《Journal of the Air & Waste Management Association》：The scientific development of Environment and Climate Change Canada’s new ventilation index
编辑推荐：
加拿大环境与气候变化部（ECCC）通过开发一种新型通风指数，更新了其通风预报指导产品。该指数利用拉格朗日随机模型（LSM）的输出构建，其中通风被定义为与面层点源模拟地面浓度成反比。该指数通过涉及10 m风速、摩擦速度和理查森数（Ri）的参数化方案校准至LSM输
加拿大环境与气候变化部（ECCC）通过开发一种新型通风指数，更新了其通风预报指导产品。该指数利用拉格朗日随机模型（LSM）的输出构建，其中通风被定义为与面层点源模拟地面浓度成反比。该指数通过涉及10 m风速、摩擦速度和理查森数（Ri）的参数化方案校准至LSM输出。所得的校准通风指数（CVI）范围为0（最差）至100（最佳），其中±33单位的变化对应于通风量加倍或减半。测试与开发工作涵盖广泛的大气稳定度、风速和土地利用类别，并以采用多样化面层湍流参数化方案的LSM、理想化和基于NWP的气象场以及高斯烟羽模型输出为指导。CVI在?0.10.25）条件下仍存在不确定性。在魁北克省一个冬季（2020年12月至2021年3月）进行的定性评估，比较了ECCC发布与未发布空气质量咨询的晚间CVI回算值。CVI成功分辨了高度稳定条件下的细微通风差异（变异系数CV=1.51），而ECCC的 legacy 指数缺乏敏感性——其回算值被压缩至下界（CV=0.56）。CVI旨在用于本地面层扩散指导，不适用于高架烟囱或具有高垂直动量的露天燃烧。ECCC利用CVI以2.5 km空间分辨率和逐小时时间分辨率每日四次生成覆盖加拿大全境的48小时预报。
研究背景方面，通风指数是量化大气稀释和扩散烟雾固有能力的度量指标，广泛应用于北美调控框架中，服务于林业、农业和市政部门的露天生物质燃烧管理需求。然而，现有通风指数缺乏标准化数学定义和统一阈值，且传统基于通风因子（VF，即混合层深度与输送速度之积）的指数存在明显缺陷：混合层深度可能并非近地面露天生物质燃烧扩散的正确垂直尺度；输送速度可能过度代表水平平流对近源混合的影响；横风扩散和大气稳定度的作用未被直接考虑。Kiefer等（2019, 2020）利用FLEXPART-WRF模型研究发现VF指数与其驻留时间混合代理指标之间关联甚弱，并建议改进代理指标应结合输送速度与湍流扩散的显式度量。ECCC原有的FLCN39通风预报产品基于三次多项式定义的VF指数，其有效范围为[9,100]，在稳定条件下缺乏诊断分辨率。本研究旨在弥合过度简化的总体边界层代理指标与计算密集的欧拉或拉格朗日数值模型之间的差距，开发一种新的业务化指数用于诊断近源大气混合。
研究人员开展了以下工作：以模拟示踪剂浓度而非运动学粒子驻留时间定义混合代理指标，建立基于质量平衡的混合率数据库；利用三种拉格朗日随机模型（MLCD、LPDM、MLDPn）和一个解析高斯烟羽模型，在广泛的大气稳定度、风速、温度和土地利用类别条件下模拟面层源扩散；采用莫宁-奥布霍夫相似理论定义诊断气象预测因子，通过非线性多元回归将显式模拟的扩散率映射至诊断预测因子，参数化业务化CVI。研究结论表明：CVI参数化能够在约90%的情况下将高分辨率NWP驱动的拉格朗日粒子扩散率预测在2倍因子范围内；CVI在?0.1
关键技术方法方面：研究采用三种拉格朗日随机模型——ECCC的MLCD（一阶拉格朗日随机粒子模型，采用盒计数法计算浓度，共144组模拟）、因斯布鲁克大学的LPDM（采用局地尺度框架和核密度估计法，共219组模拟）和ECCC的MLDPn（阶数为n的拉格朗日粒子扩散模型，驱动气象场来自RDPS 10 km和HRDPS 2.5 km预报系统，分别完成49,016组和63,720组模拟）——以及一个解析高斯烟羽模型用于基准测试。MLDPn模拟覆盖2020年12月及2021年1月、2月、3月、5月、8月和12月，RDPS驱动模拟来自加拿大41个地点，HRDPS驱动模拟来自30个地点（加拿大西部15个、魁北克省15个）。回归分析采用广义加性模型（GAM）框架下的惩罚三次回归样条估计稳定度函数，线性回归确定无量纲风速幂律系数。
研究结果方面：（1）u*/Us幂律关系——各模型拟合的幂律指数范围为0.12（GP）至0.90（MLCD），两个使用规定气象场的拉格朗日框架表现出几乎相同的无量纲风速依赖性，Mldpn-Hrdps的u*/Us影响介于GP和Mldpn-Rdps之间。（2）f(Ri)稳定度曲线——所有框架的稳定度曲线均与Ri呈反向变化；两个NWP驱动框架的f(Ri)行为具有三个 distinct 区域：Ri?0.1时近似恒定、?0.1?Ri?0.1间快速变化、Ri减小后 moderate 增长；各框架稳定度曲线的相似性表明Ri对混合的总体依赖性是模式独立的稳健现象；稳定条件下（Ri>0.1）框架间分歧最大，归因于MOST在极稳定条件下可靠性降低。（3）参数化性能评估——GP模型统计得分最高但归因于误差抵消和指数截断的伪影；MLCD数据拟合不佳，稳定与不稳定数据分别聚类于两条直线；LPDM拟合较好且残差无稳定度结构；Mldpn-Hrdps性能略优于Mldpn-Rdps（MAE 16.2 vs 16.8，RMSE 23.3 vs 24.0），r2分别为0.67和0.66，分别有90%和88%的数据落在2倍因子带内；FLCN39与MF比较呈现大量结构方差和噪声，在MF值集中于[0.75,1.25]窄带时FLCN39跨越其整个业务范围。（4）CVI误差结构——参数化在u*/Us低于0.1和高于0.25时呈正偏差（预报偏悲观），在[0.10,0.25]区域偏差较小但误差离散度较大；在近中性至稳定区（0
讨论部分总结：由于通风缺乏公认定义及通风率数据集，评估通风预报的准确性和实用性存在困难。本研究通过多种复杂度扩散模型的输出分析开发指数，模型间总体一致性表明指数忠实捕捉了真实物理现象。基于通风的操作性定义，环境空气质量观测可用于CVI评估，但需找到排放率时不变、局地背景浓度低且有下风向监测站的源，因未找到此类观测设置，故采用预报员咨询发布数据进行定性评估。CVI参数化在?0.1
0.1时变平导致指数与稳定度解耦，而理想化气象框架建议CVI应随稳定度增加继续减小，分歧可能源于不同框架对风速和温度垂直廓线的处理差异。混合因子的模式依赖重缩放意味着四个LSM和高斯烟羽框架估计框架依赖的下风向浓度，但稳定度曲线的相似性表明它们在绝对浓度上不一致但在混合对Ri、Us和u*变化的敏感性上一致，即预报通风在相对意义上可靠。零点选择（MFref）和33单位加倍率的选择均为主观但合理的决策。CVI公式未考虑烟羽抬升且基于10 m固定释放高度，不适用于大点源或高垂直动量源。CVI未附加定性等级（如好、中、差），因这类分类过于政策规范性且可能显示活动、地点或季节依赖性。
研究结论翻译：由于加拿大拥有广泛的林业和农业产业，来自低动量、面层面积源的露天生物质燃烧实践十分普遍。为改善此类活动的预报指导，ECCC基于更严格的大气扩散物理表征更新了其通风指数框架，以提供覆盖加拿大大部分陆地的统一高分辨率（2.5 km）网格预报。与传统依赖宏观通风因子（混合高度与输送速度之积）的通风指数不同，CVI基于已校准至显式扩散模型物理的质量平衡混合因子。通过以面层变量（10 m风速、摩擦速度和理查森数）参数化指数，CVI直接解析局地平流和近地面湍流扩散对混合的综合影响，解决了传统总体边界层代理指标将大气视为均匀混合平板、缺乏捕捉面层热力稳定度、风切变和湍流非均匀性能力的主要局限。CVI已设置为±33变化对应通风加倍/减半。CVI公式已在广泛土地利用类别、风速和大气稳定度条件下系统评估，并针对多种复杂度扩散模型输出进行基准测试。CVI参数化能够在90%的情况下将高分辨率NWP驱动的拉格朗日粒子扩散率预测在2倍因子范围内，这为在加拿大全境和广泛天气条件下预报通风提供了信心。每日四次的48小时CVI预报可在MSC的DataMart开放数据平台获取。指数在?0.10.25）条件下指数正确行为存在不确定性。基于合成混合率分析和魁北克冬季定性评估，CVI在预测通风方面显著优于legacy FLCN39指数——至少在特定操作性定义背景下。新开发的指数适用于需要关于地面或近地面活动潜在影响的通风指导的场景，如 slash pile 燃烧、作物残茬燃烧、杀虫剂施用、后院燃烧及其他低强度近地面活动。对于高架源（烟囱）、大面积源或高垂直动量源的扩散特征需求，应考虑更精细的方法，如通过BlueSky框架进行扩散模拟。
