中国雾霾污染对城市热岛的增强的分析与研究
摘要
城市热岛（UHI），是一种城市温度比周边乡村温度高的现象，主要原因是城市化带来的下垫面物理性质的改变。本论文证实长期以来未被确定的假设：城市气溶胶和灰霾污染也是一个城市热岛效应的原因。我们的结果是基于卫星探测和城市气候模型的计算。我们发现，控制中国大陆夜间表面的城市热岛效应的一个显著因素是城市和乡村不同的灰霾程度的差别。对于半干燥地区来说，灰霾对夜间城市热岛效应的平均影响是（平均1标准误差），这个结果是比湿润地区高的，那是因为粗糙的气溶胶粒子产生的更强的长波辐射。因此减轻灰霾污染对减轻城市热压力有着很大的益处。
1.引言
城市热岛（UHI）是人类活动造成的最显著的地表面气候变化之一[1]，城市热岛原因本质上是由于城市和乡村的下垫表面物理性质不同，包括显热散热或者对流散热，蒸发冷却，日光反射以及人为热的差异[2][3]。造成白天的热岛效应的主要原因是显热的减少，城市地区的蒸发降温[3-5]。在晚上，能源利用以及储存在建筑中的热量的释放是城市温度高的主要原因。城市热岛加剧城市热量的数量和密度，因此加剧城市居民的高温压力[6]。
城市也是人为气溶胶的主要来源地，对大气层的生物地球化学有着显著的影响[7,8]。城市气溶胶形成的雾羽，改变了城市外地区降水的形式[9]和造成全球气候变化的辐射强迫的变化[10]。然而灰霾对于城市气候直接的影响还没能充分的理解。部分原因是由于气溶胶引起短波和长波辐射十一组相反的影响，难以解决[11]。气溶胶一般减少到达地面的短波辐射，对地表产生降温的作用。但是同时，气溶胶比水蒸气和温室气体更容易吸收和放出长波辐射（波长在8—12），因此增强了地表吸收长波辐射[12]。整个过程影响取决于粒子的大小和粒子增长的大小随着时间的推移和吸收水汽[13]。
到目前为止，气溶胶对热岛效应的影响的定量评价还没能成功完成。主要有两个困难。首先是标准化的城市表面模型[14]不包括参数化的接收到的短波和长波辐射，因为这些是高层大气的性质，不是地表面自己的属性。第二是气溶胶的辐射强迫在大气数据同化模型或者是大部分气候模型中都不是一个可以预测的变量。
中国的城市正在面临着空无前例的气溶胶污染水平。在这里我们利用遥感数据观察分析提供一个经验性的结论，证实城市灰霾污染是晚间城市热岛效应加剧的原因。在此论文中，城市与相近乡村的城市热岛气温差值是不一样的[3]，气溶胶污染用气溶胶光学厚度（AOD）来表示。用城市气候模型与观察再分析模型（OMR）相结合来描述气溶胶长波辐射的增强，定量的表示出在三种不同气候区（湿润地区，半湿润地区和半干旱地区）的城市灰霾对城市热岛效应的作用。研究发现，城市灰霾污染通过增强夜间长波辐射吸收的途径加强了城市热岛效应，并且这个加热作用在半干旱区更加明显。
2.结果
2.1热岛效应空间差异变化的因素：
我们分析了年平均温度差，从2003年到2013年，横跨中国大陆39个城市，数据来源于Aqua卫星承载的中分辨率成像光谱仪（MODIS）（图1.a）。作为人为热的产生者，人类是一个预报器，用来解释城市与城市之间夜间热岛强度相互差异的原因[4,15-17]。结论表明，对比与其他地区的学习报告[4,15]，城市污染在这些地方不是引起夜间热岛温差的显著地原因（图1.b）。上海，位于中国的最南端，也是我们所分析的最大的城市（14亿人口），表现出一个弱的热岛效应（），而在哈密，一个位于中国北方的小城市（0.45亿人口），表现出强的热岛效应（）。总的看来，夜间温度差与人口间的关联不具有统计学意义（）。
另一个不寻常的特征是热岛效应的日变化。通过MODIS推断出的夜间温差（，平均plusmn;1标准误）是比白天的值高的（；）。这种白天的差别在半干旱地区尤为显著，一般夜间平均温度是，但是在白天只有（;图.2c，f）。这种在中国的日间形式与北美[18]，欧洲[19,20]，南美[20]以及海洋[20]这些地区是不同的，这些地区白天的热岛效应明显的比夜间的强，同时半干旱城市热岛效应一般在夜间是比较弱的[4,17,18]。此结果是与之前利用短期MODIS数据研究出的城市热岛空间模式是基本一致的[21]，尽管由于只是单纯的使用农村和城市的像素点去计算温度差导致城市热岛强度大了一点。
对于这些特殊城市热岛效应模式的一个解释是灰霾污染。研究发现，年平均夜间温度差的空间分布变化与城市和临近乡村城市气溶胶的光学厚度的差别紧紧相关（图.1c；，城市气溶胶光学厚度减去乡村气溶胶光学厚度），同时还发现夏天夜间温差与光学厚度差之间有着统计学上的显著意义（）。拥有较厚的气溶胶层的城市比乡村的热岛效应更加强。使用光学厚度差是因为农村地区的温度差仍然难以测定。单独的光学气溶胶厚度与温度差没有显著的关联（），只有当考虑研究气溶胶光学厚度差对温度差的作用时才表现出显著地与人口的关联性（）。
没有证据证明气溶胶会加大日间温差。年平均日间温差和光学气溶胶厚度差之间的关系是不显著的（;图.3）。重复上述的相关分析得到夏季的关联性同样的弱（）。而对日间温差差异影响最大的是人口，城市和农村不同的植被覆盖指数和耕地面积。（）。在北美，年平均沉淀物在日温差上表现出很强的控制力(；参考.3)，但是在中国的影响不大（）。这种地域的差异主要是中国的非城市用地比起北美地区来说，有较多的农田。在中国，灌溉是司空见惯的，48%的农田除了雨水供给以外还有人工灌溉[22]。接受人工灌溉的家养的植物跟自然生态系统在地表能量交换方面有不同的处理方式。但是排除了周围农村所占地大于50%的城市，沉降物变成了一个很重要的因素。（线性关系=0.57，，观测次数=21）。城市热岛在沉降物和降水方面的关系表明农村对日间温差作用。
2.2灰霾影响的成因：
图1c可以被看成是经验性的证据，可以用来支持长期以来没有证明的理论：城市雾霾是城市热岛加强的一个因素[2]。此论文将气候模型计算与地表长波辐射研究相结合，定量化研究城市灰霾对夜间温差的作用。地表辐射数据与由大气数据吸收模型计算出来的地表长波辐射结合，研究向下的长波辐射Ldarr;对光学厚度AOD变化的灵敏度,也就是说，也就是计算每单元的光学气溶胶厚度的增量带来的长波辐射Ldarr;增加的量。在这里的Ldarr;也就是地面所接收到的向下的长波辐射，包括分子和气溶胶的发射与散射。在气候模型中，城市土地被参数化为一个独立的土地单元。我们迫使模型处于吸收大气的状态，保存城市与非城市的地表平衡变量为了研究脱机状态下城市热岛的成因[4]。这个成因方法分离了外部辐射强迫的贡献，通过空气阻力相关感热对流的能量重新分配和通过蒸发的重新分配[23]。
在这个框架内，气溶胶的影响是一个与人为热的释放和由于城市乡村地表反照率的变化引起的地表短波辐射类似的外部强迫，可以表示为：
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Table 1: Estimate of the haze contribution to the night-time UHI for three climate zones. |
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Humid |
Semi-humid |
Semi-arid |
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AOD sensitivity (Wthinsp;mminus;2 per unit AOD) |
31.9plusmn;3.0 |
23.8plusmn;4.6 |
61.8plusmn;4.9 |
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Delta;AOD |
0.033plusmn;0.021 |
0.033plusmn;0.020 |
0.13plusmn;0.025 |
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f |
3.0plusmn;1.8 |
1.7plusmn;0.9 |
1.3plusmn;0.8 |
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(Delta;T)h (K) |
0.05plusmn;0.12 |
0.06plusmn;0.10 |
0.70plusmn;0.26 |
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AOD, aerosol optical depth; UHI, urban heat island. Error bounds areplusmn;1 s.e. |
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这里的是霾对热岛强度的贡献，lambda;0（asymp;0.20K㎡W-1）是当地固有的气候敏感度，是一个无量纲的能量重新分配的因素，Delta;Ldarr;是城市Ldarr;与乡村Ldarr;的差值，是卫星计算得来的光学气溶胶厚度差和长波辐射对于气溶胶光学厚度灵敏度的产物。我们的气溶胶光学厚度灵敏度的值（表1）在利用辐射传输模型计算所得到的结果之间[24-27]。根据地面气溶胶遥感网络中心的观察[28]，气溶胶Agstrouml;m指数在西北半干旱区的中国城市比较小，表明比东部地区以及湿润地区有更大的粒子尺寸。半干旱地区的灵敏度比湿润地区的要高，这就证明更大的粒子有更强的辐射强迫[11，25]。我们观测到的△Ldarr;，大约 1.1和8.0Wm-2的误差，分别对于湿润地区和半干旱地区，这个结果是比同时研究城市和乡村的结果要低的[29，30]，因为我们并没有考虑由于更暖的城市边界层[31]和城市冠层墙的排放[32] 所带来的△Ldarr;增强。模型中的域，Ldarr;代表向下的长波辐射事件在城市冠层上的参考平台上，这也被认为为第一网格模型高度。
我们估算得到在半干旱地区夜间霾对Delta;T的贡献是0.70.26K（平均标准误差），相比于其他地区是小的（表1）。在半干旱地区的更大的是由于更加低效率的能量再分配。（气动阻力和博文比所带来的更小的f值；方程（5））在土地跟大气之间，粗粒子在城市污染水平上面有更大的城乡对比和更强的长波辐射强迫。
在中国的半干旱地区，城市和它相邻的乡村地区都会被来自塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠的粗粒子所影响[33]。在城市环境，交通扬尘，施工灰尘，家里烹饪带来额外的粗粒径气溶胶，解释了PM10到PM2.5的浓度在中国西北半干旱地区比中国南部湿润地区更加集中[33-36]。城乡光学厚度AOD的不同被发现来自于这些人为影响。
气溶胶对白天温差的贡献是不能确定的，原因是由于气溶胶对于地表接收到的太阳短波辐射和长波辐射的影响[11]，但是日间温差与光学厚度的差值之间缺乏关联性（图3），这也表明可能是微不足道的。这个推断是与这个模型的结果是一致的。日间温差是受网上的公用陆面模式决定的（CLM），在图2中用CLM表示，是与MODIS产品中湿润和半湿润地区数据非常一致的（图2a,b）。在半干旱气候的城市里，网上模型的结果高于实际观测，但是线下的诊断计算（表示为计算），这是方程（2）中所有方面的总和，表现出一个很好的吻合度（图2c）。总的结论认为灰霾产生的额外的影响很小，这就表明在农村背景下的城市短波辐射减少量是与长波辐射的增加量差不多的。关于气溶胶粒子的这种削弱作用已经在参考37中报道过了，这一年整的在乡村和城市的成对的观测也证明了这个解释[29]。夏天数据的模型结果与卫星观测MODIS比较也在白天表现出很好的一致性。
根据原因诊断，在湿润地区导致白天热岛效应的主要原因是城市土地感热效率的减少，而不是蒸发量的减少。在半干旱地区，对流的作用是相反的，表现出一个降温的信号。这些结果与之前得到的北美城市的信息是相吻合的[4]。
与白天相比，模拟夜间温差会低于卫星遥感观测MODIS的温差（图2d-f），尽管同样的模型运用到北美城市就是吻合的。在这个模型中大气是不受空气霾的影响的。但将霾的贡献考虑在其中的话（表1），模型得到的温差依旧是低的。有一个产生偏低误差的原因是模型没有全部包含城市土地地区所有人为热的排放[38]。人为热流是夜间城市热岛效应的重要因素[21]，另一种可能是方程式（1）遗漏了霾产生的动力影响。气溶胶被认为会加热大气[12，39]，而且会潜在的使得城市边界层比乡村边界层更加稳定，因此减少城市土地能量耗散到空气中的效率。最终的结果是一个放大的城市热岛强度。研究表明，这种稳定机制在湿润地区特别强，被认作为模型的固有偏差（图2d），尽管得到明确的答复还需要一种改进的参数化人为热。
我们的研究表明
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