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环境空气质量预报解决方案


1. 需求分析


“十一五”以来,我国加大了大气污染治理力度,二氧化硫、二氧化氮和PM10等常规污染物浓度持续下降,但随着经济社会的快速发展,能源消耗大幅攀升,机动车保有量急剧增加,社会污染物排放量呈现显著增长,在PM10和TSP污染问题尚未完全解决的情况下,部分区域PM2.5和臭氧污染加重,灰霾现象频繁发生。尤其是2012年10月以来,我国中东部地区持续多日出现灰霾天气,但由于我国现行环境空气质量标准偏松,使得各地公布的空气质量监测数据与公众感官存在较大差异,灰霾问题成为社会各界广泛关注的焦点。


2012年2月29日,环境保护部发布了《环境空气质量标准》,新标准增加了PM2.5和臭氧八小时浓度限值监测指标,收严了二氧化氮、PM10浓度限值,新的评价体系进一步与国际标准相接轨,实现了空气质量评价结果与人民群众切身感受相一致,也对我国大气污染防治提出了更高的要求。


空气质量预测预报的手段一般可分为传统的统计预报和新兴的数值预报两种。统计预报利用现有监测的历史数据,基于统计分析,研究大气环境的变化规律做出的预报和预警,目前在预报中得到广泛应用。然而,由于其基于统计概念学,其很难定量分析各成分的数据,且没有考虑污染源变化的影响。数值预测预报是基于对大气物理和化学过程规律的理解上,利用数学方法对其模拟。数值预测预报充分考虑到大气过程,更考虑了大气中不同物质之间的转换,对各种尺度污染物输送作出充分模拟。不仅考虑了污染源变化的影响,且更方便追踪污染源对空气质量的影响,为决策者提供科学的依据,是空气质量预报预警的发展方向。


区域空气质量模式是空气质量数值预报预警的核心。它以气象模式结果为驱动场,以污染源排放清单为基础,通过区域空气质量模式预测未来一段时间各种污染物的浓度数据,并在此基础上计算区域、网格的相关空气质量情况。目前大气环境领域所应用的模式最常用的有MODELS-3/CMAQ、CAMx、ADMS、CALPUFF、AERMOD和中科院大气所的NAQPMS等。其中MODELS-3/CMAQ、CAMx、NAQPMS的计算主模式是完全并行化的,需要的计算量比较大,而ADMS,CALPUFF和AERMOD则是串行程序,一般的工作站就能胜任。


Models-3/CMAQ是美国环保总局在20世纪90年代末发展的基于“一个大气”理念的第三代空气质量模式系统。它继承了原有模式的计算模块,增加了化学物与气象要素之间的反馈作用,实现了多物种(如臭氧、SO2、酸雨、气溶胶等)的同时模拟,实现了多尺度网格嵌套,对大气物理化学过程的描述更加全面、细致,代表了环境空气质量模式发展方向。该模式系统具有决策支持和大气物理与大气化学动力耦合的研究功能,是一个将大气质量预报同大气质量保证和污染控制的决策支持体系紧密联系在一起的大气质量预警管理系统。Models-3/CMAQ是环境预报领域中广泛使用的一个模式,支持并行计算,并具备较好的扩展性。


2. 解决方案


针对环境保护部门的环境空气质量模式应用需求,曙光提供针对性的高性能集群专业解决方案。方案硬件拓扑图如下图所示:


 



整套集群方案包括数据交换区、Web出口区、计算集群区、集群存储区以及网络系统等部分构成。数据交换区包括FTP服务器和下载终端,负责气象资料数据、污染源数据的下载和收集,为计算集群环境模式计算提供输入数据。Web出口区包含数据库服务器和Web服务器,提供数据的对外接口,实现数据下载和模式结果的发布。计算集群区是整套方案的核心,包括刀片计算节点、胖计算节点、登陆管理节点等,实现数据处理和保存、环境模式计算、结果生成和发布等一系列业务流程。集群存储系统采用曙光Parastor分布式并行存储系统,提供海量的数据存储空间和高速的并发读写性能。



对于环境空气质量预报平台的建设,曙光提供如下图所示的空气质量多模式集合预报解决方案,采用CMAQ、CAMx、NAQPSM三种主流的大气质量模式进行集合预报。该平台具有五大功能:


 


1、气象资料管理: 气象资料管理主要功能是收集、展现、分析空气质量预报预警所需的各种气象资料,包括文本型和图片型数据。


2、污染资料管理: 建立污染资料数据库,导入历史实况污染监测资料资料。根据需求,实现历史污染数据同比、环比等统计分析功能,并实现对历史上任意时间段的污染过程历史数据进行查询分析等功能。


3、空气质量预报: 预报功能包括区域污染形式预报和站点空气质量预报,预报污染物包括PM10、SO2、NO2、O3和PM2.5等。分别提供未来3天该区域的逐小时浓度预报和24小时均值预报。


4、来源追踪与分析: 基于对环境空气重污染成因分析和污染来源解析,为制定经济有效的污染源控制方案提供数据支持。


5、发布与展现: 将模式计算结果、实时监测数据和气象要素信息通过异构数据空间处理中间件优化处理结果数据,对结果数据进行提取、处理并实施组织与管理。


空气质量多模式集合预报平台是针对环保部门提供的一体化、全自动、低成本的解决方案,该平台集空气质量预报、分析、决策支持、发布为一体,采用多种最新技术,如数据同化、污染源解析、污染源追踪、排放源精细、扰动、多模式集成等,能提升系统的准确度和业务功能;能满足新国家标准的要求,提供要求中6种污染物七项指标浓度 (SO2, NO2, CO, O3, PM10, PM2.5) ;通过智能处理模块,能有效帮助专业人员提高业务效率。



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