南京細顆粒物對城市熱島強度的影響

吳昊,王體健,方歡,馬亞平,韓永秋,黃澍,姚宇昂,史均清

(1.南京大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210093;2.南京外國語學校,江蘇 南京 210008)

南京細顆粒物對城市熱島強度的影響

吳昊1,王體健1,方歡1,馬亞平1,韓永秋1,黃澍2,姚宇昂2,史均清2

(1.南京大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210093;2.南京外國語學校,江蘇 南京 210008)

隨著城市化和工業(yè)化進程的加快,南京城市熱島效應顯著,細顆粒物污染加劇,對大氣環(huán)境、氣候變化和人體健康產(chǎn)生重要影響。本文基于觀測資料,分析了南京市不同顆粒物濃度水平下城市熱島強度的變化特征;利用光學特性模型OPAC(optical properties of aerosols and clouds model)和輻射傳輸模型TUV(troposphere ultraviolet-visible model)估計了氣溶膠的光學厚度及輻射強迫;定量分析了細顆粒物對城市熱島強度的影響及其可能機制。結(jié)果表明:南京城市熱島強度范圍為-0.5～1.3 K,冬季強于夏季。細顆粒物質(zhì)量濃度范圍為32～135 μg/m3,冬季高于夏季,城區(qū)和郊區(qū)差別不大;當大氣中細顆粒物質(zhì)量濃度較高時,城市熱島強度相對較弱;南京城郊氣溶膠光學厚度變化范圍為0.28～1.01,在地面產(chǎn)生的輻射強迫達-3.88～-4.72 W·m-2;由于城區(qū)和郊區(qū)下墊面、人為熱、細顆粒物濃度水平的差異,造成城郊近地面降溫的不同,導致細顆粒物對城市熱島強度的削弱,夏季減弱0.1 K,冬季減弱0.2 K。

城市熱島;氣溶膠;細顆粒物;輻射強迫;南京

0 引言

南京是長江三角洲地區(qū)的重要城市之一。近年來,伴隨著城市化和工業(yè)化進程的加快,南京市以細顆粒物為特征的大氣污染日趨嚴重,城市熱島現(xiàn)象明顯加強。

城市熱島可以用城市熱島(urban heat island,UHI)強度來度量,它被定義為城區(qū)溫度減去郊區(qū)溫度,即城郊溫度差。城市熱島強度與下墊面粗糙度、地表反照率、人為熱等多種因子有關,這些城鄉(xiāng)之間的環(huán)境差異均對城市熱島效應有著不同程度的影響。

國內(nèi)外關于城市熱島的研究工作很多,主要集中在城市熱島的強度及其時空變化特征。Peterson et al.(1999)研究了全球農(nóng)村氣溫變化趨勢,以區(qū)別城市熱島效應對全球增溫的影響。Hughes and Balling (1996)研究了城市對南非氣溫變化趨勢的影響。Jones et al.(1990)評估了城市化對大陸氣溫序列的影響。Weng and Yang(2004)根據(jù)城郊溫度歷史性的差異,分析城市發(fā)展對城市熱島效應的影響,發(fā)現(xiàn)城市下墊面的擴張對城市熱島強度和地表溫度變化具有顯著的影響。Lin et al.(2008)采用WRF模式對臺北城市熱島效應進行研究,發(fā)現(xiàn)人為熱對城市熱島效應與邊界層特性有很大影響。Han and Baik(2008)使用線性數(shù)值模擬方法研究了城市熱島效應引起的能量循環(huán)與空氣對流,認為城市熱島附近存在強降雨中心且對土壤沉降有影響。Giannaros et al.(2013)在WRF模式中耦合Noah陸面過程模型對城市熱島進行研究,認為城市熱島效應在夜間最強,白天較弱,太陽落山后有明顯的峰值。鄧蓮堂等(2001)對上海市城市熱島的變化特征進行了初步分析,發(fā)現(xiàn)熱島強度日變化明顯,存在24 h的主要周期和12 h的次周期,一般是夜間熱島強于白天;其季節(jié)變化亦較顯著,秋冬季平均熱島強度較強,夏季較弱;熱島中心存在位置漂移現(xiàn)象。馬玉霞等(2009)利用1956—2005年蘭州市日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫資料,分析了蘭州市50年城市熱島效應的變化,結(jié)果表明1956—2005年蘭州市3種氣溫的城郊差均呈逐年上升趨勢,最低氣溫的城郊差上升最明顯。

氣溶膠作為液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系,是大氣的重要組成部分。城市化導致城市下墊面性質(zhì)改變的同時,顆粒物濃度與成分也發(fā)生改變。當顆粒物含量較高時會造成空氣污染現(xiàn)象,對邊界層發(fā)展演變的影響越來越明顯,并且對到達地面的太陽輻射產(chǎn)生影響,并改變地表能量平衡,使得近地面氣溫發(fā)生變化。王海嘯(1991)通過對蘭州市區(qū)和郊區(qū)大氣溫度廓線的比較,發(fā)現(xiàn)城市熱島效應使城市低層大氣中上部的增溫大于郊區(qū),而下部則因污染物削弱了到達地面的太陽輻射,故增溫小于郊區(qū)。王海嘯(1993)認為城市煙霧層削弱了地面熱通量,但增加了低層大氣中上部的增溫,從而增加了城市低層大氣的穩(wěn)定度。王海嘯和陳長和(1994)的研究表明,煙霧層的全天輻射效應使低層大氣上部輻射能量收入為正,中下部輻射能量收入為負,總的結(jié)果是使低層大氣稍稍冷卻并使穩(wěn)定度增加。煙霧層造成的地面接收短波輻射能量的減少量可由大氣逆輻射的增加量來補償;煙霧層使得地面溫度振幅變小。張強(2003)分析了蘭州市城區(qū)大氣邊界層觀測資料以及同期的污染物濃度監(jiān)測資料、自動氣象站觀測資料和常規(guī)氣象站輻射觀測資料,發(fā)現(xiàn)大氣中污染物對太陽輻射的吸收增溫與白天大氣逆溫層之間有明顯的正反饋機制,且這種反饋機制在白天大氣逆溫層的形成和發(fā)展過程中起主導作用。鄭飛等(2006)研究了復雜地形城市冬季邊界層對氣溶膠輻射效應的響應,揭示了冬季氣溶膠輻射效應對邊界層結(jié)構(gòu)的定量影響,主要特征為:夜間氣溶膠的長波輻射效應使地面附近的氣溫增高,使低空大氣層冷卻,風速減小;白天氣溶膠的短波輻射效應使地面層內(nèi)明顯增溫,增溫最大值在混合層頂500～600 m高度。陳燕(2007)的研究表明,重污染氣象條件下出現(xiàn)長時間逆溫現(xiàn)象,城市群的發(fā)展使得城市夜間的逆溫強度增強,逆溫持續(xù)時間增長。

由于城區(qū)、郊區(qū)的下墊面特性以及細顆粒物種類和濃度存在明顯差異,氣溶膠導致的輻射強迫會引起城郊氣溫的不同變化,從而可能對城市熱島強度產(chǎn)生影響。本文以南京為例,利用觀測資料分析細顆粒物濃度與城市熱島強度的變化特征及其相互關系,通過數(shù)值模型計算氣溶膠的光學厚度和輻射強迫,進一步借助地表能量平衡方程定量研究細顆粒物對熱島強度的影響。

1 資料與模式

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣溫觀測資料來自江蘇省氣象信息共享平臺(http://218.94.36.199:5050),時限為2011年1—12月,以北極閣測站(118°48′37″E,31°59′59″N)的氣溫數(shù)據(jù)作為城區(qū)溫度代表,浦口測站(118°36′7″E,32°24′5″N)的氣溫數(shù)據(jù)作為郊區(qū)溫度代表,時間分辨率均為1 h。北極閣測站海拔高度約65 m,利用多元大氣溫度—高度公式(溫度直減率為-0.65 ℃/(100 m))對測站數(shù)據(jù)進行校正。

細顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自南京市環(huán)境監(jiān)測中心草場門測點(118°44′55″E,32°3′26″N)和浦口測點(118°37′32″E,32°5′16″N),時間分辨率均1 h。根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度劃分不同污染程度,其中25～50 μg/m3為輕微污染,50～75 μg/m3為中度污染,大于75 μg/m3為重度污染。

1.2 氣溶膠光學厚度和輻射強迫

利用OPAC模型(optical properties of aerosols and clouds model)計算氣溶膠光學厚度;利用TUV模型(troposphere ultraviolet-visible model)計算氣溶膠在地面產(chǎn)生的輻射強迫。

1.2.1 OPAC模型

OPAC模型用于計算云和氣溶膠在不同光譜波段光學參數(shù)下的光學特性,適用于6種水云、3種冰云以及10種典型混合氣溶膠。根據(jù)大氣中的氣溶膠成分,OPAC可計算其混合所形成的光學參數(shù)。OPAC需要輸入的參數(shù)包括云或者氣溶膠種類、混合層高度、相對濕度、光譜波段等。

1.2.2 TUV模型

TUV模型適用于計算波長范圍在121～750 nm之間的光解系數(shù)、輻射強迫等參量,需要輸入的參數(shù)見表1。TUV模型提供3種計算輻射的類型:1)總向下輻射;2)接收到的各方向光輻射通量;3)凈輻射通量。

表1TUV模型輸入?yún)?shù)

Table 1 Input parameters of TUV model

參數(shù)用途經(jīng)緯度、日期、時間計算太陽高度角波長、高度格點輸出某一波長或者高度的光學通量地表反照率、氣壓、柱含量計算光解系數(shù)光學厚度、單次散射反照率、不對稱因子作為云和氣溶膠的參量參與運算

1.3 地表能量平衡方程

在不考慮氣溶膠的情況下,地表能量方程為

E+RN=QH+QE+QG。

(1)

其中:E為人為熱;RN為凈輻射通量;QH為感熱通量;QE為潛熱通量;QG為土壤熱通量。凈輻射通量RN是指短波輻射通量與長波輻射通量之和,可表示為RN=RS+RG。其中:RS表示太陽短波輻射通量;RG表示大氣長波輻射通量與地面長波輻射通量之和。運用地表能量平衡方程(1),可計算不考慮氣溶膠情況下城區(qū)和郊區(qū)的地表溫度。

在考慮氣溶膠的情況下,地表能量方程為

E+RF+RN=QH+QE+QG。

(2)

通過OPAC與TUV模型計算出氣溶膠在地表的輻射強迫RF,進一步運用地表能量平衡方程(2)計算考慮氣溶膠情況下城區(qū)和郊區(qū)的地表溫度。

1.3.1 短波輻射

地表吸收的太陽短波輻射(RS)為

RS=(1-γC)(A1sinφ+A2)(1-B1NB2)。

(3)

參考Kasten and Czeplak(1980)關于天空總云量對太陽短波輻射通量的修正,地表吸收的短波輻射通量RS主要取決于地表反照率γC、天空的云量N以及太陽高度角φ,取常數(shù)A1=990 W·m-2、A2=30 W·m-2、B1=0.74、B2=3.4。

1.3.2 長波輻射

長波輻射由大氣長波輻射和地面長波輻射組成。大氣長波輻射為

(4)

其中:εr為大氣比輻射率;C1=9.35×10-6K-2;C2=60 W·m-2,為經(jīng)驗常數(shù)。

地面長波輻射則是將地面視作黑體后由玻爾茲曼定律給出,

(5)

地面輻射溫度TS難以獲取,通過在近地面氣溫Tr處泰勒展開后獲得,

(6)

其中CH為地面加熱系數(shù)。

1.3.3 土壤熱通量

當給定邊界條件和初始土壤溫度分布條件時,由土壤擴散方程可以獲得土壤熱通量。一般直接采用土壤熱通量與地表凈輻射的線性關系式(Holtslag and Van Ulden,1983),

QG=CRRN。

(7)

其中CR為經(jīng)驗參數(shù)。

1.3.4 潛熱通量

潛熱通量QE為

(8)

Van Ulden and Holtslag(1985)給出計算S的近似公式,

S=exp[0.055(Tr-279)]。

(9)

1.3.5 感熱通量

感熱通量QH表示為波恩比rBowen與潛熱通量QE的乘積,

QH=rBowenQE。

(10)

圖2 2011年南京PM2.5質(zhì)量濃度和溫度的逐月變化 a.郊區(qū);b.城區(qū)Fig.2 Monthly variations of PM2.5 mass concentration and temperature in Nanjing in 2011 a.suburb district;b.urban district

2 結(jié)果與分析

2.1 觀測資料分析

2.1.1 城市熱島強度

圖1給出了2011年南京城市熱島強度的逐月變化。可見,南京城市熱島強度的變化范圍為-0.5～1.3 K,呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異。冬季城郊溫差大,城市熱島強度強。夏季城郊溫差低,城市熱島效應弱,甚至出現(xiàn)城市冷島現(xiàn)象。由于本研究采用北極閣測站的溫度數(shù)據(jù)代表城市,該站氣溫除受到海拔高度影響外,一定的植被覆蓋也會導致氣溫降低,導致其城市代表性受到一定的影響。到了冬季,植被凋零,北極閣測站與浦口測站之間的植被差異影響可以忽略,因而城市熱島更加明顯。

圖1 2011年南京城市熱島強度的逐月變化Fig.1 Monthly variation of urban heat island intesity in Nanjing in 2011

2.1.2 PM2.5質(zhì)量濃度

圖2給出了2011年城區(qū)和郊區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度和溫度的逐月變化?？梢?城區(qū)細顆粒物月均質(zhì)量濃度范圍為40～80 μg/m3,郊區(qū)細顆粒物質(zhì)量濃度范圍為30～70 μg/m3,冬季高于夏季。圖2表明,氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度基本呈反相關關系。這是由于夏季氣溫高,大氣層結(jié)較不穩(wěn)定,垂直湍流發(fā)展旺盛,對細顆粒物的垂直擴散作用加強,導致近地面細顆粒質(zhì)量濃度降低。此外,夏季降水頻繁、降水量大,濕清除效率高也是導致PM2.5質(zhì)量濃度低的一個重要原因。

2.1.3 城市熱島強度與PM2.5質(zhì)量濃度的關系

圖3給出了日、周、月、季四個不同時間尺度上、不同細顆粒物污染水平下南京城市熱島強度的變化特征。

圖3 不同污染水平下城市熱島強度隨時間的變化 a.季節(jié)變化;b.周變化;c.月變化;d.日變化Fig.3 Variation of urban heat island intensity under different pollution levels a.seasonal variation;b.weekly variation;c.monthly variation;d.daily variation

圖3a給出了城市熱島強度的季節(jié)變化?？梢?冬季城市熱島強度在一年之中最高,夏季城市熱島強度出現(xiàn)“低谷”,甚至出現(xiàn)城市冷島現(xiàn)象。在輕微污染條件下,城市熱島強度在冬季約為1.3 K,夏季約為0.7 K;在高污染條件下,城市熱島強度在冬季為0.2 K,夏季為-0.1 K。

圖3b反映了城市熱島強度的周變化特征?？梢?城市熱島強度在一周內(nèi)并沒有出現(xiàn)劇烈變化的現(xiàn)象,周一到周四穩(wěn)定在1.1 K左右,周五出現(xiàn)城市熱島強度的小峰值,周六城市熱島強度達到最低,周日略有上升。

圖3c表明城市熱島強度月變化明顯。城市熱島強度在2月、3月達到一年之中高值,進入5月后城市熱島強度明顯減弱,在8月達到了一年之中低值,出現(xiàn)了城市冷島現(xiàn)象。9月起,城市熱島強度又開始增強,在12月出現(xiàn)峰值。

圖3d反映出城市熱島強度具有明顯的日變化特征。一般在18時后開始明顯增強,凌晨維持高值,凌晨04時至早晨08時達到一天中的最大值,午后直至18時達到一天中的低谷。這是由于城區(qū)與郊區(qū)的下墊面性質(zhì)不同,導致儲熱能力存在差別,太陽落山后地表主要以放熱為主,城區(qū)溫度下降慢,郊區(qū)溫度下降快,城市熱島強度加大。

可見,城市熱島強度與空氣污染程度有關,輕微污染條件下最強,中等污染條件下次之,重度污染條件下最弱。當PM2.5質(zhì)量濃度較高時,城市熱島強度較小,表明細顆粒物質(zhì)量濃度對城市熱島強度具有一定的削弱作用。

南京草場門和浦口測站PM2.5數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表2?？梢钥闯?冬季細顆粒物質(zhì)量濃度明顯高于夏季,但城區(qū)與郊區(qū)的細顆粒物質(zhì)量濃度相差不大。

表2南京城區(qū)與郊區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度

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

夏季冬季城區(qū)31.6134.8郊區(qū)44.9129.5

2.2 氣溶膠光學厚度和輻射強迫

2.2.1 PM2.5質(zhì)量濃度和光學厚度

利用上述PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),運用OPAC模型計算了氣溶膠光學厚度(表3),南京城郊氣溶膠光學厚度變化范圍為0.28～1.01,冬季高于夏季,城郊差別不大,與PM2.5質(zhì)量濃度的變化規(guī)律基本一致。

表3南京城區(qū)與郊區(qū)氣溶膠光學厚度

Table 3 Aerosol optical depth in urban and suburb of Nanjing

夏季冬季城區(qū)0.281.01郊區(qū)0.310.85

2.2.2 輻射強迫

基于上述計算的氣溶膠光學厚度,利用TUV模型計算了城郊氣溶膠在地面產(chǎn)生的輻射強迫,夏季與冬季的計算結(jié)果見表4?？梢?氣溶膠在地面產(chǎn)生的輻射強迫為-3.88～-4.72 W·m-2,冬季強于夏季,城郊差異不大。

表4南京城區(qū)與郊區(qū)氣溶膠造成的輻射強迫

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

夏季冬季城區(qū)-3.88-4.72郊區(qū)-3.91-4.60

2.3 氣溶膠對城市熱島強度的影響

2.3.1 考慮與不考慮氣溶膠對城市熱島的影響

利用公式(1)和(2),分別計算考慮和不考慮氣溶膠兩種情況下,地表能量各分量達到平衡時的城市和郊區(qū)近地面氣溫,從而得到城市熱島強度。計算所用的主要參數(shù)見表5;計算結(jié)果見表6。

計算結(jié)果表明,無氣溶膠存在情況下,夏季城市熱島強度為0.9 K,冬季為1.4 K;存在氣溶膠的情況下,夏季城市熱島強度為0.8 K,冬季變?yōu)?.2 K;在氣溶膠影響下,城市熱島強度有所減弱,夏季減弱0.1 K,冬季減弱0.2 K,該計算結(jié)果與第2.1.3節(jié)的觀測結(jié)果一致?？梢?氣溶膠輻射強迫對城市熱島強度存在一定影響,表現(xiàn)為氣溶膠的存在使得城市熱島強度有所減弱,且冬季強于夏季。

表5南京城、郊冬夏下墊面特征參數(shù)表

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

波恩比粗糙度/m地表反照率夏季城區(qū)2.001.000.14夏季郊區(qū)1.950.200.19冬季城區(qū)0.701.000.35冬季郊區(qū)0.850.010.60

表6夏季和冬季有無氣溶膠情況下的熱島強度

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

城區(qū)溫度郊區(qū)溫度城市熱島強度夏季無氣溶膠310.0309.10.9夏季有氣溶膠310.4309.60.8冬季無氣溶膠271.8269.41.4冬季有氣溶膠273.3272.11.2

2.3.2 城市熱島強度隨污染水平的變化

上述研究表明,細顆粒物污染可以在一定程度上影響城市熱島強度的大小。為了定量研究不同顆粒物濃度水平對城市熱島效應的影響,定義一個變量“污染系數(shù)”,該系數(shù)為變化輻射強迫與基準輻射強迫之比,以第2.3.1節(jié)中計算的輻射強迫為基準輻射強迫1。通過改變輻射強迫反映細顆粒物污染程度的變化,設定污染系數(shù)變動范圍為0～2。將變化的輻射強迫引入地表能量平衡方程,計算得到不同細顆粒物污染水平下的城市熱島強度(圖4)。計算結(jié)果表明,隨顆粒物污染水平的增高,城市熱島強度基本呈線性減弱,且同等污染水平下,夏季城市熱島強度小于冬季。

圖4 南京城市熱島強度與細顆粒物污染系數(shù)的關系Fig.4 The relationship between urban heat island and fine particulate matter pollution coefficient in Nanjing

3 結(jié)論

本文采用資料分析和模型計算相結(jié)合的方法,研究了南京城市熱島強度和細顆粒物質(zhì)量濃度的變化特征,并分析了細顆粒物對城市熱島強度的可能影響,得到以下主要結(jié)論:

1)南京城市熱島強度范圍為-0.5～1.3 K,冬季強于夏季。細顆粒物濃度水平范圍為32～135 μg/m3,冬季高于夏季,城郊差別不大。

2)南京城郊氣溶膠光學厚度一般為0.28～1.01,由此產(chǎn)生的輻射強迫為-3.88～-4.72 W·m-2。

3)當大氣中細顆粒物含量較高時,城市熱島強度較弱。細顆粒物對城市熱島強度起到一定的削弱作用,冬季削弱程度大于夏季。

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(責任編輯：倪東鴻)

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

大學生本科創(chuàng)新計劃;國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2010CB428503);國家人才培養(yǎng)基金資助項目(J1103410)

王體健,博士,教授,博士生導師,研究方向為大氣物理與大氣化學,tjwang@nju.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130730001.

1674-7097(2014)04-0425-07

X513

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130730001

吳昊,王體健,方歡，等.2014.南京細顆粒物對城市熱島強度的影響[J].大氣科學學報,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)