李红霞+徐伟嘉+黄建彰

摘要：介绍了法国环境空气质量预报业务，其由法国巴黎大区空气质量管理中心（AIRPARIF）直接负责，在空气质量预报业务与科研工作方面具有先进与丰富的经验， 并建立了标准化的预报技术体系和业务流程。指出了ESMERALDA系统是法国包括巴黎大区在内的6个地区共同开发和目前正在使用的空气质量预报和可视化平台，包括法国自主研发的CHIMERE模型、小尺度模型和统计多元回归模型。巴黎大区AIRPARIF先进的预报系统和预报技术、良好的业务运行机制，对国内大城市空气质量预警预报具有很好的启发与借鉴意义。

关键词：PM2.5；空气质量；污染预报；空气质量管理中心

中图分类号：X16

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0025-03

1 引言

我国空气质量的监测、预报和预警，是大气环境污染治理工作的基础。自2012年环境保护部发布新的空气质量标准以来，我国重点城市和地区的PM2.5污染形势严峻，臭氧污染日益突出，广大市民对频发的重污染预警也提出了更高的要求。近一两年，从国家级监测机构到各地监测部门都已开始加强预报能力的建设，应对和满足公众和管理的需求。

美国空气质量监测网络建设较完善，并从多样化空气监测、区域污染特性及趋势分析、突发应急管理、酸沉降与臭氧趋势分析、光化学烟雾、气溶胶污染、空气质量预报、多元污染策略减排、达标与空气管理、减排效益与健康评估方面实现了全方位的管控[1～3]。此外，由24个欧盟成员国组成的国际性组织欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 简称 ECMWF）通过由世界气象组织（WMO）维护的全球通信网络向世界所有国家发送部分有用的中期数值预报产品，通过将空气质量有关的资料系统、预报模式、预报系统、决策系统和评估系统等有机地结合在一起，为政府、企业和公民提供有力的大气环境信息支持和服务[4～8]。

我国空气质量监测与预报尚处于起步阶段。目前，我国已建成覆盖全国338个地级市由1398个站点组成的全国城市环境空气质量监测网络并对外提供信息服务（http：//113.108.142.147：20035/emcpublish），并于2016年1月1日起对外发布全国京津冀、长三角、珠三角3大区域、27个省域、46个城市的未来2～3 d空气质量预报信息（http：//106.37.208.228：8082/）。根据中国环境监测总站截至2014年4月底的统计结果（《关于印发各地环境空气质量预报开展情况调查结果的通知（总站预报字[2014]02号）》）全国已开展空气质量预报业务的省级站为11个（北京、天津、上海、江苏、浙江、福建、山东、湖北、湖南、陕西和青海），省会城市站9个（太原、沈阳、南京、杭州、济南、武汉、广州、成都和西安），计划单列市2个（青岛和深圳）。有预报能力筹建计划的单位包括15个省级站、省会城市13个以及计划单列市3个。此外，有10个省级或省会城市站暂无开展预报工作的计划或将该项工作划归监测系统之外的环境部门负责。在已经开展空气质量业务预报的省市中，采用的技术架构普遍由三部分组成：统计模式、数值模式以及主观订正。其中，统计预报主要应用的是各地研发的动态统计预报模式、采用动力统计修正方法的统计预报等。数值预报则主要以WRF或MM5驱动的美国CMAQ、CAMx[9，10]、WRF-chem以及中科院大气所的NAQPMS[11～13]等模式为主，很多地方集成了不止一个数值模式。

在这种情况下，如何尽快的适应当前形势的发展、如何提高为环境管理服务的水平、如何不断提升自身的技术能力、如何更加及时准确地做出预报预警、为政府决策提供重要科学依据，是各省市监测中心迫切需要解决的问题。当前解决这一问题最快速有效的方法就是借鉴国外先进科学的预报系统和技术手段，本研究以法国AIRPARIF为例详细阐述了其空气质量预报体系、模型技术及其系统建设情况。

2 AIRPARIF预报体系

法国巴黎大区空气质量管理中心（AIRPARIF）成立于1979年，是一家法国环境部许可的独立机构，现有员工60人，从1990年代开始，直接负责向公众和管理机构提供整个巴黎地区的空气质量预报与分析工作，其主要职责有：对包括巴黎市在内的巴黎大区开展空气质量监测（人口约1200万）；每天进行空气质量预报，给出污染物的空间分布状况；每天通过互联网等方式对市民、媒体、管理部门发布空气质量信息；对于已经实施的或计划实施的污染控制措施进行评估。AIRPARIF在空气质量预报业务与科研工作方面具有先进与丰富的经验， 并建立了标准化的预报技术体系和业务流程。图1为法国的预报技术体系流程图。

3 AIRPARIF数值预报系统

ESMERALDA系统是法国包括巴黎大区在内的6个地区共同开发和目前正在使用的空气质量预报和可视化平台。ESMERALDA这个词为“跨区域大气研究”？的法语缩写。这个跨地区的预报平台从2004年春天着手部署，于2005年5月1日开始连续运行，2008年增加了颗粒物模块。目前数据的集中处理、计算平台的运行和维护等工作由6个地区之一的巴黎大区空气质量管理中心（AIRPARIF）独立实现，但是每一个成员单位都可以访问全部数据并且利用该平台计算自己地区的污染场景并进行信息发布。该平台建设的目的一方面是为6个地区提供空气质量预报和污染分布地图的信息发布资料，另一方面也是为了进行跨区域污染传输的模拟研究。

ESMERALDA系统模拟的区域是一个东西长438 km，南北长552 km的矩形，涵盖6个地区（图2）。这6个地区人口占法国总人口的38%，氮氧化物、二氧化硫、非甲烷VOC、二氧化碳、可吸入颗粒物、一氧化碳等污染物的排放量分别占法国总排放量的37%、43%、22%、30%、17%和26%。模型系统每天运算并产出前一天、当天和之后一天的污染物浓度分布图和空气质量指数地图，以及每一个单站的预报结果。空间分布图的分辨率为6 km，重点地区的NO2和O3分辨率为3 km。

ESMERALDA系统基于开放源代码软件产品建立，全部由AIRPARIF完成定制和二次开发。系统内部采用CHIMERE作为化学传输模型（CTM）。气象场方面采用MM5中尺度气象预报模型。污染源清单方面采用9 km分辨率的跨区域综合排放清单，机动车排放由HEAVEN系统计算生成。系统目前的硬件运行环境为基于INTEL Xeon处理器的两台并行DELL服务器。操作系统为CentOS，编译器采用INTEL处理器优化的IFORT。目前运行每天的常规预报大约需要6 h。ESMERALDA系统在近期计划的主要工作包括：评估WRF的适用性、使用CAMx进行源解析以及污染源清单敏感性方面的研究。AIRPARIF预报业务采用ISO9001标准进行质量控制，预报结果使用R语言进行性能评估。初步的评估结果显示模型结果与实际检测结果总体吻合，但是在冬季高污染场景时会出现比较明显的低估。

3.1 区域空气质量模型（CHIMERE）

CHIMERE模型是法国研发的空气质量数值模型，该模型为三维嵌套欧拉区域性光化学输送模式，由来自IPSL/LMD、INERIS和LISA等科研机构的工程师联合开发，主要应用于对区域尺度内臭氧、气溶胶及其他污染物的浓度预测，并可以用来评价污染源控制措施的实施效果。在空间上，CHIMERE可实现从区域尺度（几千公里）到城市尺度（100～200 km）范围的模拟，分辨率可从1 km到100 km，目前主要应用在欧洲。从空气质量预报模型发展角度看，相对于第三代模型（如Model-3/CMAQ）的多物种模拟而言，该模型主要针对光化学反应的气态或固态污染物以及对二次气溶胶的模拟。

与模型相关的物理和化学过程包括：水平与垂直输送，扰动混合，气溶胶的液相化学和非均相化学模式，凝结、吸收、聚核等物理过程，二次气溶胶形成的气液分配及热动力学模式，云层对光分解作用的影响，干湿沉降等。AIRPARIF主要将CHIMERE模型用于法国国家区域尺度模拟，基于MM5的气象场以及本地排放源处理模块进行区域空气质量预测预报。

（1）气象模块，主要是运用MM5提供的二维和三维预报结果，计算出CHIMERE所需的用于计算光化学反应，混合、沉降和传输等方面的参数。CHIMERE具有自己的水平嵌套和垂直分层，METEO模块实现MM5与其衔接，即模拟区域与天气预报系统区域的耦合，包括时间分辨率的插值和空间区域的拟合。

（2）EMIS模块。主要负责处理点源、面源数据进行整理并执行清单输入文件向CHIMERE认可文件之间的格式转换；交通源和生物源分别采用CONPERT模型与MEGAN模型进行输入处理。

（3） CHIMERE所需的各种相关模块。气相化学机制MELCHIOR2（含44个物种及120多种反应）；水平输送模块PPM；全球尺度的边界条件采用GOCART结果；区域尺度边界条件采用LMDz-INCA2化学输送模式，执行气态污染物和气溶胶的物种输出等；非有机气溶胶形成的吸收过程采用ISORROPIA区域和全球尺度的气溶胶热力学模式计算结果；有机气溶胶的吸收过程参照热动力平衡方程。初始场目前通过边界浓度插值形成。

AIRPARIF主要用CHEMERE模型进行欧洲国家区域的模拟预报与评估工作，比重可重点评估与预测对巴黎影响较大的东北向德国的工业区输送、东向波兰的重点工业区输送、西向农业氨源输送、兼顾考虑南部沙哈拉沙漠的沙尘远距离输送，同时为城市小尺度模型提供预报背景浓度场。

3.2 城市小尺度模型

随着污染治理措施的不断加强，各国超大城市的工业源排放均会显著下降，机动车排放源的作用将会逐步加大，为了更准备预报与评估道路上行驶机动车源排放对空气质量的影响，城市小尺度空气质量模型已经是超大城市空气质量预报与评估业务部门必不可少的模型工具。AIRPARIF分别采用ADMS、CALPUFF两个模型进行小尺度模拟预报。在CHEMERE模型提供3 km分辨率背景浓度的基础上，叠加小尺度模型模拟机动车排放污染物的演变规律，从而得出精细化的污染物空间分布结果。其中ADMS模型用于巴黎整个主市区的模拟计算，CALPUFF模型用于机场局地模拟预报与评估。

4 统计预报技术

AIRPARIF目前针对数值模型结果采用多元回归模型进行统计订正预报，主要输入参数分为几个部分：①气象参数：温度（最大温度、最小温度）、风速、风向、大气稳定度、太阳辐射强度等。②数值模拟结果，其中颗粒物细化至各个组分，此外还有臭氧、NO2、CO、SO2等污染物。③预报前一天各个站点的颗粒物、臭氧、NO2等观测结果。由于欧洲整体排放源变动较小，AIRPARIF基本不考虑直接订正排放源清单来进行预报，而是利用统计模型订正数值预报结果进行预报，从预报结果看，统计订正预报可以明显增加预报的准确性，尤其是针对长期模拟偏低的站点，因此，针对数值预报的统计订正预报技术也是AIRPARIF整个预报体系的重要一环。

综上，巴黎大区AIRPARIF先进的预报系统和预报技术、良好的业务运行机制，对同为人口密集的国内大城市具有很好的启发与借鉴意义。

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