环境空气质量预测预报集成系统设计与应用

　　2011年世界园艺博览会于2011年4月28日至2011年10月22日，在魅力西安举行。

　　期间，中科宇图天下科技有限公司(简称“中科宇图”)研发的系统为世园会空气质量保障和应急措施采取提供科学依据和数据支持。同时，中科宇图派驻专业的研发技术人员到现场值守，提供实时的维护服务，参加预报系统分析和现场指导，确保系统运行正常，并对预报结论进行分析，保障世园会期间空气质量，为实现空气质量的预测预报服务。

　　该系统由中科宇图依托我国相关科研院所在环境空气质量数值预报和遥感监测等方面的先进科研成果——环境空气质量多模式集合预报技术、环境空气质量多源卫星遥感监测技术、空气质量条件指数预报技术、大气后向轨迹分析技术，通过产学研转化后开发建设。世园会结束后将作为一项建设成果，业务化运行。

　　系统已在广州第16届亚运会环境空气质量保障的应用中取得了较好效果，为实现“绿色亚运”目标提供了有力的技术支撑。

　　1、系统目标

　　环境空气质量预测预报集成系统是基于B/S、net 、Oracle、 WebGIS等系统架构和技术平台，结合多层体系结构分布式系统设计技术、数据缓存技术等信息技术，以及环境空气质量多模式集合预报技术(集成了中科院大气所的NAQPMS模型、美国EPA的CMAQ模式和CAMx模式，中尺度气象模式)、环境空气质量多源卫星遥感监测技术、空气质量条件指数预报技术、大气后向轨迹分析技术，开发的集空气质量监测数据、气象观测数据、污染源等基础信息接入、传输、管理以及空气质量预报结果会商、制作、发布于一体的决策支持系统。该系统的建设可为区域性大气环境污染的联防联控提供决策依据。

　　2、主要性能

　　(1)建立空气质量卫星遥感监测和空气质量条件指数预报系统，提供 PM10等各种主要影响空气质量的大气成分卫星遥感结果，实现区域未来12、24、48和72小时，甚至长达7天的空气质量条件指数预报。建立空气质量条件指数与API及主要污染物PM10质量浓度数学统计关系，实现空气质量等级定性预报。

　　(2)建立基于多源卫星遥感数据库，包括MODIS(空间分辨率1公里，可满足区域尺度的大气污染遥感监测需求)、TM或我国环境小卫星HJ-1A/B，SCIAMACHY, OMI等，逐日提供目标地区多种空间尺度的AOD、NO2、O3、SO2、UV Index、PM10浓度的时空分布图，为灰霾等大气污染事件的空间分布及其扩散、传播提供直观的图解。

　　图1 NO2反演结果

　　(3)利用地理信息系统(GIS)和大气后向轨迹模型，进行目标区域灰霾等大气污染事件的追踪溯源，定量解析周边地区对目标区域大气污染的贡献率。

　　图2 大气后向轨迹分析

　　(4)采用国内外先进的中尺度数值天气预报模型或城市尺度数值天气预报模型，较为精细准确地模拟目标区域的天气状况，为空气质量预报业务提供数值天气预报，同时可输出污染扩散模型可识别的气象场，驱动污染扩散模型的运行。实现MM5气象模式在infiniband高速网络的并行，实现各模式的并行化，并行化效率高于70%。

　　(5)多数值污染预报模式系统集成，根据需要集成中科院大气所模式NAQPMS，美国EPA的CMAQ模式、CAMx模式。按照各模型的特点和运算需求合理分配软硬件资源，特别是配置合理的网络环境。要求各专用模型独立自动运行，且均能满足预报的时效性要求，对各模型的预报输出进行有效的组织和应用。

　　图3 预报结果动态展示

　　(6)开发的空气质量数值预报模式实现每日业务化运行的成功保障率超过98%，自动化程度超过90%。

　　(7)数据分析及图形显示系统。采用多维图形显示及GIS技术，对气象及污染扩散模型的模拟及预测数据进行动态诊断及显示。

　　图4 大气污染扩散的3D展示

　　3、系统特色

　　(1)将GIS与多模式集合预报技术结合起来，通过模型与GIS的外联式集成，形成强大、高效的环境空气质量预测预报信息发布展示能力，提供空间、属性数据一体化的统计分析功能和多种空间决策功能。

　　(2)将多模式集合预报系统与环境空气质量在线监测系统有机结合，实现了预测结果与环境监测信息的自动比较分析，为集合预报系统中各个模式所占权重的动态调整提供依据，从而在业务化运行中不断提升了模式预报精度。

　　(3)在统一的平台内将卫星遥感监测、大气后向轨迹分析、空气质量条件指数预报和环境空气质量在线监测信息结合起来，实现了多元数据的融合和系统集成，通过多种技术的综合研判，为环境空气质量管理提供决策支持。

　　4、系统作用

　　(1)系统可提供目标区域及其周边地区AOD、PM10、NO2、SO2等指标的逐日遥感监测结果，预报1-3天有利(不利)目标区域污染扩散的气象条件，定量预报1-3天目标区域及周边地区各种大气污染物浓度的分布情况，并对污染物的来源及贡献率进行定量分析，为空气质量保障提供有利的技术支撑。

　　通过该系统可以明确各点源排放对目标区域污染的贡献情况，以便于明确点源控制的重点，从而为有针对性的采取点源污染控制措施提供依据，避免了通过盲目进行大区域范围内工业限产或停产措施来保障特殊时期敏感区域的环境空气质量，提高了空气质量保障措施的科学性和针对性，在保证空气质量保障措施有效性的同时，降低了空气质量保障措施的实施成本，也节约了执法的人力成本。同时，也间接促进了产业结构的调整，污染物排放总量的下降，从而推动了绿色GDP的增长。

　　(2)该系统的建立和稳定运行，可为政府相关部门空气质量保障预案提供科学的数据支撑，而且可以作为各级环保部门能力建设的重要内涵，从而达到长期为区域空气质量监测预报服务之目的。本项目实施所产生的社会效益，主要体现在通过系统的建设和运行，提高综合决策的准确性，实现环境管理的现代化和科学化，使各项环境管理措施发挥出更大的作用和效率，减少环境破坏所带来的损失，也为持续改善人居环境提供了基础支撑。

　　5、结语

　　将GIS技术应用于多模式环境空气质量预测预报系统中，可提供空间数据和相关属性数据的快速存取和管理功能，使环境基础信息与环境管理信息以及模型分析结果以可视化的图形、图像方式呈现给决策管理人员，并能充分发挥GIS的空间分析能力，为辅助决策提供依据。环境空气质量多模式集合预报模型与GIS集成，不仅提高了模型的应用水平，也拓宽了GIS的应用范围，是数值预报的数学计算模型和环境结合的有效方法。

　　在环境空气质量预测预报系统中，GIS在数据管理、信息可视化、辅助决策支持等方面均发挥了重要的作用。