长三角城市群热力环流对臭氧生成的影响研究

The rapid expansion of the Yangtze River Delta (YRD) urban agglomeration leads to complex interactions of multiple atmospheric thermal circulations. Thermally induced circulations could not only control the transport and dispersion of air pollutants, but also impact the chemical yield of ozone through complex atmospheric processes. However, the inconsistency of land-surface parameters in previous numerical studies could result in large errors in the simulation of temperature and circulation structures. Additionally, by far, the influencing mechanism of thermal circulations on ozone production is still poorly understood. Thus, this program aims at (1) establishing a complete and reliable database of land-surface parameters based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing to accurately represent the land-surface characteristics in the land-atmosphere coupling, including land-cover type, albedo, emissivity, deep soil temperature, green vegetation fraction and leaf area index; (2) developing the Weather Research and Forecasting-Chemistry (WRF-Chem) data assimilation system with MODIS-derived land-surface parameters, and then exploring the impacts of the urban land-surface forcing on the interactions among urban heat island circulation, sea-land breeze circulation and lake-land breeze circulation; (3) finally, revealing the influencing mechanism of the complex coupling of multiple thermal circulations on the regional transport and chemistry of ozone and its precursors over the coastal urban agglomeration. This program could provide a scientific understanding of the interactions between urban development, atmospheric circulations and regional ozone pollution.

长三角城市群的快速扩张导致其风场受到复杂的热力环流影响。热力环流是控制大气污染物输送、扩散的重要因素，还会通过复杂的大气过程影响臭氧的化学产率。以往城市化的模拟研究存在地表参数的不匹配问题，导致模拟温度和环流结构的误差；关于热力环流对臭氧生成的影响机制，认识也尚不清晰。本项目旨在基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）卫星反演建立一套完整、可靠的地表参数数据集，包括土地覆盖类型、反照率、比辐射率、深层土壤温度、绿色植被覆盖率和叶面积指数，实现对陆面过程方案中地表特征的准确表征；发展WRF-Chem大气化学输送模式和MODIS卫星资料耦合的数值模拟系统，深入探讨长三角城市群下垫面对城市热岛环流、海陆风环流和湖陆风环流相互作用规律的影响，最终揭示沿海城市群多类型大气热力环流的耦合对臭氧的区域输送和化学转化的影响机制。本项目将为认识城市群发展与大气环流及区域臭氧污染形成机理之间的关系提供科学依据。

近几十年我国东部长三角地区城市面积快速扩张，复杂、非均匀的城市下垫面对区域气象和大气化学的准确模拟带来很大困难。另外，长三角城市群的快速扩张也会导致其风场受到复杂的热力环流影响，并通过复杂的大气物理和化学过程影响臭氧的光化学产率。以往城市化的模拟研究存在地表参数的不匹配问题，导致模拟温度和环流结构的误差；关于热力环流对臭氧生成的影响机制，认识也尚不清晰。. 本研究基于MODIS卫星资料精细描述了关键地表参数，包括土地覆盖类型、绿色植被覆盖率、叶面积指数、反照率、比辐射率和深层土壤温度，并将其引入WRF-Chem区域气象化学模式的陆面过程和天然源排放模块中。MODIS地表参数准确、合理地描述了地表特征及其非均匀性，提高了对地表能量平衡、边界层气象和热力环流的模拟精度（12-40%），在一定程度上改善了大气化学模式中长期存在的NO2高估和夜间O3低估问题（30%）。在此基础上探讨了长三角城市群地区热力环流对光化学污染的影响，揭示了城市热岛与区域热力环流的相互作用规律及其对大气光化学的影响。研究发现，长三角地区城市扩张造成典型的城市热岛现象，并与区域热力环流产生复杂的相互作用，比如促进城市热岛环流形成、造成海陆风环流的加强。研究也强调，极端条件下城市化导致的城市风辐合和海风加强促进O3及其前体物的再循环，导致污染物在海洋-内陆以及城市之间的重新分布，造成城郊和沿海城市O3污染恶化。该项目共有6篇SCI论文发表，其中3篇论文发表于国际著名地学类Nature Index期刊JGR上。该工作是准确开展数值天气和空气质量预测的关键之一，对于厘清陆-气过程对大气化学的影响具有重要意义。