数值模式在上海市空气质量预报中的应用_上海环境监测中心_王茜

数值模式在上海市空气质量预报中的应用王茜伏晴艳陆涛上海市环境监测中心2009.06.29内容一．目的及意义二．相关工作基础三．集合预报系统的搭建四．下阶段计划一、目的及意义‡城市空气质量预报是保护公众健康，动员公众参与环境保护的有效措施。‡空气污染预警联动、污染源应急减排均依赖于及时准确的空气质量预报。‡北京奥运会成功实现“绿色奥运”目标，国内外舆论呼吁“绿色世博”接力“绿色奥运”。‡世博园区位于特大城市中心区域，展期长达184天EXPOGardenlocatedinthecentralofShanghai,theexhibitionperiodwillextendto184days.‡世博期间上海市将面临区域性环境空气污染的风险，以臭氧和灰霾等二次污染问题尤为突出Regionalairpollution,secondarypollution(O3,haze)especially.‡张力军副部长传达温家宝总理的指示，要求世博环境质量保障学习北京奥运会的经验ThepremierdemandedthatenvironmentalqualitysafeguardofEXPOshouldlearnfromBeijingOlympics.UxààxÜV|àç?UxààxÜ_|yx面临的挑战API分布范围91-100101-110111-120121-130131-140141-150150110PM10浓度范围（mg/m3）年份优良率0.130-0.1500.151-0.1700.171-0.1900.191-0.2100.211-0.2300.231-0.2500.2500.170200394.0%123610018200491.8%196341109200595.1%63312006200694.0%53530008200794.6%12403018200896.7%54101002世博同期空气污染区间分析－API指数分布Forecasting24hr-48hr综合预报数值预报模型Numericalforecasting对外信息发布DataPublication二、相关工作基础－预报流程月度空气质量预报回顾一周空气质量预报回顾TrendForecast一周潜势预报统计预报方程statisticalanalysis预报辅助工具二、相关工作基础——上海市大气污染物排放清单‡质量目标：常规一次污染物、臭氧、灰霾‡常规污染物污染清单–SO2、NOx、PM10（PM2.5/PM）、VOC、CO、NH3‡污染源：点、线、面近30个行业类别‡年份：2003年（基准年）、2006年（部分更新年）、2007年（完整更新年）‡范围和精度：102×129个网格，1×1平方公里‡高度：1000米以下YearSourcesPMPM10PM2.5SO2NOxCOVOCNH3Point11.046.704.4936.8322.9053.5911.510.27Mobile[phone].3769.3812.67Area36.4215.694.7013.086.5715.9026.361.042003Sum49.3824.1810.6954.9442.83138.8750.541.30Point9.866.033.9342.4525.6261.7018.620.32Mobile[phone].0765.8510.34Area46.5020.135.748.666.7014.1328.461.042006Sum58.2227.9011.1256.3746.40141.6857.421.36上海市大气污染物排放清单单位：万吨/年ShangHai Emission Data (Point)CONOxSO2VOCPM2.5PM10ShangHai Emission Data (Area)CONOxSO2VOCPM2.5AreaEmissionofShangHaiemissionInventorywith1km*1kmresolutionPM10ShangHai Emission Data (Line)CONOxSO2VOCPM2.5PM10LineEmissionofShangHaiemissioninventory‡基于数值预报、统计预报以及人为经验会商，上海市环境监测中心对于本市空气质量的预报能力不断提升。‡NAQPMS数值预报模式自2004年投入运行以来已经运行近5年。二、相关工作基础——数值预报年份SO2NO2PM1020050.560.500.4220060.570.460.4820070.600.400.3620080.570.410.44各污染物模拟值与实测值相关分析NAQPMS模拟分析三、集合预报系统——研究内容„排放清单的优化改进（进一步完善并提高清单的分辨率，补充完善长三角清单）„空气质量数值预报模型的集成业务化（实现NAQPMS、CMAQ、WRF-Chem多个模型的业务化预报）„臭氧定点预报模型的开发和建立（建立臭氧统计预报方程）„预报结果的再订正及多模式集合预报系统的搭建（对模式预报结果进行不确定分析及再订正，搭建多模式集合预报系统）GFS预报数据MM5模式WRF模式WRF‐Chem模式NAQPMS模式CMAQ‐4.6模式CMAQ‐4.4模式CAMx模式MM5滚动模拟PM10－CARTO3最小二乘向量机临近预报数值模式结果集合及后处理统计模式预报结果预报辅助工具空气质量预报平台动态减排措施效果测算上海市环境空气质量多模式集合预报系统框架API门限自回归多元回归统计世博空气质量预测及高污染预警动力统计预报各类观测资料各数值模型特点NAQPMSCMAQCAMxWRF－Chem功能城市/区域空气质量区域性多尺度环境模拟与评估区域空气质量模拟区域性多尺度环境模拟污染模拟离线，三维欧拉输送模式，地形追随垂直坐标，主要包括污染物排放、平流输送、扩散、气相、液相及非均相反应，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程离线，CMAQ是多污染物、多尺度的空气质量模式，包含化学输送平流模式过程、气相化学过程、烟羽处理等过程离线，污染物模拟部分包括污染物平流、扩散、光化学反应（CB4或SAPRC97机制可选）、干湿沉积等过程在线，将气象与化学模块耦合，可实现化学、气溶胶、气象和辐射之间的双向反馈，化学机制采用CB05嵌套双向单向双向双向并行MPICH/无CPU限制MPICH/无CPU限制OpenMP, 限4CPUsMPICH/无CPU限制输入污染源、地形标高、下垫面类型、气象数据等污染源、地形，土地利用，气象条件及环境参数排放源、土地利用类型、地形高度等模式参数污染源、地形，土地利用，气象条件及环境参数模拟区域及时间设置区域网格分辨率预报时长D181公里96小时D227公里72小时D309公里72小时D403公里72小时四层嵌套SMOKE排放源模型流程MM5气象场对SMOKE的输入SMOKE排放清单输入（时间，空间分配）点源采用上海局地点源面源采用Trace-P清单EMS输出产品区域污染物浓度分布图输出产品站点气象要素时间序列输出产品yyyymmddhhstSO2NO2PM10NOCOO3200933012131.5724.3213.0919.05828.8432.5120093301221.811.018.60.42255.8355.37yyyymmddSO2NO2PM10200932065332920093215232232009322512633全市API、分区API、站点API站点污染物时间序列510152025303508-5-108-5-608-5-1108-5-1608-5-2108-5-2608-5-31Temperature(℃)TimeTemperatureatHongqiaoAirportobssim模式验证——MM5010203040506070809010008-5-108-5-608-5-1108-5-1608-5-2108-5-2608-5-31RH(%)TimeRHatHongqiaoAirportobssim010203040506070809010008-5-108-5-608-5-1108-5-1608-5-2108-5-2608-5-31RH(%)TimeRHatPudongAirportobssim0246810121408-5-108-5-608-5-1108-5-1608-5-2108-5-2608-5-31Windspeed(m/s)TimeWindSpeedatHongqiaoAirportobssim0246810121408-5-108-5-608-5-1108-5-1608-5-2108-5-2608-5-31Windspeed(m/s)TimeWindSpeedatPudongAirportobssimMM5模拟统计分析TEMPRHWS样本数143914391399相关系数0.8540.7180.433平均偏差-1.9770.1611.335标准平均偏差-0.0950.0020.499标准平均误差0.1180.1520.62模拟验证——CMAQ0204060801001201401604月22日4月23日4月24日4月25日4月26日4月27日4月28日4月29日4月30日5月1日5月2日5月3日5月4日5月5日5月6日5月7日5月8日5月9日5月10日5月11日5月12日5月13日5月14日5月15日5月16日5月17日5月18日5月19日5月20日5月21日5月22日5月23日5月24日5月25日5月26日5月27日5月28日5月29日5月30日5月31日全市API－PM10simobs0204060801001201401604月22日4月23日4月24日4月25日4月26日4月27日4月28日4月29日4月30日5月1日5月2日5月3日5月4日5月5日5月6日5月7日5月8日5月9日5月10日5月11日5月12日5月13日5月14日5月15日5月16日5月17日5月18日5月19日5月20日5月21日5月22日5月23日5月24日5月25日5月26日5月27日5月28日5月29日5月30日5月31日全市API－SO2simobs0204060801001201401601804月22日4月23日4月24日4月25日4月26日4月27日4月28日4月29日4月30日5月1日5月2日5月3日5月4日5月5日5月6日5月7日5月8日5月9日5月10日5月11日5月12日5月13日5月14日5月15日5月16日5月17日5月18日5月19日5月20日5月21日5月22日5月23日5月24日5月25日5月26日5月27日5月28日5月29日5月30日5月31日全市API－NO2simobsR＝0.499R＝0.469R＝0.421小结¾MM5基本能较好的模拟温度、相对湿度等主要气象参数的变化趋势。¾CMAQ等模式基本能模拟出PM10,SO2,NO2的日变化趋势。¾仍存在不少问题，如风速模拟偏大，SO2,NO2模拟值偏高，高污染预报难以把握。下阶段工作计划¾排放清单的优化¾各数值模式模拟效果的调试优¾统计预报模式的开发建立致谢‡中科院大气物理所‡南京大学‡上海交通大学‡David Wong(US EPA) 欢迎批评指正！