于模式的后续改进，另一方面有利于预报员总结预报经验，纠正个人倾向，提高预报准确率［6-7］。

4 总结

目前，全国重点城市已不同程度地开展AQI预报能力建设。考虑到国内城市间空气质量水平差异较大和预报模式多样化等特点，为保证各城市AQI预报的规范性和可比性，急需建立一套标准化并可统筹兼顾的AQI预报方法体系，包括AQI预报方法、预报流程、预报范围订正、质量控制等一系列技术规范。文中通过对典型城市2014年每日AQI实况分析的基础上，阐述了针对不同空气质量等级设定不同的AQI预报范围变化幅度的必要性，并建议性地提出分级变化幅度参考值，同时对加强预报过程的质量控制技术进行了讨论，期望能够为各城市开展AQI预报提供借鉴和参考。

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