一、概述
空气污染物防控和环境治理已成为蒙自城市核心区建设的重要内容，根据红河州人民政府《滇南中心城市核心区大气环境综合治理工作方案》，要求蒙自市年度空气质量优良日数在93.5%以上，达到全省先进水平。为了实现这一目标，红河州环境管理部门采取了多种措施，一旦监测到的空气质量实时指数偏高时或者接近偏高时，立即出动大量人力关停高排放工厂、禁止焚烧以及采取洒水车在主要街道和其它尘土源头地区洒水降尘等措施。
2017年，红河州气象局与红河州环保局签署了合作协议，其中要求开展气象条件对空气质量的影响研究，提高空气污染监测、预报和治理水平。
有关文献研究表明，影响大气污染物扩散能力的气象因子主要有：动力因子和热力因子，包括大气层结稳定度、大气中的水分、天气形势和混合层的高度等。各大城市相继开展了空气污染物扩散气象条件预报，采用的方法主要是基于大气扩散模型和基于气象要素相关性建立的统计预报两大类，两类方法的预报结果差距不大。因此，当能获取必要的空气污染物数据和气象要素数据时，蒙自城区的空气污染物扩散气象条件是可以预报的。
本课题的研究目的为红河州气象局有关业务部门建立蒙自城区空气污染物扩散气象条件预报模型，以弥补当前预报模型空白，并期望能业务运行，为红河州气象服务部门提供蒙自城区的空气污染物扩散气象条件预报的工具。
本课题于2018年12月由红河州气象局批准立项。课题组采用多元回归的统计预报方法建立了蒙自城区的空气污染物扩散气象条件预报模型，对预报模型进行了检验，编写了计算程序，目前已完成有关研究任务。
二、蒙自市城区AQI指数的时间分布特征
AQI指数是空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）的简称，是一个无量纲数，用来定量描述空气质量水平的数值。AQI指数值按照《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）规定的计算方法计算，参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。根据AQI的数值区间，将AQI分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染六级。
经分析红河州环境监测站提供的2016—2018年蒙自城区逐日AQI指数，2016至2018年，蒙自城区空气质量优（AQI低于50）的天数432天，良（AQI在50至100之间）591天，轻度污染（AQI在100至150之间）68天，中度污染（AQI在150至200之间）1天，未出现重度以上污染。出现空气质量优的天数比例为39.4%，空气质量良的比例为54.0%，轻度污染的比例为6.2%，中度污染（3年仅出现1天）的比例为0.1%。总体空气质量以良和优居多，二者共占93.4%。
.png)
图1. 2016年—2018年蒙自城区各月平均AQI值
在蒙自城区月平均AQI值的月季分布上（见图1），AQI指数在春季(3至5月)最高，平均AQI指数值为74；夏季（6至8月）最低，平均AQI指数值为48；秋季（9至11月）平均AQI指数值为53，略高于夏季；冬季（12月至次年2月）平均AQI指数值为62。最高月为3月，平均AQI指数值为80；最低月为6月和8月，平均AQI指数值为46。春季平均AQI最高，空气质量最差，可能与春、冬季大气容易形成低空逆温有关，各种研究表明低空逆温时大气上下对流运动减弱，且近地面经常为无风或弱风，对空气污染物扩散有抑制作用。
.png)
表1. 2016年—2018年蒙自城区逐月各等级空气质量平均日数（单位：天）
蒙自城区出现最多的空气质量等级是良级别，其次是优级别。每月都可能出现轻度污染，中度污染以上不容易出现。出现轻度污染以上天数最多的是3月和4月，达到5.3天/月，最少的是2、7、8、9月，平均0.7天/月（见表1）。
2016至2018年的年平均AQI数值分别为59、66、53，因资料年限太短，暂不能描述其年际变化。
.png)
三、预报因子筛选和预报方程建立
将蒙自城区各月AQI值与蒙自国家基准气象站观测的地面气象要素气压、海平面气压、相对湿度、日最高气温、日最低气温、日平均气温、风向、风速、12小时降雨、24小时降雨、日照、辐射、进行相关性分析，发现蒙自城区的AQI值与当日08时的海平面气压、相对湿度、气温、风向、风速、12小时降雨相关性较好。
另外，根据红河州环境监测站提供的逐小时污染物浓度变化情况来看，一般从凌晨开始，蒙自城区污染物浓度快速增加，上午09至10时左右又会逐渐减弱，因此凌晨开始到08时前后的污染物浓度对全天的平均AQI值贡献较大，这也能部分说明日AQI值与当日08时部分气象要素相关性较好的原因。
考虑到蒙自市区的污染源主要在城区以北，比较AQI值与气象要素时也发现当蒙自市区盛行的偏南风转为的偏北风时，多数情况AQI值有所升高。因此构建一个参数——风速在北方向的分量即v（北）=v*cos（dd）来参加相关性分析，发现AQI值与v（北）的相关性要高于单纯的风速v。但因为需考虑静风和弱风情况下，风速即使没有北向分量，也要对空气污染物扩散造成不利影响，因此在构建预报方程时，风向、风速、风速的偏北分量需要一起作为自变量。
使用多元线性回归方法建立未来AQI值的统计预报方程，作为自变量的气象要素为预报当天08时的海平面气压、相对湿度、气温、风向、风速、风速偏北分量、前12小时降雨。因为季节不同导致的AQI与各其中要素相关性的变化，要取得好的预报效果，需在不同的时间段建立不同的预报方程，本课题采用逐月建立回归方程的方法处理。
由于同一月份AQI与作为自变量的气象要素的相关性大体一致，故可以采用前期AQI资料与气象要素建立某一个月的线性回归方程，在下一个年度的该月份使用作为预报方程。
例如使用2016、2017两年的10月的资料，建立10月的预报方程，在2018年10月的预报中使用。可根据各日08时的相关气象要素的预报值，进行该日AQI数值的预报，再根据AQI数值的区间，对应到空气污染物扩散气象条件的5个等级，当AQI预测值低于49，定义为一级，描述为非常有利于空气污染物扩散；当AQI预测值在50至99，定义为二级，描述为有利于空气污染物扩散；当AQI预测值在100至149，定义为三级，描述为较有利于空气污染物扩散；当AQI预测值在150至199，定义为四级，描述为较不利于空气污染物扩散；当AQI预测值大于199，定义为五级，描述为不利于空气污染物扩散。
方程建立过程如下：用将2016、2017两年的10月逐日的AQI值作为因变量，将这两年的8月逐日08时的海平面气压、相对湿度、气温、风向、风速、12小时降雨作为自变量，通过多元线性回归方法建立回归方程并通过F检验，确定多元线性方程中各自变量的系数和常数项（即截距）分别为k1= -3.631284008、k2= -0.755783429、 k3= -5.93512364、k4=0.016201627、k5=0.041971276、k6= -0.624190316、常数项=3912.287339，这时即得到10月的日AQI预报方程。如需预报某日的空气污染物扩散气象条件等级，将该日蒙自城区的气象要素预报值代入方程，可算出该日的AQI预测值，再将AQI预测值对应到上文规定的空气污染扩散气象条件等级，即完成了该日的空气污染扩散气象条件等级预报。
建立10月份上述方程建立的统计学分析如下：
.png)
.png)
系数及常数项：
按照上述方法，即可建立各月的预报方程。
四、预报效果检验
使用2016、2017年10月蒙自城区的历史AQI和气象要素资料建立方程，代入2018年10月的气象要素预报值计算的AQI值与实际值的对比如下：
分级对比如下（有2天缺资料，共计29天。以1代表等级预测正确，0代表错误）：
.png)
.png)
.png)
根据上表，平均AQI数值的预报误差为18.8，等级预报正确天数为22天，等级预报准确率为75.8%。
五、预报计算程序介绍
使用delphi编制蒙自城区空气污染扩散气象条件等级预报计算软件，软件界面如下图：
.png)
使用方法：输入需预报日的08时海平面气压、相对湿度、气温、风向、风速、12小时降雨量的气象要素预报，点击“计算”后，即根据各月的多元回归预报方程进行AQI值的预报并对应到等级，多元回归方程的各系数和常数项需预先录入配置文件。
六、成果应用
本研究成果于2018年8月下旬开始提供给红河州气象局科技服务中心试用。