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HJ 1130—2020 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)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(bào)模式基本要求、運(yùn)算處理和效果評(píng)估方法等內(nèi)容。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于全國(guó)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(bào)，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(bào)模式，對(duì)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(yǔ)和定義
下列術(shù)語(yǔ)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(bào)模式 numerical forecasting model for ambient air quality
基于大氣污染物形成過(guò)程中的基本物理和化學(xué)原理，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬大氣污染物 的排放、擴(kuò)散、輸送、化學(xué)反應(yīng)、清除等物理和化學(xué)過(guò)程，從而預(yù)測(cè)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(bào) numerical forecasting of ambient air quality
利用環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式，對(duì)大氣中的主要污染物濃度及時(shí)空變化進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù) 測(cè)城市和區(qū)域等環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和潛在污染過(guò)程，為公眾的日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)提供指導(dǎo) 和服務(wù)，為管理部門采取應(yīng)對(duì)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(shí)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(bào)模式的時(shí)空分辨率 和化學(xué)機(jī)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(jì)理論，利用模式狀態(tài)變量的時(shí)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(cè)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(jì)或預(yù)測(cè) 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(bào)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(bào)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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(bào)模式計(jì)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(jì)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(bào)模式計(jì)算區(qū)域的空間分辨率一致。
4.3 預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)
4.3.1 全球和大陸尺度模式計(jì)算的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)不少于 7 天。
4.3.2 區(qū)域尺度模式計(jì)算的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)不少于 7 天。
4.3.3 城市尺度模式計(jì)算的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)不少于 5 天。
4.4 預(yù)報(bào)輸出時(shí)間間隔
環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式相鄰兩次模擬結(jié)果輸出的時(shí)間間隔應(yīng)在 1 小時(shí)（含） 以內(nèi)。
5 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式運(yùn)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(shí)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(shí)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(lái) 源分類、時(shí)間和空間分辨率等。
5.1.4 排放來(lái)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(yáng)塵、天然源等。
5.1.5 排放污染物種類包含細(xì)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(jī)碳（OC）、黑炭（BC）、氨（NH3 ）、揮發(fā)性
有機(jī)物（VOCs ）等。
5.1.6 依據(jù)時(shí)間和空間分配系數(shù)對(duì)大氣污染物源排放清單進(jìn)行時(shí)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(lái)源的月變化、周變化和日變化等時(shí)間分配
因子。 5.1.7
5.1.8
依據(jù)化學(xué)成分譜對(duì)排放污染物進(jìn)行化學(xué)組成分配。
如有條件，可采用動(dòng)態(tài)更新的污染源清單數(shù)據(jù)。
5.2 模式氣象預(yù)報(bào)場(chǎng)前處理
5.2.1 主要目的是將氣象預(yù)報(bào)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(bào)模式的輸 入氣象預(yù)報(bào)場(chǎng)，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(bào)場(chǎng)基本屬性應(yīng)包括起始時(shí)刻、時(shí)間和空間范圍、時(shí)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(guò)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(bào)模式提供運(yùn)行初始值和最外層模式計(jì)算區(qū)域的 邊界值。
5.3.2 初始值指起始時(shí)刻模式計(jì)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(bào)時(shí)段內(nèi)最外層模式計(jì)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(bào)結(jié)果中提取；（2）設(shè)置為缺省值。
5.4 大氣化學(xué)傳輸運(yùn)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(guò)程，計(jì)算污染 物濃度的時(shí)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(bào)場(chǎng)、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(guò)程應(yīng)包括排放、平流、擴(kuò)散、對(duì)流、干沉降、濕沉降、氣相化學(xué)、 液相化學(xué)、無(wú)機(jī)氣溶膠化學(xué)、有機(jī)氣溶膠化學(xué)及多相化學(xué)反應(yīng)等。
5.4.4 結(jié)合計(jì)算區(qū)域地形特點(diǎn)、氣象條件、污染物排放特征等因素，設(shè)置物理化學(xué)過(guò)程關(guān) 鍵參數(shù)最優(yōu)化方案組合。
5.4.5 有條件時(shí)可進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)和模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。
5.5 預(yù)報(bào)產(chǎn)品輸出
5.5.1 主要目的是對(duì)模式原始輸出結(jié)果進(jìn)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(bào)產(chǎn)品。
5.5.2 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)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(shí)空分布。
5.5.3 空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的可選產(chǎn)品包括顆粒物組分、污染來(lái)源貢獻(xiàn)率、污染潛勢(shì)、沙塵、氣
溶膠光學(xué)厚度等。
5.5.4 氣象條件預(yù)報(bào)基本產(chǎn)品應(yīng)包括風(fēng)向、風(fēng)速、降水、氣溫、氣壓、相對(duì)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(jiàn)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(bào)模式效果評(píng)估方法
6.1 評(píng)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(bào)模式時(shí)，應(yīng)對(duì)其預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)估。
評(píng)估對(duì)象： 包括 PM2.5 、PM10 、CO 、O3 、NO2 、SO2 濃度，AQI 、AQI 級(jí)別，首要污
評(píng)估類別： 包括單項(xiàng)污染物濃度預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)評(píng)估、空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)評(píng)估、重污染天
預(yù)報(bào)評(píng)估。
6.1.4 評(píng)估時(shí)效： 對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式提前 24 小時(shí)、48 小時(shí)、72 小時(shí)等預(yù)報(bào)結(jié)果分 別進(jìn)行評(píng)估。
6.1.5 評(píng)估周期： 對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)效果進(jìn)行季度和年度評(píng)估； 如進(jìn)行月度評(píng)估， 可參照?qǐng)?zhí)行本標(biāo)準(zhǔn)。
6.1.6 評(píng)估所用實(shí)況數(shù)據(jù)：全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)日?qǐng)?bào)發(fā)布的城市AQI和各項(xiàng)污染物濃度。
6.1.7 預(yù)報(bào)結(jié)果處理和計(jì)算： 參照 GB 3095 和 HJ 633 ，根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法、首要 污染物確定方法和空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別定義對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行處理和計(jì)算。
6.2 單項(xiàng)污染物濃度預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)評(píng)估
6.2.1 單項(xiàng)污染物濃度預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)評(píng)估是指通過(guò)各項(xiàng)污染物濃度數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況的偏差、 誤差和相關(guān)性等方面的分析，評(píng)估數(shù)值模式對(duì)城市各項(xiàng)污染物的預(yù)報(bào)效果。評(píng)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(jì)算的樣本對(duì)個(gè)數(shù)；
——? ?第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物數(shù)值預(yù)報(bào)濃度值；
Oi——第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物實(shí)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(jì)算的樣本對(duì)個(gè)數(shù)；
Fi——第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物數(shù)值預(yù)報(bào)濃度值；
Oi——第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物實(shí)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(jì)算的樣本對(duì)個(gè)數(shù)；
——? ?第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物數(shù)值預(yù)報(bào)濃度值；
——參與計(jì)算的污染物數(shù)值預(yù)報(bào)濃度平均值；??——第 i 個(gè)樣本對(duì)中，污染物實(shí)況濃度值；
——參與計(jì)算的污染物實(shí)況濃度平均值。6.3 空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)評(píng)估
6.3.1 空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)報(bào)評(píng)估包括AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、首要污染 物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。
6.3.2 AQI范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率評(píng)估
以數(shù)值模式AQI 預(yù)報(bào)值為基準(zhǔn)，設(shè)定正負(fù)浮動(dòng) 25%為AQI 預(yù)報(bào)范圍，若AQI 實(shí)況在預(yù) 報(bào)范圍內(nèi)，則記為AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。
評(píng)估時(shí)段內(nèi)AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確天數(shù)與評(píng)估總天數(shù)的百分比即為 AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率， 計(jì)算公式如下：
??樈? = ? ? ?樈樈Ψ
式中： ??樈?——AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；
?——AQI 范圍預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)；
?——評(píng)估總天數(shù)。
（4）
6.3.3 AQI級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率評(píng)估
根據(jù) 6.3.2 的AQI 預(yù)報(bào)范圍得到AQI 預(yù)報(bào)級(jí)別范圍，若AQI 實(shí)況級(jí)別在 AQI 預(yù)報(bào)級(jí)別 范圍內(nèi)，則記為AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。
評(píng)估時(shí)段內(nèi) AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確天數(shù)與評(píng)估總天數(shù)的百分比即為AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。
包括分級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率年評(píng)估結(jié)果應(yīng)不低于 60%， 計(jì)算公式如下：
a）分級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率?? ????? ：
?? ????? = ? ? ? ?樈樈Ψ （5）
式中： ?? ?????——分級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；
?——AQI 級(jí)別，分為一級(jí)（優(yōu)） 至六級(jí)（嚴(yán)重污染），級(jí)別總數(shù)為 6； ??——級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確天數(shù)；
??——實(shí)況 AQI 級(jí)別為 ? 的總天數(shù)。
b）級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率?? ???：
?? ??? = ? ?樈樈Ψ （6）式中： ?? ???——級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；
?——AQI 級(jí)別，分為一級(jí)（優(yōu)） 至六級(jí)（嚴(yán)重污染），級(jí)別總數(shù) ?=6； ? ?——級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確天數(shù)；
??——實(shí)況 AQI 級(jí)別為 ? 的總天數(shù)。
6.3.4 首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率評(píng)估
首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確判定標(biāo)準(zhǔn)如下：
a）實(shí)況 AQI 級(jí)別為一級(jí)時(shí)，無(wú)首要污染物，不參與首要污染物預(yù)報(bào)評(píng)估；
b）實(shí)況AQI 級(jí)別為二級(jí)及以上時(shí)，當(dāng)任一預(yù)報(bào)首要污染物與任一實(shí)況首要污染物相同
時(shí)，則為首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。
評(píng)估時(shí)段內(nèi)首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)與評(píng)估總天數(shù)的百分比即為首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn) 確率，計(jì)算公式如下：
????? = ? ? ?樈樈Ψ （7）
式中： ?????——首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；
?——首要污染物預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)；
?——實(shí)況 AQI 級(jí)別為二級(jí)及以上的總天數(shù)。
6.4 重污染天預(yù)報(bào)性能評(píng)估
6.4.1 重污染天預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率
以自然日（0-23 時(shí)） 為判據(jù)，將日 AQI 大于 200 定義為重污染天。一年內(nèi)實(shí)況重污染 天數(shù)大于等于 5 天時(shí)，可進(jìn)行重污染預(yù)報(bào)性能評(píng)估。
重污染天預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率是指實(shí)況為重污染的總天數(shù)中 AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)所占的百 分比，計(jì)算公式如下：
? （ 8）
實(shí)況
式中： ——????重污染天預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；
?——評(píng)估時(shí)段內(nèi)AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)；
?實(shí)況——實(shí)況為重污染的總天數(shù)。
6.4.2 重污染天預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分
重污染天預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分是指實(shí)況或預(yù)報(bào)為重污染的總天數(shù)中，AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)
所占的百分比，計(jì)算公式如下：
? （9）
式中： HCSI——重污染天預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分；
?——評(píng)估時(shí)段內(nèi)AQI 級(jí)別預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的天數(shù)；
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