年度最小包络线的臭氧背景值计算方法、系统及存储介质

本发明属于大气环境监测数据处理，具体涉及年度最小包络线的臭氧背景值计算方法、系统及存储介质，用于地表臭氧背景值的计算。

背景技术：

1、在现有的臭氧背景值计算方式中，主要有固定阈值法、时序平均法、滤波平滑法、单一低分位数取值法以及化学传输模式，但各类计算方法都存在有以下缺陷：

2、对于固定阈值法或经验背景值法，通常会将某一固定浓度、长期均值或区域经验值作为臭氧背景值，用于判断臭氧是否异常升高，但缺点就是不能反映不同年份、不同季节和不同气象背景下的臭氧背景场的缓慢变化，容易将正常季节变化误判为异常增量，或将真实的短时增强事件并入背景值；

3、对于时序平均法（季节平均、月平均或滑动平均），是通过对观测序列进行季节或时间窗口平均来表征背景水平，但缺点是当观测序列中存在频繁的高臭氧事件时，高值会被纳入平均过程，使计算得到的背景值偏高，导致事件增量被低估，尤其是对高海拔平流层的入侵频发区域以及局地人为前体物排放较弱的区域，问题较为突出；

4、对于滤波平滑法即普通滤波法或平滑曲线法，包括低通滤波、kz滤波以及移动中位数平滑，但缺点是滤波参数通常难以同时兼顾季节转换和短时异常剔除；当臭氧增强事件持续数小时至数日时，滤波曲线仍可能受到事件高值牵引，造成背景信号污染。

5、对于单一低分位数取值法为单纯低分位数法，本方法是直接取某一时间窗口内的低分位数作为背景值，能够一定程度降低高值事件影响，但缺点是输出结果通常离散和不连续，难以得到与小时观测数据一致的连续背景曲线，也难以直接用于事件积分贡献计算；

6、还有就是，化学传输模或示踪模拟法，可模拟臭氧来源，但依赖复杂排放清单、气象驱动和模式参数，空间分辨率与站点观测不完全匹配，难以作为单一站点长期观测资料的直接背景值计算方法。

7、因此，现有技术缺少一套从原始观测输入至贡献率输出的全链路闭环算法，缺少从年度低值锚点构建连续最小包络线背景的标准化实施方式，无法兼顾背景时序连续性与异常高值抗干扰能力。

技术实现思路

1、本发明提供年度最小包络线的臭氧背景值计算方法、系统及存储介质，由于现有的平均、滤波或固定阈值方法容易受到短时高臭氧事件牵引，导致背景值偏高；单一低分位数方法又难以形成连续、高分辨率和可用于事件积分的背景曲线；因此，本发明用于解决缺少能够同时兼顾低值背景提取、连续背景拟合、原始分辨率回插和事件贡献率计算的闭环方法的技术问题，通过“低分位锚点+鲁棒基线拟合+原始分辨率回插+事件窗口积分”的组合实施，提高了臭氧背景值的计算精度，能够更有效地避免短时臭氧增强事件的污染背景值。

2、为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

3、年度最小包络线的臭氧背景值计算方法，包括如下步骤：

4、步骤s1：数据采集与输入：获取目标站点或目标区域的地表臭氧观测数据，形成原始臭氧序列；

5、步骤s2：数据单位统一与质量控制：将臭氧浓度统一为目标单位，并经过质量控制后得到有效臭氧序列；

6、步骤s3：日尺度聚合：按照自然日对有效臭氧序列进行聚合，计算每日平均臭氧浓度，当某日有效小时数低于预设阈值，将某日标记为无效日，不作为低分位锚点候选，输出日均臭氧序列及其有效性标记；

7、步骤s4：年度分组：按照自然年将日均臭氧序列进行分组，得到每一年对应的日均数据集合；

8、步骤s5：低分位锚点筛选：对每一年中的有效日均臭氧值进行升序排列，计算本年度的第5分位数p5(y)和第10分位数p10(y)，并将满足p5(y)≤d(d)≤p10(y)的日期及其日均臭氧值确定为初始低分位锚点；

9、步骤s6：锚点有效性检查与补充：检查每一年低分位锚点的数量和时间分布，再输出时序分布更均衡的年度低值锚点集；

10、步骤s7：鲁棒基线拟合：将年度低值锚点集输入至rebs鲁棒基线拟合模块，采用局地回归得到连续的年度背景曲线，以便得到日尺度背景值；

11、步骤s8：年度曲线衔接与边界处理：对相邻年度背景曲线在年初和年末的边界进行衔接处理；其中，采用相邻年度重叠窗口、线性过渡或端点平滑方式，避免自然年切换处出现不合理跳变，对拟合结果小于零或超出合理臭氧浓度范围的值进行约束处理，得到连续日尺度背景曲线；

12、步骤s9：回插至原始时间分辨率：是将日尺度背景曲线通过线性插值、样条插值或日内保持方式回插到原始观测时间分辨率，得到与有效臭氧序列时间戳一一对应的小时或高分辨率背景值；

13、步骤s10：事件窗口输入：获取一个或多个臭氧增强事件窗口，臭氧增强事件窗口由事件识别模块、人工标注、再分析资料诊断以及模式诊断或污染过程识别结果生成；其中，事件识别模块为平流层入侵识别模块；

14、步骤s11：臭氧事件增量计算：在每一个臭氧增强事件窗口内，对每一个观测时刻进行计算臭氧事件增量；

15、步骤s12：事件积分增量与贡献率计算：对臭氧增强事件窗口内的臭氧事件增量进行时间积分或求和，得到事件积分增量，再计算事件贡献率；

16、步骤s13：结果输出与可视化：输出包括：日尺度臭氧背景值、高分辨率背景值、事件窗口列表、臭氧事件增量、事件积分增量、事件贡献率、月/季/年的统计结果，以及背景曲线与观测序列叠加图。

17、可选的，在步骤s4中，自然年设为y，日均臭氧序列设为d(d)，计算并得到每一年对应的日均数据集合dy={d(d)|d属于年份y且d为有效日}；若某一年有效日数少于180天，则将相邻年份的有效日作为辅助候选，或提示本年的背景值可信度低。

18、可选的，在步骤s5中，年度的第5分位数为p5(y)，年度的第10分位数为p10(y)，将满足p5(y)≤d(d)≤p10(y)的日期以及其日均臭氧值选为低分位锚点ay={(d,d(d))}，低分位锚点的调整范围为第3分位数至第15分位数。

19、可选的，在步骤s6中，计算锚点总数少于预设最小数量，或者相邻锚点日期的最大间隔大于预设最大间隔，则以1个百分点为步长扩大低分位区间，但下限不低于第3分位数、上限不高于第15分位数；若扩大后仍存在无锚点时段，则补充该时段内日均臭氧值最小的有效日，得到年度低值锚点集a*y；

20、在步骤s7中，是将年度低值锚点集设为a*y再输入到rebs鲁棒基线拟合模块中，采用局地回归得到连续的年度背景曲线；

21、日尺度背景值的计算方式是，采用任一日期τ，计算锚点日期d与τ的时间距离u=|d-τ|/h，其中，h为带宽，为60天，也在30-120天范围内调整；

22、若u<1，则局地核权重k(u)=(1-u³)³；若u≥1，则k(u)=0，随后进行加权局地回归，并完成加权局地回归后，以ri=d(di)-bd(di)为第i个锚点的拟合残差，并按照s=1.4826×mediani|ri−medianj(rj)|计算鲁棒尺度，再通过鲁棒常数b更新鲁棒权重wr,i；

23、当|ri|＜b·s时，wr,i=[1-ri/(b·s)²]²；当|ri|≥b·s时，wr,i=0，后续的迭代终止条件保留。

24、可选的，在步骤s9中，将日尺度背景曲线设为bday(d)，通过线性插值、样条插值或日内保持方式回插到原始观测时间分辨率，得到与有效臭氧序列o3(t)时间戳一一对应的小时或高分辨率背景值b(t)，便于输出既作为臭氧背景值结果，又作为后续事件增量计算模块的输入。

25、可选的，在步骤s10中，臭氧增强事件窗口设为，平流层入侵识别模块的运行方式是，当用于识别平流层入侵事件时，将era5再分析资料中250hpa、300hpa或350hpa至少一个等压面的位涡pv≥2pvu作为候选条件，并结合边界层高度、相对湿度、垂直运动、臭氧质量混合比和地表臭氧响应中的至少两项证据确认事件窗口。

26、可选的，在步骤s11中，每一个臭氧增强事件窗口设为内，每一个观测时刻设为t，以计算臭氧事件增量；

27、当时，将其置为0，以避免背景高于观测值时对事件增量产生负贡献；在诊断实施方式中，也保留负值用于评估背景拟合偏差。

28、可选的，在步骤s12中，臭氧增强事件窗口设为，对臭氧增强事件窗口内的臭氧事件增量进行时间积分或求和，得到事件积分增量；其中，为间隔时间；为臭氧事件增量在观测时刻t内的时间求和；

29、计算事件贡献率；其中，为在臭氧增强事件窗口中的观测时刻t内，对臭氧事件增量进行求和；为多个间隔时间内，臭氧事件增量的求和；表示观测臭氧相对于由年度最小包络线拟合得到的背景值b(t)的非负增量，为在臭氧增强事件窗口中的观测时刻t内，计算得到的观测臭氧总量；

30、事件贡献率是臭氧事件增量占观测臭氧总量的比例，表示在臭氧增强事件窗口内，观测臭氧相对于背景值b(t)的正增量在臭氧增强事件窗口内观测臭氧总量中的占比，用于表征臭氧增强事件对地表臭氧水平的相对贡献。

31、年度最小包络线的臭氧背景值计算系统，用于执行年度最小包络线的臭氧背景值计算方法，包括：

32、数据采集模块，用于采集目标站点或区域的地表臭氧观测数据，生成原始臭氧观测序列；

33、数据质控聚合模块，与数据采集模块连接，用于对原始臭氧观测序列进行单位统一、异常数据剔除与缺测处理，得到有效臭氧序列，并按照自然日对有效臭氧序列进行聚合计算，生成日均臭氧序列，同时标记无效观测日期；

34、年度分组锚点筛选模块，与数据质控聚合模块连接，用于将日均臭氧序列按自然年进行各年度日均数据集合并得到年度分组，针对每一年度日均数据集合进行数值排序，优先选取第5分位数至第10分位数之间的日均臭氧值作为初始锚点，并对低分位锚点开展数量与时间分布校验以及补充优化，得到均衡分布的年度低值锚点集；

35、鲁棒基线拟合模块，与年度分组锚点筛选模块连接，用于接收年度低值锚点集，采用融合局地核权重与迭代鲁棒权重的rebs鲁棒基线拟合算法进行加权局地回归，迭代求解得到日尺度臭氧背景曲线，并对相邻年度曲线进行衔接、对异常浓度值进行约束，生成连续日尺度背景曲线；

36、分辨率回插模块，与鲁棒基线拟合模块连接，用于将连续日尺度背景曲线通过插值方式回插至原始观测时间分辨率，得到与有效臭氧序列时间戳一一对应的高分辨率臭氧背景值；

37、事件增量计算模块，与分辨率回插模块连接，用于获取臭氧增强事件窗口，依据有效臭氧序列与高分辨率臭氧背景值计算各时刻臭氧事件增量，并对事件窗口内的臭氧事件增量进行积分运算，求解事件积分增量与事件贡献率；

38、结果输出模块，与鲁棒基线拟合模块、分辨率回插模块以及事件增量计算模块连接，用于汇总并输出日尺度背景曲线、高分辨率臭氧背景值、臭氧事件增量、事件积分增量、事件贡献率以及可视化图表。

39、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现执行年度最小包络线的臭氧背景值计算方法的步骤。

40、本发明的有益效果：

41、本发明以自然年为基本处理单元，先将原始地表臭氧观测序列转换为日均臭氧序列，再从每年日均序列中优先提取第5分位数至第10分位数之间的日均臭氧值作为初始锚点，并仅在锚点数量或时间覆盖不足时于第3分位数至第15分位数范围内补充锚点，随后采用带有局地核权重和迭代鲁棒权重的rebs回归对锚点进行连续曲线拟合，得到年度臭氧背景值b(t)，再将该背景值回插至原始观测时间分辨率，并与事件窗口内观测臭氧相减得到臭氧事件增量，最终输出事件积分增量和贡献率。与单纯平均、滤波或固定阈值方法相比，本发明通过“低分位锚点+鲁棒基线拟合+原始分辨率回插+事件窗口积分”的组合，提高了臭氧背景值的计算精度，能够降低短时臭氧增强事件对背景曲线的抬升作用。