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HJ 1130—2020 環境空氣質量數值預報技術規范

[2022-04-13 14:11:31]

1 適用范圍

本標準規定了環境空氣質量數值預報模式基本要求、運算處理和效果評估方法等內容。

本標準適用于全國生態環境部門的環境空氣質量業務化數值預報，用于規范和指導業務化應用的環境空氣質量數值預報模式，對其基本性能、組成和模擬效果等方面作出規定。

2 規范性引用文件

本標準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準。

GB 3095 環境空氣質量標準

HJ 633 環境空氣質量指數（AQI）技術規定

3 術語和定義

下列術語和定義適用于本標準。

3.1

環境空氣質量數值預報模式 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原理，采用數值計算方法模擬大氣污染物的排放、擴散、輸送、化學反應、清除等物理和化學過程，從而預測空氣質量狀況的系統。

3.2

環境空氣質量數值預報 numerical forecasting of ambient air quality

利用環境空氣質量數值預報模式，對大氣中的主要污染物濃度及時空變化進行預報，預測城市和區域等環境空氣質量狀況和潛在污染過程，為公眾的日常生活和生產活動提供指導和服務，為管理部門采取應對措施提供科學依據。

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，結合人口和交通路網等地理信息數據，按照不同類型排放源的時間分配和化學組成，根據環境空氣質量數值預報模式的時空分辨率和化學機制要求，處理獲得的網格化源排放數據。

3.4

大氣化學資料同化 atmospheric chemical data assimi lation

基于最優估計理論，利用模式狀態變量的時空演變規律和物理化學屬性的持續約束，將多源大氣化學成分觀測信息不斷融入到環境空氣質量模式系統中，以更加精確地估計或預測未知變量，減小不確定性的方法。

4 環境空氣質量數值預報模式基本要求

4.1 空間尺度范圍

4.1.1 環境空氣質量數值預報模式應客觀反映一定空間范圍內的環境空氣質量水平和變化規律，模式所應用的空間尺度范圍可分為全球尺度、大陸尺度、區域尺度和城市尺度。

4.1.2 大陸尺度覆蓋東亞地區，空間范圍通常為 900 萬平方公里以上。

4.1.3 區域尺度覆蓋城市群，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 環境空氣質量數值預報模式計算區域的水平分辨率，全球尺度不低于經度 1o緯度 1 o，大陸尺度不低于 50 公里×50 公里，區域尺度不低于 15 公里×15 公里，城市尺度不低于

5 公里×5 公里。

4.2.2 模式計算區域的垂直層數不少于 10 層，其中近地面 1 公里內垂直層數不少于 5 層。

4.2.3 模式污染源清單空間分辨率應與數值預報模式計算區域的空間分辨率一致。

4.3 預報時長

4.3.1 全球和大陸尺度模式計算的預報時長不少于 7 天。

4.3.2 區域尺度模式計算的預報時長不少于 7 天。

4.3.3 城市尺度模式計算的預報時長不少于 5 天。

4.4 預報輸出時間間隔

環境空氣質量數值預報模式相鄰兩次模擬結果輸出的時間間隔應在 1 小時（含）以內。

5 環境空氣質量數值預報模式運算處理

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換成網格化、逐小時的模式污染源清單。

5.1.2 輸入參數包括區域大氣污染物源排放清單、時間和空間分配系數、化學成分譜等。

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、交通、居民、農業、生物質燃燒、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 ）、揮發性

有機物（VOCs ）等。

5.1.6 依據時間和空間分配系數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

依據化學成分譜對排放污染物進行化學組成分配。

如有條件，可采用動態更新的污染源清單數據。

5.2 模式氣象預報場前處理

5.2.1 主要目的是將氣象預報模式的原始輸出結果轉化為環境空氣質量數值預報模式的輸入氣象預報場，應包括診斷分析、單位轉換、空間插值和格式轉換。

5.2.2 氣象預報場基本屬性應包括起始時刻、時間和空間范圍、時間和空間分辨率、區域網格坐標參數、邊界層方案、輻射方案、陸面過程方案和成云參數化方案等。

5.2.3 氣象要素應包括氣溫、氣壓、濕度、風、降水、云、輻射等。

5.3 初始與邊界條件設置

5.3.1 主要目的是為環境空氣質量數值預報模式提供運行初始值和最外層模式計算區域的邊界值。

5.3.2 初始值指起始時刻模式計算區域污染物的濃度值，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）大氣化學資料同化；（3）設置為缺省值。

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

5.4 大氣化學傳輸運算

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

5.4.2 輸入參數包括模式污染源清單、模式氣象預報場、模式初始和邊界條件以及地理經緯度資料等。

5.4.3 主要物理化學過程應包括排放、平流、擴散、對流、干沉降、濕沉降、氣相化學、液相化學、無機氣溶膠化學、有機氣溶膠化學及多相化學反應等。

5.4.4 結合計算區域地形特點、氣象條件、污染物排放特征等因素，設置物理化學過程關鍵參數最優化方案組合。

5.4.5 有條件時可進行大氣化學資料同化，用最優插值、三維變分、四維變分、集合卡爾曼濾波等方法，分析融合觀測數據和模式預報數據。

5.5 預報產品輸出

5.5.1 主要目的是對模式原始輸出結果進行數據提取、診斷分析、單位換算、網格坐標和數據格式轉換等，制作空氣質量預報產品。

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

5.5.3 空氣質量預報的可選產品包括顆粒物組分、污染來源貢獻率、污染潛勢、沙塵、氣

溶膠光學厚度等。

5.5.4 氣象條件預報基本產品應包括風向、風速、降水、氣溫、氣壓、相對濕度、輻射量、云量的空間分布等，其他產品可包括邊界層高度、大氣能見度、大氣穩定度、前后向軌跡等。

6 環境空氣質量數值預報模式效果評估方法

6.1 評估內容

6.1.1 6.1.2 染物。 6.1.3

應用環境空氣質量數值預報模式時，應對其預報效果進行評估。

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報統計評估、空氣質量指數預報評估、重污染天

預報評估。

6.1.4 評估時效：對空氣質量數值預報模式提前 24 小時、48 小時、72 小時等預報結果分別進行評估。

6.1.5 評估周期：對環境空氣質量數值預報效果進行季度和年度評估；如進行月度評估，可參照執行本標準。

6.1.6 評估所用實況數據：全國環境空氣質量指數日報發布的城市AQI和各項污染物濃度。

6.1.7 預報結果處理和計算：參照 GB 3095 和 HJ 633 ，根據空氣質量指數計算方法、首要污染物確定方法和空氣質量指數級別定義對數值預報結果進行處理和計算。

6.2 單項污染物濃度預報統計評估

6.2.1 單項污染物濃度預報統計評估是指通過各項污染物濃度數值預報結果與實況的偏差、誤差和相關性等方面的分析，評估數值模式對城市各項污染物的預報效果。評估內容主要包

括標準化平均偏差、均方根誤差和相關系數。

6.2.2 標準化平均偏差（Normalized Mean Bias, NMB）

? ?

??? = （ 1）

式中： NMB——標準化平均偏差；

?——參與計算的樣本對個數；

——? ?第 i 個樣本對中，污染物數值預報濃度值；

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；

Fi——第 i 個樣本對中，污染物數值預報濃度值；

Oi——第 i 個樣本對中，污染物實況濃度值。

6.2.4 相關系數（Correlation coefficient, r）

σ? ? ? ??? σ??=? ?? ? ??

σ??=? ? ? ???? σ??=? ?? ? ???

式中，——?相關系數；

?——參與計算的樣本對個數；

——? ?第 i 個樣本對中，污染物數值預報濃度值；

——參與計算的污染物數值預報濃度平均值；

??——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 空氣質量指數預報評估

6.3.1 空氣質量指數預報評估包括AQI 范圍預報準確率、AQI 級別預報準確率、首要污染物預報準確率。

6.3.2 AQI范圍預報準確率評估

以數值模式AQI 預報值為基準，設定正負浮動 25%為AQI 預報范圍，若AQI 實況在預報范圍內，則記為AQI 范圍預報準確。

評估時段內AQI 范圍預報準確天數與評估總天數的百分比即為 AQI 范圍預報準確率，計算公式如下：

??樈? = ? ? ?樈樈Ψ

式中： ??樈?——AQI 范圍預報準確率；

?——AQI 范圍預報準確的天數；

?——評估總天數。

（4）

6.3.3 AQI級別預報準確率評估

根據 6.3.2 的AQI 預報范圍得到AQI 預報級別范圍，若AQI 實況級別在 AQI 預報級別范圍內，則記為AQI 級別預報準確。

評估時段內 AQI 級別預報準確天數與評估總天數的百分比即為AQI 級別預報準確率。

包括分級別預報準確率和級別預報準確率，AQI 級別預報準確率年評估結果應不低于 60%，計算公式如下：

a）分級別預報準確率?? ????? ：

?? ????? = ? ? ? ?樈樈Ψ （5）

式中： ?? ?????——分級別預報準確率；

?——AQI 級別，分為一級（優）至六級（嚴重污染），級別總數為 6； ??——級別預報準確天數；

??——實況 AQI 級別為 ? 的總天數。

b）級別預報準確率?? ???：

?? ??? = ? ?樈樈Ψ （6）

式中： ?? ???——級別預報準確率；

?——AQI 級別，分為一級（優）至六級（嚴重污染），級別總數 ?=6； ? ?——級別預報準確天數；

??——實況 AQI 級別為 ? 的總天數。

6.3.4 首要污染物預報準確率評估

首要污染物預報準確判定標準如下：

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報評估；

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

時，則為首要污染物預報準確。

評估時段內首要污染物預報準確的天數與評估總天數的百分比即為首要污染物預報準確率，計算公式如下：

????? = ? ? ?樈樈Ψ （7）

式中： ?????——首要污染物預報準確率；

?——首要污染物預報準確的天數；

?——實況 AQI 級別為二級及以上的總天數。

6.4 重污染天預報性能評估

6.4.1 重污染天預報準確率

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

重污染天預報準確率是指實況為重污染的總天數中 AQI 級別預報準確的天數所占的百分比，計算公式如下：

? （ 8）

實況

式中： ——????重污染天預報準確率；

?——評估時段內AQI 級別預報準確的天數；

?實況——實況為重污染的總天數。

6.4.2 重污染天預報檢驗評分

重污染天預報檢驗評分是指實況或預報為重污染的總天數中，AQI 級別預報準確的天數

所占的百分比，計算公式如下：

? （9）

式中： HCSI——重污染天預報檢驗評分；

?——評估時段內AQI 級別預報準確的天數；

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