汾渭平原夏季近地面臭氧統計預報方法

陳 玲，程 路，王 雁，郭 偉，汪文雅，李明明，陳二萍

(1.山西省氣象科學研究所，太原 030002；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，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]，對流層大氣中的臭氧占總量10%左右，對流層中較高質量濃度的O3對人體健康、農業生產和生態環境均有重要影響[2-5]。與其他氣態污染物相比，O3在對流層中的壽命較長，可進行長距離的跨區域傳輸[6]，因此，O3成為國際大氣科學研究領域的熱點問題之一。

對流層O3的質量濃度是平流層向下輸送、對流層局地光化學過程和區域輸送共同作用的結果[7-8]。近地層O3主要由其前體物，如NOx、CO以及揮發性有機物(VOCs)等，在一定的氣象條件下通過復雜的光化學反應生成，且NOx、CO以及VOCs等對O3的生成具有不同的作用[9-11]，不同氣象因子在不同地區作用大小亦有差異。局地O3質量濃度高低除了與光化學反應有關，還與天氣系統和氣象條件等有著密切聯系[12-14]。近地面高質量濃度O3是大氣光化學煙霧的主要標識物，近年來隨著經濟發展、人口激增以及機動車保有量增加，O3污染愈發嚴重，我國多地頻繁觀測到光化學煙霧污染的現象[15-16]，O3污染問題引起了高度關注。

對流層中O3生消的光化學反應，以及O3與大氣顆粒物之間的關系十分復雜[9, 17-18]，且受氣象條件影響很大，因而O3預報技術難度較大，提高O3預報的準確率是目前亟待解決的問題，并且已經愈加引起重視。O3污染研究多集中于華北[19-20]、長三角[12]、珠三角[21]地區，汾渭平原作為全國O3污染最嚴重的區域之一，夏季高質量濃度O3污染治理面臨的挑戰愈發嚴峻，目前針對于該區域的研究也多集中于大氣顆粒物[22-23]，O3分析僅局限于少數城市[24]，O3預報的相關研究也較缺乏。當前應用較多的O3預報方法有天氣分型[25]、綜合氣象條件評分[26]、建立回歸方程[27]等。鑒于回歸方程可以定量進行O3質量濃度預報，因此本文旨在結合氣象數據，擬合出簡潔高效、便于實際預報業務應用的汾渭平原夏季近地面O3質量濃度預報方程，并進行效果檢驗，以期提升夏季O3預報準確率，并為該區域O3污染防治提供參考。

1 資料與方法

城市空氣質量數據源自汾渭平原環境氣象中心數據共享平臺，地面氣象數據選取距離各城市環境監測站點最近的11個氣象站點。因每年5月近地面O3質量濃度已較高，實際業務工作中已需重點考慮該月份的O3預報，基于此，本文研究時段為2017—2020年的5—8月。研究區域汾渭平原地形如圖1所示。

按照國家環境空氣質量評價標準和規范[28-30]，O3日評價指標為O3日最大8 h滑動平均質量濃度(以下用C8h(O3)表示)，城市每日的C8h(O3)為該城市每個監測點C8h(O3)的算術平均值，其值大于160 μg/m3則說明該日O3質量濃度超標；城市O3年度評價的判定為C8h(O3)第90百分位質量濃度，其值大于160 μg/m3則表示城市該年O3超標。

首先建立C8h(O3)多元逐步回歸預報方程，并對預報結果與實況的吻合程度進行定量統計檢驗，包括正態平均偏差( normalized mean bias，NMB，用BNM表示) 、正態平均誤差( normalized mean error，NME，用ENM表示)和均方根誤差(root mean square error，RMSE，用ERMS表示)，詳細計算方法見式(1)～式(3)，其中，Cf和Co分別表示C8h(O3)的預報值和實況值。此外，實際業務中按C8h(O3)預報結果計算相應的AQI等級LCf，與實況C8h(O3)等級LCo對比評價預報結果，進一步給出等級預報準確率(forecast accuracy，FA，用AF表示)檢驗，計算方法見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中N為樣本數。

2 汾渭平原夏季近地面O3預報

2.1 近地面高質量濃度O3潛勢指數判定標準

對汾渭平原11個城市5—8月近地面的日均氣溫(Tave)、日最高氣溫(Tmax)、日均相對濕度(HR)、日總降水量(P)、日照時數(t)、日主導風向(WD)、日平均風速(WS)、O3質量濃度最高時段11—20時的主導風向(WD11—20)、11—20時平均風速(WS11—20)等要素與O3超標日數進行相關性分析，其中因C8h(O3)的計算基本源自O3質量濃度最高時段11—20時的部分時次，除了風的日均狀態，該時段內風向、風速可能對C8h(O3)的結果產生較大影響，所以進一步加入了11—20時的主導風向和平均風速作為影響因子。根據上述氣象因子與C8h(O3)的相關性大小，以及同一要素(如Tave、Tmax)不重復的標準，篩選出對C8h(O3)影響較大的5個氣象因子，建立近地面高質量濃度O3日主要氣象條件判定標準——高質量濃度O3潛勢指數(HPPI，用IHPP表示)。以某一氣象因子超過一定閾值時O3超標日數大幅上升為標準，分別給出各氣象因子對應的IHPP分指數(I1～I5)閾值[26-27]。IHPP的計算方法見式(5)。

(5)

式(5)中，i=1,2,…,5；n=5。IHPP越大，說明該日近地面O3超標可能性越大。各城市IHPP判定標準詳見表1。

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

表1 汾渭平原各城市高質量濃度O3潛勢指數(IHPP)判定標準

2.2 近地面O3預報方程

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時主導風向)、WS11—20(11—20時平均風速)、IHPP，以及前一天C8h(O3)即C8h(O3)d-1，共9個氣象因子、IHPP和1個背景O3質量濃度因子，建立多元逐步回歸方程，預報夏季O3質量濃度。因實際業務工作中O3預報量為C8h(O3)，所以本文預報結果均指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月用作預報檢驗，不參與回歸方程的建立，以增強預報結果的可信度和可用性。

汾渭平原11個城市C8h(O3)多元逐步回歸預報方程常數和預報因子系數見表2，各城市R2介于0.38～0.63之間。

表2 汾渭平原各城市C8h(O3)多元逐步回歸預報方程常數和各氣象因子系數

汾渭平原11個城市預報效果檢驗見表3。從各檢驗指標看，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，運城、晉中和臨汾較小，寶雞、咸陽和銅川略大；各市ERMS介于20.29～31.62之間，運城最小，呂梁、咸陽、西安和臨汾較大；從等級預報準確率來看，各市AF介于50.00%～82.22%之間，運城明顯高于其余10個城市，三門峽和寶雞亦較高，臨汾、呂梁、銅川和西安相對較低。AF檢驗比較簡單地將不同O3質量濃度范圍值分為一組評分，但跨等級附近的C8h(O3)準確率以AF評價效果較差，因而AF用作實際業務評價簡便易行，但客觀程度稍遜于ERMS。

綜合上述4個檢驗值，汾渭平原11個城市預報值與實況值總體差異較小，說明預報方程可較好地反映實況C8h(O3)，汾河平原4個城市預報效果總體優于渭河平原，其中運城預報效果最好，臨汾、呂梁和西安等級預報效果有待改進。呂梁預報等級預報準確率較低可能是由于該地區大氣相對清潔，O3質量濃度相對較低，與氣象因子的關系不及汾渭平原其他城市明顯。

表3 汾渭平原各城市預報效果檢驗

綜合表2來看，西安、咸陽、臨汾、運城和寶雞C8h(O3)受風的影響明顯，說明上述地區外部輸送或擴散作用對于局地O3質量濃度影響較明顯。此外，有的城市預報方程R2較大，但等級預報效果欠佳，如西安和臨汾，說明一方面預報方程可較好地反映預報時段O3質量濃度的變化，另一方面，可能與上述地區O3質量濃度受其前體物影響相對顯著有關[31-32]。

為更直觀地了解預報效果，分別以預報方程R2相近的位于渭河平原的咸陽、位于汾河平原的晉中為例，給出了2019年7月和2020年7月實況、多元逐步回歸方程預報、相應國家氣象中心下發的指導預報產品(以下簡稱“國家指導預報”)的C8h(O3)逐日對比，結果如圖2所示(其中部分日期因國家指導預報缺失，數據處理時已剔除，未納入檢驗)。由圖2可看出，多元逐步回歸方程預報的C8h(O3)比國家指導預報更接近于實況值，可較好地擬合C8h(O3)的變化趨勢和質量濃度。預報檢驗時段咸陽和晉中等級預報準確率分別比國家指導預報上升7.9%和28.9%，預報效果提升較顯著，說明相對基于多模式集合預報的國家指導預報，本文的統計預報方程可一定程度提升預報水平，具有一定的業務應用可行性。

臨汾、呂梁、銅川和西安等級預報效果欠佳，可能與上述地區局地O3質量濃度受其前體物影響較大有關，預報中需要因地制宜考慮局地O3前體物排放情況而做出相應的調整。另外，輸送作用對于局地O3質量濃度有重要影響，但本文預報方程僅考慮了近地面水平風向和風速，無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 結論

運用2017—2020年5—8月城市空氣質量數據和地面氣象數據，篩選出對C8h(O3)影響較大的氣象因子，建立了汾渭平原近地面C8h(O3)主要氣象條件判定標準——高質量濃度O3潛勢指數(IHPP)，進一步擬合得到汾渭平原夏季O3多元逐步回歸預報方程，并進行效果檢驗，得出以下結論。

(1)汾渭平原IHPP主要由對C8h(O3)影響較大的日最高氣溫(Tmax)、日均相對濕度(HR)、日照時數(t)、日主導風向(WD)和降水量(P)5個氣象因子構成，其值介于-1～6之間，IHPP越大則該日近地面O3超標可能性越大。

(2)汾渭平原夏季C8h(O3)多元逐步回歸預報方程主要由Tave、Tmax、HR、t、P、WD、WS、WD11—20、WS11—20、C8h(O3)d-1和IHPP構成。經檢驗發現，預報結果可較好地與實況C8h(O3)相吻合，汾河平原4個城市預報效果總體優于渭河平原，其中運城預報效果最好，臨汾、呂梁和西安等級預報效果有待改進。

(3)預報檢驗時段咸陽和晉中等級預報準確率相較國家指導預報分別上升7.9%和28.9%，預報效果提升較顯著，說明所得預報方程具有一定的業務應用可行性。