粤港澳大湾区气溶胶辐射效应对城市热岛影响机制研究

As the most uncertain factor in the global climate change study, the aerosol radiative effects have become a hot topic in the urban heat island (UHI) research in recent years. Most of the existing research results are about the influences of aerosol direct radiative effect on UHI, and less is about the influences of aerosol indirect radiative effect. Taking the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area (GHMGBA) as an example, the project focuses on the hot social issue about the GHMGBA construction, and the frontier scientific issue of the UHI research. Firstly, the temporal and spatial evolutions of UHI intensity and aerosol optical depth (AOD) in recent 15 years will be analyzed based on MODIS data, and the qualitative relationship between AOD and UHI intensity will be discussed with statistical methods. Secondly, the AOD data of MODIS、FY satellites and Himawari-8 is used to improve the initial field of WRF-Chem based on 3-dimensional variational data assimilation techniques. Thirdly, the influences of aerosol direct and indirect radiative effects on UHI will be numerically simulated with WRF-Chem in order to systematically explain the physical mechanism of the influences of aerosol radiative effects on the intensity and distribution of UHI. This project is expected to expand the existing research methods of UHI and provide decision support to the construction of GHMGBA.

作为全球气候变化研究中不确定性最大的因素，气溶胶的辐射效应成了近年来城市热岛研究的热点问题。现有研究成果主要侧重于气溶胶的直接辐射效应对城市热岛的影响，而关于气溶胶间接辐射效应对城市热岛影响的研究较少。本项目拟以粤港澳大湾区为例，面向大湾区优质生活圈建设的热点社会问题，立足于城市热岛研究的前沿科学问题，基于MODIS遥感资料分析近15年来研究区城市热岛强度和气溶胶光学厚度的时空演变特征及两者的相关性；利用三维变分同化技术将MODIS、FY系列、Himawari-8等多源卫星遥感数据与数值模式相结合，同化卫星遥感AOD数据以改进WRF-Chem初始场，研究气溶胶的直接辐射、间接辐射对城市热岛的影响，从现象到机理揭示气溶胶辐射效应对城市热岛效应的影响。其研究成果既是对城市热岛效应现有研究方法的有效拓展，亦可为将粤港澳大湾区建成绿色、宜居、宜业、宜游的世界级城市群提供决策支持。

以粤港澳大湾区为例，面向大湾区优质生活圈建设的热点社会问题，立足于城市热岛研究的前沿科学问题，本项目基于MODIS遥感资料分析近16年城市热岛强度和气溶胶光学厚度的时空演变特征及两者的相关性；利用三维变分同化技术将MODIS、Himawari-8等卫星遥感数据与数值模式相结合，同化卫星遥感AOD数据以改进WRF-Chem初始场，研究气溶胶辐射效应对城市热岛的影响。研究结果表明，2003―2018年粤港澳大湾区城市热岛强度呈波动上升趋势，夏季热岛强度最大，冬季热岛强度最小，多年平均最大月份为6月，多年平均最小月份为2月；气溶胶光学厚度呈波动下降趋势，春季气溶胶光学厚度最大，冬季气溶胶光学厚度最小，多年平均最大月份为4月，多年平均最小月份为11月。在年际和季节尺度，城市热岛强度与城区、郊区气溶胶光学厚度之差均呈弱的正相关。基于三维变分方法的同化试验结果表明，同化卫星遥感AOD数据可有效改善模式初始场，减小模式预报AOD值相对于太阳光度计观测AOD值的负偏差。从平均偏差、均方根误差来看，同化MODIS AOD和同化Himawari-8 AOD各具优势，MODIS AOD卫星观测时次少，获取数据量少，但数据精度相对较高，Himawari-8 AOD卫星观测时次多，获取数据量大，但数据精度相对较低，因此，两者分别同化后对模式的改进效果接近。同时同化MODIS AOD、Himawari-8 AOD产品，可以综合利用两者的优势，更好地提高同化分析场和预报场的数据精度。基于WRF-Chem的模拟试验表明，气溶胶总辐射效应导致白天地表向下短波辐射与长波辐射之和减少、地表温度降低，但城区地表温度变化量大于郊区，使得城市热岛强度减少。气溶胶总辐射效应对白天城市热岛强度的平均贡献率约为-9.08%，且在污染过程明显高于清洁过程，冬季明显高于夏季、秋季。气溶胶直接辐射效应使得白天到达地表短波辐射与长波辐射之和减少、地表温度降低，且城区地表辐射和地表温度变化量均大于郊区，使得城市热岛强度减小。气溶胶间接辐射效应同样使得白天到达地表短波辐射与长波辐射之和减少、地表温度降低，但城区地表辐射、地表温度变化量略小于郊区，使得城市热岛强度微弱增加。