汾渭平原夏季近地面臭氧統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法

陳 玲，程 路，王 雁，郭 偉，汪文雅，李明明，陳二萍

(1.山西省氣象科學(xué)研究所，太原 030002；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710014；3.陜西省氣候中心，西安 710014)

臭氧(O3)是大氣中重要的痕量氣體[1]，對(duì)流層大氣中的臭氧占總量10%左右，對(duì)流層中較高質(zhì)量濃度的O3對(duì)人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境均有重要影響[2-5]。與其他氣態(tài)污染物相比，O3在對(duì)流層中的壽命較長(zhǎng)，可進(jìn)行長(zhǎng)距離的跨區(qū)域傳輸[6]，因此，O3成為國(guó)際大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

對(duì)流層O3的質(zhì)量濃度是平流層向下輸送、對(duì)流層局地光化學(xué)過(guò)程和區(qū)域輸送共同作用的結(jié)果[7-8]。近地層O3主要由其前體物，如NOx、CO以及揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等，在一定的氣象條件下通過(guò)復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成，且NOx、CO以及VOCs等對(duì)O3的生成具有不同的作用[9-11]，不同氣象因子在不同地區(qū)作用大小亦有差異。局地O3質(zhì)量濃度高低除了與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，還與天氣系統(tǒng)和氣象條件等有著密切聯(lián)系[12-14]。近地面高質(zhì)量濃度O3是大氣光化學(xué)煙霧的主要標(biāo)識(shí)物，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口激增以及機(jī)動(dòng)車保有量增加，O3污染愈發(fā)嚴(yán)重，我國(guó)多地頻繁觀測(cè)到光化學(xué)煙霧污染的現(xiàn)象[15-16]，O3污染問(wèn)題引起了高度關(guān)注。

對(duì)流層中O3生消的光化學(xué)反應(yīng)，以及O3與大氣顆粒物之間的關(guān)系十分復(fù)雜[9, 17-18]，且受氣象條件影響很大，因而O3預(yù)報(bào)技術(shù)難度較大，提高O3預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率是目前亟待解決的問(wèn)題，并且已經(jīng)愈加引起重視。O3污染研究多集中于華北[19-20]、長(zhǎng)三角[12]、珠三角[21]地區(qū)，汾渭平原作為全國(guó)O3污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一，夏季高質(zhì)量濃度O3污染治理面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴(yán)峻，目前針對(duì)于該區(qū)域的研究也多集中于大氣顆粒物[22-23]，O3分析僅局限于少數(shù)城市[24]，O3預(yù)報(bào)的相關(guān)研究也較缺乏。當(dāng)前應(yīng)用較多的O3預(yù)報(bào)方法有天氣分型[25]、綜合氣象條件評(píng)分[26]、建立回歸方程[27]等。鑒于回歸方程可以定量進(jìn)行O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)，因此本文旨在結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，擬合出簡(jiǎn)潔高效、便于實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用的汾渭平原夏季近地面O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)方程，并進(jìn)行效果檢驗(yàn)，以期提升夏季O3預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，并為該區(qū)域O3污染防治提供參考。

1 資料與方法

城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)源自汾渭平原環(huán)境氣象中心數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，地面氣象數(shù)據(jù)選取距離各城市環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)最近的11個(gè)氣象站點(diǎn)。因每年5月近地面O3質(zhì)量濃度已較高，實(shí)際業(yè)務(wù)工作中已需重點(diǎn)考慮該月份的O3預(yù)報(bào)，基于此，本文研究時(shí)段為2017—2020年的5—8月。研究區(qū)域汾渭平原地形如圖1所示。

按照國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[28-30]，O3日評(píng)價(jià)指標(biāo)為O3日最大8 h滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度(以下用C8h(O3)表示)，城市每日的C8h(O3)為該城市每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C8h(O3)的算術(shù)平均值，其值大于160 μg/m3則說(shuō)明該日O3質(zhì)量濃度超標(biāo)；城市O3年度評(píng)價(jià)的判定為C8h(O3)第90百分位質(zhì)量濃度，其值大于160 μg/m3則表示城市該年O3超標(biāo)。

首先建立C8h(O3)多元逐步回歸預(yù)報(bào)方程，并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況的吻合程度進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，包括正態(tài)平均偏差( normalized mean bias，NMB，用BNM表示) 、正態(tài)平均誤差( normalized mean error，NME，用ENM表示)和均方根誤差(root mean square error，RMSE，用ERMS表示)，詳細(xì)計(jì)算方法見式(1)～式(3)，其中，Cf和Co分別表示C8h(O3)的預(yù)報(bào)值和實(shí)況值。此外，實(shí)際業(yè)務(wù)中按C8h(O3)預(yù)報(bào)結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的AQI等級(jí)LCf，與實(shí)況C8h(O3)等級(jí)LCo對(duì)比評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)結(jié)果，進(jìn)一步給出等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(forecast accuracy，F(xiàn)A，用AF表示)檢驗(yàn)，計(jì)算方法見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中N為樣本數(shù)。

2 汾渭平原夏季近地面O3預(yù)報(bào)

2.1 近地面高質(zhì)量濃度O3潛勢(shì)指數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)汾渭平原11個(gè)城市5—8月近地面的日均氣溫(Tave)、日最高氣溫(Tmax)、日均相對(duì)濕度(HR)、日總降水量(P)、日照時(shí)數(shù)(t)、日主導(dǎo)風(fēng)向(WD)、日平均風(fēng)速(WS)、O3質(zhì)量濃度最高時(shí)段11—20時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向(WD11—20)、11—20時(shí)平均風(fēng)速(WS11—20)等要素與O3超標(biāo)日數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其中因C8h(O3)的計(jì)算基本源自O(shè)3質(zhì)量濃度最高時(shí)段11—20時(shí)的部分時(shí)次，除了風(fēng)的日均狀態(tài)，該時(shí)段內(nèi)風(fēng)向、風(fēng)速可能對(duì)C8h(O3)的結(jié)果產(chǎn)生較大影響，所以進(jìn)一步加入了11—20時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向和平均風(fēng)速作為影響因子。根據(jù)上述氣象因子與C8h(O3)的相關(guān)性大小，以及同一要素(如Tave、Tmax)不重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)，篩選出對(duì)C8h(O3)影響較大的5個(gè)氣象因子，建立近地面高質(zhì)量濃度O3日主要?dú)庀髼l件判定標(biāo)準(zhǔn)——高質(zhì)量濃度O3潛勢(shì)指數(shù)(HPPI，用IHPP表示)。以某一氣象因子超過(guò)一定閾值時(shí)O3超標(biāo)日數(shù)大幅上升為標(biāo)準(zhǔn)，分別給出各氣象因子對(duì)應(yīng)的IHPP分指數(shù)(I1～I(xiàn)5)閾值[26-27]。IHPP的計(jì)算方法見式(5)。

(5)

式(5)中，i=1,2,…,5；n=5。IHPP越大，說(shuō)明該日近地面O3超標(biāo)可能性越大。各城市IHPP判定標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

由表1可知，汾渭平原IHPP主要由對(duì)C8h(O3)影響較大的Tmax、HR、t、WD和P共5個(gè)氣象因子構(gòu)成，各個(gè)城市IHPP介于-1～6之間。Tmax、HR和P對(duì)各個(gè)城市影響差異不大，三者IHPP分指數(shù)判定閾值在各個(gè)城市取值相同，其中30 ℃≤Tmax<35 ℃時(shí)，I1=1，Tmax≥35 ℃時(shí)，I1=2；HR<60%時(shí)，I2=1；P<1時(shí)，I5=1。t和WD在不同城市對(duì)C8h(O3)的影響不同，IHPP分指數(shù)判定閾值各城市差異明顯。

表1 汾渭平原各城市高質(zhì)量濃度O3潛勢(shì)指數(shù)(IHPP)判定標(biāo)準(zhǔn)

2.2 近地面O3預(yù)報(bào)方程

采用多元逐步回歸方法，引入2017—2020年5—8月的Tave、Tmax、HR、P、t、WD、WS、WD11—20(11—20時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向)、WS11—20(11—20時(shí)平均風(fēng)速)、IHPP，以及前一天C8h(O3)即C8h(O3)d-1，共9個(gè)氣象因子、IHPP和1個(gè)背景O3質(zhì)量濃度因子，建立多元逐步回歸方程，預(yù)報(bào)夏季O3質(zhì)量濃度。因?qū)嶋H業(yè)務(wù)工作中O3預(yù)報(bào)量為C8h(O3)，所以本文預(yù)報(bào)結(jié)果均指C8h(O3)。考慮到2020年受新冠疫情及人為減排影響，O3前體物質(zhì)量濃度較前3年背景值有所改變，分別選取2019年7月及2020年7月用作預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，不參與回歸方程的建立，以增強(qiáng)預(yù)報(bào)結(jié)果的可信度和可用性。

汾渭平原11個(gè)城市C8h(O3)多元逐步回歸預(yù)報(bào)方程常數(shù)和預(yù)報(bào)因子系數(shù)見表2，各城市R2介于0.38～0.63之間。

表2 汾渭平原各城市C8h(O3)多元逐步回歸預(yù)報(bào)方程常數(shù)和各氣象因子系數(shù)

汾渭平原11個(gè)城市預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)見表3。從各檢驗(yàn)指標(biāo)看，各市BNM介于-1.09%～5.18%之間，其中呂梁僅0.29%，寶雞較大；各市ENM介于7.63%～18.85%之間，運(yùn)城、晉中和臨汾較小，寶雞、咸陽(yáng)和銅川略大；各市ERMS介于20.29～31.62之間，運(yùn)城最小，呂梁、咸陽(yáng)、西安和臨汾較大；從等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率來(lái)看，各市AF介于50.00%～82.22%之間，運(yùn)城明顯高于其余10個(gè)城市，三門峽和寶雞亦較高，臨汾、呂梁、銅川和西安相對(duì)較低。AF檢驗(yàn)比較簡(jiǎn)單地將不同O3質(zhì)量濃度范圍值分為一組評(píng)分，但跨等級(jí)附近的C8h(O3)準(zhǔn)確率以AF評(píng)價(jià)效果較差，因而AF用作實(shí)際業(yè)務(wù)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)便易行，但客觀程度稍遜于ERMS。

綜合上述4個(gè)檢驗(yàn)值，汾渭平原11個(gè)城市預(yù)報(bào)值與實(shí)況值總體差異較小，說(shuō)明預(yù)報(bào)方程可較好地反映實(shí)況C8h(O3)，汾河平原4個(gè)城市預(yù)報(bào)效果總體優(yōu)于渭河平原，其中運(yùn)城預(yù)報(bào)效果最好，臨汾、呂梁和西安等級(jí)預(yù)報(bào)效果有待改進(jìn)。呂梁預(yù)報(bào)等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低可能是由于該地區(qū)大氣相對(duì)清潔，O3質(zhì)量濃度相對(duì)較低，與氣象因子的關(guān)系不及汾渭平原其他城市明顯。

表3 汾渭平原各城市預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

綜合表2來(lái)看，西安、咸陽(yáng)、臨汾、運(yùn)城和寶雞C8h(O3)受風(fēng)的影響明顯，說(shuō)明上述地區(qū)外部輸送或擴(kuò)散作用對(duì)于局地O3質(zhì)量濃度影響較明顯。此外，有的城市預(yù)報(bào)方程R2較大，但等級(jí)預(yù)報(bào)效果欠佳，如西安和臨汾，說(shuō)明一方面預(yù)報(bào)方程可較好地反映預(yù)報(bào)時(shí)段O3質(zhì)量濃度的變化，另一方面，可能與上述地區(qū)O3質(zhì)量濃度受其前體物影響相對(duì)顯著有關(guān)[31-32]。

為更直觀地了解預(yù)報(bào)效果，分別以預(yù)報(bào)方程R2相近的位于渭河平原的咸陽(yáng)、位于汾河平原的晉中為例，給出了2019年7月和2020年7月實(shí)況、多元逐步回歸方程預(yù)報(bào)、相應(yīng)國(guó)家氣象中心下發(fā)的指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)”)的C8h(O3)逐日對(duì)比，結(jié)果如圖2所示(其中部分日期因國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)缺失，數(shù)據(jù)處理時(shí)已剔除，未納入檢驗(yàn))。由圖2可看出，多元逐步回歸方程預(yù)報(bào)的C8h(O3)比國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)更接近于實(shí)況值，可較好地?cái)M合C8h(O3)的變化趨勢(shì)和質(zhì)量濃度。預(yù)報(bào)檢驗(yàn)時(shí)段咸陽(yáng)和晉中等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別比國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)上升7.9%和28.9%，預(yù)報(bào)效果提升較顯著，說(shuō)明相對(duì)基于多模式集合預(yù)報(bào)的國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)，本文的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程可一定程度提升預(yù)報(bào)水平，具有一定的業(yè)務(wù)應(yīng)用可行性。

臨汾、呂梁、銅川和西安等級(jí)預(yù)報(bào)效果欠佳，可能與上述地區(qū)局地O3質(zhì)量濃度受其前體物影響較大有關(guān)，預(yù)報(bào)中需要因地制宜考慮局地O3前體物排放情況而做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，輸送作用對(duì)于局地O3質(zhì)量濃度有重要影響，但本文預(yù)報(bào)方程僅考慮了近地面水平風(fēng)向和風(fēng)速，無(wú)法較完整地表述水平輸送、垂直混合以及平流層向下輸送作用的綜合影響。

3 結(jié)論

運(yùn)用2017—2020年5—8月城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和地面氣象數(shù)據(jù)，篩選出對(duì)C8h(O3)影響較大的氣象因子，建立了汾渭平原近地面C8h(O3)主要?dú)庀髼l件判定標(biāo)準(zhǔn)——高質(zhì)量濃度O3潛勢(shì)指數(shù)(IHPP)，進(jìn)一步擬合得到汾渭平原夏季O3多元逐步回歸預(yù)報(bào)方程，并進(jìn)行效果檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)汾渭平原IHPP主要由對(duì)C8h(O3)影響較大的日最高氣溫(Tmax)、日均相對(duì)濕度(HR)、日照時(shí)數(shù)(t)、日主導(dǎo)風(fēng)向(WD)和降水量(P)5個(gè)氣象因子構(gòu)成，其值介于-1～6之間，IHPP越大則該日近地面O3超標(biāo)可能性越大。

(2)汾渭平原夏季C8h(O3)多元逐步回歸預(yù)報(bào)方程主要由Tave、Tmax、HR、t、P、WD、WS、WD11—20、WS11—20、C8h(O3)d-1和IHPP構(gòu)成。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)報(bào)結(jié)果可較好地與實(shí)況C8h(O3)相吻合，汾河平原4個(gè)城市預(yù)報(bào)效果總體優(yōu)于渭河平原，其中運(yùn)城預(yù)報(bào)效果最好，臨汾、呂梁和西安等級(jí)預(yù)報(bào)效果有待改進(jìn)。

(3)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)時(shí)段咸陽(yáng)和晉中等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相較國(guó)家指導(dǎo)預(yù)報(bào)分別上升7.9%和28.9%，預(yù)報(bào)效果提升較顯著，說(shuō)明所得預(yù)報(bào)方程具有一定的業(yè)務(wù)應(yīng)用可行性。