南京细颗粒物对城市热岛强度的影响

吴昊,王体健,方欢,马亚平,韩永秋,黄澍,姚宇昂,史均清

(1.南京大学 大气科学学院,江苏 南京 210093;2.南京外国语学校,江苏 南京 210008)

南京细颗粒物对城市热岛强度的影响

吴昊1,王体健1,方欢1,马亚平1,韩永秋1,黄澍2,姚宇昂2,史均清2

(1.南京大学 大气科学学院,江苏 南京 210093;2.南京外国语学校,江苏 南京 210008)

随着城市化和工业化进程的加快,南京城市热岛效应显著,细颗粒物污染加剧,对大气环境、气候变化和人体健康产生重要影响。本文基于观测资料,分析了南京市不同颗粒物浓度水平下城市热岛强度的变化特征;利用光学特性模型OPAC(optical properties of aerosols and clouds model)和辐射传输模型TUV(troposphere ultraviolet-visible model)估计了气溶胶的光学厚度及辐射强迫;定量分析了细颗粒物对城市热岛强度的影响及其可能机制。结果表明:南京城市热岛强度范围为-0.5～1.3 K,冬季强于夏季。细颗粒物质量浓度范围为32～135 μg/m3,冬季高于夏季,城区和郊区差别不大;当大气中细颗粒物质量浓度较高时,城市热岛强度相对较弱;南京城郊气溶胶光学厚度变化范围为0.28～1.01,在地面产生的辐射强迫达-3.88～-4.72 W·m-2;由于城区和郊区下垫面、人为热、细颗粒物浓度水平的差异,造成城郊近地面降温的不同,导致细颗粒物对城市热岛强度的削弱,夏季减弱0.1 K,冬季减弱0.2 K。

城市热岛;气溶胶;细颗粒物;辐射强迫;南京

0 引言

南京是长江三角洲地区的重要城市之一。近年来,伴随着城市化和工业化进程的加快,南京市以细颗粒物为特征的大气污染日趋严重,城市热岛现象明显加强。

城市热岛可以用城市热岛(urban heat island,UHI)强度来度量,它被定义为城区温度减去郊区温度,即城郊温度差。城市热岛强度与下垫面粗糙度、地表反照率、人为热等多种因子有关,这些城乡之间的环境差异均对城市热岛效应有着不同程度的影响。

国内外关于城市热岛的研究工作很多,主要集中在城市热岛的强度及其时空变化特征。Peterson et al.(1999)研究了全球农村气温变化趋势,以区别城市热岛效应对全球增温的影响。Hughes and Balling (1996)研究了城市对南非气温变化趋势的影响。Jones et al.(1990)评估了城市化对大陆气温序列的影响。Weng and Yang(2004)根据城郊温度历史性的差异,分析城市发展对城市热岛效应的影响,发现城市下垫面的扩张对城市热岛强度和地表温度变化具有显著的影响。Lin et al.(2008)采用WRF模式对台北城市热岛效应进行研究,发现人为热对城市热岛效应与边界层特性有很大影响。Han and Baik(2008)使用线性数值模拟方法研究了城市热岛效应引起的能量循环与空气对流,认为城市热岛附近存在强降雨中心且对土壤沉降有影响。Giannaros et al.(2013)在WRF模式中耦合Noah陆面过程模型对城市热岛进行研究,认为城市热岛效应在夜间最强,白天较弱,太阳落山后有明显的峰值。邓莲堂等(2001)对上海市城市热岛的变化特征进行了初步分析,发现热岛强度日变化明显,存在24 h的主要周期和12 h的次周期,一般是夜间热岛强于白天;其季节变化亦较显著,秋冬季平均热岛强度较强,夏季较弱;热岛中心存在位置漂移现象。马玉霞等(2009)利用1956—2005年兰州市日平均气温、日最高气温和日最低气温资料,分析了兰州市50年城市热岛效应的变化,结果表明1956—2005年兰州市3种气温的城郊差均呈逐年上升趋势,最低气温的城郊差上升最明显。

气溶胶作为液态或固态微粒在空气中的悬浮体系,是大气的重要组成部分。城市化导致城市下垫面性质改变的同时,颗粒物浓度与成分也发生改变。当颗粒物含量较高时会造成空气污染现象,对边界层发展演变的影响越来越明显,并且对到达地面的太阳辐射产生影响,并改变地表能量平衡,使得近地面气温发生变化。王海啸(1991)通过对兰州市区和郊区大气温度廓线的比较,发现城市热岛效应使城市低层大气中上部的增温大于郊区,而下部则因污染物削弱了到达地面的太阳辐射,故增温小于郊区。王海啸(1993)认为城市烟雾层削弱了地面热通量,但增加了低层大气中上部的增温,从而增加了城市低层大气的稳定度。王海啸和陈长和(1994)的研究表明,烟雾层的全天辐射效应使低层大气上部辐射能量收入为正,中下部辐射能量收入为负,总的结果是使低层大气稍稍冷却并使稳定度增加。烟雾层造成的地面接收短波辐射能量的减少量可由大气逆辐射的增加量来补偿;烟雾层使得地面温度振幅变小。张强(2003)分析了兰州市城区大气边界层观测资料以及同期的污染物浓度监测资料、自动气象站观测资料和常规气象站辐射观测资料,发现大气中污染物对太阳辐射的吸收增温与白天大气逆温层之间有明显的正反馈机制,且这种反馈机制在白天大气逆温层的形成和发展过程中起主导作用。郑飞等(2006)研究了复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响,主要特征为:夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,使低空大气层冷却,风速减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,增温最大值在混合层顶500～600 m高度。陈燕(2007)的研究表明,重污染气象条件下出现长时间逆温现象,城市群的发展使得城市夜间的逆温强度增强,逆温持续时间增长。

由于城区、郊区的下垫面特性以及细颗粒物种类和浓度存在明显差异,气溶胶导致的辐射强迫会引起城郊气温的不同变化,从而可能对城市热岛强度产生影响。本文以南京为例,利用观测资料分析细颗粒物浓度与城市热岛强度的变化特征及其相互关系,通过数值模型计算气溶胶的光学厚度和辐射强迫,进一步借助地表能量平衡方程定量研究细颗粒物对热岛强度的影响。

1 资料与模式

1.1 数据来源

气温观测资料来自江苏省气象信息共享平台(http://218.94.36.199:5050),时限为2011年1—12月,以北极阁测站(118°48′37″E,31°59′59″N)的气温数据作为城区温度代表,浦口测站(118°36′7″E,32°24′5″N)的气温数据作为郊区温度代表,时间分辨率均为1 h。北极阁测站海拔高度约65 m,利用多元大气温度—高度公式(温度直减率为-0.65 ℃/(100 m))对测站数据进行校正。

细颗粒物(PM2.5)质量浓度数据来自南京市环境监测中心草场门测点(118°44′55″E,32°3′26″N)和浦口测点(118°37′32″E,32°5′16″N),时间分辨率均1 h。根据PM2.5质量浓度划分不同污染程度,其中25～50 μg/m3为轻微污染,50～75 μg/m3为中度污染,大于75 μg/m3为重度污染。

1.2 气溶胶光学厚度和辐射强迫

利用OPAC模型(optical properties of aerosols and clouds model)计算气溶胶光学厚度;利用TUV模型(troposphere ultraviolet-visible model)计算气溶胶在地面产生的辐射强迫。

1.2.1 OPAC模型

OPAC模型用于计算云和气溶胶在不同光谱波段光学参数下的光学特性,适用于6种水云、3种冰云以及10种典型混合气溶胶。根据大气中的气溶胶成分,OPAC可计算其混合所形成的光学参数。OPAC需要输入的参数包括云或者气溶胶种类、混合层高度、相对湿度、光谱波段等。

1.2.2 TUV模型

TUV模型适用于计算波长范围在121～750 nm之间的光解系数、辐射强迫等参量,需要输入的参数见表1。TUV模型提供3种计算辐射的类型:1)总向下辐射;2)接收到的各方向光辐射通量;3)净辐射通量。

表1TUV模型输入参数

Table 1 Input parameters of TUV model

参数用途经纬度、日期、时间计算太阳高度角波长、高度格点输出某一波长或者高度的光学通量地表反照率、气压、柱含量计算光解系数光学厚度、单次散射反照率、不对称因子作为云和气溶胶的参量参与运算

1.3 地表能量平衡方程

在不考虑气溶胶的情况下,地表能量方程为

E+RN=QH+QE+QG。

(1)

其中:E为人为热;RN为净辐射通量;QH为感热通量;QE为潜热通量;QG为土壤热通量。净辐射通量RN是指短波辐射通量与长波辐射通量之和,可表示为RN=RS+RG。其中:RS表示太阳短波辐射通量;RG表示大气长波辐射通量与地面长波辐射通量之和。运用地表能量平衡方程(1),可计算不考虑气溶胶情况下城区和郊区的地表温度。

在考虑气溶胶的情况下,地表能量方程为

E+RF+RN=QH+QE+QG。

(2)

通过OPAC与TUV模型计算出气溶胶在地表的辐射强迫RF,进一步运用地表能量平衡方程(2)计算考虑气溶胶情况下城区和郊区的地表温度。

1.3.1 短波辐射

地表吸收的太阳短波辐射(RS)为

RS=(1-γC)(A1sinφ+A2)(1-B1NB2)。

(3)

参考Kasten and Czeplak(1980)关于天空总云量对太阳短波辐射通量的修正,地表吸收的短波辐射通量RS主要取决于地表反照率γC、天空的云量N以及太阳高度角φ,取常数A1=990 W·m-2、A2=30 W·m-2、B1=0.74、B2=3.4。

1.3.2 长波辐射

长波辐射由大气长波辐射和地面长波辐射组成。大气长波辐射为

(4)

其中:εr为大气比辐射率;C1=9.35×10-6K-2;C2=60 W·m-2,为经验常数。

地面长波辐射则是将地面视作黑体后由玻尔兹曼定律给出,

(5)

地面辐射温度TS难以获取,通过在近地面气温Tr处泰勒展开后获得,

(6)

其中CH为地面加热系数。

1.3.3 土壤热通量

当给定边界条件和初始土壤温度分布条件时,由土壤扩散方程可以获得土壤热通量。一般直接采用土壤热通量与地表净辐射的线性关系式(Holtslag and Van Ulden,1983),

QG=CRRN。

(7)

其中CR为经验参数。

1.3.4 潜热通量

潜热通量QE为

(8)

Van Ulden and Holtslag(1985)给出计算S的近似公式,

S=exp[0.055(Tr-279)]。

(9)

1.3.5 感热通量

感热通量QH表示为波恩比rBowen与潜热通量QE的乘积,

QH=rBowenQE。

(10)

图2 2011年南京PM2.5质量浓度和温度的逐月变化 a.郊区;b.城区Fig.2 Monthly variations of PM2.5 mass concentration and temperature in Nanjing in 2011 a.suburb district;b.urban district

2 结果与分析

2.1 观测资料分析

2.1.1 城市热岛强度

图1给出了2011年南京城市热岛强度的逐月变化。可见,南京城市热岛强度的变化范围为-0.5～1.3 K,呈现出明显的季节差异。冬季城郊温差大,城市热岛强度强。夏季城郊温差低,城市热岛效应弱,甚至出现城市冷岛现象。由于本研究采用北极阁测站的温度数据代表城市,该站气温除受到海拔高度影响外,一定的植被覆盖也会导致气温降低,导致其城市代表性受到一定的影响。到了冬季,植被凋零,北极阁测站与浦口测站之间的植被差异影响可以忽略,因而城市热岛更加明显。

图1 2011年南京城市热岛强度的逐月变化Fig.1 Monthly variation of urban heat island intesity in Nanjing in 2011

2.1.2 PM2.5质量浓度

图2给出了2011年城区和郊区PM2.5质量浓度和温度的逐月变化。可见,城区细颗粒物月均质量浓度范围为40～80 μg/m3,郊区细颗粒物质量浓度范围为30～70 μg/m3,冬季高于夏季。图2表明,气温与PM2.5质量浓度基本呈反相关关系。这是由于夏季气温高,大气层结较不稳定,垂直湍流发展旺盛,对细颗粒物的垂直扩散作用加强,导致近地面细颗粒质量浓度降低。此外,夏季降水频繁、降水量大,湿清除效率高也是导致PM2.5质量浓度低的一个重要原因。

2.1.3 城市热岛强度与PM2.5质量浓度的关系

图3给出了日、周、月、季四个不同时间尺度上、不同细颗粒物污染水平下南京城市热岛强度的变化特征。

图3 不同污染水平下城市热岛强度随时间的变化 a.季节变化;b.周变化;c.月变化;d.日变化Fig.3 Variation of urban heat island intensity under different pollution levels a.seasonal variation;b.weekly variation;c.monthly variation;d.daily variation

图3a给出了城市热岛强度的季节变化。可见,冬季城市热岛强度在一年之中最高,夏季城市热岛强度出现“低谷”,甚至出现城市冷岛现象。在轻微污染条件下,城市热岛强度在冬季约为1.3 K,夏季约为0.7 K;在高污染条件下,城市热岛强度在冬季为0.2 K,夏季为-0.1 K。

图3b反映了城市热岛强度的周变化特征。可见,城市热岛强度在一周内并没有出现剧烈变化的现象,周一到周四稳定在1.1 K左右,周五出现城市热岛强度的小峰值,周六城市热岛强度达到最低,周日略有上升。

图3c表明城市热岛强度月变化明显。城市热岛强度在2月、3月达到一年之中高值,进入5月后城市热岛强度明显减弱,在8月达到了一年之中低值,出现了城市冷岛现象。9月起,城市热岛强度又开始增强,在12月出现峰值。

图3d反映出城市热岛强度具有明显的日变化特征。一般在18时后开始明显增强,凌晨维持高值,凌晨04时至早晨08时达到一天中的最大值,午后直至18时达到一天中的低谷。这是由于城区与郊区的下垫面性质不同,导致储热能力存在差别,太阳落山后地表主要以放热为主,城区温度下降慢,郊区温度下降快,城市热岛强度加大。

可见,城市热岛强度与空气污染程度有关,轻微污染条件下最强,中等污染条件下次之,重度污染条件下最弱。当PM2.5质量浓度较高时,城市热岛强度较小,表明细颗粒物质量浓度对城市热岛强度具有一定的削弱作用。

南京草场门和浦口测站PM2.5数据的统计结果见表2。可以看出,冬季细颗粒物质量浓度明显高于夏季,但城区与郊区的细颗粒物质量浓度相差不大。

表2南京城区与郊区PM2.5质量浓度

Table 2 PM2.5mass concentration in urban and suburb of Nanjing μg/m3

夏季冬季城区31.6134.8郊区44.9129.5

2.2 气溶胶光学厚度和辐射强迫

2.2.1 PM2.5质量浓度和光学厚度

利用上述PM2.5质量浓度数据,运用OPAC模型计算了气溶胶光学厚度(表3),南京城郊气溶胶光学厚度变化范围为0.28～1.01,冬季高于夏季,城郊差别不大,与PM2.5质量浓度的变化规律基本一致。

表3南京城区与郊区气溶胶光学厚度

Table 3 Aerosol optical depth in urban and suburb of Nanjing

夏季冬季城区0.281.01郊区0.310.85

2.2.2 辐射强迫

基于上述计算的气溶胶光学厚度,利用TUV模型计算了城郊气溶胶在地面产生的辐射强迫,夏季与冬季的计算结果见表4。可见,气溶胶在地面产生的辐射强迫为-3.88～-4.72 W·m-2,冬季强于夏季,城郊差异不大。

表4南京城区与郊区气溶胶造成的辐射强迫

Table 4 Radiative forcing of aerosols in urban and suburb of Nanjing W·m-2

夏季冬季城区-3.88-4.72郊区-3.91-4.60

2.3 气溶胶对城市热岛强度的影响

2.3.1 考虑与不考虑气溶胶对城市热岛的影响

利用公式(1)和(2),分别计算考虑和不考虑气溶胶两种情况下,地表能量各分量达到平衡时的城市和郊区近地面气温,从而得到城市热岛强度。计算所用的主要参数见表5;计算结果见表6。

计算结果表明,无气溶胶存在情况下,夏季城市热岛强度为0.9 K,冬季为1.4 K;存在气溶胶的情况下,夏季城市热岛强度为0.8 K,冬季变为1.2 K;在气溶胶影响下,城市热岛强度有所减弱,夏季减弱0.1 K,冬季减弱0.2 K,该计算结果与第2.1.3节的观测结果一致。可见,气溶胶辐射强迫对城市热岛强度存在一定影响,表现为气溶胶的存在使得城市热岛强度有所减弱,且冬季强于夏季。

表5南京城、郊冬夏下垫面特征参数表

Table 5 Underlying surface parameters of urban and suburb of Nanjing in summer and winter

波恩比粗糙度/m地表反照率夏季城区2.001.000.14夏季郊区1.950.200.19冬季城区0.701.000.35冬季郊区0.850.010.60

表6夏季和冬季有无气溶胶情况下的热岛强度

Table 6 Urban heat island intesity with or without aerosols in summer and winter K

城区温度郊区温度城市热岛强度夏季无气溶胶310.0309.10.9夏季有气溶胶310.4309.60.8冬季无气溶胶271.8269.41.4冬季有气溶胶273.3272.11.2

2.3.2 城市热岛强度随污染水平的变化

上述研究表明,细颗粒物污染可以在一定程度上影响城市热岛强度的大小。为了定量研究不同颗粒物浓度水平对城市热岛效应的影响,定义一个变量“污染系数”,该系数为变化辐射强迫与基准辐射强迫之比,以第2.3.1节中计算的辐射强迫为基准辐射强迫1。通过改变辐射强迫反映细颗粒物污染程度的变化,设定污染系数变动范围为0～2。将变化的辐射强迫引入地表能量平衡方程,计算得到不同细颗粒物污染水平下的城市热岛强度(图4)。计算结果表明,随颗粒物污染水平的增高,城市热岛强度基本呈线性减弱,且同等污染水平下,夏季城市热岛强度小于冬季。

图4 南京城市热岛强度与细颗粒物污染系数的关系Fig.4 The relationship between urban heat island and fine particulate matter pollution coefficient in Nanjing

3 结论

本文采用资料分析和模型计算相结合的方法,研究了南京城市热岛强度和细颗粒物质量浓度的变化特征,并分析了细颗粒物对城市热岛强度的可能影响,得到以下主要结论:

1)南京城市热岛强度范围为-0.5～1.3 K,冬季强于夏季。细颗粒物浓度水平范围为32～135 μg/m3,冬季高于夏季,城郊差别不大。

2)南京城郊气溶胶光学厚度一般为0.28～1.01,由此产生的辐射强迫为-3.88～-4.72 W·m-2。

3)当大气中细颗粒物含量较高时,城市热岛强度较弱。细颗粒物对城市热岛强度起到一定的削弱作用,冬季削弱程度大于夏季。

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(责任编辑：倪东鸿)

ImpactsofaerosolontheurbanheatislandintensityinNanjing

WU Hao1,WANG Ti-jian1,FANG Huan1,MA Ya-ping1,HAN Yong-qiu1,HUANG Shu2,YAO Yu-ang2,SHI Jun-qing2

(1.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China;2.Nanjing Foreign Language School,Nanjing 210008,China)

With the rapid development of the urbanization and industrialization,heat island effect in Nanjing has been more striking.The air pollution of particulate matters has a bad impact on the atmospheric environment,climate change and citizens.This paper analyses variation characteristics of heat island intensity under different particulate matters concentration levels with the observations in Nanjing.The OPAC(optical properties of aerosols and clouds) and TUV(troposphere ultraviolet-visible) models are used to calculate optical thickness and radiation forcing of aerosols as well as study the physical mechanism of the aerosols affecting the heat island intensity.The heat island intensity of Nanjing,which is stronger in winter than in summer,changes between -0.5 K and 1.3 K.The fine particle mass concentration ranges from 32 to 135 μg/m3,which is higher in winter than in summer.The aerosols have an extinction effect on the heat island.The higher aerosols mass concentration,the lower heat island intensity.There is an apparent difference in different seasons.The optical thickness of aerosols in the suburb in Nanjing changes between 0.28 and 1.01 and the radiation forcing ranges from -3.88 W·m-2to -4.72 W·m-2.Due to the differences of underlying surface,anthropogenic heat and particulate matter concentration,the surface temperature declines differently in urban and rural area.In general,the particulate matter weakens the urban heat island as 0.1 K in summer and 0.2 K in winter.

urban heat island;aerosol;fine particle;radiation forcing;Nanjing

2013-07-30;改回日期2014-03-25

大学生本科创新计划;国家重点基础研究发展计划项目(2010CB428503);国家人才培养基金资助项目(J1103410)

王体健,博士,教授,博士生导师,研究方向为大气物理与大气化学,tjwang@nju.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130730001.

1674-7097(2014)04-0425-07

X513

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130730001

吴昊,王体健,方欢，等.2014.南京细颗粒物对城市热岛强度的影响[J].大气科学学报,37(4):425-431.

Wu Hao,Wang Ti-jian,Fang Huan,et al.2014.Impacts of aerosol on the urban heat island intensity in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,37(4):425-431.(in Chinese)