韩美玥，冯晓刚，2，李凤霞，2，周在辉，2，李萌，2

(1.西安建筑科技大学 建筑学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学 建筑勘测研究所，西安 710055)

0 引言

城市热岛效应(urban heat island，UHI)是指城市温度明显高于外围郊区的现象。它对区域乃至全球气候变暖的负面影响已经引起国内外众多学者的广泛关注。伴随全球持续变暖和快速城镇化的双重胁迫，城市人居热生态环境面临严峻挑战，并由此引发一系列能源、生态安全、人身健康等问题，已经成为构建宜居、低碳可持续发展城市过程中亟待解决的难点和热点问题之一。

气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。研究表明，气溶胶粒子对太阳辐射的吸收和散射作用对城市热环境起着不可忽视的助推作用。城市气溶胶状态变化直接影响大气物理的传输过程，导致城市热岛效应产生分异；城市热岛效应反作用于局部大气，间接或直接影响大气运动，甚至造成大气逆温等现象。我国南北气候差异显著，基本条件的复杂多样为研究气溶胶与热岛效应的定量交互影响带来难度与挑战。本文旨在通过总结城市热岛与气溶胶交互影响的手段、方法、数据来源等，从时间、空间及条件等方面分析气溶胶与城市热岛之间的研究进展与发展趋势。

1 热岛效应与气溶胶概述

1.1 城市热岛效应研究进展

19世纪Lake Howard记录了伦敦市及郊区30年间的气温变化，这是学术界公认最早关于城市热岛效应的记载。1958年Manley[1]正式提出城市热岛效应的概念。梳理已有研究成果发现，当前城市热岛效应的研究主要集中在成因分析、观测方法、时空演变、趋势模拟及缓解对策等方面。表1归纳了近地表热岛和地表热岛在研究范围、手段、数据源与方法上的异同；表2总结了目前城市热岛效应研究的主要方法与优缺点。

表1 城市热岛效应研究范围

表2 城市热岛效应研究方法

1.2 气溶胶研究进展

Ramanathan等[2]于1999年首次发现亚洲大陆上空常笼罩着一层3 km厚的棕色气溶胶云，并称其为亚洲棕色云。我国把这种现象称为灰霾天气[3]。科学界普遍认为气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒。由于这些固态或液态颗粒的来源广泛，导致观测方法多样。表3列出了气溶胶常用的观测方法、优缺点及其应用范畴；表4梳理了目前主流的卫星遥感进行气溶胶定量反演的常用方法。

表3 气溶胶的实际观测方法

表4 卫星遥感气溶胶反演的几种算法

2 城市热岛与气溶胶的交互影响研究

气溶胶颗粒物具有影响辐射交换的作用[4]。其研究涉及范围广泛且综合性强，是各种人为气候强迫研究中最不确定的变量。Menon等[5]认为大气灰霾中的黑碳气溶胶是引起气候变暖的重要原因，伴随气溶胶浓度上升气溶胶辐射强迫对气候变化影响的不确定性增加。

2.1 研究方法概述

研究表明，雾霾天气会加剧城市热岛效应。热岛强度与气溶胶光学厚度之间存在明显的线性相关性[6]。当前城市热岛效应的遥感研究主要是通过MODIS、Landsat等卫星数据，采取定量反演与定量分析相结合的方法研究气溶胶对城市热岛强度的贡献度、气溶胶的辐射影响和季节变化特征等，目前常用的研究方法如表5所示。

表5 气溶胶与热岛效应交互影响研究方法

2.2 气溶胶对城市热岛效应影响的研究进展

根据研究条件不同，气溶胶对城市热岛的影响略有差异。大城市热岛强度普遍大于小城市，同等面积的城市越集聚热岛强度越强，中心城区热岛强度受气溶胶影响更大。

1)昼、夜气溶胶对城市热岛的影响。气溶胶具有吸收和散射太阳辐射的作用，能削弱到达地面的短波辐射量，使地表温度发生变化。研究表明，气溶胶在白天有一定的冷却作用[13-14]，且200 m以下污染物会削弱到达地面的太阳辐射[15]。但梁秀娟称气溶胶对白天UHI的贡献不确定，因气溶胶对表面短波辐射和长波辐射具有相反的作用且相关性不明显。

气溶胶污染是夜间城市热岛效应的主控因子，其悬浮在大气中进一步加剧了夜间地表温度[16]。曹畅等[17]选取全国39个城市样本发现，气溶胶虽有减少到达地面的短波辐射量的作用，但在一定条件下能够反射来自城市夜间地表面发射的长波辐射，从而加剧城市热岛强度。Yang等[18]发现夜间污染物浓度达到最大，热岛效应也随之达到峰值。

然而，气溶胶粒子冷却效果和增温效应相互抵消后，谁的影响程度占主导地位，仍需更多学者进行定量研究，明确气溶胶粒子对城市气温的影响程度。夜间气溶胶对我国城市热岛效应的增温效果不容小觑，通过节能减排和城市规划手段来缓解气溶胶的增温效果，是未来一段时期内需要重点解决的问题。

2)季节气溶胶对城市热岛的影响研究。梳理部分学者对单个城市各季节的研究发现，气溶胶对城市热岛的冷却程度不同，归纳总结后可以分为以下四种类型。一是冬强夏弱型。气溶胶在冬季对热岛的冷却效果弱，夏季冷却效果强，表现如此的国内城市有西安都市圈、南京[19]、北京[20]和兰州[21]等，国外城市有巴尔的摩和芝加哥、柏林[22-23]、伊斯坦布尔[24]等。二是冬弱夏强型。气溶胶对热岛的冷却程度呈冬季弱夏季强，表现如此的国内城市有拉萨[25]，国外有巴塞罗那[26]。三是冬弱春强型。气溶胶对热岛的冷却程度呈冬季弱春季强，表现如此的城市有沈阳[27]、武汉和长江三角洲地区[28]。四是春弱秋强型。气溶胶对热岛的冷却程度春季弱秋季强，表现如此的城市有秦岭地区[29]和厦门[30]。

上述研究结果表明，同一季节不同城市的气溶胶粒子冷却程度结果并非一致，引发这种差异性的可能因素归纳为地理区位、规模、气候条件、海拔等。因此，针对不同地理区位和季节的城市气溶胶对城市热岛效应的影响有待于进一步深入。

3)地理区位和气候区划气溶胶对城市热岛的影响。梳理文献发现，国内学者研究的城市多分布在30°N～40°N附近，且大多数城市气溶胶对热岛效应的冷却程度均呈现冬季弱，春、夏季强的特点。秦岭地区与北方地区普遍结果不一致，其可能是受到海拔、风道等因素影响。厦门与秦岭地区结果一致，其原因可能与该地区靠近大洋环流和气候环境等因素有关。

结合我国地理气候区划，梳理已有研究发现，温带季风气候区的研究主要城市有沈阳、北京、西安等地；温带大陆性气候的主要研究城市为兰州；高原山地气候的研究主要集中在拉萨；而亚热带季风气候的研究主要集中在南京、长江三角洲、武汉、厦门等地。且多数研究普遍以温带季风气候和亚热带季风气候区的城市为主。

研究发现，地处高原山地气候、温带大陆性气候和温带季风性气候的城市，气溶胶对城市热岛强度的冷却程度呈现冬季弱、夏季强的特点；地处亚热带季风气候的城市，气溶胶冷却程度多以冬季弱、春季强为主。南京市夏季气溶胶冷却程度强可能与自身小气候有关；秦岭地区虽然在温带季风性气候带，因关中盆地东西狭长盛行西北风，且秋季燃烧麦秆，导致夏秋季会出现比其他季节多的气溶胶，造成的辐射冷却也会比其他季节强。所以秦岭地区气溶胶冷却效应呈现春弱秋强；而厦门虽处在亚热带季风气候区，但热岛效应春季最强秋季最弱，与该区域其他城市的结果不同，究其原因在于厦门灰霾日春季最多而秋季最少的缘故。因此，未来需要更多学者关注温带大陆性气候、高原山地气候和热带季风性气候区中典型城市的气溶胶与热岛效应的定量化交互影响。

梳理外国学者的研究，以巴尔的摩、芝加哥、柏林、巴塞罗那、伊斯坦布尔等为主，其城市均分布在39°N～52°N之间，多为温带大陆性气候，巴塞罗那和伊斯坦布尔属于地中海气候。气溶胶的冷却程度呈冬季强夏季弱的趋势，这也与我国该纬度范围的研究结果一致。而巴塞罗那气溶胶冷却程度呈冬弱夏强，与同为地中海气候的伊斯坦布尔相比，结果截然相反，这是否与其研究时选用空气温度而不是地表温度有关还需进一步确认。

但目前国内外对温暖地区的城市研究较少。温暖气候区的城市由于使用空调而不是供暖，夏季的排放量可能比冬季多。为了得出更有力的结论，还需要对不同城市进行更详细的对比研究。

2.3 热岛效应对气溶胶的影响研究

研究表明，城市热岛与气溶胶的大气分布密切相关[31]，且热岛强度变化会引发城区上空大气层边界的动态变化[32]。

1)热岛环流影响气溶胶时空分布。Shen等[33]在研究东京的热岛时考虑海陆风环流会使气溶胶浓度下降，利于太阳辐射到达地面，导致地面温度升高；李耀锟等[34]指出城市热岛强度增加时，会驱动环流增强，造成城区中心气溶胶浓度下降，城市越分散、建筑密度越低其影响程度越明显，但影响程度有限；李乐泉等[35]指出热岛环流增强使低层气溶胶浓度增加，上层气溶胶浓度降低，但整体大气稳定度影响更大，最终导致下层气溶胶浓度降低，上层气溶胶浓度增加；王珊等[36]发现热岛效应增强利于形成热岛环流，加重污染物颗粒在城市堆积。但由于研究时段气流未起到清洁作用，且西安地区通风口收窄形成回流，导致污染物浓度骤升；柏林的城市热岛助于污染颗粒的扩散，使其浓度降低[37]；Randles等[38]研究指出中高纬度地区的温度和环流变化最为强烈。

综上，城市热岛效应增加会驱动环流的增强。热岛环流确能降低污染物浓度，但大气和地面空气流动会带动污染物进入城市，引起气溶胶浓度增加。因此，热岛环流对污染物浓度的影响在不同研究中呈现的结果不同，城市规模、开发强度等都是导致结果差异的原因，在特殊地理区位、气候特征和大气环流条件下，热岛环流是否为决定性影响要素有待于进一步研究。

2)热岛效应影响气溶胶的PH。Battaglia等[39]指出城市热岛效应会影响气溶胶的化学特性，导致气溶胶PH值呈酸性，并称研究中的总体趋势或可广泛用于其他地区，但仍需要更多城市样本。而WRF-Chem模型广泛用于全球和区域模型模拟中。这对于准确捕捉城市热岛现象而引发气溶胶化学变化可能是必要的。

3 结束语

针对热岛效应和气溶胶的交互影响研究，国内外学者已经做了大量的工作，提出了许多有价值的模拟模型和研究方法，但伴随全球与区域气候持续变暖和区域气溶胶加剧等变化，未来气溶胶与城市热岛效应的交互影响研究主要集中在以下4个方面。

1)研究数据方面。目前多数研究是基于MODIS和Landsat数据进行的，而随着我国风云系列气象卫星的不断发展，为大范围气溶胶的定量反演提供了更多、更连续可靠的数据源。因此，建立我国长期的、精度更高的气溶胶模型，综合分析我国气溶胶伴随季节、地理区位等的时空变化特征是未来气溶胶变化方面研究的主要内容之一。

2)细化气溶胶组分变化对城市热岛效应的影响。气溶胶成分的变化对城市热岛效应的定量影响为从源头减少气溶胶颗粒物排放的理论依据。已有研究表明，气溶胶颗粒物在日间对UHI有冷却作用，夜间对UHI有增温作用。但不同物化性质的气溶胶在吸收和散射的程度上还需要进一步量化，需深入剖析能否利用气溶胶浓度降低地表温度或抵消降低日平均气温等的机理。

3)现有研究多以城市尺度为主，在城市层面进行了气溶胶的辐射影响、年际变化、季节和时段变化特征等研究。但针对区域或者全域范围的定量化研究较为缺乏，未来需要在较大尺度上深入剖析二者的定量关系。

4)地理区位、气候区划、城市环流强度及城市特征等对城市气溶胶浓度及其时空分布的影响机理有待于进一步探究，并由此造成的研究结果的差异性有待于深入认知。