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山西省重污染天气监测预报预警系统设计

文档作者：冯琨1 孙莉2 文档来源： 1.山西省环境监测中心站 2.渭南市环境科学研究所		点击数：	更新时间： 2025年05月06日
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Chenmical Intermediate
57 当代化工研究 绿色化工 2016·06
山西省重污染天气监测预报预警系统设计
冯琨1 孙莉2
(1.山西省环境监测中心站 山西 030022
2.渭南市环境科学研究所 陕西 714000)
摘要：为促进山西省重污染天气监测预报预警体系建设,建立健全区域内重污染天气应急机制和应对能力,需要建设立体感知、智能响
应的重污染天气监测预报预警系统。山西省重污染天气监测预报预警系统以环境空气质量监测数据、气象数据和污染源排放清单数据为基
础,通过利用中尺度气象预报模式WRF和排放源处理模式SMOKE驱动,利用空气质量模式多模式集合预报的方法,实现山西省未来5天的空
气质量分析、预报、预警和污染来源追因等功能,以期为重污染天气提前预警、重污染天气应急响应提供有效的技术支持和科学依据。
关键词：环境空气;预报预警
中图分类号：X831 文献标识码：A
Design for Monitoring and Forecast and Pre-warning System of Heavy Polluted
Weather in Shanxi Province
Feng Kun1, Sun Li2
(1.Shanxi Environmental monitoring center, Shanxi, 030022
2.Weinan Institute of Environmental Science, Shanxi, 714000)
Abstract：In order to promote the construction of monitoring and forecast and pre-warning system for heavily polluted weather in Shanxi
province,and establish the emergency mechanism and perfect coping capacity of heavily polluted weather in the area, we need to build the monitoring
and forecast and pre-warning system with the characteristics of stereo perception and intelligent response for heavily polluted weather. The monitoring
and forecast and pre-warning system for heavily polluted weather in Shanxi, taking the ambient air quality monitoring data, meteorological data and
pollution sources emission inventory data as the basis, drove by the mid-scale meteorological forecast model WRF and emission source processing
model SMOKE, taking the method of multi-mode ensemble forecast for air quality to realize the functions of analysis, forecast, pre-warning of air
quality and reason seeking for pollution source in the next five days in Shanxi province,in order to provide effective technical support and scientific
basis for the early warning and emergency response for heavily polluted weather.
Key words：ambient air；forecast and pre-warning
一、引言
美国航空航天局NASA卫星观测得到2001-2006年
PM2.5年均浓度分布图显示，中国华中、华东、成渝地区已
成为全球PM2.5污染最严重的区域。近年来，环境空气重污
染事件频发，严重影响人们的身体健康，给生产生活带来诸
多不便，引起全社会的广泛关注。山西省位于太行山脉以
西，受到山谷效应的影响，太原、晋中、临汾直至运城地区
PM2.5污染物浓度与华东地区相连，处于浓度高值区。这与
山西省地形因素、气象扩散条件以及长期以煤烟型污染排放
有重要关系。传统的空气质量预报工作主要由预报员以当日
24小时环境空气质量监测结果为基础，结合气象部门空气
污染气象条件的等级预报结果，对区域内未来24小时环境
空气质量进行预测预报。这种预报方式仅笼统划分气象扩散
条件等级，不考虑气象变化对源排放污染物的传输作用和污
染物之间的化学反应，对预报员的工作经验有较强的依赖
性，对于准确有效预警重污染天气出现时间和原因及时进行
常结焦或发热值不够，则会多耗能源。所以更换先进的、性
能好的火嘴对炉子的节能降耗起到至关重要的作用。
6.精益化管理
装置以安全风险预控管理体系为基点，进一步完善各
项安全生产规章制度，为了确保能够完成各项生产指标，制
定了重点工作任务分解及推进计划，包含安全环保、生产
运营、设备管理、技术创新、综合管理等内容，并按照指标
的“五定”原则来推进落实，即定量、定措、定时、定责、
定人，每月统计汇总指标完成情况，找出差距、完善措施、
优化管理、固化成果，确保各项指标保质保量完成。此外，
通过完善装置经济核算制度，细化公用工程消耗指标，以装
置历史运行的水、电、汽、风、燃料气的最佳单耗为对标控
制指标，严控消耗、提高效益。
四、总结
本文介绍了加氢精制与改质装置的概况、工艺路线和
工艺特点，结合生产的实际操作，提出了装置的优化操作方
法，对节能降耗有着显著特点。
参考文献
[1]吴秀章,石玉林,徐春明.煤炭直接液化油品加氢改质中试研究[j].
石油学报,2009,(02):156-161.
[2]康开通.煤直接液化加氢精制催化剂再生效果评价[J].内蒙古石
油化工.2014,120-126.
（上接第56页）
（下转第58页）
【作者简介】刘鹏（1984~），男，中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，研究方向：煤化工（煤制油）。李金财
（1986~），男，中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，研究方向：煤化工（煤制油）。
万方数据
2016·06 绿色化工 Chenmical Intermediate 58
当代化工研究
大气污染防治工作仍存在一定困难。为促进山西省重污染天
气监测预报预警的综合管理，建立健全区域内重污染天气应
急机制和应对能力，需要建设立体感知、智能响应的重污染
天气监测预报预警系统。
山西省重污染天气监测预报预警系统设计，以气象数
据、环境空气质量监测数据和污染源排放数据为基础，利
用空气质量模式集合预报，对山西省区域包括11个设区市
的环境空气质量AQI指数和六种污染物浓度（包括阿SO2、
NO2、PM10、O3、PM2.5和CO）进行未来7天预报分析
（48小时精准预报和5天潜势预报），实现重污染天气预
警、来源分析、污染源追因等功能，为及时应对重污染天
气、最大限度降低重污染天气造成的危害提供权威的预报预
警信息，同时为合理调整污染源布局、切实做好大气污染防
治提供决策支持和科学依据。
二、系统设计
1.总体架构
山西省重污染天气预报预警系统建设由“四层三体系”
组成。“四层”为软硬件支撑层、数据资源层、应用服务层
和会商展示层；“三体系”包括环境信息标准规范体系、环
境信息安全保障体系和环境信息运行管理体系。会商展示层
紧紧围绕大气环境管理业务需求，从空气质量日报、预报、
污染防控和发布三个方面出发，建立区域环境空气质量监测
预报预警信息的发布与展示平台。应用服务层包括数据管
理、污染源排放清单管理、空气质量集合预报、重污染天气
分析预警、来源追因、可视化业务会商和公共信息服务七大
系统模块。实现预报预警数据管理、分析、来源追因、会商
及数据发布服务的综合应用管理。数据资源层是以空气质量
实时监测数据、预报预警数据、专家库数据、空间数据等为
基础，为系统提供决策所需量化数据。软硬件支撑层是以高
性能计算环境、支撑环境、网络环境等硬件支撑。
2.技术选型
山西省重污染天气监测预报预警系统将中尺度气象模式
WRF和排放源处理模式SMOKE模拟结果作为空气质量模式
提供所需的三位网格化气象场数据和排放源数据，应用多种
数值预报模式相结合的方法进行预报，以减少因预报模式本
身的缺陷而造成的预报结果偏差，最终得到未来5天精准预
报和潜势预报结果。其中，数值预报模式以三维欧拉化学传
输模式为核心，选用美国环保署（EPA）推荐的Models-3/
CMAQ模式、美国Environ公司开发的CAMx模式、美国国
家大气海洋局（NOAA）的WRF-Chem和中国科学院大气
物理所自助研发的NAQPMS模式四种空气质量模式，采用
蒙特卡洛随机集合预报、对气象场、排放源和关键模式参
数分别进行扰动，产生多个包含模式不确定性的差异预报样
本，其中空气质量模式通过扰动优化产生至少10个以上集
合预报成员。采用山西省区域空气质量集合预报优化方法，
利用包括多元回归、偏差订正、神经网络等方法对空气质量
集合预报结果进行统计集成。
3.主要模块设计及功能
(1)数据库系统模块
数据库系统模块为系统存储预报模拟所需的气象数据、
污染源排放数据和空气质量监测数据，是模式运行的基础。
该系统采用B/S结构，部署在应用服务器上，主要进行环境
空气质量及气象数据的收集与共享，实现环保数据和气象
数据的对接和交换，最终基于GIS平台对分析后的数据进行
图、表展示。
(2)污染源排放清单可视化系统模块
污染源调查与排放清单的建立是空气质量预测预报的重
要前提，同时也是研究城市环境空气质量变化成因和污染排
放控制管理的重要基础工作之一。系统建设采用SMOKE排
放源处理模型处理山西省源排放清单，直接为系统提供网格
化的排放源。模块设计按照各数值模型的特点和运算需求合
理分配软硬件资源，各空气质量预报模型均使用统一的污染
源排放清单。
在排放清单中，针对沙尘暴、燃放烟花爆竹、臭氧等导
致的重污染天气进行专门的设定。
针对沙尘暴，通过起沙条件的设定、监测数据和气象条
件的分析统计，估算沙尘贡献的程度。
针对烟花爆竹，排放清单中统计烟花爆竹集中燃放的日
期（例如春节、元宵节、清明节等）集中燃放时间段、集中
燃放地点和限制燃放地点、烟花爆竹销售量、烟花爆竹的排
放参数、法规政策因素影响（山西省及各地禁止烟花爆竹燃
放的法规政策等）等影响，估算烟花爆竹燃放贡献的程度。
针对臭氧等其他因素，通过排放清单的统计，估算臭氧
等其他因素贡献的程度。
通过各地市提供的最新污染源排放清单获取本省内现有
的污染物排放清单数据，利用GIS系统实现污染数据的空间
插值展示。排放清单可视化系统可以直观地提供污染物在本
区域内的空间分布，对制定污染物控制措施提供重要的决策
依据。
(3)空气质量集合预报系统模块
设计采用多模式集合预报方式，以空气质量数值模
式系统模块为核心，选用中尺度气象模式WRF提供气象
场驱动，基于排放源处理模型制作三维网格化排放源，选
用中国科学院大气物理所自主研发的NAQPMS模式，美
国环保署（EPA）的Models-3/CMAQ模式、美国Environ
公司的CAMx模式和美国国家大气和海洋局（NOAA）的
WRF-Chem进行空气质量集合预报。设置多模式预报系统
区域嵌套计算网格：东亚区域(Domain1精度27km网格数
237*178)→华中区域 (Domain2精度9km 网格数55*68)→山
西省域(Domain3精度3km网格数107*254)。同时，采用蒙
特卡洛随机集合预报，对气象场、排放源和关键模式参数分
别进行扰动，产生多个包含模式不确定性的差异预报样本，
其中每个空气质量模式通过扰动产生至少10个集合预报成
员。利用包括多元回归、偏差订正、神经网络等方法对空气
质量集合预报结果进行统计集成，输入当天预报结果。
多模式集合预报可以在一次模拟中解析多个目标区域、
行业等的贡献，克服化学非线性问题同时保持质量守恒机
制，预报PM2.5和O3等二次污染物的来源，其整体预报技巧
高于最好的单模式预报。输出预报结果表达上，多模式集合
预报进行确定性结果分析、不同污染事件发生的概率、预报
的可靠性和可预报性等信息。多模式集合预报不再过分依赖
某一个可能误差较大的初始条件和参数值，可以通过集成方
法将不同集合预报成员的优点结合起来，将不同模式在数值
框架和参数化的不确定性考虑进来，通过针对单模式构建随机
万方数据
Chenmical Intermediate
59 当代化工研究 绿色化工 2016·06
扰动集合建立一个考虑全方位不确定性的集合预报系统。
(4)重污染天气分析预警系统
根据未来5天空气质量预报结果，当达到《山西省重污
染天气应急预案》（晋政办发〔2013〕109号）所规定的预
警级别时，按照省级重污染预警流程，报送重污染天气预警
提示信息。同时，对重污染天气形成有主要贡献的污染物进
行来源分析，为适时启动应急预案、开展污染防治工作提供技
术决策支持，为正确引导公众健康出行提供有效的技术服务。
根据持续污染提升一个响应级别的原则，省级空气重
污染分为三个预警响应级别，由轻到重顺序依次为Ⅲ级、Ⅱ
级、Ⅰ级，分别用黄、橙、红颜色标示，预警Ⅰ级（红色）
为最高级别：
级别市级预警条件省级预警条件颜色
Ⅲ
连续三天AQI>200，
未达Ⅱ、Ⅰ重度污
染或以上级别；
三个或以上连片设区市预警等级
可能同时达到Ⅲ级及以上级别，
但未达到省级Ⅱ级、Ⅰ级预警
级别；
黄色
Ⅱ
连续三天500
＞AQI＞300
严重污染级别；
三个或以上连片设区市预警等级
可能同时达到Ⅱ级预警级别；
橙色
Ⅰ
一天以上AQI≥500
极严重污染；
三个或以上连片设区市预警等级
可能同时达到Ⅰ级预警级别，或
太原和晋中两市同时达到Ⅰ级预
警级别；
红色
表1重污染天气预警响应级别划分
(5)空气污染来源追因系统
污染源追因系统分为遥感反演和后向轨迹模拟两个模块
设计，实现对气溶胶、气态污染物的垂直方向浓度分布解译
和为水平方向污染物传输的追因。
遥感反演通过对MODIS、OMI等遥感数据投影转换、
拼接、裁剪、云掩膜等预处理，反演垂直方向气溶胶AOD
的浓度分布，分析沙尘暴等大气污染事件的时空变化规律，
并实现秸秆焚烧点逐日监测。
序号监测指标时间分辨率空间分辨率数据源
1 SO2 日、旬、月、年0.25°×0.25° OMI
2 NO2 日、旬、月、年0.25°×0.25° OMI
3 O3 日、旬、月、年0.25°×0.25° OMI
4 AOD 日500 m×500m MODIS
5 PM10 日500 m×500m MODIS
6 PM2.5 日500 m×500m MODIS
7 CO 日/8天/月，年
合成1°×1°
AIRS：
AIRS3STD、
AIRS3ST8、
AIRS3STM
8 秸秆焚烧日1km×1km MODIS：全球
火点监测产品
9
沙尘
（垂直分
布）
16天
水平：0.33 km
垂直：0.03 km
CALIPSO
Lidar Level2
10
沙尘
（后向轨
迹）
72小时内GDAS
表2遥感监测反演指标设计
备注：空间分辨率为由度转为公里，即0.25°×0.25°
相当于13km×24km。
后向轨迹模拟基于GDAS全球气象场数据，采用国际上
应用最广泛的气团轨迹模式HYSPLIT中气团轨迹计算方法，
提取过去72小时气溶胶传输轨迹，分析不同类型气溶胶粒子
的来源及垂直分布。基于ArcGIS Engine，开发软件模块，对
主要大气污染物进行追踪溯源、展示、统计、分析、专题制
图与报告制作。
三、效益分析
山西省重污染天气监测预报预警系统的建立，综合考
虑了大气污染源排放及监管、城市环境空气质量监测、环境
空气质量模型模拟分析、政策经济技术等空气质量管理各个
因素，在业务预报工作中提供：1.区域污染形势集合预报产
品，如区域污染形势演变趋势、边界层垂直气象污染结构特
征、PM2.5污染物组分谱分布、能见度预报以及可能发生的
沙尘传输路径和影响程度等产品；2.区域中污染物污染过程
分析产品，如识别区域污染源中贡献最大的地区及行业源污
染贡献率，分析各城市、区域间污染物的相互输送和相互
贡献；3.污染物概率预报产品，例如不同等级污染事件发生
的概率及持续的时间，污染物累积和清除的关键时间节点
等；4.地方精细化预报所需的初始场产和边界条件产品，指
导区域内各城市开展精细化空气质量预报和重污染天气预警
工作。在重污染天气来临时，系统可通过确定大气污染来源
和污染贡献根据现有响应机制为管理部门建立合理的应急预
案和具体措施，并为管理工作提供有效的数据支撑，提高重
污染天气应对能力。此外，为满足公众的环境知情权，系统
通过广播、电视、网络、微信等多种媒体途径对空气质量预
报预警信息进行发布，为公众提供健康指引和出行参考，减
少污染天气对人体健康的影响。
参考文献
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【作者简介】冯琨(1987～)，女，山西省环境监测中心站，研究方向：环境空气质量大气模拟研究。

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