①课题来源与背景: 近年来，珠三角地区臭氧污染形势严峻，高污染事件频发。虽然珠三角已基本建立多模式集合预报系统并实现业务化发布，但目前对臭氧模拟精度和时效性欠佳，无法及时捕捉高臭氧污染过程，亟需开展臭氧预报预警技术改进研究，通过多源多维数据融合和资料同化，改进模式预报性能，并通过示范应用筛选长期适用的同化方案，为臭氧防控和污染应急决策提供技术支持。为此，广东省生态环境监测中心（原广东省环境监测中心）联合中科院大气物理研究所，成功申请了广东省科学技术厅2017年科技发展专项资金（公益研究与能力建设方向）项目计划，项目名称为“基于实时监测数据同化的臭氧预报预警技术改进及示范应用”。

    ②技术原理及性能指标: （1）优化实时数据融合技术，建立多维多源综合数据库 广泛收集与臭氧有关的多维多源数据，包括常规六项大气污染物、臭氧前体物地面监测数据、立体观测数据、气象数据、历史预报资料等，采用分布式储存技术，将上述数据进行有序分类和统一存储管理。分析了臭氧污染特征与影响臭氧生消的因素，结果表明，控制VOCs排放可以显著降低珠三角部分地区的臭氧生成，从而减少其周边地区的臭氧污染；减少珠三角中部的NOx排放则会导致珠江口秋季臭氧生成增加。 （2）发展快速同化订正技术，实现三维立体观测数据的准实时同化 提出了拟合误差概率的质控方法，设计了显著异常检查和时空连续性检查，用于识别异常观测数据。提出了同时采用多种污染物地面站点观测数据进行协同约束的多源排放反演方法。基于最优插值和集合卡尔曼滤波同化算法开展臭氧及其前体物观测数据三维立体同化的研究，建立地面主要污染物监测数据的本地化源清单同化技术。2019年7月排放源反演案例中，珠江口地区NOx排放量有一定程度减少，广东中部与粤东VOCs排放量增长较明显。臭氧最大8小时滑动平均值模拟偏差下降11.7%，均方根误差下降50.1%。 （3）评估空气质量模式同化技术的优化效果，形成优选同化方案 对比了目前世界上使用较为广泛的初始场与边界场同化算法（最优插值、三维变分、四维变分和集合卡尔曼滤波等）。根据不同方法的优缺点与实际情况，并根据业务化使用的高性能计算设备，在业务化系统中推荐使用三维变分与集合卡尔曼滤波方法。基于业务化应用初始场与边界场三维变分同化方案，预报模式对广东臭氧模拟效果有明显提高，典型案例的臭氧模拟标准平均偏差（NMB）绝对值可由40%降至20%左右，不同城市相关系数可提高约0.1~0.2。 （4）实现数据融合和同化技术示范应用，支撑预报预警 在珠三角地区开展臭氧三维立体同化系统的应用和测试，通过业务化应用数据同化技术，2020年5月珠三角臭氧24小时预报均方根误差同比减少31%，东莞、佛山和江门等臭氧污染较重城市预报均方根误差同比分别减少25%、34%与34%。为区域高臭氧污染过程提前预判、应急响应和污染防治等提供科学技术支撑。

    ③技术的创造性与先进性: 同时使用跨物种同化和污染源反演技术实现臭氧预报优化。发展考虑模式化学平衡约束的多变量、跨污染物协同同化方法，突破以往同化只能改进2-3种污染物预报的瓶颈。建立了多污染物约束的多源排放反演方法，首次在广东地区开展了基于VOCs与NOx等观测数据的源清单反演同化研究，研究案例的臭氧最大8小时滑动平均模拟值偏差下降11.7%，均方根误差下降50.1%，相关系数由0.5提升至0.9以上，而一般的初始场同化技术仅能对相关系数提高0.1~0.2。

    ④技术的成熟程度，适用范围和安全性: 跨物种初始场同化技术相对成熟，依赖于自动化实时在线监测数据，目前华南地区已业务化应用基于六项常规大气监测指标的初始场同化技术，并在全国多个地区得到了应用，适用范围较广，安全性与稳定性较好。建立的多污染物约束源排放反演方法因依赖多种成分数据的大范围高质量监测，受监测数据的限制，目前在珠三角等地开展了短期小范围的研究性应用。

    ⑤应用情况及存在的问题: 通过项目实施，实现多源多维数据融合和多模式集合数值预报系统同化等共性技术的攻关，并在广东省的不同地区率先实现示范应用，较好地解决了部分城市空气质量预报技术升级、预报预警所需基础数据来源获取、数据同化与精准预报业务等问题，支撑了空气质量保障及大气污染防治政策措施和行动计划，可有效降低污染事件对空气质量和公众健康的损害。同时，在辽宁省臭氧来源解析及动态决策管理系统、江西省环境空气质量预报预警系统项目（二期）软件开发项目等项目中使用了本项目的技术成果，提高了空气质量模式对臭氧污染的预报预警能力和预报准确性，解决了多源多维数据融合数值预报、多模式集合数值预报中的关键技术难题，社会与经济效益显著。 存在的问题：基于成分监测数据进行源清单的反演同化需要高质量大范围的成分监测数据，目前受基础数据限制，这一部分成果仍没开展业务化应用，有待日后进一步推进。

    ⑥历年获奖情况 :2019年，“多功能高精度区域空气质量预报评估系统集成与应用”获广东省环境保护科学技术一等奖。