三角洲城市不均匀扩张对海风锋推进的影响

The delta region has the most complicated interaction of sea and land and the most intense human activities during the process of urbanization. Previous studies lack a detailed analysis of the propagation of Sea Breeze Front (SBF) associated with different urbanization periods in this region, and therefore it is difficult to understand its response to air pollution. A case study in Shanghai is conducted to identify the propagation of SBF by making full use of a high-density meteorological monitoring network and high spatial-temporal resolution remote sensing data. Then, the sensitivity experiments by the Weather Research and Forecasting (WRF) model are carried out to analysis the variability in the near-surface thermal and dynamic structure induced by uneven spatial-temporal patterns of urbanization through comparing the urban surface characterization during 1980-2020, including urban build-up area, vegetation fraction, roughness, and anthropogenic heat, thereby determining the effects of these changes on the propagation of SBF. Further, in order to investigate the impacts of changes in the propagation distance of SBF on coastal air pollution, spatial panel data models are developed to analyze the relationship between the spatial-temporal evolution of SBF and air pollution. The study will be useful to a better understanding of the impacts of uneven spatial-temporal patterns of urban expansion on the propagation of SBF in the delta areas, thus providing valuable insights for urban planning which are of important for improving air quality in coastal urban areas.

三角洲是城市化进程中海陆作用最为复杂、人类活动最为密集的区域。长期以来缺少对这一区域不同城市化阶段海风锋推进机制的深入分析，制约了海风锋时空变化环境效应的研究。本研究拟以上海为例，首先利用高密度气象观测网络和高时空分辨率遥感数据提取海风锋推进特征；而后，比较上海不同城市化阶段（1980-2020年）建设用地、植被覆盖度、粗糙度和人为热特征，开展基于WRF模式的敏感性实验，分析城市化时空不均匀性引起的大气近地层热力和动力结构变化，进而研究这些变化对海风锋推进的影响机制。最后，建立空间面板数据模型分析海风锋时空变化特征与大气污染的相互关系，探索海风锋推进距离变化的环境效应。本研究有利于全面了解三角洲城市扩张时空不均匀性对海风锋推进的影响机制，为城市规划建设提出合理的建议，以改善沿海城市空气质量。

在高强度人类活动作用下，河口三角洲地区经历了大规模的城市化，人居环境不断恶化。由海陆热力差异引起的海陆风与三角洲区域的局部气候环境密切相关，通常会带来海上凉爽和湿润大气，也易导致污染物的富集。海陆风是河口三角洲地区优化城市人居环境重要的自然气候条件，但是已有研究在城市化对海风锋推进的影响机制上尚存争议，城市化会增强还是减弱海风锋推进距离没有一致的结论。本研究以上海为例开展了城市不均匀扩张对海风锋推进距离影响的研究。首先，基于气象观测以及Himawari-8卫星遥感资料，建立了研究区域2015–2020年236个海陆风日特征数据集，并利用Himawari-8影像上海风锋形成的积云线识别了海风锋推进的动态过程。然后，通过24个典型海陆风日不同城市化场景下（1990、2005和2016年）WRF（weather research and forecasting）模式的敏感性实验，发现由于城市发展的时空不均性性（时间上1990–2005年发展快于2005–2016年，空间上城市北面发展快于南面）导致海风锋推进距离的降低1990–2005年（4.1–6.3 km/10年）大于2005–2016年（0.3–2.1 km/10年），东南支海风锋的最大推进距离比东北支海风锋多15.8–18.9 km。进一步，利用基于虚拟变量的多元回归模型定量了城市热力作用（热岛）和动力作用（粗糙度）对海风锋推进距离的贡献，发现城市热岛在海风锋穿过城市的不同阶段会表现出不同的作用模式，而粗糙度在整个过程都体现了对海风锋的阻碍作用，在城市不均匀扩张中，城市下垫面热力和动力作用的时空不均性导致了海风锋推进距离的差异。前人以不同城市为研究对象得出城市化会增加或减少海风锋推进距离的不同结论，可归因于不同城市下垫面的热力和动力作用对海风贡献的差异。最后，通过分析海风锋时空演变特征与大气污染的相互关系，发现了海风锋在城市范围内对大气污染物具有富集的作用，海风锋离开城市后大气污染会减轻；进一步，评价了沿海城市风道规划建设的有效性。本研究所揭示的三角洲地区城市化进程中海风锋特征变化及其影响机制可成为利用自然气候条件优化城市人居环境的理论基础，有助于城市高质量发展，建设资源节约、环境友好的可持续生态城市。