陸 濤
(上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,上海 200030)
·環(huán)境預(yù)警·
美國(guó) AIRNow空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)發(fā)布技術(shù)在上海的應(yīng)用
陸 濤
(上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,上海 200030)
美國(guó) EPA開(kāi)發(fā)的A I RNow系統(tǒng)是國(guó)際先進(jìn)的環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理自動(dòng)化、環(huán)境產(chǎn)品豐富、發(fā)布及時(shí)、質(zhì)量保證和控制 (QA/QC)數(shù)據(jù)審核快速等優(yōu)點(diǎn),可通過(guò)明確的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和原則,實(shí)現(xiàn)地區(qū)性數(shù)據(jù)交換和共享。該技術(shù)在上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中得到應(yīng)用、整合和二次開(kāi)發(fā),并實(shí)現(xiàn)了 2010年上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布,為中國(guó)未來(lái)環(huán)境空氣質(zhì)量的動(dòng)態(tài)發(fā)布提供了重要的技術(shù)示范。
環(huán)境空氣質(zhì)量;日?qǐng)?bào);預(yù)報(bào);A IRNow;上海
在上海市外專(zhuān)局外資辦項(xiàng)目和美國(guó) EPA支持下,中美雙方通過(guò)互訪,就 A I RNow關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了多次技術(shù)交流和培訓(xùn),通過(guò)多方籌備和積極努力,最終于 2008年 4月確定了“中美合作——上海市環(huán)境空氣質(zhì)量發(fā)布系統(tǒng) (A I RNow-I)示范項(xiàng)目”。在美國(guó) EPA資助的 A I RNow-I系統(tǒng)基礎(chǔ)上,上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心就環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入模塊進(jìn)行了自主開(kāi)發(fā),通過(guò)進(jìn)一步完善現(xiàn)有的日?qǐng)?bào)發(fā)布和查詢(xún)功能,整合了現(xiàn)有分散的空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)管理系統(tǒng),最終形成較為完整的、高效的上海市空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)。
自上世紀(jì) 80年代末以來(lái),包括上海在內(nèi)的中國(guó)少數(shù)大城市開(kāi)始建設(shè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。上海市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)歷了 30余年,從僅由 5個(gè)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)展到今天能基本覆蓋全市各類(lèi)功能區(qū)的綜合性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建成和發(fā)展,為跟蹤分析上海市空氣污染特征與變化趨勢(shì),為污染預(yù)警和污染源控制管理措施的制定提供了重要的寶貴基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
隨著上海市環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)、日?qǐng)?bào)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的深入開(kāi)展,目前,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)每天動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá) 2萬(wàn)余條,產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)產(chǎn)品約 10 G,海量數(shù)據(jù)為環(huán)境空氣質(zhì)量管理決策奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),但是,同時(shí)也給大氣環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)的信息化管理系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的壓力,現(xiàn)有的環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)快速審核、輔助綜合分析、快速加工發(fā)布和海量數(shù)據(jù)管理等方面已不能滿(mǎn)足正在蓬勃發(fā)展中的環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求。
與中國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和管理工作相比,發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)如美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)、香港等環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速加工和發(fā)布業(yè)務(wù)起步較早,所取得的經(jīng)驗(yàn)也更為豐富。其中,以美國(guó)國(guó)家級(jí)環(huán)境空氣質(zhì)量 (A IRNow)系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛[2,3],其涉及的技術(shù)也更為先進(jìn)。A I RNow系統(tǒng)采用了先進(jìn)的空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)實(shí)時(shí)發(fā)布技術(shù)和預(yù)報(bào)方法,作為一項(xiàng)全國(guó)性公益環(huán)境項(xiàng)目獲得美國(guó)國(guó)家最受歡迎金獎(jiǎng)。1997年以來(lái),為美國(guó)、加拿大、墨西哥等國(guó)家和地區(qū) 2 000余個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供O3和顆粒物 (PM2.5)的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量通報(bào)服務(wù),并為美國(guó) 300多個(gè)城市發(fā)布 24 h的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。
美國(guó) EPA開(kāi)發(fā)的 A I RNow系統(tǒng)是國(guó)際先進(jìn)的環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理和發(fā)布系統(tǒng),具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):自動(dòng)化的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理,提供豐富生動(dòng)的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品;為政府和公眾提供空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)狀況,并對(duì)空氣污染事件作出應(yīng)急反應(yīng)和采取適當(dāng)?shù)拇胧?快速成熟的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量保證和控制 (QA/QC),數(shù)據(jù)審核實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;成熟的預(yù)報(bào)方法和系統(tǒng);明確數(shù)據(jù)交換協(xié)議和原則,使地區(qū)性數(shù)據(jù)交換和共享成為現(xiàn)實(shí)。
A IRNow-I是在A I RNow系統(tǒng)的基礎(chǔ)上總結(jié)其通用性,由美國(guó) EPA資助,上海參與開(kāi)發(fā)的A I RNow國(guó)際版,主要由 DMS和 IMS兩個(gè)模塊構(gòu)成。
A I RNow-IDMS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊是 A I RNow-I系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的核心,它有效提升了環(huán)境空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)控制和管理能力。主要由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、自動(dòng)數(shù)據(jù)審核、人工輔助數(shù)據(jù)審核、站點(diǎn)管理等功能構(gòu)成。DMS模塊可以通過(guò)Web Service方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布,為數(shù)據(jù)使用者提供方便的數(shù)據(jù)接口[4,5]。
A IRNow-I IMS信息管理系統(tǒng)模塊的主要目的是生成濃度空間分布圖等各種地圖產(chǎn)品,并且具有靈活的控制和管理接口,能夠自動(dòng)生成和發(fā)布地圖產(chǎn)品。報(bào)、預(yù)報(bào)信息管理發(fā)布平臺(tái),從而幫助實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣質(zhì)量信息產(chǎn)品的快速瀏覽和及時(shí)預(yù)報(bào),實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)信息的快速處理和發(fā)布,整合已有的分散式的環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)子系統(tǒng),重新構(gòu)建了較為完整的上海市空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng),系統(tǒng)框架如圖 1所示。
圖1 上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)架構(gòu)
基于“中美合作——上??諝赓|(zhì)量發(fā)布系統(tǒng)(Airnow-I)示范項(xiàng)目”的實(shí)施,成功地將 A I RNow-I兩大主要功能模塊——DMS、 IMS應(yīng)用于上海。此外,上海還配套開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)氣象資源下載模塊、數(shù)值模式產(chǎn)品集成模塊及預(yù)報(bào)結(jié)果分析模塊等預(yù)報(bào)輔助工具,并研究開(kāi)發(fā)了上海市環(huán)境空氣質(zhì)量日
數(shù)據(jù)自動(dòng)審核對(duì)于海量空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尤為重要。A I RNow DMS的質(zhì)量控制 (QC,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“質(zhì)控”)檢查可以快速對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷,從而實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)審核。質(zhì)控檢查方法主要包括:最小值、最大值、零值、穩(wěn)定值、變化率、幅度和相鄰檢查 7種。上海市環(huán)境空氣信息管理系統(tǒng)可以根據(jù)以上規(guī)則自動(dòng)對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常情況進(jìn)行判斷,從而達(dá)到快速自動(dòng)審核的目的。結(jié)合系統(tǒng)具備的人工數(shù)據(jù)審核,對(duì)自動(dòng)審核結(jié)果中的懷疑值進(jìn)行進(jìn)一步人工判斷,可得到更高質(zhì)量的審核數(shù)據(jù)。
具體功能如下:
(1)最小值質(zhì)控檢查 (Minimum QC check):檢查數(shù)據(jù)是否超過(guò)用戶(hù)設(shè)定的某一最小值。
(2)最大值質(zhì)控檢查 (Max imum QC check):檢查數(shù)據(jù)是否超過(guò)用戶(hù)設(shè)定的某一最大值。
(3)零值質(zhì)控檢查 (Zero QC check):檢查數(shù)據(jù)在零值附近的漂移情況并作出相應(yīng)處理。漂移值小于合理范圍值 X(通常為 -5)時(shí)將被標(biāo)記為無(wú)效值。例如,如果臭氧含量為 X—0,臭氧值為 0。如果 ozone≤X,標(biāo)記為無(wú)效。漂移值在漂移正常范圍之內(nèi)的負(fù)數(shù)可以直接賦值為需要的正值,如1/2檢出限。
(4)穩(wěn)定值質(zhì)控檢查 (Sticking QC check):檢查數(shù)據(jù)是否保持不變。夜間檢測(cè)值小于 X(對(duì)臭氧而言通常為 40)時(shí)通常為一固定值,不再進(jìn)行檢查。即 ozone
(5)變化率質(zhì)控檢查 (Rate of Change QC check):比較某小時(shí)到下一小時(shí)的污染物變化率。當(dāng)不同點(diǎn) (或變化)超過(guò)每小時(shí)每站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),則標(biāo)記為無(wú)效或者懷疑值。
(6)幅度質(zhì)控檢查 (Range QC check):檢查某站點(diǎn)的小時(shí)最高值。例如,如果 ozone>maximum,臭氧被標(biāo)記為無(wú)效或者懷疑值。
(7)相鄰質(zhì)控檢查 (BuddyQC check):將數(shù)據(jù)與周邊具有相似環(huán)境條件的站點(diǎn) (如城區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等)的平均值進(jìn)行比較。相鄰站點(diǎn)數(shù)可以為 0~5個(gè)。如果檢測(cè)值不在相鄰站點(diǎn)值的用戶(hù)設(shè)定范圍內(nèi) (例如臭氧,其范圍通常設(shè)定為 20~40),數(shù)據(jù)標(biāo)記為無(wú)效。在此檢查中,需要設(shè)定一個(gè)必須完成檢查的相鄰站點(diǎn)的最小值 (如果相鄰站點(diǎn)數(shù)設(shè)定為 5個(gè),則通常最少站點(diǎn)數(shù)為 3個(gè))。如果臭氧濃度減相鄰站點(diǎn)的絕對(duì)值大于檢測(cè)閾值,則標(biāo)記為無(wú)效或懷疑值。
上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)整合了多種采集儀傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、多個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)和分散的網(wǎng)絡(luò)資源 (如氣象數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)源種類(lèi)繁多,信息量龐大。系統(tǒng)提供兩種靈活的數(shù)據(jù)交換方式,一種為 CVS格式文件,另一種為Web service。其他各種數(shù)據(jù)源可以通過(guò)這兩種交換方式進(jìn)入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的屬性信息,即測(cè)點(diǎn)編碼、參數(shù)編碼、均值時(shí)間長(zhǎng)度、監(jiān)測(cè)值、計(jì)量單位、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)志位、QC標(biāo)志位等信息,這樣可以保證不同時(shí)段的數(shù)據(jù) (如1 min均值、5min均值或小時(shí)均值的數(shù)據(jù))均可納入到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)一管理,同時(shí)可以保證數(shù)量不限的新的監(jiān)測(cè)參數(shù) (如大量種類(lèi)的微量有機(jī)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))根據(jù)未來(lái)業(yè)務(wù)需要隨時(shí)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
靈活方便的數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的生命力,不同時(shí)間粒度的任意監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)均能導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行管理。目前,自動(dòng)導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行管理的有各種采集系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)下載的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù) (全國(guó)重點(diǎn)城市日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)、氣象局自動(dòng)站氣象數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)等),以及空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模型數(shù)據(jù)等,詳見(jiàn)圖2。
圖2 上海市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)系統(tǒng)的多數(shù)據(jù)源、多模式數(shù)據(jù)集成
采用 ARCGIS Server 9.2作為 GIS引擎進(jìn)行空氣質(zhì)量地圖制作。
3.3.1 自動(dòng)化地圖處理
系統(tǒng)通過(guò)向?qū)Х绞绞褂脩?hù)進(jìn)行不同地圖產(chǎn)品的自動(dòng)化定制,能夠產(chǎn)生的地圖產(chǎn)品主要有濃度或API空間分布圖、GIF動(dòng)畫(huà)、shapefile、GR ID文件(netCDF格式)、K ML等,系統(tǒng)能夠通過(guò)界面瀏覽監(jiān)控任何一個(gè)地圖產(chǎn)品在自動(dòng)化過(guò)程中的狀態(tài)。系統(tǒng)還能夠通過(guò)管理 (修改、替換)自動(dòng)化過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)中的程序來(lái)自定義插值等參數(shù)和方式。
3.3.2 空間濃度分布圖時(shí)間軸插值
空間時(shí)間軸插值技術(shù)是在時(shí)間軸上生成時(shí)間分辨率更密的空間分布圖,使得空間濃度分布圖動(dòng)畫(huà)更平滑。目前,數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為小時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)時(shí)間軸插值技術(shù)能得到 10 min、5 min、1 min甚至更密的空間分布圖。
基于 A I RNow-I開(kāi)發(fā)的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)主要用來(lái)完成該市日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作和信息發(fā)布。該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)加工處理、日?qǐng)?bào)預(yù)報(bào)、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、信息發(fā)布等業(yè)務(wù)內(nèi)容。上海市 67個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn) (包括世博園區(qū)站點(diǎn))已在該系統(tǒng)的管理之下,目前進(jìn)入該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)因子有 SO2、NO2、PM10、PM2.5、PM1、NOX、NO、O3、CO等 ,另外還有風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、能見(jiàn)度等氣象因子。系統(tǒng)能夠完成臭氧日?qǐng)?bào)、全市日?qǐng)?bào)、分區(qū)日?qǐng)?bào)、全市預(yù)報(bào)、一周點(diǎn)評(píng)等全部任務(wù),并直接將結(jié)果通過(guò)傳真、E-mail、短信或其他數(shù)據(jù)形式發(fā)布給國(guó)家總站、媒體、對(duì)外網(wǎng)站等。系統(tǒng)每小時(shí)能夠自動(dòng)生成全上海濃度空間分布圖并發(fā)布于對(duì)外網(wǎng)站,如圖 3所示。
圖3 濃度空間分布
世博空氣質(zhì)量專(zhuān)欄內(nèi)容主要包含世博區(qū)域?qū)崟r(shí)空氣質(zhì)量、世博區(qū)域日?qǐng)?bào)、全市日?qǐng)?bào)、全市預(yù)報(bào)、分區(qū)日?qǐng)?bào)和長(zhǎng)三角空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)?;?A I RNow-I開(kāi)發(fā)的上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)為上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量專(zhuān)欄提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和污染物空間分布動(dòng)態(tài)變化圖。世博空氣質(zhì)量專(zhuān)欄成為國(guó)內(nèi)首次實(shí)時(shí)發(fā)布空氣質(zhì)量的典范[6,7],如圖 4所示。
圖4 上海世博環(huán)境空氣質(zhì)量專(zhuān)欄實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量發(fā)布
通過(guò) A IRNow-I系統(tǒng)模塊的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用,多樣化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入管理程序的開(kāi)發(fā),以及數(shù)據(jù)質(zhì)量自動(dòng)審核方法的研究等技術(shù)工作的開(kāi)展,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多樣化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入與集中管理、數(shù)據(jù)自動(dòng)化審核加工、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)快速空間插值等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用突破。系統(tǒng)研發(fā)了集空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)信息瀏覽和信息發(fā)布于一體的工作平臺(tái),為區(qū)域空氣質(zhì)量聯(lián)合日?qǐng)?bào)、預(yù)報(bào)工作的開(kāi)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。由于其卓越的數(shù)據(jù)庫(kù)管理性能和充分的擴(kuò)展性,上海市環(huán)境空氣質(zhì)量管理信息系統(tǒng)將為上海市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提供重要的信息化管理平臺(tái)。該系統(tǒng)不僅為 2010年上海世博會(huì)提供了實(shí)時(shí)環(huán)境空氣質(zhì)量信息發(fā)布服務(wù),并可以滿(mǎn)足上海未來(lái) 5~10年間交通環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、光化學(xué)污染物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、霾污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理需求,并可為中國(guó)未來(lái)開(kāi)展實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)布及區(qū)域環(huán)境信息的共享提供技術(shù)示范。
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Application of A IRNow Ambient A ir Quality Notification System of USA in Shangha i
LU Tao
(Shanghai EnvironmentalMonitoring Center,Shanghai 200030,China)
A IRNow developed byUS EPA is the advanced air quality notification system in the world,which processes the advantages of automatic datamanagement,rich products,real-t ime notification and fast automaticQA/QC.Based on the clear data exchange protocol,A IRNow is the most successful air quality notification system for the regional data sharing in North American.The real-time air quality data has been published by theAirnow-A pilotproject betweenUS EPA and SEPB for the area around Expo park during 2010 Shanghai EXPO,which provided the important demonstration for the national real-time data notification in China.
ambient air quality;API reporting;API forecasting;A IRNow;Shanghai
X84
A
1674-6732(2011)-01-0004-04
10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.002
2010-11-02
上海市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金[滬環(huán)科(08-29)]。
陸濤 (1974—),男,工程師,碩士,從事環(huán)境信息化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作。