实时空气报告---空气质量实时报告及预测系统

作者：美国国家环保署 John E. White, Richard A. Wayland

美国Sonoma技术公司 Timothy S. Dye, Alan C. Chan

译者：光大环保实业（深圳）有限公司 方熙娟 孙志明

译校：美国北卡罗来纳州立大学 谢立安教授

1． 概论

如世界上许多国家一样，美国也存在空气污染问题。两种关键的污染物是地面臭氧和微粒物质（PM_2.5和PM₁₀----亦被称为微粒污染）。臭氧问题多发于夏季，而微粒污染却一年四季都存在。美国国家环境空气质量标准对臭氧的指标是每天8小时平均值85ppb。PM_2.5的标准是24小时平均浓度65µg/m³,年平均标准是15µg/m³。

地面臭氧对人体健康及植物造成很大危害，这是由人为或自然排放物而产生的。微粒物质是一种由固体和液体微粒组成、悬浮在空气中的复合物，在大小、构成上千差万别。在过去的十年中，多份健康研究显示了吸入微粒物质与每日死亡率及某些病症增加之间的关系。(如：HEI,2002;Dockery 和 Pope,1994; Schwartz,1994)。

历史上，由美国地方、洲及联邦的空气质量局所搜集的空气质量数据都是在从原始数据收集,到之后约3到6个月，才进行质量控制、校对并呈送给美国环保总署的约需3到6个月。虽然这种非集中型的资料搜集方式对常规目的和评估长期趋势来说是适用的，但在美国环保总署实行实时空气报告这一方案之前，实时的数据和预报都不能广泛地为决策者、公众和传媒所用。

实时空气报告系统由一个集中的数据处理中心（DMC）构成，该中心实时地从超过115个的美国和加拿大质量监控代理机构接收臭氧和微粒物质数据，并从300多个美国城市接收空气质量预测报告。同时，实时空气报告系统还维护一个信息网站（www.epa.gov/airnow）,该网站发布基本的信息资料，包括臭氧、微粒动态图以及城市空气质量预报。目前的空气质量用标有代表不同污染物浓度的颜色代码的点和等值高线地图显示，污染浓度是与美国环境保护总署制定的空气质量指数(AQI)相对应的，动态的点和等值高线地图，像显示降雨信息的雷达图像那样，显示着微粒污染及臭氧每小时形成和运动的状况。

本文将概括介绍实时空气报告项目的组成部分，包括数据处理中心如何与超过115个空气质量机构联系协调，使其及时提供每时的空气质量数据，如何发布空气质量预报，如何开发控制数据质量和处理数据的软件和数据库系统，如何向公众和媒体发布空气质量信息。很多实时空气报告项目的系统与方法都可以用于其它国家空气质量信息的发布，包括中国。

2． 背景

因为地面臭氧本质上是区域性的，公众关切和需要关于臭氧可能对健康造成影响的信息，为此1998年美国国家环境保护总署开发了实时空气报告系统，提供了一种可以获得全国空气质量信息的方便途径。实时空气报告系统源于美国环保总署的便于公众掌握信息与社区追踪的环境监控计划系统（EMPACT），其最初目的是向公众提供及时的环境信息。实时空气报告系统早期主要针对地面臭氧，因为地面臭氧是最常见的也是最为人熟知的一个空气污染问题。实时空气报告系统的开发解决了实时数据缺乏的问题，并以空气质量AQI指数(AQI)（美国环境保护总署，1999，2000）将空气污染浓度与健康预警信息联系起来。

AQI指数是美国环保总署基于《清新空气法案》制定的，是一个向公众报告空气质量数据的全国统一的指数。它提供了一个报告空气污染物水平的简要而统一的系统，并将空气污染物的浓度及其对健康的影响相联系，用易于理解的方式向公众报告空气质量信息，以便人们能确定空气污染对自己的健康影响程度。AQI指数将标准污染物浓度转化为从0到500之间的一组数字，如表1所示。一般来说，AQI值对应于根据《清新空气法案》制定的NAAQS标准。高于100的AQI指数表示目前空气可能对一部分人的健康有危害。

提供有关空气质量对健康的影响的教育资料和培训正如提供实时数据和预报一样重要。EPA已经制作了关于AQI指数（EPA,2000）、臭氧对健康的影响（EPA,1999a,b）、地面臭氧与平流层臭氧的区别（EPA,1997a）以及如何向公众提供AQI预报的指南(EPA,1999c)等多份宣传小册子。此类信息有助于媒体和公众理解空气质量与健康之间的关系，从而能用预报与实时信息做健康决策。

AQI	AQI分类	AQI颜色	O3(ppb)		PM2.5 (µg/m^3)	PM10 (µg/m^3)
			(8hr)	(10hr)
0-50	好	绿	0-64	-	0-15	0-54
51-100	中	黄	65-84	-	16-40	55-154
101-150	不宜敏感人群	橙	85-104	125-164	41-65	155-254
151-200	差	红	105-124	165-204	66-150	255-354
201-300	很差	紫	125-374	205-404	151-250	355-424
301^+	危险	棕	-	405-604	251-500	425-604

表1.关于臭氧、PM_2.5和PM₁₀的空气质量指数、分类、浓度分界点

3． 实时空气报告系统的数据流

通过实时空气报告系统的数据流程及其处理后的结果如图1所示。每小时，数据流从覆盖了46个洲、哥伦比亚特区和加拿大的1300个臭氧监测点和300个PM2.5检测点产生。超过115个州、地方和联邦空气质量监测机构收集这些数据并通过互联网传送到数据处理中心。这些数据到达数据处理中心后，软件系统将臭氧和微粒数据装载到相关的Oracle数据库。这些数据要经过自动的质量控制系统检查，以确保错误的数据不用于臭氧和微粒动态图。数据质量检查包括用最大和最小边界、变化率和其它更高级的检查来测试这些数据和监测点周边环境、以前监测报告中的正常数据是否存在矛盾。每一个监测点、每一种污染物、每一时间都设定了质量控制标准和边界值。然后，空气质量数据转换为AQI指数，每小时第30分钟，产生地方、整个地区以及全国的臭氧和微粒动态图。这些图传输到EPA的实时空气报告网站、媒体，并最终给公众。图2显示的是实时空气报告网站提供的地方、地区及全国臭氧和微粒动态图的示例。

图1.数据流与处理结果发布示意图 图2.地方、区域和全国每天最高臭氧及微粒AQI动态图

4． 空气质量预报

通过AQI动态图报告当前实时空气质量信息是一种非常有用的工具。AQI预报系统才对人类健康保护真正有提供了最终指导作用，因为它能让人们预先计划并改变生活方式，以减少暴露于低质量空气的可能，。空气质量预报不仅仅依赖于天气预报，也依赖于天气将如何影响排放物、化学反应及污染物传播的预报、以及人类对生物及人为排放物的时空特征模式的理解。

美国臭氧预报始于20世纪90年代早期，预报的能力技巧和精确度都在不断提高。最近，空气质量检测机构已经开始预报微粒污染。作为实时空气报告计划的一部分，地方气象工作者向全美超过300个城市发布关于臭氧和微粒的空气质量预报，如图3所示。绝大部分的预报人员每天下午向实时空气报告系统提交预测情况，他们使用各种方法和技术来预测每日空气质量的峰值（Dye et al.,2000; Ryan,1994; Comrie,1997）.

图3.实时空气预报城市分布

为了做出每日的预测，具有空气质量预测经验的气象工作者运用多种方法，其中之一是标准法，使用特定的气象和空气质量变量的边界值（标准）来预测臭氧浓度。比如，高温经常是与高臭氧浓度相联系的，因此当预计未来有高温时，也能预计到未来有高臭氧浓度。另一种方法是统计学上的回归方程式，描述臭氧浓度与其它预测变量值之间的关系，比如气温和风速。其它空气质量预测的技术包括分类和回归树（CART）,直觉和气候学。

最近，EPA开始意识到预测PM_2.5的需要并开发出一系列帮助洲及地方的预测人员用来预测PM_2.5的工具。这些工具包括唯象表和统计学方法。另外，EPA还组织了地区性的工作组，并编写了PM_2.5预测指导文件（美国环保总署，2003c）。统计学的预测工具是用CART分析法开发出来的，系统地将历史污染物浓度峰值数据根据选定的预测变量的固定值分解为两组，即导出了CARTs这样一组决策树。预测空气质量时，一个决策树能被根据已被预测出来的天空气变量值预测出未来污染物浓度， 图4显示的是预测俄亥俄州哥伦布地区空气质量的决策树的例子。

EPA还研究出将天气情形与微粒污染程度预测相联系的唯象表方法，这些图表将重要的天气特征用于预测未来空气质量状况。

EPA为2002年盐湖城冬季奥运会预测了空气质量。这个地区在冬季有严重的大气逆温颠倒情况，这可能加重水面的微粒污染。这个项目的目的在于为盐湖城冬奥会研究和实施PM_2.5预测技术。EPA研究出了统计预测工具来预测当天和第二天的PM_2.5浓度，这一预测在奥运会期间进行了45天，并被由他州环境质量部用来安排冬奥会期间媒体联系和服务项目，尤其是预测低等空气低质量的日期。一些媒体使用了PM_2.5预报信息。《今日美国》报在天气版上发布了几次空气质量预报，如图5所示。

预测空气质量的人既包括资深的预测专家也包括仅有初步的气象学和空气质量经验及知识的人员。实时空气报告项目正在预测方法和技术方面积极地培训现有和新的空气质量预测人员 (美国EPA,2003;Dye et al.,2003) 。此外，国家海洋和大气管理局以及私人机构正在研究新的预测指南，即通常所认为的预测方法、工具和模型，以帮助地方的预测人员作出最终的空气质量预报。

5． 公众及媒体通告

实时空气报告系统是公众了解目前美国和加拿大空气质量状况和预报的焦点，向公众有效的传递空气质量信息需要求通过互联网内容提供商和商业天气服务提供商的电视天气预报节目和报纸发布天气预报信息。

互联网上，实时空气报告站点（www.epa.gov/airnow）提供了实时了解本地、区域和全国空气质量动态图的途径，预报空气质量，提醒人们如何提高空气质量。这些动态图和预报信息在其它商业网站上也可以看到，如www.weather.com以及www.weatherunderground.com ,如图6所示。决策者可以利用这些信息向公众发布消息，提醒人们天气可能对身体造成的影响，鼓励自愿的减少排放空气污染物，并实施针对大众的服务与培训项目。很多地方直接利用实时空气报告系统作为其本地服务项目的一个部分。加利福尼亚州萨克拉曼多的“珍惜空气”项目（www.sparetheair.com）就是其中之一。

图6. www.weather.com以及www.weatherunderground.com 的空气质量预报

为了让电视观众也能了解相关信息，实时空气报告系统还与商业天气服务提供商合作，这些服务商通过图表和天气数据的形式提供电视和其它媒体服务。空气质量信息因此而能传达给数百万人。例如，空气质量预报通常在CNN的电视节目中播出，如图7所示。另外，《今日美国》报从星期一到星期五向36个美国的主要城市AQI指数信息，如图8所示。实时空气报告统还向新闻媒体提供培训素材，以帮助解释重要的天气和空气质量现象。

向媒体发布空气质量信息实现了实时空气报告项目的最终目的：以一种易于理解的视觉形式向决策者和公众提供空气质量预报和实时空气质量信息。

6． 经验及未来计划

在建立和运行即时空气监测系统的过程中获得的一些宝贵经验：

l 与由超过115个自愿参与的州、地方及全国空气质量监控机构组成的团体合作要求有高效的沟通渠道与问题解决途径。数据处理中心的人员已经开发出了一系列Email系统以及互联网上的新闻网页，举行电话会议，以使参与各方都能及时得到信息。参与团体对空气监测系统现有及新开发的工具的满意度对维持长期的合作是至关重要的。

l 24小时不间断运行的数据处理中心必须要有强大的基础设施（互联网、网络服务器和通讯设备）以及具有运行和开发技术的多样化的团队。尽管实时空气报告系统是自动运行的，但仍然需要人力保证其运行和数据的质量及连贯性。

l 保证数据的质量对实时系统是十分关键的。精确的质量控制程序包括对每一个数据的5个质量检查步骤，这些检查有赖于不同地点不同时间的质量控制标准，数据处理中心的操作人员负责手动调整这些质量控制标准。

实时空气报告系统的运用范围正在不断扩大。在美国和加拿大，微粒监控设备持续运转，微粒数据也及时传送到实时空气报告系统。当可以获得越来越多的微粒数据后，工作人员将会运用新的数据质量控制程序，以使发布给决策者和公众的数据是准确的。此外，这个系统的灵活性意味其可以容纳更多基准污染物数据。空气质量监控系统正力图扩大在美国和国外的运用范围，包括还未运行此系统的州和其它国家。

7． 结论

空气质量监控系统的开发使得与空气质量相关的数据产品能为尽可能多的人所获知，并保护大众的健康。决策者们现在可以获得实时可靠的空气质量数据，从而采取适当的预警方式，提醒公众保护身体健康。因为空气污染问题不分国界、影响着美国和全世界数以千亿万计的人群的身体健康，一套类似实时空气报告的空气质量预报系统对其它国家将是可行并有益的。