汾渭平原夏季近地面臭氧统计预报方法

陈 玲，程 路，王 雁，郭 伟，汪文雅，李明明，陈二萍

(1.山西省气象科学研究所，太原 030002；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710014；3.陕西省气候中心，西安 710014)

臭氧(O3)是大气中重要的痕量气体[1]，对流层大气中的臭氧占总量10%左右，对流层中较高质量浓度的O3对人体健康、农业生产和生态环境均有重要影响[2-5]。与其他气态污染物相比，O3在对流层中的寿命较长，可进行长距离的跨区域传输[6]，因此，O3成为国际大气科学研究领域的热点问题之一。

对流层O3的质量浓度是平流层向下输送、对流层局地光化学过程和区域输送共同作用的结果[7-8]。近地层O3主要由其前体物，如NOx、CO以及挥发性有机物(VOCs)等，在一定的气象条件下通过复杂的光化学反应生成，且NOx、CO以及VOCs等对O3的生成具有不同的作用[9-11]，不同气象因子在不同地区作用大小亦有差异。局地O3质量浓度高低除了与光化学反应有关，还与天气系统和气象条件等有着密切联系[12-14]。近地面高质量浓度O3是大气光化学烟雾的主要标识物，近年来随着经济发展、人口激增以及机动车保有量增加，O3污染愈发严重，我国多地频繁观测到光化学烟雾污染的现象[15-16]，O3污染问题引起了高度关注。

对流层中O3生消的光化学反应，以及O3与大气颗粒物之间的关系十分复杂[9, 17-18]，且受气象条件影响很大，因而O3预报技术难度较大，提高O3预报的准确率是目前亟待解决的问题，并且已经愈加引起重视。O3污染研究多集中于华北[19-20]、长三角[12]、珠三角[21]地区，汾渭平原作为全国O3污染最严重的区域之一，夏季高质量浓度O3污染治理面临的挑战愈发严峻，目前针对于该区域的研究也多集中于大气颗粒物[22-23]，O3分析仅局限于少数城市[24]，O3预报的相关研究也较缺乏。当前应用较多的O3预报方法有天气分型[25]、综合气象条件评分[26]、建立回归方程[27]等。鉴于回归方程可以定量进行O3质量浓度预报，因此本文旨在结合气象数据，拟合出简洁高效、便于实际预报业务应用的汾渭平原夏季近地面O3质量浓度预报方程，并进行效果检验，以期提升夏季O3预报准确率，并为该区域O3污染防治提供参考。

1 资料与方法

城市空气质量数据源自汾渭平原环境气象中心数据共享平台，地面气象数据选取距离各城市环境监测站点最近的11个气象站点。因每年5月近地面O3质量浓度已较高，实际业务工作中已需重点考虑该月份的O3预报，基于此，本文研究时段为2017—2020年的5—8月。研究区域汾渭平原地形如图1所示。

按照国家环境空气质量评价标准和规范[28-30]，O3日评价指标为O3日最大8 h滑动平均质量浓度(以下用C8h(O3)表示)，城市每日的C8h(O3)为该城市每个监测点C8h(O3)的算术平均值，其值大于160 μg/m3则说明该日O3质量浓度超标；城市O3年度评价的判定为C8h(O3)第90百分位质量浓度，其值大于160 μg/m3则表示城市该年O3超标。

首先建立C8h(O3)多元逐步回归预报方程，并对预报结果与实况的吻合程度进行定量统计检验，包括正态平均偏差( normalized mean bias，NMB，用BNM表示) 、正态平均误差( normalized mean error，NME，用ENM表示)和均方根误差(root mean square error，RMSE，用ERMS表示)，详细计算方法见式(1)～式(3)，其中，Cf和Co分别表示C8h(O3)的预报值和实况值。此外，实际业务中按C8h(O3)预报结果计算相应的AQI等级LCf，与实况C8h(O3)等级LCo对比评价预报结果，进一步给出等级预报准确率(forecast accuracy，FA，用AF表示)检验，计算方法见式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中N为样本数。

2 汾渭平原夏季近地面O3预报

2.1 近地面高质量浓度O3潜势指数判定标准

对汾渭平原11个城市5—8月近地面的日均气温(Tave)、日最高气温(Tmax)、日均相对湿度(HR)、日总降水量(P)、日照时数(t)、日主导风向(WD)、日平均风速(WS)、O3质量浓度最高时段11—20时的主导风向(WD11—20)、11—20时平均风速(WS11—20)等要素与O3超标日数进行相关性分析，其中因C8h(O3)的计算基本源自O3质量浓度最高时段11—20时的部分时次，除了风的日均状态，该时段内风向、风速可能对C8h(O3)的结果产生较大影响，所以进一步加入了11—20时的主导风向和平均风速作为影响因子。根据上述气象因子与C8h(O3)的相关性大小，以及同一要素(如Tave、Tmax)不重复的标准，筛选出对C8h(O3)影响较大的5个气象因子，建立近地面高质量浓度O3日主要气象条件判定标准——高质量浓度O3潜势指数(HPPI，用IHPP表示)。以某一气象因子超过一定阈值时O3超标日数大幅上升为标准，分别给出各气象因子对应的IHPP分指数(I1～I5)阈值[26-27]。IHPP的计算方法见式(5)。

(5)

式(5)中，i=1,2,…,5；n=5。IHPP越大，说明该日近地面O3超标可能性越大。各城市IHPP判定标准详见表1。

由表1可知，汾渭平原IHPP主要由对C8h(O3)影响较大的Tmax、HR、t、WD和P共5个气象因子构成，各个城市IHPP介于-1～6之间。Tmax、HR和P对各个城市影响差异不大，三者IHPP分指数判定阈值在各个城市取值相同，其中30 ℃≤Tmax<35 ℃时，I1=1，Tmax≥35 ℃时，I1=2；HR<60%时，I2=1；P<1时，I5=1。t和WD在不同城市对C8h(O3)的影响不同，IHPP分指数判定阈值各城市差异明显。

表1 汾渭平原各城市高质量浓度O3潜势指数(IHPP)判定标准

2.2 近地面O3预报方程

采用多元逐步回归方法，引入2017—2020年5—8月的Tave、Tmax、HR、P、t、WD、WS、WD11—20(11—20时主导风向)、WS11—20(11—20时平均风速)、IHPP，以及前一天C8h(O3)即C8h(O3)d-1，共9个气象因子、IHPP和1个背景O3质量浓度因子，建立多元逐步回归方程，预报夏季O3质量浓度。因实际业务工作中O3预报量为C8h(O3)，所以本文预报结果均指C8h(O3)。考虑到2020年受新冠疫情及人为减排影响，O3前体物质量浓度较前3年背景值有所改变，分别选取2019年7月及2020年7月用作预报检验，不参与回归方程的建立，以增强预报结果的可信度和可用性。

汾渭平原11个城市C8h(O3)多元逐步回归预报方程常数和预报因子系数见表2，各城市R2介于0.38～0.63之间。

表2 汾渭平原各城市C8h(O3)多元逐步回归预报方程常数和各气象因子系数

汾渭平原11个城市预报效果检验见表3。从各检验指标看，各市BNM介于-1.09%～5.18%之间，其中吕梁仅0.29%，宝鸡较大；各市ENM介于7.63%～18.85%之间，运城、晋中和临汾较小，宝鸡、咸阳和铜川略大；各市ERMS介于20.29～31.62之间，运城最小，吕梁、咸阳、西安和临汾较大；从等级预报准确率来看，各市AF介于50.00%～82.22%之间，运城明显高于其余10个城市，三门峡和宝鸡亦较高，临汾、吕梁、铜川和西安相对较低。AF检验比较简单地将不同O3质量浓度范围值分为一组评分，但跨等级附近的C8h(O3)准确率以AF评价效果较差，因而AF用作实际业务评价简便易行，但客观程度稍逊于ERMS。

综合上述4个检验值，汾渭平原11个城市预报值与实况值总体差异较小，说明预报方程可较好地反映实况C8h(O3)，汾河平原4个城市预报效果总体优于渭河平原，其中运城预报效果最好，临汾、吕梁和西安等级预报效果有待改进。吕梁预报等级预报准确率较低可能是由于该地区大气相对清洁，O3质量浓度相对较低，与气象因子的关系不及汾渭平原其他城市明显。

表3 汾渭平原各城市预报效果检验

综合表2来看，西安、咸阳、临汾、运城和宝鸡C8h(O3)受风的影响明显，说明上述地区外部输送或扩散作用对于局地O3质量浓度影响较明显。此外，有的城市预报方程R2较大，但等级预报效果欠佳，如西安和临汾，说明一方面预报方程可较好地反映预报时段O3质量浓度的变化，另一方面，可能与上述地区O3质量浓度受其前体物影响相对显著有关[31-32]。

为更直观地了解预报效果，分别以预报方程R2相近的位于渭河平原的咸阳、位于汾河平原的晋中为例，给出了2019年7月和2020年7月实况、多元逐步回归方程预报、相应国家气象中心下发的指导预报产品(以下简称“国家指导预报”)的C8h(O3)逐日对比，结果如图2所示(其中部分日期因国家指导预报缺失，数据处理时已剔除，未纳入检验)。由图2可看出，多元逐步回归方程预报的C8h(O3)比国家指导预报更接近于实况值，可较好地拟合C8h(O3)的变化趋势和质量浓度。预报检验时段咸阳和晋中等级预报准确率分别比国家指导预报上升7.9%和28.9%，预报效果提升较显著，说明相对基于多模式集合预报的国家指导预报，本文的统计预报方程可一定程度提升预报水平，具有一定的业务应用可行性。

临汾、吕梁、铜川和西安等级预报效果欠佳，可能与上述地区局地O3质量浓度受其前体物影响较大有关，预报中需要因地制宜考虑局地O3前体物排放情况而做出相应的调整。另外，输送作用对于局地O3质量浓度有重要影响，但本文预报方程仅考虑了近地面水平风向和风速，无法较完整地表述水平输送、垂直混合以及平流层向下输送作用的综合影响。

3 结论

运用2017—2020年5—8月城市空气质量数据和地面气象数据，筛选出对C8h(O3)影响较大的气象因子，建立了汾渭平原近地面C8h(O3)主要气象条件判定标准——高质量浓度O3潜势指数(IHPP)，进一步拟合得到汾渭平原夏季O3多元逐步回归预报方程，并进行效果检验，得出以下结论。

(1)汾渭平原IHPP主要由对C8h(O3)影响较大的日最高气温(Tmax)、日均相对湿度(HR)、日照时数(t)、日主导风向(WD)和降水量(P)5个气象因子构成，其值介于-1～6之间，IHPP越大则该日近地面O3超标可能性越大。

(2)汾渭平原夏季C8h(O3)多元逐步回归预报方程主要由Tave、Tmax、HR、t、P、WD、WS、WD11—20、WS11—20、C8h(O3)d-1和IHPP构成。经检验发现，预报结果可较好地与实况C8h(O3)相吻合，汾河平原4个城市预报效果总体优于渭河平原，其中运城预报效果最好，临汾、吕梁和西安等级预报效果有待改进。

(3)预报检验时段咸阳和晋中等级预报准确率相较国家指导预报分别上升7.9%和28.9%，预报效果提升较显著，说明所得预报方程具有一定的业务应用可行性。