城市热岛效应对气溶胶形成和分布的影响机制研究

Fast growing of economy and urban expansion in China, on one hand, result in an increase of urban heat island (UHI) effects, which change circulation structures, moist and thermal distributions over the urban area, and hence influence cloud and precipitation formation; on the other hand, increase the emission of air pollutant and form combined air pollution over China. UHI may have impacts on aerosol formation, distribution and evolution processes by changing atmospheric chemical reaction condition and air pollutant distribution. However, there is a lack of study on aerosol vertical distribution and formation in the urban boundary layer and how it is influenced by UHI effects. In this study, take typical city of the Yangtze River Delta (YRD), for example. The impact of urban land surface forcing on boundary layer thermal and dynamical processes will be investigated by using WRF model coupled with a multilayer urban canopy model. And using aerosol sounding data and air quality model CMAQ to investigate aerosol vertical distribution and influence mechanisms over the typical city in the YRD region. Quantify the contribution of emissions from the city and its surroundings to aerosol concentration by using integrated source apportionment method. And the process analysis technique is used to calculate the impact of meteorological condition and atmospheric chemical reaction condition, which changed by UHI, on transport, diffusion, formation and dry/wet deposition process of aerosol and its precursors.

随着我国经济和城市化进程的迅速发展，一方面导致城市热岛效应日益明显，改变了城市上空的环流结构以及水汽和热量的分布，进而影响云和降水的形成；另一方面导致大气污染物排放加剧，形成了我国当前极其复杂的复合大气污染。城市热岛效应通过改变大气化学反应条件和大气污染物分布可能对气溶胶粒子的形成、分布和变化等物理化学过程产生复杂的作用。目前国内外对城市边界层内气溶胶的垂直分布、形成过程与城市热岛效应之间关系的研究还比较欠缺。本研究以长三角典型城市为例，利用WRF多层城市冠层模式，讨论城市对大气边界层热力和动力过程的影响。并结合气溶胶探空资料和空气质量模式CMAQ，分析长三角典型城市气溶胶的垂直结构和影响机制。利用污染源解析技术量化城市及其周边地区的污染源对城市气溶胶的贡献。通过过程分析方法，计算城市热岛所引起的气象条件和大气化学反应条件的改变对气溶胶及其前体物的输送、扩散、生成以及干湿沉降等过程的影响。

随着我国城市化进程的飞速发展，一方面导致城市热岛效应日益明显，改变了城市上空的环流结构以及热量和水汽的分布；另一方面导致大气污染物排放加剧，形成了我国当前复杂的城市复合大气污染特征。国内外开展了大量关于城市热岛效应、城市大气污染物排放以及城市大气污染问题的研究，但多针对其中某一个方向。因此，本项目将城市热岛效应与城市大气污染问题结合起来，讨论了城市热岛效应是如何通过改变大气化学反应条件和大气污染物的分布特征来影响气溶胶粒子的形成、分布和变化的。本研究通过对杭州地区城市热岛的模拟研究发现午后热岛强度约1-2℃，夜间可达4℃以上。午后城市边界层中下层比湿比农田低1-2 g/kg，但由于城市热岛环流的作用，城市近地面水汽向高空输送明显强于农田，因此城市边界层中上部比湿比农田上空高1-2 g/kg。白天城市热岛效应使边界层中下层PM2.5浓度下降，因为热岛环流促进边界层中下层的PM2.5向高空输送。边界层上层PM2.5浓度增加，一方面，城市热岛环流加剧了近地面PM2.5向高空的直接输送；另一方面，因为城市热岛效应加剧了硝酸盐前体物NOX和氨盐前体物NH3向高空的输送，而高空较低的气温有利于NOX和NH3向硝酸盐和氨盐的转化。此外，本项目还讨论了长三角秋冬季PM2.5污染的主要成因并量化了各源区对长三角的贡献。研究发现冷空气南下是华北地区大气污染物向长三角输送的主要途径，占到长三角秋冬季污染次数的约70%，但通常对长三角造成的污染时间较短。长三角本地污染累积虽然次数较少但往往会持续较长时间，造成大范围污染。冷锋过境是华北对长三角近地面PM2.5的贡献可达29%，局地污染时只有14.5%。长三角本地贡献在冷锋过境时下降至35%，局地污染时可达61.5%。该结论为秋冬季长三角大气污染的防治提供了重要的决策依据。