基于街区尺度的精细化大气污染溯源模型建设需求

基于街区尺度的精细化大气污染溯源模型建设需求建成一套本地化百米分辨率的城市街区大气污染预报和污染溯源业务化模式，能模拟城市街区内部更为复杂的大气污染扩散情况，实现大气污染从城市尺度预报向点位尺度预报的转变，进一步提高大气污染准确预报和大气污染精准溯源的能力。序号具体技术(参数)要求1一、服务要求（一）项目背景为实现大气污染追因溯源常态化，实施同步预警、协同响应、联动监管，必须进一步提升空气质量预报和大气污染预警科学性、时效性和精细化水平，综合考虑污染区域传输规律和季节性特征，深化经济、能源、产业、交通运输、污染排放和气象等数据挖掘分析和综合研判，进一步提高大气污染时空预报的精准度，从而针对性的加强重点区域、重点时段、重点领域、重点行业治理，强化分区分时分类差异化精细化协同管控。如何更加精准地预报大气污染物浓度分布和变化，识别影响各城市环境空气质量监测站点污染物来源，更科学、更有针对性地提出缓解大气污染的行动方案，建立覆盖城市区域的街区分辨率空气质量模式是污染防治攻坚战的重要手段，是“十四五”期间大气污染防控手段亟待突破的关键问题。然而，目前的业务化空气质量模式在尺度上无法明确各站点的局地贡献，难以掌握城市街区局地污染情况。为提升城市中不利气象条件下大气污染防治能力，需要研发更高分辨率的本地业务化空气质量预报模式，构建立足本市的城市-街区-站点精细预报技术，着力解决大气环境治理中空气质量预报难以突破的精度不足的问题。在此基础上，在“十四五”期间落实了“环境空气质量达标提升技术支持项目”，开展了VOCs污染特征和来源解析、环境空气质量达标提升等系列技术服务，包括常规大气污染物特征分析、污染过程综合分析、大气污染源排放清单更新等工作，为空气质量持续改善和业务化、精细化的大气污染溯源提供了很好的前期基础。（二）项目目标建成一套本地化百米分辨率的城市街区大气污染预报和污染溯源业务化模式，能模拟城市街区内部更为复杂的大气污染扩散情况，实现大气污染从城市尺度预报向点位尺度预报的转变，进一步提高大气污染准确预报和大气污染精准溯源的能力。（三）项目内容目前城市尺度的空气质量模拟能力提升是空气质量模式在城市空气污染防治应用亟需解决的领域，例如建筑物和障碍物的影响、下冲现象和羽流上升、化学转化和沉降等，此外还需要各种来源的排放信息，包括城市移动污染源。近年来城市空气质量的模拟分辨率大多在3km~5km不等。对城市空气质量的模拟大多基于化学传输模式，目前主流的化学传输模式主要有NAQPMS、WRF/Chem、DEHM、EMEP、CMAQ等。这类模式主要是考虑污染物在中尺度下的传输、扩散、转化以及迁移过程，对城市化程度较高的城市街区内部的污染扩散模拟能力不足。为了进一步提高采购人本地的预报和污染溯源的能力，为管理部门提供更加精准和靶向的管控建议，综合考虑运算时效、计算精度、模式性能等因素，需搭建一套更高分辨率的空气质量模式预报，旨在较短的计算时间内，提供更为精确的空气质量客观预报产品，将业务化空气质量模式从区域-城市尺度推进到街区尺度，在实现高时空分辨率的精细模拟部署，以解决城市内部复杂下垫面街区的局地污染模拟能力不足问题，为城市空气质量预报、联防联控提供一定的技术支持，提高空气质量中长期和精细化预报预警能力，促进的大气污染防治工作向科学化、先进化、规范化方向发展。因此，项目需开展如下建设内容：围绕关键环境空气质量自动监测点位，建立百米分辨率的城市街区尺度冠层形态数据、地形地貌精细化输入数据集和大气污染物排放清单，构建百米分辨率的街区大气污染预报和污染溯源的业务模式并开展高精度的大气污染预报和溯源模式系统化训练及参数本地化调优设置，识别并量化每一小时或每天或自定义任意时间段内影响不同测点不同大气污染物的排放区域、排放部门和排放单元，开发业务模式每天自动化运行和结果处理脚本，集成展示街区模式污染预报和污染溯源结果。上述内容具体可分为四个主要部分，第一部分为模式输入资料的开发，包括地形地貌/城市形态/排放源等精细化基础资料的开发，需要准备地形地貌资料、城市冠层形态结构数据及排放源清单等初始资料，需搭建一套精细化地形地貌/城市冠层形态结构等精细化数据集的转换接口和更新过程，需建立一套排放清单输入转换接口以及本地化排放清单输入转换接口；第二部分为街区模式系统搭建，搭建百米分辨率街区大气污染预报和污染溯源业务模式计算平台；第三部分为对街区模式参数化方案进行本地化订正，以识别局地污染的来源，并量化本地污染和区域输送贡献，需构建街区尺度模式在线运行程序接口，以实现街区尺度预报模式的在线自动运行；第四部分为街区模式预报结果解析和计算结果展示，包括：以空间专题图件的形式提供街区模式预报溯源分析的产品，获得对应站点不同排放来源贡献信息；以空间专题图件的形式提供街区模式预报的六项常规污染物浓度、AQI等指标；以三维WEBGIS等方式嵌入现有可视化大屏系统的图层显示等数据产品的推送。1.模式输入资料开发1.1精细化地形地貌等输入数据地形地貌对大气流场和污染物扩散具有显著影响，而默认数据集的分辨率非常低，很难反映本区域的真实分布结构。这种土地覆盖和土壤质地的不精确输入不可避免地会导致模拟的差异，并对模拟结果产生不利影响。因此，本项目需使用一个经过细化的和验证的数据集来替换默认数据集，以提高模式预报的精确度。在土壤数据集方面，协调世界土壤数据库（HWSD）提供了比默认数据集更准确和更精细的土壤分布。根据实地调查和参考资料，该数据集可以很好地代表本地区的真实土壤分布。在地形数据集方面，航天飞机雷达地形测量任务（SRTM）地形资料是迄今为止分辨率最高，现势性最好，具有统一坐标系的全球性数字地形数据。本项目需通过构建更新数据集的转换接口和更新过程，将这些细化的地形地貌数据集应用到气象预报模式上，进一步提升气象模式模拟能力。1.2边界层和城市冠层参数数据制作中尺度气象模式与城市冠层参数化方案的结合运用，是深入探究城市气象的微物理过程的有效手段。在该模式中，影响城市模拟效果的参数化方案主要是边界层方案和城市冠层方案。因此在城市气象环境模拟中，这些方案能帮助采购人大致了解气象条件，但无法精确捕捉到每一个细节，尤其是在复杂的城市地形和建筑环境中。鉴于气象预报模式中边界层方案和城市冠层方案的多样化，本项目需在评估不同城市冠层方案的基础上，制作精细化的城市冠层参数数据，并对气象驱动模式的边界层和城市冠层参数化方案进行优化。1.3精细化本地排放输入数据接口开发项目需开发一个精细化的本地排放输入数据接口，用于整合污染源清单和气象预报数据，以驱动数值模式的运算。该接口将支持利用数值算法精确预测未来空气质量。项目需将本地化源排放清单中的污染物种类和污染源分类重分配至化学传输模式所需的排放分类体系中，并搭建一套建立针对化学传输模式的排放清单输入转换接口，作为本项目的基础数据使用，实现化学传输模式输入排放清单的本地化。在排放输入数据方面，为了准确模拟多尺度下的空气质量，不仅要明确局部尺度下的空气质量模式中的边界层条件及背景气象环境等相关变量能准确被街区尺度模式识别，还需要能响应多个尺度的排放清单和其他所需的多尺度清单。为了实现构建全域高分辨率街区尺度大气污染业务化预报模式，量化本地污染和区域输送贡献，进一步精准识别局地污染的来源的目标，项目需开发米级空间分辨率的大气污染物排放清单。2.模式平台调试搭建2.1模式方案调试设置本项目计划搭建的高分辨率预报模式系统部署并应用于。模式系统每天自动运行，并于次日9:00前完成模式运算和模式结果解析。模式可提供未来3天（不含起报当天）二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3等大气污染物精细化预报结果。2.2模式搭建流程高分辨率街区尺度空气质量模式预报系统的搭建，应包括：（1）模式驱动数据的下载和处理；（2）区域尺度气象预报模式自动运行；（3）区域尺度化学传输模式自动运行；（4）区域尺度气象和化学传输模式结果自动降尺度处理；（5）街区尺度化学传输模式自动运行；5个部分之间通过编写脚本程序实现全自动化运行。具体流程如下：①模式驱动数据的下载和处理；利用自动化工具下载用于数值天气预报模式初始化的全球大气状态数据。②区域尺度气象预报模式自动运行；编写脚本程序实现每日初始预报气象场数据下载及每日气象预报模式自动运行以进行气象场的预报模拟。③区域尺度化学传输模式自动运行；将气象预报模式输出的气象场作为化学传输模式的气象驱动数据，并对土地利用数据及排放源数据进行本地化更新输入化学传输模式进行化学场模拟，编写脚本程序实现每日污染物数据自动输出。④区域尺度气象和化学传输模式结果自动降尺度处理；将化学传输模式输出的污染物数据作为高分辨率预报模式的驱动数据，对化学传输模式输出的污染物数据进行重分配降尺度计算。⑤街区尺度化学传输模式自动运行；将上述降尺度处理后的气象和化学传输模式结果驱动街区尺度化学传输模式，实现全域250m分辨率的空气质量模拟。2.3模式模拟性能评估方法；为检验模式模拟效果，应引入偏差Bias、相关系数R、均方根误差RMSE、模拟拟合指数等评估指标。通过计算被检验数据和检验源数据之间的统计量，验证模式模拟效果。3.街区尺度空气质量预报模式参数的本地化订正项目需对250米分辨率的街区尺度空气质量预报模式的参数进行本地化订正，以提高模式预报结果的本地适用性。具体搭建内容如下：3.1更新和精细化的城市冠层数据城市冠层是影响城市下垫面的风场模拟和地表能量平衡的重要因素，此前使用的城市冠层数据对于地区一直存在表征单一、参数模糊的现象，因此在运行气象预报模式时，城市结构需要进行本地化改进。为了改进城市下垫面的风场模拟和地表能量平衡的准确性，需要对城市形态参数进行精细化调整，以提高模式的模拟精度。通过高分辨率遥感影像获取建筑物分布和高度数据，计算城市形态参数（如建筑物平均高度、建筑物面积加权平均高度、建筑格网面积比等）。3.2化学传输模式中的时空分配因子为确保模式输出能有效反映本地的污染物分布情况，需根据实际排放特征更新模式默认的时空分配因子。3.3更新高分辨率化学传输模式中的道路尾气排放数据和道路类别权重因子。为实现更精确的本地空气质量预测，需要根据的道路特征和交通量数据更新道路尾气排放数据的重新分配机制和道路类别的权重因子。4.模式预报结果解析和计算结果展示高分辨率街区尺度空气质量模式预报系统搭建完毕后，应产出预报分析输出产品和溯源分析输出产品。4.1预报分析输出产品提供未来3日（不含起报当天）的空气质量浓度预报产品，包括：①全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3、风速、风向、温度、湿度、降水、边界层高度、向下短波辐射逐时预报结果时序图和对应数据；②全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3、风速、风向、温度、湿度、降水、边界层高度、向下短波辐射逐日预报结果时序图和对应数据；③全市二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3、叠加风场、温度、湿度、降水、边界层高度、向下短波辐射逐时和逐日预报结果二维分布图和对应数据；④全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3、AQI逐时、逐日预报结果表格；⑤针对特定站点，沿经度、纬度方向绘制二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3、垂直风、温度、湿度的垂直剖面分布预报图和对应数据；⑥全市二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、PM10、PM2.5、O3浓度逐时预报结果三维空间动态分布图。4.2溯源分析输出产品针对二氧化氮、PM10、PM2.5、O3等关键污染物，输出其本地污染源溯源分析输出产品，包括：①全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、PM10、PM2.5、O3逐时溯源预报结果时序图和对应数据；②全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、PM10、PM2.5、O3逐日溯源预报结果时序图和对应数据；③全市（分按点统计和按网格统计两种算法）、五区（分按点统计和按网格统计两种算法）、不同测点和特定敏感点二氧化氮、PM10、PM2.5、O3指定一段时间溯源预报结果统计饼图和对应数据，分日间、夜间、全天三种方式统计；④印痕溯源分析产品印痕溯源分析产品应针对本区域内各站点开展印痕分析和预测轨迹分析。同时利用潜在源贡献函数和浓度权重轨迹模式等协助预报员或者其他分析人员掌握本地污染主要从哪里来、本地污染又向何处扩散。印痕分析中包含24小时、48小时及72小时累计贡献区域的结果。可支持后续结合排放源的空间分布图层进行叠置分析，获取印痕区域内的建议管控企业名单。4.3图件展示与三维可视化界面集成预报产品需按照“一网统管”的要求接入本地的政务数字化管理平台，实现可视化界面展示。（四）项目要求1.技术要求（1）模式覆盖范围要求：全市，包括禅城区、南海区、顺德区、高明区和三水区；（2）模式输入排放清单覆盖污染物种类要求：包括但不仅限于SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3、VOCs及其组分、颗粒物组分；（3）模式输入排放清单覆盖污染源要求：包括但不仅限于固定燃烧源、居民源、工业源、交通源、农业源等排放源；（4）模式预报大气污染物指标要求：包括但不仅限于SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3；（5）模式预报气象参数指标要求：包括但不仅限于风速、风向、温度、相对湿度、太阳辐射、边界层高度；（6）模式模拟分辨率要求：街区尺度预报空间分辨率不低于250m、时间分辨率不低于1小时、垂直方向最高不低于2000米；（7）模式针对城市形态参数要求：包括但不仅限于建筑高度、建筑占比面积等参数；（8）模式地形地貌输入资料要求：土地利用、土壤类型、地形等模式静态输入资料空间分辨率不低于1000m，年份不早于2018年；（9）模式预报产品解析：包括但不仅限于能对SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等污染物浓度开展时空分布预报，并对NO2、PM10、PM2.5、O3等污染物开展来源解析预报；（10）模式系统部署要求：包括但不仅限于能部署在政务数字化管理平台计算环境；（11）模式可视化要求：能按照“一网统管”的要求部署和接入；（12）模式正常运行要求：试运行期间模式预报系统及产品正常运行率应大于等于90%；（13）模式预报产品及时率要求：试运行期间模式预报产品及时率大于等于90%；（14）模式预报产品质量要求：主要气象参数（风速、温度、湿度等）模拟的拟合指数不低于0.7、关键污染物（PM2.5、PM10、NO2和O3）模拟的拟合指数不低于0.6。2.人员要求中标供应商应指派固定的团队为本项目提供专业服务，服务团队成员不少于5人（含项目负责人）。3.进度要求本项目要求服务期为12个月内实施完成。其中，合同签订后1个月内中标供应商应完成项目实施方案的编制，合同签订后6个月内中标供应商应完成模式输入资料的开发和模式系统搭建。自合同签订时间起，中标供应商应按季度以会议或书面等形式向采购人汇报项目进度。4.保密要求中标供应商应承担并承诺对项目所涉及的一切数据保密。5.质控要求预报模式系统成功搭建和完成参数本地化订正后，应试运行不少于30天，并每10天按《环境空气质量数值预报技术规范（HJ1130-2020）》中的要求开展预报性能评估，出具评估报告，并按采购人要求对预报模式系统进行性能调优，以达到采购人对预报模式系统性能的要求。项目实施过程中，中标供应商应自觉接受和配合采购人指派的检查组开展相应的检查。检查依据要求按照本项目需求所有条款，国家、省有新标准