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中 华 人 民 共 和 国 国 家 环 境 保 护 标 准HJ 1130 2020环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 技 术 规 范Technical guideline for numerical forecasting of ambient air quality( 发 布 稿 )本电子版为发布稿,请以中国环境出版集团出版的正式标准文本为准。2020-05-15 发 布 2020-08-15 实 施生 态 环 境 部 发 布i目 次1 适 用 范 围 .2 规 范 性 引 用 文 件 .3 术 语 和 定 义 .4 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 基 本 要 求 .5 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 运 算 处 理 .6 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 效 果 评 估 方 法 .ii前 言为 贯 彻 中 华 人 民 共 和 国 环 境 保 护 法 和 中 华 人 民 共 和 国 大 气 污 染 防 治 法 , 保 护 生态 环 境 , 保 障 人 体 健 康 , 规 范 环 境 空 气 质 量 预 报 工 作 , 制 定 本 标 准 。本 标 准 规 定 了 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 基 本 要 求 、 运 算 处 理 、 效 果 评 估 方 法 等 内 容 。本 标 准 适 用 于 指 导 全 国 生 态 环 境 部 门 的 环 境 空 气 质 量 业 务 化 数 值 预 报 。本 标 准 为 首 次 发 布 。本 标 准 由 生 态 环 境 部 生 态 环 境 监 测 司 、 法 规 与 标 准 司 组 织 制 订 。本 标 准 起 草 单 位 中 国 环 境 监 测 总 站 、 中 国 科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 、 南 京 大 学 、 上 海 市环 境 监 测 中 心 、 广 东 省 环 境 监 测 中 心 、 北 京 市 环 境 保 护 监 测 中 心 。本 标 准 生 态 环 境 部 2020年 05月 15日 批 准 。本 标 准 自 2020年 08月 15日 起 实 施 。本 标 准 由 生 态 环 境 部 解 释 。1环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 技 术 规 范1 适 用 范 围本 标 准 规 定 了 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 基 本 要 求 、 运 算 处 理 和 效 果 评 估 方 法 等 内 容 。本 标 准 适 用 于 全 国 生 态 环 境 部 门 的 环 境 空 气 质 量 业 务 化 数 值 预 报 , 用 于 规 范 和 指 导 业 务化 应 用 的 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 , 对 其 基 本 性 能 、 组 成 和 模 拟 效 果 等 方 面 作 出 规 定 。2 规 范 性 引 用 文 件本 标 准 引 用 了 下 列 文 件 或 其 中 的 条 款 。 凡 是 不 注 日 期 的 引 用 文 件 , 其 有 效 版 本 适 用 于 本标 准 。GB3095 环 境 空 气 质 量 标 准HJ633 环 境 空 气 质 量 指 数 ( AQI) 技 术 规 定3 术 语 和 定 义下 列 术 语 和 定 义 适 用 于 本 标 准 。3.1 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 numerical forecasting model for ambient air quality基 于 大 气 污 染 物 形 成 过 程 中 的 基 本 物 理 和 化 学 原 理 , 采 用 数 值 计 算 方 法 模 拟 大 气 污 染 物的 排 放 、 扩 散 、 输 送 、 化 学 反 应 、 清 除 等 物 理 和 化 学 过 程 , 从 而 预 测 空 气 质 量 状 况 的 系 统 。3.2 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 numerical forecasting of ambient air quality利 用 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 , 对 大 气 中 的 主 要 污 染 物 浓 度 及 时 空 变 化 进 行 预 报 , 预测 城 市 和 区 域 等 环 境 空 气 质 量 状 况 和 潜 在 污 染 过 程 , 为 公 众 的 日 常 生 活 和 生 产 活 动 提 供 指 导和 服 务 , 为 管 理 部 门 采 取 应 对 措 施 提 供 科 学 依 据 。3.3 模 式 污 染 源 清 单 model-ready pollutant emission inventory基 于 大 气 污 染 物 源 排 放 清 单 和 源 清 单 处 理 模 式 , 结 合 人 口 和 交 通 路 网 等 地 理 信 息 数 据 ,按 照 不 同 类 型 排 放 源 的 时 间 分 配 和 化 学 组 成 , 根 据 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 的 时 空 分 辨 率和 化 学 机 制 要 求 , 处 理 获 得 的 网 格 化 源 排 放 数 据 。3.4 大 气 化 学 资 料 同 化 atmospheric chemical data assimilation2基 于 最 优 估 计 理 论 , 利 用 模 式 状 态 变 量 的 时 空 演 变 规 律 和 物 理 化 学 属 性 的 持 续 约 束 , 将多 源 大 气 化 学 成 分 观 测 信 息 不 断 融 入 到 环 境 空 气 质 量 模 式 系 统 中 , 以 更 加 精 确 地 估 计 或 预 测未 知 变 量 , 减 小 不 确 定 性 的 方 法 。4 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 基 本 要 求4.1 空 间 尺 度 范 围4.1.1 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 应 客 观 反 映 一 定 空 间 范 围 内 的 环 境 空 气 质 量 水 平 和 变 化规 律 , 模 式 所 应 用 的 空 间 尺 度 范 围 可 分 为 全 球 尺 度 、 大 陆 尺 度 、 区 域 尺 度 和 城 市 尺 度 。4.1.2 大 陆 尺 度 覆 盖 东 亚 地 区 , 空 间 范 围 通 常 为 900 万 平 方 公 里 以 上 。4.1.3 区 域 尺 度 覆 盖 城 市 群 , 空 间 范 围 通 常 为 100~ 900 万 平 方 公 里 。4.1.4 城 市 尺 度 覆 盖 城 市 及 其 周 边 区 域 , 空 间 范 围 通 常 为 100 万 平 方 公 里 以 下 。4.2 空 间 分 辨 率4.2.1 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 计 算 区 域 的 水 平 分 辨 率 , 全 球 尺 度 不 低 于 经 度 1º纬 度 1º, 大 陆 尺 度 不 低 于 50 公 里 50 公 里 , 区 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 计 算 区 域 的 垂 直 层 数 不 少 于 10 层 , 其 中 近 地 面 1 公 里 内 垂 直 层 数 不 少 于 5 层 。4.2.3 模 式 污 染 源 清 单 空 间 分 辨 率 应 与 数 值 预 报 模 式 计 算 区 域 的 空 间 分 辨 率 一 致 。4.3 预 报 时 长4.3.1 全 球 和 大 陆 尺 度 模 式 计 算 的 预 报 时 长 不 少 于 7 天 。4.3.2 区 域 尺 度 模 式 计 算 的 预 报 时 长 不 少 于 7 天 。4.3.3 城 市 尺 度 模 式 计 算 的 预 报 时 长 不 少 于 5 天 。4.4 预 报 输 出 时 间 间 隔环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 相 邻 两 次 模 拟 结 果 输 出 的 时 间 间 隔 应 在 1 小 时 ( 含 ) 以 内 。5 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 运 算 处 理5.1 模 式 污 染 源 清 单 前 处 理5.1.1 主 要 目 的 是 将 大 气 污 染 物 源 排 放 清 单 转 换 成 网 格 化 、 逐 小 时 的 模 式 污 染 源 清 单 。5.1.2 输 入 参 数 包 括 区 域 大 气 污 染 物 源 排 放 清 单 、 时 间 和 空 间 分 配 系 数 、 化 学 成 分 谱 等 。5.1.3 大 气 污 染 物 源 排 放 清 单 基 本 属 性 包 括 基 准 年 、 覆 盖 范 围 、 排 放 污 染 物 种 类 、 排 放 来源 分 类 、 时 间 和 空 间 分 辨 率 等 。5.1.4 排 放 来 源 类 别 包 含 电 厂 、 工 业 、 交 通 、 居 民 、 农 业 、 生 物 质 燃 烧 、 扬 尘 、 天 然 源 等 。5.1.5 排 放 污 染 物 种 类 包 含 细 颗 粒 物 ( PM2.5) 、 可 吸 入 颗 粒 物 ( PM10) 、 二 氧 化 硫 ( SO2) 、氮 氧 化 物 ( NOx) 、 一 氧 化 碳 ( CO) 、 有 机 碳 ( OC) 、 黑 炭 ( BC) 、 氨 ( NH3) 、 挥 发 性3有 机 物 ( VOCs) 等 。5.1.6 依 据 时 间 和 空 间 分 配 系 数 对 大 气 污 染 物 源 排 放 清 单 进 行 时 间 和 空 间 分 配 , 包 含 人 口密 度 、 土 地 利 用 等 空 间 分 配 因 子 和 不 同 类 型 排 放 来 源 的 月 变 化 、 周 变 化 和 日 变 化 等 时 间 分 配因 子 。5.1.7 依 据 化 学 成 分 谱 对 排 放 污 染 物 进 行 化 学 组 成 分 配 。5.1.8 如 有 条 件 , 可 采 用 动 态 更 新 的 污 染 源 清 单 数 据 。5.2 模 式 气 象 预 报 场 前 处 理5.2.1 主 要 目 的 是 将 气 象 预 报 模 式 的 原 始 输 出 结 果 转 化 为 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 的 输入 气 象 预 报 场 , 应 包 括 诊 断 分 析 、 单 位 转 换 、 空 间 插 值 和 格 式 转 换 。5.2.2 气 象 预 报 场 基 本 属 性 应 包 括 起 始 时 刻 、 时 间 和 空 间 范 围 、 时 间 和 空 间 分 辨 率 、 区 域网 格 坐 标 参 数 、 边 界 层 方 案 、 辐 射 方 案 、 陆 面 过 程 方 案 和 成 云 参 数 化 方 案 等 。5.2.3 气 象 要 素 应 包 括 气 温 、 气 压 、 湿 度 、 风 、 降 水 、 云 、 辐 射 等 。5.3 初 始 与 边 界 条 件 设 置5.3.1 主 要 目 的 是 为 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 提 供 运 行 初 始 值 和 最 外 层 模 式 计 算 区 域 的边 界 值 。5.3.2 初 始 值 指 起 始 时 刻 模 式 计 算 区 域 污 染 物 的 浓 度 值 , 获 取 方 法 有 ( 1) 从 已 获 得 的 模式 输 出 或 分 析 资 料 中 提 取 处 理 ; ( 2) 大 气 化 学 资 料 同 化 ; ( 3) 设 置 为 缺 省 值 。5.3.3 边 界 值 指 预 报 时 段 内 最 外 层 模 式 计 算 区 域 边 界 上 污 染 物 的 浓 度 值 , 获 取 方 法 有 ( 1)从 全 球 模 式 的 预 报 结 果 中 提 取 ; ( 2) 设 置 为 缺 省 值 。5.4 大 气 化 学 传 输 运 算5.4.1 主 要 目 的 是 用 数 学 方 程 组 表 征 污 染 物 在 大 气 中 生 消 演 变 的 物 理 化 学 过 程 , 计 算 污 染物 浓 度 的 时 空 分 布 。5.4.2 输 入 参 数 包 括 模 式 污 染 源 清 单 、 模 式 气 象 预 报 场 、 模 式 初 始 和 边 界 条 件 以 及 地 理 经纬 度 资 料 等 。5.4.3 主 要 物 理 化 学 过 程 应 包 括 排 放 、 平 流 、 扩 散 、 对 流 、 干 沉 降 、 湿 沉 降 、 气 相 化 学 、液 相 化 学 、 无 机 气 溶 胶 化 学 、 有 机 气 溶 胶 化 学 及 多 相 化 学 反 应 等 。5.4.4 结 合 计 算 区 域 地 形 特 点 、 气 象 条 件 、 污 染 物 排 放 特 征 等 因 素 , 设 置 物 理 化 学 过 程 关键 参 数 最 优 化 方 案 组 合 。5.4.5 有 条 件 时 可 进 行 大 气 化 学 资 料 同 化 , 用 最 优 插 值 、 三 维 变 分 、 四 维 变 分 、 集 合 卡 尔曼 滤 波 等 方 法 , 分 析 融 合 观 测 数 据 和 模 式 预 报 数 据 。5.5 预 报 产 品 输 出5.5.1 主 要 目 的 是 对 模 式 原 始 输 出 结 果 进 行 数 据 提 取 、 诊 断 分 析 、 单 位 换 算 、 网 格 坐 标 和数 据 格 式 转 换 等 , 制 作 空 气 质 量 预 报 产 品 。5.5.2 空 气 质 量 预 报 基 本 产 品 应 包 括 PM2.5、 PM10、 CO、 O3、 NO2、 SO2等 主 要 污 染 物 浓 度和 空 气 质 量 指 数 ( AQI) 的 时 空 分 布 。45.5.3 空 气 质 量 预 报 的 可 选 产 品 包 括 颗 粒 物 组 分 、 污 染 来 源 贡 献 率 、 污 染 潜 势 、 沙 尘 、 气溶 胶 光 学 厚 度 等 。5.5.4 气 象 条 件 预 报 基 本 产 品 应 包 括 风 向 、 风 速 、 降 水 、 气 温 、 气 压 、 相 对 湿 度 、 辐 射 量 、云 量 的 空 间 分 布 等 , 其 他 产 品 可 包 括 边 界 层 高 度 、 大 气 能 见 度 、 大 气 稳 定 度 、 前 后 向 轨 迹 等 。6 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 效 果 评 估 方 法6.1 评 估 内 容6.1.1 应 用 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 时 , 应 对 其 预 报 效 果 进 行 评 估 。6.1.2 评 估 对 象 包 括 PM2.5、 PM10、 CO、 O3、 NO2、 SO2浓 度 , AQI、 AQI 级 别 , 首 要 污染 物 。6.1.3 评 估 类 别 包 括 单 项 污 染 物 浓 度 预 报 统 计 评 估 、 空 气 质 量 指 数 预 报 评 估 、 重 污 染 天预 报 评 估 。6.1.4 评 估 时 效 对 空 气 质 量 数 值 预 报 模 式 提 前 24 小 时 、 48 小 时 、 72 小 时 等 预 报 结 果 分别 进 行 评 估 。6.1.5 评 估 周 期 对 环 境 空 气 质 量 数 值 预 报 效 果 进 行 季 度 和 年 度 评 估 ; 如 进 行 月 度 评 估 ,可 参 照 执 行 本 标 准 。6.1.6 评 估 所 用 实 况 数 据 全 国 环 境 空 气 质 量 指 数 日 报 发 布 的 城 市 AQI和 各 项 污 染 物 浓 度 。6.1.7 预 报 结 果 处 理 和 计 算 参 照 GB3095 和 HJ633, 根 据 空 气 质 量 指 数 计 算 方 法 、 首 要污 染 物 确 定 方 法 和 空 气 质 量 指 数 级 别 定 义 对 数 值 预 报 结 果 进 行 处 理 和 计 算 。6.2 单 项 污 染 物 浓 度 预 报 统 计 评 估6.2.1 单 项 污 染 物 浓 度 预 报 统 计 评 估 是 指 通 过 各 项 污 染 物 浓 度 数 值 预 报 结 果 与 实 况 的 偏 差 、误 差 和 相 关 性 等 方 面 的 分 析 , 评 估 数 值 模 式 对 城 市 各 项 污 染 物 的 预 报 效 果 。 评 估 内 容 主 要 包括 标 准 化 平 均 偏 差 、 均 方 根 误 差 和 相 关 系 数 。6.2.2 标 准 化 平 均 偏 差 ( NormalizedMeanBias,NMB)⫐ᓏ ( 1)式 中 NMB标 准 化 平 均 偏 差 ;参 与 计 算 的 样 本 对 个 数 ;第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 数 值 预 报 浓 度 值 ;Oi第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 实 况 浓 度 值 。6.2.3 均 方 根 误 差 ( RootMeanSquareError,RMSE)⫐ᑷ⺂ ( 2)式 中 RMSE均 方 根 误 差 ;参 与 计 算 的 样 本 对 个 数 ;Fi第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 数 值 预 报 浓 度 值 ;Oi第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 实 况 浓 度 值 。56.2.4 相 关 系 数 ( Correlationcoefficient,r) ( 3)式 中 , 相 关 系 数 ;参 与 计 算 的 样 本 对 个 数 ;第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 数 值 预 报 浓 度 值 ;参 与 计 算 的 污 染 物 数 值 预 报 浓 度 平 均 值 ;第 i 个 样 本 对 中 , 污 染 物 实 况 浓 度 值 ;参 与 计 算 的 污 染 物 实 况 浓 度 平 均 值 。6.3 空 气 质 量 指 数 预 报 评 估6.3.1 空 气 质 量 指 数 预 报 评 估 包 括 AQI 范 围 预 报 准 确 率 、 AQI 级 别 预 报 准 确 率 、 首 要 污 染物 预 报 准 确 率 。6.3.2 AQI范 围 预 报 准 确 率 评 估以 数 值 模 式 AQI 预 报 值 为 基 准 , 设 定 正 负 浮 动 25为 AQI 预 报 范 围 , 若 AQI 实 况 在 预报 范 围 内 , 则 记 为 AQI 范 围 预 报 准 确 。评 估 时 段 内 AQI 范 围 预 报 准 确 天 数 与 评 估 总 天 数 的 百 分 比 即 为 AQI 范 围 预 报 准 确 率 ,计 算 公 式 如 下 樈ᑷ 樈樈 ( 4)式 中 樈ᑷAQI 范 围 预 报 准 确 率 ;AQI 范 围 预 报 准 确 的 天 数 ;评 估 总 天 数 。6.3.3 AQI级 别 预 报 准 确 率 评 估根 据 6.3.2 的 AQI 预 报 范 围 得 到 AQI 预 报 级 别 范 围 , 若 AQI 实 况 级 别 在 AQI 预 报 级 别范 围 内 , 则 记 为 AQI 级 别 预 报 准 确 。评 估 时 段 内 AQI 级 别 预 报 准 确 天 数 与 评 估 总 天 数 的 百 分 比 即 为 AQI 级 别 预 报 准 确 率 。包 括 分 级 别 预 报 准 确 率 和 级 别 预 报 准 确 率 , AQI 级 别 预 报 准 确 率 年 评 估 结 果 应 不 低 于 60,计 算 公 式 如 下 a) 分 级 别 预 报 准 确 率 ᓙᤉ ᓙᤉ 樈樈 ( 5)式 中 ᓙᤉ分 级 别 预 报 准 确 率 ;AQI 级 别 , 分 为 一 级 ( 优 ) 至 六 级 ( 严 重 污 染 ) , 级 别 总 数 为 6;级 别 预 报 准 确 天 数 ;实 况 AQI 级 别 为 的 总 天 数 。b) 级 别 预 报 准 确 率 ᓙᤉ6ᓙᤉ 樈樈 ( 6)式 中 ᓙᤉ级 别 预 报 准 确 率 ;AQI 级 别 , 分 为 一 级 ( 优 ) 至 六 级 ( 严 重 污 染 ) , 级 别 总 数 6;级 别 预 报 准 确 天 数 ;实 况 AQI 级 别 为 的 总 天 数 。6.3.4 首 要 污 染 物 预 报 准 确 率 评 估首 要 污 染 物 预 报 准 确 判 定 标 准 如 下 a) 实 况 AQI 级 别 为 一 级 时 , 无 首 要 污 染 物 , 不 参 与 首 要 污 染 物 预 报 评 估 ;b) 实 况 AQI 级 别 为 二 级 及 以 上 时 , 当 任 一 预 报 首 要 污 染 物 与 任 一 实 况 首 要 污 染 物 相 同时 , 则 为 首 要 污 染 物 预 报 准 确 。评 估 时 段 内 首 要 污 染 物 预 报 准 确 的 天 数 与 评 估 总 天 数 的 百 分 比 即 为 首 要 污 染 物 预 报 准确 率 , 计 算 公 式 如 下 ᓙᤉ 樈樈 ( 7)式 中 ᓙᤉ首 要 污 染 物 预 报 准 确 率 ;首 要 污 染 物 预 报 准 确 的 天 数 ;实 况 AQI 级 别 为 二 级 及 以 上 的 总 天 数 。6.4 重 污 染 天 预 报 性 能 评 估6.4.1 重 污 染 天 预 报 准 确 率以 自 然 日 ( 0-23 时 ) 为 判 据 , 将 日 AQI 大 于 200 定 义 为 重 污 染 天 。 一 年 内 实 况 重 污 染天 数 大 于 等 于 5 天 时 , 可 进 行 重 污 染 预 报 性 能 评 估 。重 污 染 天 预 报 准 确 率 是 指 实 况 为 重 污 染 的 总 天 数 中 AQI 级 别 预 报 准 确 的 天 数 所 占 的 百分 比 , 计 算 公 式 如 下 实 况 樈樈 ( 8)式 中 重 污 染 天 预 报 准 确 率 ;评 估 时 段 内 AQI 级 别 预 报 准 确 的 天 数 ;实 况 实 况 为 重 污 染 的 总 天 数 。6.4.2 重 污 染 天 预 报 检 验 评 分重 污 染 天 预 报 检 验 评 分 是 指 实 况 或 预 报 为 重 污 染 的 总 天 数 中 , AQI 级 别 预 报 准 确 的 天 数所 占 的 百 分 比 , 计 算 公 式 如 下 ᑷᑷ ( 9)式 中 HCSI重 污 染 天 预 报 检 验 评 分 ;评 估 时 段 内 AQI 级 别 预 报 准 确 的 天 数 ;7实 况 或 预 报 为 重 污 染 的 总 天 数 。
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