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 pollutant emission 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 assimilation

基于優(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 1o，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。

5.1.1 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。

5.1.2 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 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。

5.1.8 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)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)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 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。

6.1.2 評(píng)估對(duì)象：包括 PM2.5、PM10、CO、O3、NO2、SO2 濃度，AQI、AQI 級(jí)別，首要污染物。

6.1.3 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）

式中：

NMB——標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差；

N——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。

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

式中：

RMSE——均方根誤差；

N——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。