伊比利亚半岛中部花粉排放与扩散的PEMM模型开发及实现

《Environmental Pollution》：Development and implementation of the PEMM model for pollen emission and dispersion in the Central Iberian Peninsula

　　

近几十年来，空气传播花粉浓度持续上升，其物候周期也发生偏移，导致人群暴露增加，公共卫生关切日益凸显。因此，需要可靠的工具来估算花粉排放及其大气扩散，以充分表征这些变化。本研究介绍基于STaMPS（Simulator of the Timing and Magnitude of Pollen Season）和PECM（Pollen Emissions for Climate Models）方法开发的Pollen Emission Mesoscale Model（PEMM，花粉排放中尺度模型）的发展与评估，该模型应用于伊比利亚半岛中部的主要致敏花粉类群（油橄榄属Olea、悬铃木属Platanus、柏科Cupressaceae、禾本科Poaceae和栎属Quercus），并将其与WRF（Weather Research and Forecasting model）–CMAQ（Community Multiscale Air Quality model）模拟系统耦合。研究人员成功实现了模型耦合，模拟排放量与植被覆盖度分布图在空间上表现出强一致性。对主要花粉季的估算显示，高海拔地区起始日期存在系统性延迟，表明花粉释放具有明显的海拔依赖性。模型性能通过与西班牙气传生物学网络（Spanish Aerobiology Network）2020–2021年研究期内各站点观测花粉数据的比较进行评估，重点关注主要花粉季的表征及模拟浓度水平。Olea、Platanus和Quercus在再现主要花粉季时间上吻合最好；而Poaceae和Platanus的日花粉浓度模拟效果更优，相关系数分别为0.72和0.62。总体而言，PEMM为化学输送系统内的区域尺度花粉排放模拟提供了一致框架。剩余的差异凸显了花粉季时序对气象不确定性的敏感性，以及未来发展中需要改进局地尺度过程的表征。

论文解读：伊比利亚半岛中部花粉排放与扩散的PEMM模型开发及实现

一、研究背景与意义

近几十年来，伊比利亚半岛空气传播致敏花粉浓度稳步上升，不仅平均水平和峰值浓度增加，植物生殖周期也发生改变，花粉季起始与结束日期偏移、持续时间延长。气候变化被认为是主要驱动因子，通过温度、太阳辐射、风速等气象变量影响花粉生产与释放，而相对湿度和降水通常抑制空气花粉浓度。同时，土地利用变化重塑了潜在花粉源的空间分布。花粉暴露是哮喘及其他过敏性疾病的重要诱因，在西班牙， pollinosis（花粉症）约影响15%的人口，青少年中接近30%。城市环境中，油橄榄（Olea）、悬铃木（Platanus）、柏科（Cupressaceae）、禾本科（Poaceae）及栎属（Quercus）等类群不仅广泛分布，还与城市污染物协同增强致敏性。准确预测花粉季与排放强度，对公共卫生干预至关重要。

已有全球或区域模型如SILAM、EMPOL、COSMO-ART及美国CMAQ系系统多聚焦北欧桦树、北美豚草等，或在加泰罗尼亚模拟松属花粉，但较少专门针对伊比利亚半岛中部及当地最主要致敏类群，且空间分辨率较粗，难以刻画局地排放与扩散。STaMPS与PECM等数学排放模型虽能基于气象驱动估算花粉季时间与量级，但未充分整合土地覆被精细分布，也缺乏与中尺度气象—化学传输模型的工程化耦合接口。为弥补这些不足，研究人员在原有PEMM（Pollen Emission Mesoscale Model，花粉排放中尺度模型）基础上进行显著扩展，并将其作为离线排放组件嵌入WRF（Weather Research and Forecasting model）–CMAQ（Community Multiscale Air Quality model）高分率空气质量模拟系统，以同时分析大气污染与花粉动态。本文发表于《Environmental Pollution》，旨在讨论PEMM的发展及其在伊比利亚半岛中部（马德里、卡斯蒂利亚?莱昂、卡斯蒂利亚?拉曼查）对Olea、Platanus、Cupressaceae、Poaceae和Quercus的排放与扩散估算表现。

二、主要关键技术方法

研究人员以STaMPS（花期时间与量级模拟器）和PECM（气候模型花粉排放方案）为核心框架，构建PEMM模型四模块：时序（timing）、量级（magnitude）、季节性（seasonality）及排放（emission），输入包括气象再分析时间序列、物候参数、气传生物学观测及土地覆被数据。研究域采用高分辨率WRF–CMAQ配置，将PEMM作为离线排放源耦合入CMAQ。模拟期为2020–2021年，选用西班牙气传生物学网络16个站点观测数据作评估。物候参数更新至目标类群，空间植被覆盖源自高分辨率土地覆被产品，排放结果以每网格每小时花粉粒数输出，并与观测花粉季起止、日浓度对比，采用相关系数等指标统计评价。

三、研究结果

PEMM model and WRF–CMAQ ensemble

PEMM在台站至区域尺度生成逐时排放序列，结构分为时序、量级、季节性与排放四大模块。研究人员将其集成为WRF–CMAQ的离线排放组分，通过简化输入架构、自动处理气象时序、提升数值精度与计算效率，实现与既有空气质量模拟流程衔接。模型覆盖伊比利亚半岛中部异构地形与土地覆被，可输出完整时空浓度场。

Emission estimates

模拟期（2020年10月—2021年9）累积排放量空间分布与各类群植被覆盖分数高度对应，年累计可超10⁹粒/m²。最高排放区并不总与气传生物监测站重合，反映源区与受体空间错位。高海拔网格普遍呈现主要花粉季起始延迟，证实花粉释放的海拔依赖特征。

Model performance evaluation

以西班牙气传生物学网络站点为基准，Olea、Platanus和Quercus对主要花粉季起止时间的模拟吻合最优；Poaceae与Platanus的日浓度模拟更好，相关系数分别达0.72与0.62。整体而言，PEMM–WRF–CMAQ系统能合理再现区域花粉季结构与浓度水平，差异主要来自气象驱动不确定性及局地微尺度过程未充分表征。

Summary, conclusions and future research

研究人员成功开发并耦合了PEMM与WRF–CMAQ，证明其在伊比利亚半岛中部主要致敏花粉类群上的适用性，为后续空气污染—花粉联合研究提供一致平台。模拟域涵盖土地覆被与气象高度异质的广域，具明显海拔梯度。结论指出：PEMM为化学输送框架下的区域花粉排放提供统一方案；剩余偏差强调花粉季时序对气象不确定性的敏感，以及未来需加强局地过程（如城市冠层、微气象、精确种级分布）的引入。

四、讨论与结论翻译

研究结论可概括为：PEMM花粉排放中尺度模型及其与WRF–CMAQ系统的耦合已被证实有效。该框架能够分析伊比利亚半岛中部主要致敏花粉类群，并为未来空气污染模拟研究的一体化提供基础。本研究所用模拟域覆盖土地覆被与气象条件高度异质、海拔变化显著的广阔区域。PEMM在化学—传输模型中为区域尺度花粉排放建模提供了连贯框架。现存差异凸显了花粉季时间对气象不确定性的敏感性，以及未来发展中改进局地尺度过程表征的必要性。