中国研究生数学建模竞赛B题空气质量预报二次建模
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2021年中国研究生数学建模竞赛B题
空气质量预报二次建模
大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现足够的浓度，达到了足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或危害了生态环境[1]。污染防治实践表明，建立空气质量预报模型，提前获知可能发生的大气污染过程并采取相应控制措施，是减少大气污染对人体健康和环境等造成的危害，提高环境空气质量的有效方法之一。
目前常用WRF-CMAQ模拟体系（以下简称WRF-CMAQ模型）对空气质量进行预报。WRF-CMAQ模型主要包括WRF和CMAQ两部分：WRF是一种中尺度数值天气预报系统，用于为CMAQ提供所需的气象场数据；CMAQ是一种三维欧拉大气化学与传输模拟系统，其根据来自WRF的气象信息及场域内的污染排放清单，基于物理和化学反应原理模拟污染物等的变化过程，继而得到具体时间点或时间段的预报结果。WRF和CMAQ的结构如图 1、图 2所示，详细介绍可以在附录提供的官网中进行查询。
图 1 中尺度数值天气预报系统WRF结构[2]
图 2 空气质量预测与评估系统CMAQ结构[2]
但受制于模拟的气象场以及排放清单的不确定性，以及对包括臭氧在内的污染物生成机理的不完全明晰，WRF-CMAQ预报模型的结果并不理想。故题目提出二次建模概念：即指在WRF-CMAQ等一次预报模型模拟结果的基础上，结合更多的数据源进行再建模，以提高预报的准确性。其中，由于实际气象条件对空气质量影响很大（例如湿度降低有利于臭氧的生成），且污染物浓度实测数据的变化情况对空气质量预报具有一定参考价值，故目前会参考空气质量监测点获得的气象与污染物数据进行二次建模，以优化预报模型。二次模型与WRF-CMAQ模型关系如图 3所示。为便于理解，下文将WRF-CMAQ模型运行产生的数据简称为“一次预报数据”，将空气质量监测站点实际监测得到的数据简称为“实测数据”。一般来说，一次预报数据与实测数据相关性不高，但预报过程中常会使用实测数据对一次预报数据进行修正以达到更好的效果。
图 3 二次模型优化的WRF-CMAQ空气质量预报过程
为进行二次建模以预测给定监测点未来三天的空气质量情况，题目提供了监测点长期空气质量预报基础数据，包括污染物浓度一次预报数据、气象一次预报数据、气象实测数据和污染物浓度实测数据，其中，所有一次预报数据的时间跨度为2020-7-23 ~ 2021-7-13，所有实测数据的时间跨度为2019-4-16 ~ 2021-7-13，数据总量在十万量级（详见附件1~3）。需要注意的是：（1）每日预报的时间固定为早晨7点，此时可以获得当日7时及之前时刻的实测数据，以及运行日期在当日及之前日期的一次预报数据（预报时间范围截至第三日23时）。监测时间在当日7时以后的逐小时实测数据和运行日期在次日及以后的一次预报数据都是无法获得的，例如：在2021年7月13日晨间对7月13日至7月15日的空气质量进行预报过程中，可供参考的实测数据时间范围为(2019-04-16 00:00, 2021-07-13 07:00)，模型运行日期范围为(2020-07-23, 2021-07-13）。（2）受监测数据权限及相应监测设备功能等的限制，部分气象指标的实测数据无法获得。（3）由于一次预报对邻近日期的准确度较高，故理论上二次预报对邻近日期的准确度也较高。
根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012），用于衡量空气质量的常规大气污染物共有六种，分别为二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、粒径小于10μm的颗粒物（PM10）、 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 染控制工程 [M]. XX: 高等教育出版社, 2010.
[2] 伯鑫 等. 空气质量模型（SMOKE、WRF、CMAQ等）操作指南及案例研究 [M]. XX: 中国环境出版集团, 2019.
[3] 戴某某. 环境化学 [M]. XX: 高等教育出版社, 1997.
[4] 赵某某, 李某某, 李某某. 国内外近地面臭氧污染研究进展 [J]. 环境科技, 2018, 31(05): 72-76.
[5] 陈某某. 大气臭氧污染形成机制及研究进展 [J/OL] 2018, https://doc.001pp.com/html/2018/0201/***4.shtm.
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