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HJ 1130—2020 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報技術(shù)規(guī)范

[2022-04-13 14:11:30]

1 適用范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式基本要求、運算處理和效果評估方法等內(nèi)容。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于全國生態(tài)環(huán)境部門的環(huán)境空氣質(zhì)量業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報，用于規(guī)范和指導(dǎo)業(yè)務(wù) 化應(yīng)用的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式，對其基本性能、組成和模擬效果等方面作出規(guī)定。

2 規(guī)范性引用文件

本標(biāo)準(zhǔn)引用了下列文件或其中的條款。凡是不注日期的引用文件，其有效版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB 3095 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

HJ 633 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定

3 術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式 numerical forecasting model for ambient air quality

基于大氣污染物形成過程中的基本物理和化學(xué)原理，采用數(shù)值計算方法模擬大氣污染物的排放、擴散、輸送、化學(xué)反應(yīng)、清除等物理和化學(xué)過程，從而預(yù)測空氣質(zhì)量狀況的系統(tǒng)。

3.2

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報 numerical forecasting of ambient air quality

利用環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式，對大氣中的主要污染物濃度及時空變化進行預(yù)報，預(yù) 測城市和區(qū)域等環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和潛在污染過程，為公眾的日常生活和生產(chǎn)活動提供指導(dǎo) 和服務(wù)，為管理部門采取應(yīng)對措施提供科學(xué)依據(jù)。

3.3

模式污染源清單 model-ready pol lutant emiss ion inventory

基于大氣污染物源排放清單和源清單處理模式，結(jié)合人口和交通路網(wǎng)等地理信息數(shù)據(jù)，按照不同類型排放源的時間分配和化學(xué)組成，根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式的時空分辨率和化學(xué)機制要求，處理獲得的網(wǎng)格化源排放數(shù)據(jù)。

3.4

大氣化學(xué)資料同化 atmospheric chemical data assimi lation

基于最優(yōu)估計理論，利用模式狀態(tài)變量的時空演變規(guī)律和物理化學(xué)屬性的持續(xù)約束，將多源大氣化學(xué)成分觀測信息不斷融入到環(huán)境空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)中，以更加精確地估計或預(yù)測未知變量，減小不確定性的方法。

4 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式基本要求

4.1 空間尺度范圍

4.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式應(yīng)客觀反映一定空間范圍內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量水平和變化規(guī)律，模式所應(yīng)用的空間尺度范圍可分為全球尺度、大陸尺度、區(qū)域尺度和城市尺度。

4.1.2 大陸尺度覆蓋東亞地區(qū)，空間范圍通常為 900 萬平方公里以上。

4.1.3 區(qū)域尺度覆蓋城市群，空間范圍通常為 100～900 萬平方公里。

4.1.4 城市尺度覆蓋城市及其周邊區(qū)域，空間范圍通常為 100 萬平方公里以下。

4.2 空間分辨率

4.2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式計算區(qū)域的水平分辨率，全球尺度不低于經(jīng)度 1o緯度 1 o，大陸尺度不低于 50 公里×50 公里，區(qū)域尺度不低于 15 公里×15 公里，城市尺度不低于

5 公里×5 公里。

4.2.2 模式計算區(qū)域的垂直層數(shù)不少于 10 層，其中近地面 1 公里內(nèi)垂直層數(shù)不少于 5 層。

4.2.3 模式污染源清單空間分辨率應(yīng)與數(shù)值預(yù)報模式計算區(qū)域的空間分辨率一致。

4.3 預(yù)報時長

4.3.1 全球和大陸尺度模式計算的預(yù)報時長不少于 7 天。

4.3.2 區(qū)域尺度模式計算的預(yù)報時長不少于 7 天。

4.3.3 城市尺度模式計算的預(yù)報時長不少于 5 天。

4.4 預(yù)報輸出時間間隔

環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式相鄰兩次模擬結(jié)果輸出的時間間隔應(yīng)在 1 小時（含）以內(nèi)。

5 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式運算處理

5.1 模式污染源清單前處理

5.1.1 主要目的是將大氣污染物源排放清單轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格化、逐小時的模式污染源清單。

5.1.2 輸入?yún)?shù)包括區(qū)域大氣污染物源排放清單、時間和空間分配系數(shù)、化學(xué)成分譜等。

5.1.3 大氣污染物源排放清單基本屬性包括基準(zhǔn)年、覆蓋范圍、排放污染物種類、排放來源分類、時間和空間分辨率等。

5.1.4 排放來源類別包含電廠、工業(yè)、交通、居民、農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)燃燒、揚塵、天然源等。

5.1.5 排放污染物種類包含細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx ）、一氧化碳（CO）、有機碳（OC）、黑炭（BC）、氨（NH3 ）、揮發(fā)性

有機物（VOCs ）等。

5.1.6 依據(jù)時間和空間分配系數(shù)對大氣污染物源排放清單進行時間和空間分配，包含人口密度、土地利用等空間分配因子和不同類型排放來源的月變化、周變化和日變化等時間分配

因子。 5.1.7

5.1.8

依據(jù)化學(xué)成分譜對排放污染物進行化學(xué)組成分配。

如有條件，可采用動態(tài)更新的污染源清單數(shù)據(jù)。

5.2 模式氣象預(yù)報場前處理

5.2.1 主要目的是將氣象預(yù)報模式的原始輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式的輸入氣象預(yù)報場，應(yīng)包括診斷分析、單位轉(zhuǎn)換、空間插值和格式轉(zhuǎn)換。

5.2.2 氣象預(yù)報場基本屬性應(yīng)包括起始時刻、時間和空間范圍、時間和空間分辨率、區(qū)域網(wǎng)格坐標(biāo)參數(shù)、邊界層方案、輻射方案、陸面過程方案和成云參數(shù)化方案等。

5.2.3 氣象要素應(yīng)包括氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、降水、云、輻射等。

5.3 初始與邊界條件設(shè)置

5.3.1 主要目的是為環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式提供運行初始值和最外層模式計算區(qū)域的邊界值。

5.3.2 初始值指起始時刻模式計算區(qū)域污染物的濃度值，獲取方法有：（ 1）從已獲得的模式輸出或分析資料中提取處理；（2）大氣化學(xué)資料同化；（3）設(shè)置為缺省值。

5.3.3 邊界值指預(yù)報時段內(nèi)最外層模式計算區(qū)域邊界上污染物的濃度值，獲取方法有：（1）從全球模式的預(yù)報結(jié)果中提取；（2）設(shè)置為缺省值。

5.4 大氣化學(xué)傳輸運算

5.4.1 主要目的是用數(shù)學(xué)方程組表征污染物在大氣中生消演變的物理化學(xué)過程，計算污染物濃度的時空分布。

5.4.2 輸入?yún)?shù)包括模式污染源清單、模式氣象預(yù)報場、模式初始和邊界條件以及地理經(jīng) 緯度資料等。

5.4.3 主要物理化學(xué)過程應(yīng)包括排放、平流、擴散、對流、干沉降、濕沉降、氣相化學(xué)、液相化學(xué)、無機氣溶膠化學(xué)、有機氣溶膠化學(xué)及多相化學(xué)反應(yīng)等。

5.4.4 結(jié)合計算區(qū)域地形特點、氣象條件、污染物排放特征等因素，設(shè)置物理化學(xué)過程關(guān) 鍵參數(shù)最優(yōu)化方案組合。

5.4.5 有條件時可進行大氣化學(xué)資料同化，用最優(yōu)插值、三維變分、四維變分、集合卡爾曼濾波等方法，分析融合觀測數(shù)據(jù)和模式預(yù)報數(shù)據(jù)。

5.5 預(yù)報產(chǎn)品輸出

5.5.1 主要目的是對模式原始輸出結(jié)果進行數(shù)據(jù)提取、診斷分析、單位換算、網(wǎng)格坐標(biāo)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等，制作空氣質(zhì)量預(yù)報產(chǎn)品。

5.5.2 空氣質(zhì)量預(yù)報基本產(chǎn)品應(yīng)包括PM2.5 、PM10 、CO 、O3 、NO2 、SO2等主要污染物濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的時空分布。

5.5.3 空氣質(zhì)量預(yù)報的可選產(chǎn)品包括顆粒物組分、污染來源貢獻率、污染潛勢、沙塵、氣

溶膠光學(xué)厚度等。

5.5.4 氣象條件預(yù)報基本產(chǎn)品應(yīng)包括風(fēng)向、風(fēng)速、降水、氣溫、氣壓、相對濕度、輻射量、云量的空間分布等，其他產(chǎn)品可包括邊界層高度、大氣能見度、大氣穩(wěn)定度、前后向軌跡等。

6 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式效果評估方法

6.1 評估內(nèi)容

6.1.1 6.1.2 染物。 6.1.3

應(yīng)用環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式時，應(yīng)對其預(yù)報效果進行評估。

評估對象：包括 PM2.5 、PM10 、CO 、O3 、NO2 、SO2 濃度，AQI 、AQI 級別，首要污

評估類別：包括單項污染物濃度預(yù)報統(tǒng)計評估、空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報評估、重污染天

預(yù)報評估。

6.1.4 評估時效：對空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式提前 24 小時、48 小時、72 小時等預(yù)報結(jié)果分別進行評估。

6.1.5 評估周期：對環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報效果進行季度和年度評估；如進行月度評估，可參照執(zhí)行本標(biāo)準(zhǔn)。

6.1.6 評估所用實況數(shù)據(jù)：全國環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)日報發(fā)布的城市AQI和各項污染物濃度。

6.1.7 預(yù)報結(jié)果處理和計算：參照 GB 3095 和 HJ 633 ，根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)計算方法、首要污染物確定方法和空氣質(zhì)量指數(shù)級別定義對數(shù)值預(yù)報結(jié)果進行處理和計算。

6.2 單項污染物濃度預(yù)報統(tǒng)計評估

6.2.1 單項污染物濃度預(yù)報統(tǒng)計評估是指通過各項污染物濃度數(shù)值預(yù)報結(jié)果與實況的偏差、誤差和相關(guān)性等方面的分析，評估數(shù)值模式對城市各項污染物的預(yù)報效果。評估內(nèi)容主要包

括標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)。

6.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差（Normalized Mean Bias, NMB）

? ?

??? = （ 1）

式中： NMB——標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差；

?——參與計算的樣本對個數(shù)；

——? ?第 i 個樣本對中，污染物數(shù)值預(yù)報濃度值；

Oi——第 i 個樣本對中，污染物實況濃度值。

6.2.3 均方根誤差（Root Mean Square Error, RMSE）

???? = σ??=? ? ? ?? ???? （2）

式中： RMSE——均方根誤差；

?——參與計算的樣本對個數(shù)；

Fi——第 i 個樣本對中，污染物數(shù)值預(yù)報濃度值；

Oi——第 i 個樣本對中，污染物實況濃度值。

6.2.4 相關(guān)系數(shù)（Correlation coefficient, r）

σ? ? ? ??? σ??=? ?? ? ??

σ??=? ? ? ???? σ??=? ?? ? ???

式中，——?相關(guān)系數(shù)；

?——參與計算的樣本對個數(shù)；

——? ?第 i 個樣本對中，污染物數(shù)值預(yù)報濃度值；

——參與計算的污染物數(shù)值預(yù)報濃度平均值；

??——第 i 個樣本對中，污染物實況濃度值；

——參與計算的污染物實況濃度平均值。

6.3 空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報評估

6.3.1 空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報評估包括AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確率、AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確率、首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確率。

6.3.2 AQI范圍預(yù)報準(zhǔn)確率評估

以數(shù)值模式AQI 預(yù)報值為基準(zhǔn)，設(shè)定正負浮動 25%為AQI 預(yù)報范圍，若AQI 實況在預(yù) 報范圍內(nèi)，則記為AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確。

評估時段內(nèi)AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確天數(shù)與評估總天數(shù)的百分比即為 AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確率，計算公式如下：

??樈? = ? ? ?樈樈Ψ

式中： ??樈?——AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確率；

?——AQI 范圍預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)；

?——評估總天數(shù)。

（4）

6.3.3 AQI級別預(yù)報準(zhǔn)確率評估

根據(jù) 6.3.2 的AQI 預(yù)報范圍得到AQI 預(yù)報級別范圍，若AQI 實況級別在 AQI 預(yù)報級別范圍內(nèi)，則記為AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確。

評估時段內(nèi) AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確天數(shù)與評估總天數(shù)的百分比即為AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確率。

包括分級別預(yù)報準(zhǔn)確率和級別預(yù)報準(zhǔn)確率，AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確率年評估結(jié)果應(yīng)不低于 60%，計算公式如下：

a）分級別預(yù)報準(zhǔn)確率?? ????? ：

?? ????? = ? ? ? ?樈樈Ψ （5）

式中： ?? ?????——分級別預(yù)報準(zhǔn)確率；

?——AQI 級別，分為一級（優(yōu)）至六級（嚴(yán)重污染），級別總數(shù)為 6； ??——級別預(yù)報準(zhǔn)確天數(shù)；

??——實況 AQI 級別為 ? 的總天數(shù)。

b）級別預(yù)報準(zhǔn)確率?? ???：

?? ??? = ? ?樈樈Ψ （6）

式中： ?? ???——級別預(yù)報準(zhǔn)確率；

?——AQI 級別，分為一級（優(yōu)）至六級（嚴(yán)重污染），級別總數(shù) ?=6； ? ?——級別預(yù)報準(zhǔn)確天數(shù)；

??——實況 AQI 級別為 ? 的總天數(shù)。

6.3.4 首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確率評估

首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

a）實況 AQI 級別為一級時，無首要污染物，不參與首要污染物預(yù)報評估；

b）實況AQI 級別為二級及以上時，當(dāng)任一預(yù)報首要污染物與任一實況首要污染物相同

時，則為首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確。

評估時段內(nèi)首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)與評估總天數(shù)的百分比即為首要污染物預(yù)報準(zhǔn) 確率，計算公式如下：

????? = ? ? ?樈樈Ψ （7）

式中： ?????——首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確率；

?——首要污染物預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)；

?——實況 AQI 級別為二級及以上的總天數(shù)。

6.4 重污染天預(yù)報性能評估

6.4.1 重污染天預(yù)報準(zhǔn)確率

以自然日（0-23 時）為判據(jù)，將日 AQI 大于 200 定義為重污染天。一年內(nèi)實況重污染天數(shù)大于等于 5 天時，可進行重污染預(yù)報性能評估。

重污染天預(yù)報準(zhǔn)確率是指實況為重污染的總天數(shù)中 AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)所占的百分比，計算公式如下：

? （ 8）

實況

式中： ——????重污染天預(yù)報準(zhǔn)確率；

?——評估時段內(nèi)AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)；

?實況——實況為重污染的總天數(shù)。

6.4.2 重污染天預(yù)報檢驗評分

重污染天預(yù)報檢驗評分是指實況或預(yù)報為重污染的總天數(shù)中，AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)

所占的百分比，計算公式如下：

? （9）

式中： HCSI——重污染天預(yù)報檢驗評分；

?——評估時段內(nèi)AQI 級別預(yù)報準(zhǔn)確的天數(shù)；

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