基于GRAPES模式佛山市...氧污染气象指数的构建和预报_潘巧英.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 1 月Vol.43，No.1Jan.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae基于GRAPES模式佛山市臭氧污染气象指数的构建和预报潘巧英1，2，3，李婷苑2，*，陈靖扬2，李伟炽1，陈辰1，31.佛山市气象局，佛山 5280002.广东省生态气象中心，广州 5106403.广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 510275摘要：选取20172018年佛山市空气质量监测资料、地面气象观测资料和ECMWF再分析资料，得到对臭氧污染天气具有指示意义的气象因子，从GRAPES模式可预报性出发构建适用于佛山市干季和湿季的臭氧污染气象指数（OWI），并对OWI进行预报评估检验.结果表明：干季地面气象要素对区分佛山市臭氧污染和清洁天气的能力更强，出现臭氧污染时往往气温高、地面为弱北风；850 hPa风速较小，高空主要受副热带高压影响.湿季高空气象要素区分臭氧污染和清洁天气的能力更强，出现臭氧污染时往往850 hPa风速较小，850 hPa与地面风场垂直切变 较小，多数情况下500 hPa呈辐散形势或700 hPa为下沉运动.综合考虑上述要素构建的臭氧污染气象指数可较好地反映臭氧浓度变化趋势，当OWI超过阈值（干季12.0、湿季10.8）时，出现臭氧污染事件的可能性较大，在湿季该指数区分臭氧清洁天气和污染天气的差异性较干季更显著.基于GRAPES模式预报的OWI与臭氧浓度实况呈正相关关系，相关系数在0.50.6之间，能较为有效地预判臭氧污染过程发生、发展和消散的不同阶段；其阈值具有较高的预报参考性，24 h预报性能尤为理想，48、72 h依次下降，在干季空报率偏高.关键词：臭氧；臭氧污染气象指数（OWI）；GRAPES模式；气象要素；干季；湿季；佛山文章编号：0253-2468（2023）01-0140-12 中图分类号：X51，X16 文献标识码：AConstruction and prediction of ozone weather index in Foshan based on GRAPES modelPAN Qiaoying1，2，3，LI Tingyuan2，*，CHEN Jingyang2，LI Weichi1，CHEN Chen1，31.Foshan Meteorological Bureau，Foshan 5280002.Guangdong Ecological Meteorological Center，Guangzhou 5106403.Guangdong Provincial Observation and Research Station for Climate Environment and Air Quality Change in the Pearl River Estuary，Guangzhou 510275Abstract：This study combined historical（20172018）air quality monitoring data，meteorological monitoring data and ECMWF reanalysis data to obtain the dominating meteorological factors indicating the ozone pollution weather in Foshan.Further，the numerical simulated output from the GRAPES model was also used to construct a localized ozone weather index（OWI）for both dry and wet seasons of Foshan.The results showed that the surface meteorological parameters could relatively well indicate ozone levels during the dry season.High ozone events were usually characterized by high temperature，weak northerly winds at surface，and controlled by the subtropical high.With regard to the wet season，meteorological parameters acquired from the upper air had a stronger ability in identifying the surface ozone levels.When ozone pollution occurred，the wind speed at 850 hPa and the vertical wind shear between 850 hPa and ground were usually light.In usual，Foshan was either in the district of divergence at 500 hPa or downdraft at 700 hPa.The constructed OWI performed well indicating ozone concentrations especially in the wet season.The statistical results showed that ozone pollution events usually occurred when OWI exceeded the threshold（12.0 in dry season and 10.8 in wet season）.The predicted OWI by GRAPES model was positively correlated with the observed ozone concentration（the correlation coefficient is between 0.5 and 0.6）which can effectively predict DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0446潘巧英，李婷苑，陈靖扬，等.2023.基于GRAPES模式佛山市臭氧污染气象指数的构建和预报 J.环境科学学报，43（1）：140-151PAN Qiaoying，LI Tingyuan，CHEN Jingyang，et al.2023.Construction and prediction of ozone weather index in Foshan based on GRAPES model J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：140-151收稿日期：2022-09-11 修回日期：2022-11-28 录用日期：2022-12-05基金项目：广东省重点研发计划项目（No.2020B1111360003）；国家重点研发计划项目（No.2019YFC0214605，2018YFC0213902）；广东省基础与应用基础研究基金项目（No.2021A1515011539）；广东省科技计划项目（科技创新平台类）（No.2019B121201002）；广东省气象局科技创新团队项目（No.GRMCTD202003）；广东省气象局科学技术研究项目（No.GRMC2020M12）作者简介：潘巧英（1990），女，E-mail：；*责任作者，E-mail：l-1 期潘巧英等：基于GRAPES模式佛山市臭氧污染气象指数的构建和预报the occurrence，development and dissipation of ozone pollution.The OWI serves as a reference for forecast and the performance of 24 hour-prediction is relatively well，while the precision decreased with the predicted time.Keywords：ozone；ozone weather index（OWI）；GRAPES model；meteorological parameters；dry season；wet season；Foshan1引言（Introduction）近年来，我国政府采取多种严格的排放管控措施致力改善空气质量，颗粒物污染得到有效治理与控制，但各大城市群的臭氧污染问题日趋严重并引起人们的广泛关注（Zheng et al.，2018；Lu et al.，2019；Liu et al.，2020）.对流层臭氧（O3）是大气中的重要微量气体，主要由包括氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCs）在内的前体物经太阳辐射下的光化学反应形成，高浓度臭氧不仅会导致城市光化学烟雾的发生，严重影响人体健康，还会造成农作物减产、植被生长受损（Arnold et al.，2018；Hertig et al.，2019；Westervelt et al.，2019）.在排放源相对稳定的前提下，气象条件是造成臭氧超标事件的关键因素，包括大气环流形势、独特的天气系统、大气边界层结构特征及相关气象要素等（Ye et al.，2016；王磊等，2018；黎煜满等，2022；许欣祺等，2022；李婷苑等，2022）.一般来说，臭氧污染往往出现在辐射强、气温高、日照长、气压低、湿度小的天气条件下（黄俊等，2018；Ma et al.，2019；Yang et al.，2020；Cao et al.，2020；Chen et al.，2020；Fu et al.，2021；Jan et al.，2021）.作为大气污染的主要动力之一，风是影响污染物扩散速度和方向的重要因子，一方面较低的风速可抑制污染物扩散稀释，有利于本地排放的污染物在近地面堆积；另一方面在较高的 风速和有利的风向作用下，外来污染物的传输可加剧本地臭氧污染（Li et al.，2018；齐艳杰等，2020；秦毅等，2021；Li et al.，2022）.气象条件本质上是由大尺度环流系统驱动的，不同的环流系统可形成不同的三维气象结构，从而导致不同的光化学反应效率和污染输送过程，进而影响臭氧污染情况（Luo et al.，2020；严晓瑜等，2022）.Ding等（2013）首先发现热带气旋外围环流可将内陆高浓度臭氧向珠江三角洲沿海地区输送，而台风外围的大范围下沉气流会在陆地形成均压场，并把边界层中上层污染物向低层输送并积累（Deng et al.，2019；Xu et al.，2020；Huang et al.，2021）.在副热带高压系统影响下，珠三角处于沉降低压中，往往会出现晴朗少云、高温低湿、风速较小的天气，有利于近地面臭氧的生成和积聚（Zhao et al.，2017；Chen et al.，2019；庞业等，2019）.副热带高压和台风外围下沉气流控制下，可将前一日储存在残留层内的污染物垂直向下输送到地表，从而加剧 近地面臭氧污染（Stull，1988；何国文等，2022）.冷高压东移出海过程中，珠三角地区转为偏东风，且风速较小不利于污染物扩散；受类均压场影响，珠三角地区气压梯度变小，往往伴随静稳天气（余钟奇等，2019；陈婉莹等，2022）.因此，综合高空环流因子和地面气象因子分析不同天气形势对臭氧生成、输送扩散及堆积的影响，对于臭氧污染区域联防联控具有参考意义.目前，臭氧浓度预测模型可以简单分为两种：基于物理化学机制的确定性数值预报模式