希腊塞萨洛尼基地区花粉细尺度欧拉模型系统的评估

《Agricultural and Forest Meteorology》：Evaluation of a fine-scale Eulerian modeling system for pollen in Thessaloniki, Greece

　　

本研究提出了一套增强的高分辨率模拟系统（WRF-NEMO-CAMx），用于模拟地中海气候下三个关键类群——栎属（Quercus）、松属（Pinus spp.）和油橄榄（Olea europaea L.）——在希腊塞萨洛尼基周边地区的空气花粉浓度，空间分辨率为2 km，时段为2019年。研究中采用三种排放情景（“Base”、“Max”和“Min”），基于文献报道的花粉产量值。系统利用地面气象观测和每日空气花粉浓度数据进行了评估。对模拟花粉浓度的评估确认了该模拟系统的总体良好性能。在检验的三种情景中，“Min”情景对Quercus（一致性指数IOA=0.81）和Pinus spp.（IOA=0.76）的模拟与观测结果吻合最佳，而Olea的“Max”情景表现出更优性能（IOA=0.89）。亚类贡献分析显示，QRPR（Quercus Robur/Petraea）是Quercus花粉浓度的主要贡献者，而PMSC（代表除Pinus pinaster和Pinus sylvestris以外的其他松属物种）在Pinus spp.类别中贡献占比最大。季节性排放的空间分布表明，Quercus和Pinus spp.的高值出现在植被覆盖茂密的区域，而Olea则集中在沿海和农业地带，这反映了研究区域物种分布的已知模式。上述发现支持将该模拟系统未来整合到高分辨率花粉健康预警框架中，以改善暴露预报。

细尺度花粉欧拉模型系统的评估——基于希腊塞萨洛尼基地区的案例

空气花粉是大气气溶胶中具有生物活性的重要组分，对生态系统和公共健康均有显著影响。风媒植物产生大量花粉粒，可经大气远距离传输，并作为强效过敏原诱发从轻度鼻炎到严重哮喘等一系列过敏反应。全球范围内，花粉诱导的呼吸道疾病患病率持续上升，约影响15–50%的人口，儿童尤为敏感。气候变化进一步加剧了花粉季提前、延长和强度增强的趋势，使过敏疾病负担不断加重。在此背景下，花粉不仅被视为天然过敏原，也被越来越多地看作城市环境中影响空气质量的生物污染物。

目前，花粉建模和预报方法主要分为统计模型和机理模型两类。欧拉（Eulerian）模型因其可扩展性及与空气质量模型的易耦合性，已广泛用于区域和大陆尺度的花粉模拟。然而，现有业务模型的水平分辨率通常在10 km左右，难以捕捉精细地形和局部植被异质性；同时，许多业务预报系统忽略了在南部欧洲气传花粉中占重要比例的栎属（Quercus）和松属（Pinus spp.）等类群。这些不足限制了个性化和区域化花粉暴露预报的发展。因此，该研究旨在构建并评估一套适用于地中海气候的细尺度（2 km）花粉模拟系统，为高分辨率健康预警框架提供支撑。

研究人员在《Agricultural and Forest Meteorology》期刊上报道了该研究。他们更新并应用了WRF-NEMO-CAMx高分辨率模拟系统，以2019年为案例年，模拟希腊塞萨洛尼基周边地区Quercus、Pinus spp.和Olea europaea L.三种关键花粉类群的每日空气浓度。研究设置“Base”、“Max”和“Min”三种排放情景，基于文献中的花粉产量值，利用地面气象观测和每日花粉浓度观测进行了系统评估。结果表明，该模拟系统能够较好地再现三种花粉的日变化和峰谷特征，不同类群的最佳排放情景有所不同。该研究的重要价值在于证明了2 km分辨率下多物种花粉模拟的可行性，并为后续整合到健康预警服务提供了基础。

在关键技术方法方面，研究人员采用了以下主要手段：气象驱动场由Weather Research and Forecasting（WRF）模式提供，采用三重嵌套网格（18 km、6 km、2 km）；花粉排放由Natural Emissions Model（NEMO）计算，该模型结合欧洲森林清查（EFI）和CORINE Land Cover 2018数据获取植被覆盖，并利用文献中的花粉产量值估算年花粉潜力（AAP），每小时排放量基于摩擦速度和风、降水、湿度抑制因子计算；大气传输由Comprehensive Air quality Model with Extensions（CAMx）以惰性粒子模式模拟，包含干湿沉降过程。物候建模方面，采用双阈值温度（DT）累加法和杂交热时间模型确定主要花粉季（MPS），并使用Fitter库对2016–2022年观测数据拟合最优概率分布。评估数据来自CLIMPACT项目的气象站和亚里士多德大学塞萨洛尼基分校（AUTH）长期花粉监测站（自1987年运行，采用Hirst型采样器），花粉观测数据取自塞萨洛尼基市政府开放数据平台。

在结果部分，研究按照三个小标题展开分析。

3.1 WRF评估（Evaluation of WRF）：通过对比d03内五个气象站（Dion、Kilkis、Polygyros、Thessaloniki、Veroia）的日平均气温（SAT）、相对湿度（RH）和风速（WS），发现SAT模拟效果极佳，决定系数（R²）均高于0.98，平均绝对误差（MAE）介于1.00–1.31 °C；RH表现良好，R²在0.74–0.84之间；WS的MAE（1.54–3.91 m/s）和R²（0.52–0.73）变幅较大，表明WS是模拟中最具挑战的变量。

3.2 统计分布拟合（Fitting of statistical distributions）：基于2016–2022年逐日花粉浓度数据，对80种概率分布进行拟合检验。结果显示，正态分布未进入Olea和Pinus spp.的前五位最佳拟合，说明其花粉浓度序列具有显著非高斯特征。Olea最佳拟合为折叠柯西分布（foldcauchy），Quercus最佳为正态逆高斯分布（norminvgauss），Pinus spp.最佳为对数拉普拉斯分布（loglaplace）。这些分布能够更好地刻画花粉季的偏态和厚尾特征。

3.3 模型系统评估与排放分析（Modeling system’s evaluation and emission analysis）：研究人员针对各花粉季进行了模拟，时间范围分别为Quercus（4月12日至6月1日）、Pinus spp.（3月25日至6月16日）和Olea（4月9日至6月6日）。时间序列对比显示，模型总体上再现了主峰和日变化，但Quercus对季初高浓度及部分次级峰有所低估，Pinus spp.在季中后期出现系统性高估。统计评估表明，Quercus的“Min”情景具有最低均方偏差（MB=14.25粒/m^-3）和最高IOA（0.81）；Pinus spp.的“Min”情景最优（IOA=0.76）；Olea的“Max”情景最优（IOA=0.89，MB接近零）。亚类贡献分析显示，Quercus亚类QRPR（Quercus robur/petraea）对总浓度的贡献占主导，峰值达359粒/m^-3，而QMSC（其他栎属）贡献较小；Pinus spp.中PMSC（其他松属）贡献最大，PSYL（Pinus sylvestris）次之，PPIN（Pinus pinaster）因分布有限贡献很小。空间排放分布显示，Quercus最强排放集中在西部和西南部山区，Pinus spp.在塞萨洛尼基市区有明显热点，Olea排放则主要分布在沿海和农业区域。基于生物空气质量（BAQ）指数的分类表明，模拟与观测在低、中、高暴露天数上基本一致。

讨论部分指出，该模型的性能与以往研究相当，但不同类群对排放情景的敏感性差异显著。对于Quercus和Pinus spp.，“Min”情景最优，表明文献中的较高花粉产量可能高估了研究区域的实际排放；而Olea需要“Max”情景才能再现观测峰值，说明花粉产量不能使用单一通用值。不同类群的非高斯分布特性说明，每个类群需要特定的季节排放模式。亚类和空间分析结果与已知的植被分布格局一致，QRPR虽在部分地区覆盖率不高，但其更高的花粉产量使其成为主导贡献者。2 km分辨率有助于辨别城市、沿海和山地等不同源地，这对局部暴露评估尤为重要。研究同时承认，花粉产量固定值、单一站点验证和数据覆盖范围是主要不确定性来源。未来研究拟扩展至柏科等更多过敏相关类群，并引入花粉再悬浮和激光雷达观测以进一步改进。

研究结论部分可翻译为：本研究更新并应用了一套高分辨率WRF-NEMO-CAMx模拟系统，用于模拟2019年希腊塞萨洛尼基周边地区Quercus、Pinus spp.和Olea europaea L.的日花粉浓度。研究实施了三种基于不同花粉产量文献值的情景（“Base”、“Max”和“Min”）。气象评估显示，模拟的SAT和RH与观测吻合良好，WS仍是模拟最困难的变量。统计分布拟合中，正态分布未进入Olea和Pinus spp.前五，Olea适合由foldcauchy描述，Quercus适合norminvgauss，Pinus spp.适合loglaplace。花粉浓度评估表明，Quercus和Pinus spp.在“Min”情景下与观测最一致（IOA分别为0.81和0.76），Olea在“Max”情景下最优（IOA=0.89）。亚类分析显示，QRPR主导Quercus浓度，PMSC主导Pinus spp.浓度。排放空间分布显示高值出现在植被密集区、山区、城市热点及沿海农业区。BAQ指数的应用展示了该系统可整合到运行性健康预警框架中，用于向公众通报城市环境中的每日花粉暴露风险。