通过考虑天气形势演变顺序显著提升臭氧重建精度

《Journal of Environmental Sciences》：Significant improvement of O3 reconstruction accuracy by accounting for the order of synoptic weather patterns

　　

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  SWP顺序显著改善了近地面O₃的重建。
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  在高排放情景下，SWP顺序的贡献更为显著。
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  预计未来长三角地区近地面O₃浓度将下降。

引言

在中国主要城市群中，包括京津冀地区、长江三角洲（YRD）地区、珠江三角洲地区和成渝地区，大气臭氧（O₃）污染已成为制约社会经济发展和影响公众健康的主要因素（Wei等，2022；Yao等，2023）。自2013年以来，中国东部经历了O₃浓度的显著上升趋势。Ma等（2016）指出，2003年至2015年间，中国东部的MDA8_O₃（最大日8小时平均臭氧）浓度显著增加，平均增长率为1.13 ± 0.01 ppb/yr。此外，Liu等（2019）发现，2013—2017年间，华北地区的MDA8_O₃浓度达到122.00±11.00 μg/m³，年增长率约为7.88 μg/m³。因此，O₃污染已成为中国空气质量的重要问题（Liu等，2023；Wang等，2022）。

天气形势（SWP）是指大气运动模式在大范围内的空间分布和演变趋势（Gao等，2021a；Zhang等，2016）。不同的主导SWP与不同的近地面气象条件相关，这些条件影响O₃的光化学生成、传输、扩散以及湿/干沉积等关键大气过程（Gong等，2022；Lai和Cheng，2009）。SWP分类是研究气象条件对空气污染影响的一种常用方法。通过考虑SWP频率和强度的年际变化，Hegarty等（2007）和Zhang等（2013）分别重现了美国北部和中国香港地区O₃年际变异的46.00%和50.00%。类似地，Liu等（2019）基于SWP频率和强度的变化重建了中国北部的O₃浓度，发现2013—2017年间O₃年际增长的39.20%可归因于SWP的变化，其中形势强度是主要因素。

Comrie（1992）研究了1978—1987年宾夕法尼亚州匹兹堡地区SWP与日最大O₃浓度之间的关系，并建议将序列技术与天气分类相结合可以更全面地了解O₃的变化。他的研究表明，以高温、强太阳辐射和风平为主要特征、有利于O₃生成和积累的持续性SWP更容易引发高O₃污染事件。Liao等（2021）利用WRF-CMAQ模型研究了2006—2016年广州的O₃变化，发现连续高温和静稳天气条件更有利于O₃浓度升高。Zhang等（2016）考察了1980—2013年华北平原空气污染指数（API）与SWP之间的关系，显示高API值与静稳环流形势密切相关。在持续此类SWP的影响下，API以平均每天8.50的速度增加。这些研究表明，即使SWP的发生频率保持不变，其序列和持续性也可能在调节近地面O₃变化方面发挥重要作用。

目前，基于SWP频率和强度重建大气O₃浓度的算法已相当成熟。然而，随着全球气候变化的持续进行，SWP正经历越来越明显的变化。关键问题——例如SWP发生顺序的变化是否影响O₃浓度，以及在全球变暖背景下大气环流变化如何调节O₃浓度——仍是需要进一步深入研究的问题领域。作为中国经济发展最活跃、城镇化程度最高的地区之一，长三角地区经历典型的季风气候，易受各种夏季SWP影响。该地区还以持续且严重的O₃污染事件为特征。因此，通过纳入SWP发生顺序的考量来改进O₃浓度重建方法，对于深入研究该地区主导天气形势与不同级别O₃污染之间的关系至关重要。在后续章节中，第2节概述了数据与方法，第3节展示了结果与讨论，第4节总结了结论。

章节摘要

研究区域

研究区域包括长三角地区，涵盖上海市、江苏省、浙江省和安徽省。该地区位于长江下游，毗邻东海和黄海。长三角地区属于亚热带季风气候，夏季炎热潮湿，冬季凉爽干燥。其地理位置使其易受各种气象因素影响，包括东亚夏季风、

天气分类

在两种情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5）下，使用PTT方法对长三角地区上方的SWP进行了分类。分类基于EC-Earth3气候模型在CMIP6中的850 hPa位势高度数据，重点关注当前（2019—2023年）和世纪中叶未来时期（2059—2063年）的夏季月份（6—8月）。

在本研究中，ΔECV用于评估包含2—9种SWP的天气分类方案的性能。如图2所示，当[数字]时ΔECV达到最大值。

结论

在基于SWP频率和强度的O₃浓度重建算法基础上，本研究首次将SWP顺序变化纳入重建框架。利用多种O₃重建方法，我们系统地评估了SSP2—4.5和SSP5—8.5情景下天气形势变化对长三角地区夏季O₃浓度的影响。主要结论如下：

在SSP2-4.5情景下，夏季大气

CRediT作者贡献声明

Danyang Ma：撰写——原稿，方法论，调查，数据整理，概念构思。Da Gao：撰写——审阅与编辑，概念构思。Mengzhu Xi：验证，方法论，概念构思。Kuanguang Zhu：撰写——审阅与编辑，调查，概念构思。Hua Lu：撰写——审阅与编辑，调查，概念构思。Lingyun Feng：撰写——审阅与编辑，概念构思。Shitong Chen：调查，概念构思。Shuxian Zhang：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文报告工作的个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：42275102）、南京师范大学引进人才启动经费（编号：184080H201B57）、国家重点基础研究发展计划（编号：2024YFC3711905）、国家自然科学基金青年科学基金项目C类（编号：42505177）以及江苏省优秀博士后人才资助计划（编号：2025ZB511）的支持。

Danyang Ma|Da Gao|Mengzhu Xi|Kuanguang Zhu|Hua Lu|Lingyun Feng|Shitong Chen|Shuxian Zhang|Min Xie