近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授朱雷课题组在大气科学领域著名期刊Atmospheric Chemistry and Physics发表了题为“Improving ozone simulations in Asia via multisource data assimilation: results from an observing system simulation experiment with GEMS geostationary satellite observations”的最新研究成果。

臭氧（Ozone）是氮氧化物（NO_x）和挥发性有机化合物（VOCs）在阳光下经光化学反应生成的二次空气污染物，对人体健康、生态环境和气候变化均有着显著不利影响。近年来，亚洲地区臭氧污染水平呈现快速上升趋势，亟需深入推进大气臭氧污染防治工作，助力臭氧空气质量达标。

2020年2月发射的GEO-KOMPSAT-2B卫星搭载的地球静止环境监测光谱仪（GEMS）实现了对亚洲地区对流层臭氧及其前体物的高时空分辨率的日间连续监测，为改进臭氧数值模拟提供了新思路。课题组前期研究（Shu et al., 2022）表明，单独同化GEMS观测数据在约束近地面臭氧模拟方面仍然存在不足。因此，本研究进一步发展了臭氧数据同化系统，实现了多源观测数据（GEMS、LEO卫星和地面观测）的联合同化，以此综合评估了应用GEMS观测数据在改进亚洲地区夏季臭氧模拟方面的重要作用。

本研究基于观测系统模拟实验（OSSE）方法，应用了两个独立大气化学传输模式（GEOS-Chem和WRF-Chem）和卡尔曼滤波同化方法，针对同化的观测数据（GEMS、LEO卫星和地面观测）和同化步长（1 h和3 h）设计了多组敏感性试验，定量评估了多源观测数据同化对夏季近地面和对流层臭氧模拟的影响。

研究结果表明（图1），相比OMI观测，GEMS观测在200 hPa以下具有更强的反演敏感性和更小的反演误差，为监测对流层和近地层的臭氧污染状况提供了足够的观测信息。同时，GEMS在捕捉东亚地区近地面臭氧高值区域及其日变化特征方面具备了良好的监测能力，为数据同化提供了重要的观测基础。

 图1 GEMS臭氧廓线反演结果示例

在近地层臭氧模拟方面（图2），单独同化或联合同化GEMS和地面观测均能够有效减少近地面臭氧模拟偏差，并显著提升对臭氧逐日、逐小时变化以及高污染事件的监测能力，但对臭氧短期预测的改进较为有限，需同时优化臭氧前体物的排放和化学初始场。

与单独同化地面观测相比，单独同化GEMS观测数据对近地面臭氧模拟的改进作用相对较小，但同样不可忽略。联合同化GEMS和地面观测数据在所有同化试验中表现出了最佳性能，亚洲地区日最大八小时平均（MDA8）臭氧浓度的区域平均偏差由–2.1 ppbv减少至–0.2 ppbv。

图2 同化不同臭氧观测数据对近地面臭氧模拟的改进

在对流层臭氧模拟方面（图3），同化GEMS观测数据能够显著改进臭氧垂直分布的模拟，并且提升对于平流层臭氧入侵这一类传输过程的监测能力（Shu et al., 2022）。在垂直方向上，对流层上层臭氧模拟改进效果更为明显，200 hPa高度亚洲地区18个国家MDA8臭氧模拟的均方根误差（RMSE）减少了3.8–80.6%，尤其在东南亚臭氧模拟改进效果更好（RMSE减少了33.1–57.4%）。

敏感性试验结果表明，当同化所有观测数据时，GEMS观测会掩盖LEO观测对于臭氧模拟的附加价值。但是，当减少同化的GEMS和地面观测数据时，LEO观测在约束地面和对流层上层臭氧模拟方面能够发挥更大的作用，尤其是对于缺乏GEMS观测的南亚地区而言。

图3 同化不同臭氧观测数据对对流层臭氧廓线模拟的改进

这项研究综合评估了应用GEMS观测数据的多源观测数据同化对亚洲地区夏季近地面和对流层臭氧模拟的改进作用，能够为今后亚洲地区臭氧模拟研究提供重要参考。

南科大为论文第一单位，朱雷课题组博士后束蕾为论文第一作者，朱雷为通讯作者，其他合作单位包括福建师范大学、韩国釜山大学和美国哈佛-史密松天体物理中心。该研究得到了广东省科学技术厅重点领域研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省教育厅创新团队、深圳市科技创新委员会、中国博士后科学基金等项目的支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心提供。

论文链接：

1.  https://doi.org/10.5194/acp-23-3731-2023 

2.  https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2022.119003 

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

主图：丘妍

编辑：朱增光