【摘 要】
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快速的城市化使中国主要城市的城市热岛效应（Urban Heat Island,UHI）和大气污染问题日益突出。城市热岛效应增加夏季城市居民热应力,热应力和空气污染的协同作用可能对城市运行和人体健康造成更大的威胁。随着城市发展,UHI强度（UHI Intensity,UHII）和大气颗粒物浓度可能同时增加并相互作用,产生大城市上空边界层的复杂热动力条件。虽然已有很多关于城市热岛特征及其与大气颗粒物相
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快速的城市化使中国主要城市的城市热岛效应（Urban Heat Island,UHI）和大气污染问题日益突出。城市热岛效应增加夏季城市居民热应力,热应力和空气污染的协同作用可能对城市运行和人体健康造成更大的威胁。随着城市发展,UHI强度（UHI Intensity,UHII）和大气颗粒物浓度可能同时增加并相互作用,产生大城市上空边界层的复杂热动力条件。虽然已有很多关于城市热岛特征及其与大气颗粒物相互作用的研究,但由于观测条件的制约,研究结果仍存在较大的不确定性,特别是对大气颗粒物影响UHII的机制仍不清楚。本研究以中国30个省会城市为研究对象,结合多种环境与气象观测数据与再分析资料,定量化研究了不同时间尺度的UHII和城乡颗粒物污染差异变化特征及其区域性差异,通过对北京和30个城市（包括北京）的研究分析了不同时段PM2.5颗粒物对UHII的影响机制及其在不同季节和区域的表现。本研究对理解不同地区UHI及其与空气污染的相互作用机制具有借鉴意义,也可为UHI和城市空气污染的协同管理提供科学依据。主要研究结论如下:（1）2016～2020年中国30个省会城市UHII空间分布显示,北方地区高于南方地区,自东向西UHII在北方地区逐渐减小,南方地区逐渐增大。UHII在日出与日落前后剧烈下降和上升,并在夜间与白天保持相对稳定,夜间UHII大于白天。北方城市为冬季型UHI,在冬季夜间和夏季白天强,且具有明显季节变化;南方城市多为秋季型UHI,在夏秋季夜间和夏季白天较强,冬春季夜里较弱。UHII季节性差异呈现纬向变化,南方城市UHII季节与日内变化均小于北方城市。北方城市夜间UHII在冬季高于南方,但在夏季八月小于南方。南方城市日间UHII在春季至秋季高于北方,在冬季小于北方。（2）除乌鲁木齐外所有城市的城区颗粒物浓度均高于其周围农村地区,污染超标日数也多于郊区。省会城市城乡PM2.5和PM10浓度平均差异分别为6.63和13.06μg/m~3,农村PM2.5和PM10颗粒物浓度分别占城区的83%和84%。北方地区污染较南方更严重,北方城市PM2.5浓度在城市和农村地区分别超过南方城市16.69和15.23μg/m~3。以城乡PM2.5浓度差异构建城市污染岛强度指数（Urban Pollution Island Intensity,UPII）。空间分布上UPII在北方高于南方,华北地区最高,东北地区次高。冬季污染水平与UPII均远高于夏季;PM2.5浓度越高,UPII越大,在城市内部和城市之间这一关系均成立。（3）北京市PM2.5在夏季削弱但在冬季加强日间UHII,同时PM2.5降低夜间UHII。PM2.5影响UHII机制存在季节性差异,并受到气溶胶与辐射、蒸发以及边界层之间的相互作用调节,前两者通过感热和潜热通量改变地表能量平衡,后者影响大气稳定性和热通量交换。夏季白天,气溶胶辐射相互作用更强,城区能量平衡对PM2.5比农村更敏感,从而削弱UHII。冬季白天,气溶胶边界层相互作用为主要影响机制,颗粒物使边界层和大气更加稳定,城乡热通量交换减弱,热量在城区积聚,UHII增加。蒸发和辐射的变化加强了这种关系。在夜间,UHII的变化更多地取决于城市冠层中储存的能量。气溶胶有效地减少了白天的入射能量,夜间城市冠层的长波辐射变少,导致UHII减弱。（4）对30个省会城市的分析表明,PM2.5对UHII的影响存在区域性差异。北方PM2.5减弱夏季与冬季夜间及夏季白天UHII,增强冬季白天UHII;南方PM2.5减弱白天UHII,增强夜间UHII。气溶胶-辐射相互作用是减弱北方夏季和南方夏季与冬季白天UHII的主要原因,气溶胶-边界层相互作用影响较小,但其对北方冬季白天UHII起重要作用。颗粒物在白天减少入射辐射,但在夜间减少城市能量的逸散,前者减弱夜间UHII,而后者增强夜间UHII。颗粒物对夜间UHII的综合影响受颗粒物浓度与入射辐射强度控制。北方城市污染强且入射辐射较弱,颗粒物对白天入射能量的减少更多,城市冠层能量减少,夜间UHII减弱;南方城市污染弱且入射辐射较强,颗粒物对城市能量逸散的抑制更重要,夜间UHII增强。气溶胶-辐射相互作用使PM2.5对夜间UHII影响高于白天UHII,气溶胶-边界层相互作用则相反,使PM2.5对白天UHII影响更大。
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