A Retrospective Analysis of Ozone Formation in the Lower Fraser Valley, British Columbia, Canada. Part I: Dynamical Model Evaluation

We conduct a retrospective study of ozone formation in the Lower Fraser Valley (LFV), using numerical models, observations, and emission inventories in order to understand relationships between reductions in local precursor emissions and episodic ozone concentrations. Because there appears to be little or no impact from precursor emissions upwind of the LFV during ozone episodes and because background concentrations of ozone and its precursors are generally from the North Pacific Ocean and quite low, summertime ozone formation in the LFV is mostly caused by local emissions. The observed change in behaviour of ozone formation must, therefore, arise from reductions in local precursor emissions. We exploit the observed changing precursor emission–ozone concentration relationship to perform a dynamical model evaluation. Complicating the analyses are an observed shift in the population patterns within the valley over the last 25 years and a small but documented change in the tropospheric background concentration of ozone. Ozone formation for four episodes, which capture the observed changes in ozone reduction and the different meteorological types that occur during LFV ozone events, are investigated using the Weather Research and Forecasting (WRF)-Sparse Matrix Operator Kernel Emissions (SMOKE)-Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modelling system. In order to provide realistic simulations of past events, the SMOKE emission inventory is adjusted to account for temporal changes in the amount of emissions and locations of emission sources. Model output is compared with continuous observations, data collected from field campaigns, and previous modelling efforts. The WRF-SMOKE-CMAQ modelling framework is able to capture the changes in both the magnitude of the ozone concentrations and its spatial behaviour over the period of study. Many of the simulations show that the highest ozone concentrations occur outside the area sampled by the fixed monitoring network and within the LFV's numerous tributary valleys. Not all modelled episodes achieved the same agreement with observations and some of these discrepancies are likely related to shortcomings in the meteorological modelling. The model consistently overpredicts ozone at a number of stations within the City of Vancouver and underpredicts daytime NOx concentrations there. Both results are consistent with a deficiency in NOx emissions. The model shows a changing bias over time which also suggests uncertainties in the emission backcasting. RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Nous menons une étude rétrospective de la formation de l'ozone dans le vallée du bas Fraser (VBF) à l'aide de modèles numériques, d'observations et d'inventaires d’émissions dans le but de comprendre les relations entre les réductions dans les émissions locales de polluants précurseurs et les concentrations épisodiques d'ozone. Parce qu'il semble n'y avoir que peu ou pas d'impact des émissions de polluants précurseurs en amont de la VBF durant les épisodes d'ozone et parce que les concentrations de fond de l'ozone et de ses précurseurs proviennent généralement du Pacifique Nord et sont très faibles, la formation d'ozone en été dans la VBF est principalement attribuable aux émissions locales. Le changement de comportement observé dans la formation d'ozone doit par conséquent résulter de réductions dans les émissions locales de précurseurs. Nous exploitons la relation changeante observée entre les émissions de précurseurs et la concentration de l'ozone pour effectuer une évaluation par modèle dynamique. Un déplacement observé dans les configurations de population à l'intérieur de la vallée au cours des 25 dernières années et un changement, petit mais documenté, dans la concentration troposphérique de fond de l'ozone viennent compliquer les analyses. Nous étudions la formation d'ozone lors de quatre épisodes qui capturent les changements observés dans la réduction d'ozone et les différents types météorologiques qui se produisent pendant les événements d'ozone dans la VBF en nous servant du système de modélisation SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions) – CMAQ (Community Multiscale Air Quality) du WRF (Weather Research and Forecasting). Afin de fournir des simulations réalistes des événements passés, nous avons ajusté l'inventaire d’émissions SMOKE pour tenir compte des changements au cours du temps dans la quantité d’émissions et dans la position des sources d’émissions. Nous comparons la sortie du modèle avec les observations continues, les données recueillies lors d’études sur le terrain et les efforts de modélisation précédents. Le cadre de modélisation WRF-SMOKE-CMAQ est capable de capturer les changements dans la grandeur des concentrations d'ozone ainsi que dans son comportement spatial durant la période de l’étude. Plusieurs des simulations montrent que les plus fortes concentrations d'ozone se produisent en dehors de la région échantillonnée par le réseau fixe de surveillance et à l'intérieur des nombreuses vallées affluentes de la VBF. Tous les épisodes modélisés n'ont pas exhibé le même accord avec les observations et certaines de ces divergences sont vraisemblablement dues à des lacunes dans la modélisation météorologique. Le modèle surprévoit constamment l'ozone à certaines stations dans la ville de Vancouver et sous-prévoit les concentrations de NOx le jour à cet endroit. Les deux résultats sont cohérents avec un déficit dans les émissions de NOx. Le modèle montre un biais qui change avec le temps, ce qui porte à croire à des incertitudes dans les émissions rétrospectives.

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