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目 录

1 引言 1

1.1 研究目的及研究意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1城市热岛的形成 1

1.2.2 研究方法及其进展 2

1.2.3 城市热岛与下垫面之间的相互作用 2

1.2.4 城市化与环境污染的问题 3

1.3 研究目标 4

2 模式系统介绍 4

2.1 WRF介绍 4

2.2 CMAQ介绍 5

3 上海地区的城市热岛效应 6

3.1 实验方案设计 6

3.2 上海城市下垫面对局地温度的影响 7

3.3 上海市区的城市热岛效应 8

4 城市下垫面对臭氧的影响 10

4.1 实验方案设计 10

4.2 城市下垫面对局地臭氧浓度的影响 11

5 结论 14

参考文献 15

致谢 18

城市热岛效应对臭氧的影响

游颖畅

摘要：随着城市化进程的发展，城市热岛效应显著增强，给人类的生产生活带来了一定的影响。此外，城市热岛效应还可以改变大气污染物的分布特征。本文利用中尺度天气预报模式WRF和空气质量模式CMAQ对上海地区进行了一次数值模拟实验，以此来研究上海城市热岛效应对上海及其周边地区温度、风场和臭氧浓度分布的影响。研究结果表明，上海城市下垫面使得城市地表温度增加，城市热岛效应显著。白天城市热岛效应使城市上空臭氧浓度增加，影响高度可达6 km。夜晚城市热岛效应使城市近地面臭氧浓度增加，使城市上空200～300米处臭氧浓度减少。由于白天城市热岛环流较强，使得近地面风场向市区辐合，导致白天城市下垫面对下风向地区的影响范围远小于夜晚。

关键词：城市热岛效应；城市下垫面；臭氧浓度

The impacts of urban heat island effect to ozone

You Yingchang

School of Atmospheric physics，NUIST，Nanjing，China

Abstract：With the development of urbanization, urban heat island effect is significantly enhanced and brings certain effect to the human production and living. In addition, the urban heat island effect also can influence the distribution features of the atmospheric pollutants. In order to understand the impact of Shanghai urban heat island effect to the temperature, wind field and ozone concentration distribution of Shanghai and its surroundings area, a numerical simulation experiment about Shanghai region is carried out by Weather Research and Forecasting Model(WRF) and Community Multiscale Air Quality model (CMAQ). The result shows that Shanghai city underlying surface makes urban land surface temperature increase and urban heat island effect is obvious. The city underlying surface can increase the city ozone concentration during the day and the height of the influence can reach to 6 km. At night, the city underlying surface can increase the ozone concentration near the ground and will decrease the ozone concentration at 200 ~ 300 meters. Because of the stronger urban heat island circulation at the daytime, the surface wind field convergence to urban area so that the influence scope of city underlying surface to the downwind area at day is far less than at night.

Key words：Urban heat island effect; City underlying surface; Ozone concentration

1 引言

1.1 研究目的及研究意义

21世纪以来，我国经济飞速发展，各地的城市化进程也进入了前所未有的发展阶段。城市范围的扩大使得城市下垫面由自然表面变成了人造表面，后者相对于前者具有更大的热容性和反照率，因此可以吸收和存储更多的热量，从而使城市地区相对于周边地区具有更高的温度，再加上其他人类活动产生的热量，导致城市气温要比周围郊区的环境气温高，这种现象就是城市热岛效应^[1～5]。地面气温即离地2米处百叶箱内空气温度在以前常被用来表示城市热岛效应的强度。但是因为卫星遥感资料得到了广泛的应用，现在研究城市热岛效应的时候也常会用到地表温度数据^[6]。

城市热岛效应不会直接地影响人类的生产生活，但是可以通过其他方式间接地影响人类的生活。例如通过改变局地能量平衡过程导致能源消耗增加、通过改变边界层的结构和污染物传播扩散的规律使局地污染物的浓度增加。随着城市化进程的迅速发展，城市热岛效应对日常生活及城市环境造成的危害日益引起人们的重视。更快速的经济发展和更好的空气质量成为日益尖锐的一对矛盾，使得城市热岛效应成为亟待解决的课题。

城市地区的大气污染物主要来自于人类活动的排放。一方面大气气溶胶可以通过散射、吸收和反射等方式减少到达地表的太阳短波辐射，导致城市热岛效应减弱；另一方面，各种温室气体可以加强大气逆辐射从而使城市热岛效应增强。此外，城市热岛效应还可以改变大气边界层结构和污染物的传播和扩散规律，对城市地区污染物的产生和分布造成一定的影响。国外的一些研究发现在城市温度升高的同时，城市中臭氧的浓度也会随之上升^[5]。一些研究结果表明，城市上空的动力过程和热力过程会对城市地区大气污染物浓度的时空分布造成显著的影响。寿亦萱和张大林^[6]指出城市化和空气污染问题将是未来国际上城市热岛效应研究的热点问题之一。城市热岛与大气污染物的相互作用关系复杂，而臭氧是对流层最重要的污染物（不仅其自身是污染物，而且还是其他污染物生成过程的重要参与者），所以研究城市热岛效应对臭氧的影响具有十分重要的意义。

1.2 国内外研究进展

1.2.1城市热岛的形成

城市热岛现象是由Howard在1883年首次发现的，然而直到20世纪50年代Manley才将其定义为城市热岛效应^[5]。城市热岛效应的形成受到很多不同因素的共同影响，但是其形成的最主要原因还是人类活动以及城市下垫面的改变。人类活动如汽车尾气的排放导致温室气体排放增加；而城市下垫面的热容性大于自然表面使其能储存的热量大大增加。国外的一些研究^[7～10]表明，城市规模的扩大和城市人口的增加促进了城市热岛效应的发展；而低层风速和云量的增加则对城市热岛效应有抑制作用。此外，他们还认为高压和反气旋天气对城市热岛效应的发展有促进作用。

1.2.2 研究方法及其进展

目前对城市热岛效应的研究一共有三种方法，分别是外场实验与观测、实验室仿真模拟和数值模拟，其中最传统最直接客观的是外场实验与观测。20世纪70年代至今，国际上进行了多次关于城市热岛效应的外场观测实验。我国也在近年来通过观测研究发现了很多大城市如北京、上海、南京、重庆、昆明等都有显著的热岛效应^[11～16]。随着城市热岛范围的扩大，分布稀疏的气象站点的观测数据已经不能满足研究的需要。所以目前在城市热岛效应的研究中，遥感技术得到了广泛的应用^[6]。时空分辨率高、空间覆盖范围大、能够实现长期的连续观测是卫星遥感的特点，同时其还能克服传统地面观测数据密度低、同步性和代表性不足的缺点。反演精度不高是遥感观测的一个主要缺点，因此需要用传统观测手段来对其进行补充验证。所以在目前大部分城市热岛效应的观测实验中通常会使用传统观测手段和遥感观测手段同时进行观测，这样可以使得实验数据最优化。

实验室仿真实验是近年来才开始使用的一种研究城市热岛效应的方法。其优点是便于对边界条件进行不同的设置，而且可以找出在控制流场的过程中不同无量纲量的作用。然而实验室仿真模拟存在一个很明显的缺点，即在构建实验参数时无法对真实情况进行全面的模拟。因此实验室仿真实验在城市热岛效应的研究中不能成为主要的研究方法，只能作为对观测实验和数值模拟实验的一种补充方法^[6]。

数值模拟是研究城市热岛效应的重要手段之一，其优点是能够直观地展现城市热岛效应的时空分布特征。目前主要的城市模式有城市冠层模式（UCM）及计算流体力学模式（CFD）两种。城市冠层模式可以大致地被分为单层城市冠层模式和多层城市冠层模式。相比于单层城市冠层模式，多层城市冠层模式考虑的影响因素更多，其将城市冠层划分为若干层，并对不同层次的能量收支分别进行计算。因此多层城市冠层模式对城市特征的描述更加详细和精确。所以目前在对城市热岛效应进行研究时大多使用多层城市冠层模式。Zhang等^[17]在利用WRF模式和城市冠层模式相耦合来研究华盛顿-巴尔的摩城市群的城市热岛效应时发现了两个城市的城市热岛之间存在“上下游效应”。研究发现，上游的城市热岛会对下风向地区的城市热岛强度造成很大的影响。目前计算流体力学模式在对城市大气气流扰动及城市污染物扩散的研究中得到了广泛应用。由于计算流体力学模式水平分辨率高，所以在研究复杂空间的气流微小尺度扩散方面更具优势^[6]。

1.2.3 城市热岛与下垫面之间的相互作用

Ohashi等^[18]发现，在邻海与内陆的两个城市的局地环流中，存在着一股因为海风-热岛环流共同作用而形成的“链式气流”，这股气流可以把沿海城市的污染物输送到这两个城市之间的郊区。Liu等^[19]和Tong等^[20]发现香港城市热岛的存在可以增强九龙半岛和香港北部地区之间的海陆风环流。此外，海陆风环流对沿海城市O₃的生成和积累有重要的影响。在白天，陆风将城市地区上空的O₃前体物输送到海洋上空，然后在洋面上空通过光化学反应生成O₃并由海风将O₃往回输送到城市，使得城市的O₃浓度上升^[21]。上述研究表明了城市热岛效应与复杂地形之间存在着相互作用相互影响的关系，特别是城市热岛环流与海陆风环流之间的相互作用十分明显，而且它们的共同作用还会影响沿海城市的O₃浓度分布。

通过对上海城市下垫面对能量平衡过程的影响的研究，康汉青^[5]指出城市下垫面对局地向下的短波辐射通量影响较小，但使局地向下长波辐射通量增强。城市下垫面使地表白天储存更多热量的同时，在夜晚也会释放更多热量。城市下垫面的存在可以使城市地区平均边界层的高度升高。城市热岛的上下游效应使上游城市的城市热岛对下风向地区城市温度有明显的增加作用。

1.2.4 城市化与环境污染的问题

经研究发现大气污染物与城市热岛效应之间是可以相互影响的^[5]。城市地区的大气污染物主要是由人类的生产活动和日常生活产生的。人类活动和工业生产排放出来的温室气体可以吸收地面的长波辐射，同时增加大气逆辐射，使城市热岛效应加强；人类活动产生的气溶胶则可以增强对太阳辐射的吸收和散射，使到达地表的太阳辐射减小。Solecki等^[22]通过研究指出，城市温度的上升与O₃浓度的增加之间呈现出正相关的关系。Taha^[23]指出，城市反照率的上升可以缓解城市热岛效应，降低O₃浓度水平。Lai等^[24]指出，城市热岛效应之后通常会出现高浓度的O₃事件。因为在夜间大气稳定的情况下，城市热岛会在城市低层形成辐合从而导致O₃的前体物和其他污染物的堆积，导致第二天白天的空气质量变差。此外气溶胶还可以作为云凝结核，增加局地云量提高对太阳辐射的反照率，使边界层内光化学通量和气温下降。城市污染物的分布会因为不同的大气条件而发生变化。高温、风速较低、较小的相对湿度以及晴空少云的天气条件不仅有利于城市热岛效应的发展，同时也是大气污染物产生的有力条件。因为城市地表温度的升高，导致近地面层湍流混合作用的增强和大气边界层高度的抬升。这种影响使得大气污染物在近地面层更容易被冲淡稀释和混合从而使得O₃难以被NO破坏，因此导致了城市中的O₃浓度比乡村的高。而这种冲淡稀释作用通常会在傍晚、夜间或者海风的影响下出现。Civerolo等^[25]研究发现排放源对城市外围和市中心的O₃浓度具有复杂的影响作用。Narumi等^[26]通过实验发现气温升高使植物排放的VOC增加导致O₃生成的作用远大于光化学反应速率的上升对O₃生成的作用。Ryu等^[27]通过研究发现，在对城市和乡村的地面强迫作用对臭氧的影响进行模式模拟后，市区的O₃平均浓度在白天比乡村高了约13 ppb，在夜间则高了约19 ppb。

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