未来气候变化及城市热缓解对长江三角洲城市群夏季近地面臭氧的影响

《Atmospheric Pollution Research》：Impacts of future climate change and urban heat mitigation on summertime ground-level ozone in the Yangtze River Delta urban agglomeration

　　

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  预计长江三角洲城市群夏季气温将上升。
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  未来气候变化将加剧发达城市群的夏季臭氧污染。
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  城市降温措施在降低夏季气温和减轻臭氧污染方面展现出巨大潜力。

引言

自21世纪初以来，全球变暖日益明显。根据《联合国政府间气候变化专门委员会第六次评估报告（AR6）》，2011–2020年全球平均地表温度比1850–1900年升高了1.09°C（Ruane, 2024）。由于快速的城市化进程，中国城市气温上升速度超过全球平均水平。气温升高加剧了臭氧污染，使其成为中国空气质量进一步改善的关键限制因素。从2013年到2019年，中国城市站点记录的暖季最大日8小时平均臭氧浓度（MDA8 O?）以每年2.4 ppb的速率增加（Lu et al., 2020）。过去二十年来，中国经济最发达地区之一的长三角城市群经历了越来越频繁和剧烈的夏季热浪事件，同时臭氧污染不断恶化，对公共健康构成严重威胁（Li et al., 2024; Lyu et al., 2025; Zhou et al., 2025）。

高温条件往往与臭氧浓度升高有关，此前的研究已对此进行了论证（P. Wang et al., 2022; Wei et al., 2022）。臭氧通过涉及挥发性有机化合物（VOCs）和氮氧化物（NO?）的复杂光化学反应形成（Seinfeld and Pandis, 2016）。通常，近地面臭氧浓度随温度升高而增加，主要归因于光化学反应的增强。大量研究已围绕温度与臭氧形成和变化的关系展开。例如，Pu et al.（2017）发现，当温度处于28至38°C范围时，O?浓度以每开尔文4-5 ppb的速率增加。Ma et al.（2019）证实，华北平原的MDA8 O?浓度与温度之间存在显著的正相关关系，且在静止空气、高温无降水条件下这种关系得到放大。同样，R. Wang et al.（2022）指出，京津冀地区的极端夏季热浪事件与高臭氧浓度密切相关。连续的极端高温事件为O?的形成和积累提供了有利的气象条件，是臭氧污染的关键驱动因素。这些发现表明温度对臭氧污染具有关键影响，因为高温通过增强光化学生物活动加速臭氧生成。

数值模式的推进为研究臭氧污染背后的气象机制提供了重要工具。Zhao et al.（2019）使用WRF-Chem模拟了纽约市一次由热浪驱动的臭氧超标事件，发现高臭氧日最高行星边界层高度和行星边界层生长速率更高。Zhan and Xie（2021）发现，2015–2019年间长三角地区臭氧污染事件频发，平均每年26次。这些事件通常发生在高温（超过20°C）、低相对湿度（低于80%）、低风速（小于3 m/s）和浅云盖（少于5成）等静止气象条件下。Tian et al.（2024）将城市冠层模型（UCM）与WRF耦合，并结合CAMx模型，发现城市扩张及其带来的变暖增加了O?浓度。总体而言，这些发现揭示了气象条件在臭氧形成中的重要性以及数值模式捕捉此类复杂动态的能力。

随着未来情景模拟的进步，研究未来臭氧变化已成为关键研究焦点。大气污染物浓度的变化不仅受人为排放影响，还受气候变化影响，对全球和区域臭氧污染产生显著影响（Kim et al., 2015; Liu et al., 2021; Zanis et al., 2022）。Zhang et al.（2022）表明，在化石燃料发展路径（SSP5-8.5）情景下，中国夏季臭氧污染事件预计将随气温升高和太阳辐射增强而变得更加频繁。Bhattarai et al.（2024）使用集合地球系统模型在不同SSP情景下研究了2010年至2050年气候变化对全球臭氧水平的影响。他们的研究发现，气候驱动的气温升高可能导致高NO?浓度城市地区的O?浓度上升10–20 ppb。Gong et al.（2022）将GEOS-Chem模拟与随机森林算法相结合，发现SSP5-8.5情景下，中国臭氧污染与高温的共现现象日益频繁。Moghani and Archer（2020）使用空气质量模型（CAMx和GEOS-Chem）和气候模型（WRF和CESM），发现近地面臭氧浓度与地表温度呈正相关，与相对湿度呈负相关。这些研究一致表明，气候变化引起的气温升高很可能加剧臭氧污染，凸显了将气候预测纳入空气质量评估的必要性。尽管近年来关于气候变化对臭氧污染影响的研究日益增多，但大多数研究聚焦于全球或国家尺度，采用降尺度方法进行的区域尺度分析相对有限。与此同时，城市扩张和土地利用变化改变了地表能量平衡和局地气象条件，从而对区域和城市臭氧形成与输送产生显著影响。然而，当前研究在预测未来城市气候条件时很少考虑与当地城市化进程相关的土地利用变化。

由于未来区域和城市变暖不可避免，研究人员已从多个角度探索了缓解夏季高温的各种策略。城市化通过人类活动和工业生产排放的人为热量以及广泛使用高热容量材料增加城市地表热量储存，加剧了夏季热效应（Rizwan et al., 2008）。目前，城市降温策略主要通过增强三种主要表面（屋顶、墙面和地面）的热物理特性来降低温度（He et al., 2020a; Santamouris, 2013; Synnefa et al., 2008）。绿色屋顶通过屋顶土壤和植物的蒸散作用增加蒸发蒸腾，有效缓解城市热岛效应（Adilkhanova et al., 2024）。此外，由于建筑立面和街道表面吸收了大量短波太阳辐射，在墙面和地面表面应用高反照率材料已被证明有助于城市温度调节（Levinson et al., 2019; Yang et al., 2016）。大多数研究聚焦于缓解策略的气象效应，如降温作用，但其环境影响，特别是对未来城市空气质量的影响，仍尚不明确。

未来气候变化对臭氧污染的影响已受到广泛关注，但大多数研究聚焦于全球或国家尺度，采用动力学降尺度捕捉区域气象变化及其对臭氧形成影响的研究相对较少。此外，城市化影响空气动力和热力学特性，从而改变区域气象格局和臭氧水平。绿色基础设施和反射性表面等城市降温策略在调节城市气象条件并进而影响臭氧生成方面的有效性尚未得到充分探索。基于上述考虑，本研究使用WRF模型与单层城市冠层模型（SLUCM）耦合，对CMIP6气候预测进行动力学降尺度。将未来城市土地扩张纳入降尺度过程，以更好地捕捉长三角城市群的气象变化。随后，高分辨率气象场被用于驱动综合空气质量扩展模型（CAMx），以模拟夏季（6–8月）臭氧浓度的时空演化。具体而言，本研究旨在：

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  表征在全球气候变化和城市扩张驱动下长三角城市群夏季气象条件的时空演化，并评估其对臭氧污染的影响。
• (2)
  阐明未来气候变化和城市扩张通过改变关键气象驱动因素共同影响臭氧污染的机制。
• (3)
  评估城市降温策略在降低城市温度、减少极端高温事件频率以及减轻未来情景下臭氧污染方面的有效性。

章节摘要

研究区域

长三角城市群包括上海市和江苏、浙江、安徽三省（Chenhong and Guofang, 2022）。根据《2021中国统计年鉴》，截至2020年底，长三角城市群占中国人口总数的16.7%，占GDP的24.1%。长三角城市群人口稠密、工业化程度高，能源消耗和工业排放持续增长。因此，其污染物总排放量位居全国前列。

模型验证

在模型验证方面，模拟合理再现了气象变量和污染物浓度。WRF模型模拟的气象变量利用位于上海、江苏、浙江和安徽四个代表性国家级气象观测站的地表观测数据进行验证。为了评估CAMx模型对空气污染物浓度模拟的准确性，使用了197个空气质量监测站点的监测数据。

结论

本研究将WRF（SLUCM）与CAMx耦合，将未来城市扩张纳入降尺度过程，以模拟长三角城市群的高分辨率气象并评估未来臭氧污染。针对未来气候变化及伴随的臭氧污染挑战，研究进一步评估了城市降温措施（即绿色屋顶、冷墙面和冷地面）在降温及减轻臭氧污染方面的有效性。

长三角城市群是

CRediT作者贡献声明

Ziyang Zhang：调查。Yan Zhang：撰写–审稿与编辑，监督指导。Shinan Shen：方法学，调查。Haixia Dai：调查。Weichun Ma：撰写–审稿与编辑，监督指导，调查。Shuang Chen：撰写–初稿，可视化，方法学，调查。

未引用参考文献

Han et al., 2020; Wang et al., 2022; Wang et al., 2022.

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

Chen Shuang|Shen Sinan|Dai Haixia|Zhang Ziyang|Zhang Yan|Ma Weichun