城市熱島與氣溶膠交互影響的研究進展

韓美玥，馮曉剛，2，李鳳霞，2，周在輝，2，李萌，2

(1.西安建筑科技大學 建筑學院，西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑勘測研究所，西安 710055)

0 引言

城市熱島效應(urban heat island，UHI)是指城市溫度明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。它對區(qū)域乃至全球氣候變暖的負面影響已經(jīng)引起國內(nèi)外眾多學者的廣泛關(guān)注。伴隨全球持續(xù)變暖和快速城鎮(zhèn)化的雙重脅迫，城市人居熱生態(tài)環(huán)境面臨嚴峻挑戰(zhàn)，并由此引發(fā)一系列能源、生態(tài)安全、人身健康等問題，已經(jīng)成為構(gòu)建宜居、低碳可持續(xù)發(fā)展城市過程中亟待解決的難點和熱點問題之一。

氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)。研究表明，氣溶膠粒子對太陽輻射的吸收和散射作用對城市熱環(huán)境起著不可忽視的助推作用。城市氣溶膠狀態(tài)變化直接影響大氣物理的傳輸過程，導致城市熱島效應產(chǎn)生分異；城市熱島效應反作用于局部大氣，間接或直接影響大氣運動，甚至造成大氣逆溫等現(xiàn)象。我國南北氣候差異顯著，基本條件的復雜多樣為研究氣溶膠與熱島效應的定量交互影響帶來難度與挑戰(zhàn)。本文旨在通過總結(jié)城市熱島與氣溶膠交互影響的手段、方法、數(shù)據(jù)來源等，從時間、空間及條件等方面分析氣溶膠與城市熱島之間的研究進展與發(fā)展趨勢。

1 熱島效應與氣溶膠概述

1.1 城市熱島效應研究進展

19世紀Lake Howard記錄了倫敦市及郊區(qū)30年間的氣溫變化，這是學術(shù)界公認最早關(guān)于城市熱島效應的記載。1958年Manley[1]正式提出城市熱島效應的概念。梳理已有研究成果發(fā)現(xiàn)，當前城市熱島效應的研究主要集中在成因分析、觀測方法、時空演變、趨勢模擬及緩解對策等方面。表1歸納了近地表熱島和地表熱島在研究范圍、手段、數(shù)據(jù)源與方法上的異同；表2總結(jié)了目前城市熱島效應研究的主要方法與優(yōu)缺點。

表1 城市熱島效應研究范圍

表2 城市熱島效應研究方法

1.2 氣溶膠研究進展

Ramanathan等[2]于1999年首次發(fā)現(xiàn)亞洲大陸上空常籠罩著一層3 km厚的棕色氣溶膠云，并稱其為亞洲棕色云。我國把這種現(xiàn)象稱為灰霾天氣[3]。科學界普遍認為氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)顆粒。由于這些固態(tài)或液態(tài)顆粒的來源廣泛，導致觀測方法多樣。表3列出了氣溶膠常用的觀測方法、優(yōu)缺點及其應用范疇；表4梳理了目前主流的衛(wèi)星遙感進行氣溶膠定量反演的常用方法。

表3 氣溶膠的實際觀測方法

表4 衛(wèi)星遙感氣溶膠反演的幾種算法

2 城市熱島與氣溶膠的交互影響研究

氣溶膠顆粒物具有影響輻射交換的作用[4]。其研究涉及范圍廣泛且綜合性強，是各種人為氣候強迫研究中最不確定的變量。Menon等[5]認為大氣灰霾中的黑碳氣溶膠是引起氣候變暖的重要原因，伴隨氣溶膠濃度上升氣溶膠輻射強迫對氣候變化影響的不確定性增加。

2.1 研究方法概述

研究表明，霧霾天氣會加劇城市熱島效應。熱島強度與氣溶膠光學厚度之間存在明顯的線性相關(guān)性[6]。當前城市熱島效應的遙感研究主要是通過MODIS、Landsat等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采取定量反演與定量分析相結(jié)合的方法研究氣溶膠對城市熱島強度的貢獻度、氣溶膠的輻射影響和季節(jié)變化特征等，目前常用的研究方法如表5所示。

表5 氣溶膠與熱島效應交互影響研究方法

2.2 氣溶膠對城市熱島效應影響的研究進展

根據(jù)研究條件不同，氣溶膠對城市熱島的影響略有差異。大城市熱島強度普遍大于小城市，同等面積的城市越集聚熱島強度越強，中心城區(qū)熱島強度受氣溶膠影響更大。

1)晝、夜氣溶膠對城市熱島的影響。氣溶膠具有吸收和散射太陽輻射的作用，能削弱到達地面的短波輻射量，使地表溫度發(fā)生變化。研究表明，氣溶膠在白天有一定的冷卻作用[13-14]，且200 m以下污染物會削弱到達地面的太陽輻射[15]。但梁秀娟稱氣溶膠對白天UHI的貢獻不確定，因氣溶膠對表面短波輻射和長波輻射具有相反的作用且相關(guān)性不明顯。

氣溶膠污染是夜間城市熱島效應的主控因子，其懸浮在大氣中進一步加劇了夜間地表溫度[16]。曹暢等[17]選取全國39個城市樣本發(fā)現(xiàn)，氣溶膠雖有減少到達地面的短波輻射量的作用，但在一定條件下能夠反射來自城市夜間地表面發(fā)射的長波輻射，從而加劇城市熱島強度。Yang等[18]發(fā)現(xiàn)夜間污染物濃度達到最大，熱島效應也隨之達到峰值。

然而，氣溶膠粒子冷卻效果和增溫效應相互抵消后，誰的影響程度占主導地位，仍需更多學者進行定量研究，明確氣溶膠粒子對城市氣溫的影響程度。夜間氣溶膠對我國城市熱島效應的增溫效果不容小覷，通過節(jié)能減排和城市規(guī)劃手段來緩解氣溶膠的增溫效果，是未來一段時期內(nèi)需要重點解決的問題。

2)季節(jié)氣溶膠對城市熱島的影響研究。梳理部分學者對單個城市各季節(jié)的研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠對城市熱島的冷卻程度不同，歸納總結(jié)后可以分為以下四種類型。一是冬強夏弱型。氣溶膠在冬季對熱島的冷卻效果弱，夏季冷卻效果強，表現(xiàn)如此的國內(nèi)城市有西安都市圈、南京[19]、北京[20]和蘭州[21]等，國外城市有巴爾的摩和芝加哥、柏林[22-23]、伊斯坦布爾[24]等。二是冬弱夏強型。氣溶膠對熱島的冷卻程度呈冬季弱夏季強，表現(xiàn)如此的國內(nèi)城市有拉薩[25]，國外有巴塞羅那[26]。三是冬弱春強型。氣溶膠對熱島的冷卻程度呈冬季弱春季強，表現(xiàn)如此的城市有沈陽[27]、武漢和長江三角洲地區(qū)[28]。四是春弱秋強型。氣溶膠對熱島的冷卻程度春季弱秋季強，表現(xiàn)如此的城市有秦嶺地區(qū)[29]和廈門[30]。

上述研究結(jié)果表明，同一季節(jié)不同城市的氣溶膠粒子冷卻程度結(jié)果并非一致，引發(fā)這種差異性的可能因素歸納為地理區(qū)位、規(guī)模、氣候條件、海拔等。因此，針對不同地理區(qū)位和季節(jié)的城市氣溶膠對城市熱島效應的影響有待于進一步深入。

3)地理區(qū)位和氣候區(qū)劃氣溶膠對城市熱島的影響。梳理文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學者研究的城市多分布在30°N～40°N附近，且大多數(shù)城市氣溶膠對熱島效應的冷卻程度均呈現(xiàn)冬季弱，春、夏季強的特點。秦嶺地區(qū)與北方地區(qū)普遍結(jié)果不一致，其可能是受到海拔、風道等因素影響。廈門與秦嶺地區(qū)結(jié)果一致，其原因可能與該地區(qū)靠近大洋環(huán)流和氣候環(huán)境等因素有關(guān)。

結(jié)合我國地理氣候區(qū)劃，梳理已有研究發(fā)現(xiàn)，溫帶季風氣候區(qū)的研究主要城市有沈陽、北京、西安等地；溫帶大陸性氣候的主要研究城市為蘭州；高原山地氣候的研究主要集中在拉薩；而亞熱帶季風氣候的研究主要集中在南京、長江三角洲、武漢、廈門等地。且多數(shù)研究普遍以溫帶季風氣候和亞熱帶季風氣候區(qū)的城市為主。

研究發(fā)現(xiàn)，地處高原山地氣候、溫帶大陸性氣候和溫帶季風性氣候的城市，氣溶膠對城市熱島強度的冷卻程度呈現(xiàn)冬季弱、夏季強的特點；地處亞熱帶季風氣候的城市，氣溶膠冷卻程度多以冬季弱、春季強為主。南京市夏季氣溶膠冷卻程度強可能與自身小氣候有關(guān)；秦嶺地區(qū)雖然在溫帶季風性氣候帶，因關(guān)中盆地東西狹長盛行西北風，且秋季燃燒麥稈，導致夏秋季會出現(xiàn)比其他季節(jié)多的氣溶膠，造成的輻射冷卻也會比其他季節(jié)強。所以秦嶺地區(qū)氣溶膠冷卻效應呈現(xiàn)春弱秋強；而廈門雖處在亞熱帶季風氣候區(qū)，但熱島效應春季最強秋季最弱，與該區(qū)域其他城市的結(jié)果不同，究其原因在于廈門灰霾日春季最多而秋季最少的緣故。因此，未來需要更多學者關(guān)注溫帶大陸性氣候、高原山地氣候和熱帶季風性氣候區(qū)中典型城市的氣溶膠與熱島效應的定量化交互影響。

梳理外國學者的研究，以巴爾的摩、芝加哥、柏林、巴塞羅那、伊斯坦布爾等為主，其城市均分布在39°N～52°N之間，多為溫帶大陸性氣候，巴塞羅那和伊斯坦布爾屬于地中海氣候。氣溶膠的冷卻程度呈冬季強夏季弱的趨勢，這也與我國該緯度范圍的研究結(jié)果一致。而巴塞羅那氣溶膠冷卻程度呈冬弱夏強，與同為地中海氣候的伊斯坦布爾相比，結(jié)果截然相反，這是否與其研究時選用空氣溫度而不是地表溫度有關(guān)還需進一步確認。

但目前國內(nèi)外對溫暖地區(qū)的城市研究較少。溫暖氣候區(qū)的城市由于使用空調(diào)而不是供暖，夏季的排放量可能比冬季多。為了得出更有力的結(jié)論，還需要對不同城市進行更詳細的對比研究。

2.3 熱島效應對氣溶膠的影響研究

研究表明，城市熱島與氣溶膠的大氣分布密切相關(guān)[31]，且熱島強度變化會引發(fā)城區(qū)上空大氣層邊界的動態(tài)變化[32]。

1)熱島環(huán)流影響氣溶膠時空分布。Shen等[33]在研究東京的熱島時考慮海陸風環(huán)流會使氣溶膠濃度下降，利于太陽輻射到達地面，導致地面溫度升高；李耀錕等[34]指出城市熱島強度增加時，會驅(qū)動環(huán)流增強，造成城區(qū)中心氣溶膠濃度下降，城市越分散、建筑密度越低其影響程度越明顯，但影響程度有限；李樂泉等[35]指出熱島環(huán)流增強使低層氣溶膠濃度增加，上層氣溶膠濃度降低，但整體大氣穩(wěn)定度影響更大，最終導致下層氣溶膠濃度降低，上層氣溶膠濃度增加；王珊等[36]發(fā)現(xiàn)熱島效應增強利于形成熱島環(huán)流，加重污染物顆粒在城市堆積。但由于研究時段氣流未起到清潔作用，且西安地區(qū)通風口收窄形成回流，導致污染物濃度驟升；柏林的城市熱島助于污染顆粒的擴散，使其濃度降低[37]；Randles等[38]研究指出中高緯度地區(qū)的溫度和環(huán)流變化最為強烈。

綜上，城市熱島效應增加會驅(qū)動環(huán)流的增強。熱島環(huán)流確能降低污染物濃度，但大氣和地面空氣流動會帶動污染物進入城市，引起氣溶膠濃度增加。因此，熱島環(huán)流對污染物濃度的影響在不同研究中呈現(xiàn)的結(jié)果不同，城市規(guī)模、開發(fā)強度等都是導致結(jié)果差異的原因，在特殊地理區(qū)位、氣候特征和大氣環(huán)流條件下，熱島環(huán)流是否為決定性影響要素有待于進一步研究。

2)熱島效應影響氣溶膠的PH。Battaglia等[39]指出城市熱島效應會影響氣溶膠的化學特性，導致氣溶膠PH值呈酸性，并稱研究中的總體趨勢或可廣泛用于其他地區(qū)，但仍需要更多城市樣本。而WRF-Chem模型廣泛用于全球和區(qū)域模型模擬中。這對于準確捕捉城市熱島現(xiàn)象而引發(fā)氣溶膠化學變化可能是必要的。

3 結(jié)束語

針對熱島效應和氣溶膠的交互影響研究，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的工作，提出了許多有價值的模擬模型和研究方法，但伴隨全球與區(qū)域氣候持續(xù)變暖和區(qū)域氣溶膠加劇等變化，未來氣溶膠與城市熱島效應的交互影響研究主要集中在以下4個方面。

1)研究數(shù)據(jù)方面。目前多數(shù)研究是基于MODIS和Landsat數(shù)據(jù)進行的，而隨著我國風云系列氣象衛(wèi)星的不斷發(fā)展，為大范圍氣溶膠的定量反演提供了更多、更連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)源。因此，建立我國長期的、精度更高的氣溶膠模型，綜合分析我國氣溶膠伴隨季節(jié)、地理區(qū)位等的時空變化特征是未來氣溶膠變化方面研究的主要內(nèi)容之一。

2)細化氣溶膠組分變化對城市熱島效應的影響。氣溶膠成分的變化對城市熱島效應的定量影響為從源頭減少氣溶膠顆粒物排放的理論依據(jù)。已有研究表明，氣溶膠顆粒物在日間對UHI有冷卻作用，夜間對UHI有增溫作用。但不同物化性質(zhì)的氣溶膠在吸收和散射的程度上還需要進一步量化，需深入剖析能否利用氣溶膠濃度降低地表溫度或抵消降低日平均氣溫等的機理。

3)現(xiàn)有研究多以城市尺度為主，在城市層面進行了氣溶膠的輻射影響、年際變化、季節(jié)和時段變化特征等研究。但針對區(qū)域或者全域范圍的定量化研究較為缺乏，未來需要在較大尺度上深入剖析二者的定量關(guān)系。

4)地理區(qū)位、氣候區(qū)劃、城市環(huán)流強度及城市特征等對城市氣溶膠濃度及其時空分布的影響機理有待于進一步探究，并由此造成的研究結(jié)果的差異性有待于深入認知。