朱寬廣，謝 旻，，3*，霍云怡，王體健，3，馮 文，朱新勝，陳 飛，歐陽琰，符傳博，唐家翔（.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 003；.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 ?？?57003；3.江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 003；.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 00）

南京城市下墊面變化對夏季臭氧濃度的影響研究

朱寬廣1，謝 旻1，2，3*，霍云怡1，王體健1，3，馮 文2，朱新勝4，陳 飛4，歐陽琰4，符傳博2，唐家翔2（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 海口 570203；3.江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；4.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042）

利用南京基準(zhǔn)地面氣象站1951～2010年的氣象數(shù)據(jù)分析南京氣象要素的長期變化，利用2007年南京草場門大氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)探討O3同氣象要素之間關(guān)系并分析氣象要素改變對污染的可能影響，結(jié)合WRF-CALGRID模式基于2008年7月的情景模擬研究1990年代以后南京城市下墊面變化對氣象要素變化的貢獻(xiàn)，并分析其對 O3濃度的影響.結(jié)果顯示，南京氣溫呈現(xiàn)增長趨勢，平均風(fēng)速、大氣濕度、日照時數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢.氣溫與O3濃度呈一定的正相關(guān)關(guān)系、較小的風(fēng)速和相對濕度有利于O3的生成.城市下墊面的增加使得南京城區(qū)氣溫增高超過1℃、風(fēng)速減小0.4m/s、濕度下降0.5g/kg、混合層高度增加100m.氣象要素的改變使地面NOx濃度減小，最大減小量超過6×10-9. 對O3濃度的影響有增有減，南京市北部、西部增加，增加量超過2×10-9，主要受溫度增加、風(fēng)速減小以及NO的垂直輸送影響；主城區(qū)的南部、東部O3濃度減小，減少量1×10-9～3×10-9，主要受混合層高度增加的影響.

下墊面；氣象要素；臭氧；WRF-CALGRID

隨著我國城市化進(jìn)程加快和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以酸雨、灰霾、光化學(xué)污染物相互耦合疊加為特征的復(fù)合型大氣污染成了我國城市地區(qū)越來越突出的大氣環(huán)境問題［1］.臭氧（O3）是光化學(xué)污染中最重要的反應(yīng)產(chǎn)物和特征物，具有強氧化性，對酸雨和灰霾的形成有一定貢獻(xiàn)［2-3］.近年來，隨著我國城市人口數(shù)量以及機(jī)動車保有量的激增，部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)光化學(xué)污染日趨嚴(yán)重，城市區(qū)域O3的形成機(jī)制和綜合防治成為了環(huán)境保護(hù)研究的熱點問題［4-6］.數(shù)值模擬是研究這類問題的有效手段.

在城市區(qū)域，大氣污染物不僅受排放源和化學(xué)反應(yīng)的影響，其分布更受城市獨特的局地環(huán)流和大氣湍流特征的制約.城市熱島現(xiàn)象、城市建筑群等都在一定程度上影響O3等污染物的分布［7-16］.利用含平板模型的MM5，Lu等［10］、Wu等［11］研究珠江三角洲地區(qū)城市化對香港氣象場的影響，認(rèn)為珠江三角洲東南沿海城市對香港西部海陸風(fēng)有作用，會惡化該區(qū)域空氣質(zhì)量；結(jié)合MM5和化學(xué)傳輸模式STEM-2K1，Wang等［12］發(fā)現(xiàn)珠江三角洲城市化造成當(dāng)?shù)豋3濃度增高4×10-9～ 15×10-9；Martili等［13-14］利用耦合城市冠層模型的中尺度模式Meso-NHC對雅典微氣候環(huán)境及大氣污染狀況進(jìn)行分析，表明城市對風(fēng)、溫度、湍流場以及污染物的擴(kuò)散有顯著影響；應(yīng)用該模式，Sarrat等［15］提出由于擾動影響的加強，巴黎城市建筑物結(jié)構(gòu)對于O3及 NOx等大氣污染物的濃度具有重要的影響.前人的研究表明，如何有效模擬城市尺度的獨特流場對城市空氣質(zhì)量的模擬至關(guān)重要，耦合了城市冠層模型的空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)能更加精確的描述城市下墊面的作用，對城市區(qū)域污染物分布的模擬更加有效.目前，WRF中耦合了UCM、BEP和BEM 三種城市冠層參數(shù)化方案［17］，為研究城市大氣問題提供了有力工具.越來越多的研究者開始應(yīng)用耦合城市冠層方案的WRF并結(jié)合化學(xué)模式，研究城市空氣質(zhì)量［16-18］.

本研究擬結(jié)合數(shù)據(jù)分析和耦合城市冠層模型的WRF-CALGRID模式探討南京城市下墊面變化在城市污染形成中的貢獻(xiàn).南京地處我國生產(chǎn)力布局中最大的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)長江三角洲，人口集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、工商業(yè)發(fā)達(dá).隨著南京城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市下墊面的變化必然引起城區(qū)局地流場的改變，可能引起不利的污染擴(kuò)散條件，造成空氣污染.本研究將利用南京氣象要素數(shù)據(jù)以及光化學(xué)污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析各氣象要素的長期變化趨勢，探討O3同氣象要素之間關(guān)系并分析氣象要素改變對污染的可能影響，并結(jié)合模式定量南京城市下墊面變化對氣象要素變化的貢獻(xiàn)，闡明氣象要素改變對 O3濃度的影響.以期為合理規(guī)劃城市，保護(hù)城市環(huán)境，促進(jìn)城市的合理、有序、可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1　方法與資料

1.1站點資料

氣象資料使用國家基準(zhǔn)站南京（58238）站的數(shù)據(jù)，來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn）的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，包括氣溫、風(fēng)速、相對濕度及日照時數(shù)等氣象要素數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)文件經(jīng)過較嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查.

O3和氮氧化物（NOx=NO+NO2）等污染物濃度來自南京大學(xué)浦口校區(qū)氣象園和南京草場門監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù).南京大學(xué)浦口校區(qū)氣象園（32.09°N，118.63°E）位于南京西北部市郊，能很好的代表郊區(qū)的情況.常年主導(dǎo)風(fēng)向為偏東風(fēng)，地形平坦，附近有草坪和農(nóng)作物，東北方6km處為沿江工業(yè)開發(fā)區(qū).該站采用法國ESA環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)，可對 SO2、NOx、NH3、O3、CO、PM10等主要大氣污染物進(jìn)行連續(xù)自動監(jiān)測，配有動態(tài)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中 O3和NOx的測定原理分別為紫外吸收法和化學(xué)發(fā)光法［19］.南京草場門站（32.06°N，118.75°E）為國控監(jiān)測點，地處南京市鼓樓區(qū)中心交通要道，周邊車流量大、高層建筑多，能很好的代表城區(qū)的情況.該站夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東、東南風(fēng)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東、東北風(fēng).該站自動連續(xù)地對SO2、NOx、可吸入顆粒物等16項污染因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理.O3分析儀為美國API的API400，采用紫外吸收法；NOx分析儀為英國CASELLA的ML9841，采用化學(xué)發(fā)光法［20］.

1.2 模型及參數(shù)設(shè)置

空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)WRF-CALGRID包括中尺度氣象模式WRF和大氣化學(xué)模式CALGRID.氣象模式采用新一代中尺度預(yù)報模式和同化系統(tǒng) WRF，它是一個完全可壓非靜力模式，網(wǎng)格形式采用Arakawa C 格點，有助于不同類型、不同地域天氣過程的高分辨率模擬.WRF輸出的各氣象要素場給化學(xué)模式.大氣化學(xué)模式在美國加州ARB（Air Resources Board）開發(fā)的 CALGRID［21］（1.6b）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，增加了無機(jī)鹽熱力學(xué)平衡模式ISORROPIA［22］、二次有機(jī)氣溶膠模式SORGAM［23］、自然源排放模型［24］和簡單的液相化學(xué)機(jī)制；還增加了氣相化學(xué)和氣溶膠物理化學(xué)過程查表法，使其可以進(jìn)行大氣污染事件的快速預(yù)測以及大氣污染控制的快速決策［1］.改進(jìn)后的 CALGRID初步具備了第三代空氣質(zhì)量模式的基本特征和模擬性能，在區(qū)域和城市群大氣復(fù)合污染研究中得到了較好的應(yīng)用.

模擬采用了四重嵌套（圖1）.第一層（DM1）模擬的范圍為 18.6°N～53.5°N， 90.6°E～151.8°E，區(qū)域中心點坐標(biāo)為36.3°N、102.2°E，大致覆蓋中國地區(qū)；水平網(wǎng)格為 94×80，網(wǎng)格分辨率為 54km.第二層（DM2）包括華東地區(qū)，水平網(wǎng)格為60×78、網(wǎng)格距為18km.第三層（DM3）模擬包括南京及以其為中心的周邊地區(qū)，水平網(wǎng)格為 60×60、網(wǎng)格距為 6km.第四層（DM4）模擬的范圍為 31.2°N～32.7°N， 118.1°E～119.3°E，包括南京市，水平網(wǎng)格為57×84、網(wǎng)格距為 2km.WRF垂直分層為31層，頂氣壓為100hpa，微物理方案為WSM3-class simple ice scheme，平流方案為 5th horizontal/ 3rd-vertical，長波輻射方案為 RRTM，短波輻射方案為GODDARD，地面層方案為Moni-Obukhov （Janjic Eta），陸面模式為 NOAH，邊界層方案為Mellor-Yamada-Janjic TKE，積云對流參數(shù)化方案為Grell-Devenyi ensemble scheme（其中區(qū)域4網(wǎng)格分辨率為 2km，不使用參數(shù)化方案），選用單層城市冠層模型 UCM，沒有考慮人為熱的影響.CALGRID模式垂直方向選取5km以下的10 層.選擇的氣相化學(xué)機(jī)制為 SAPRC-90（包括 54種物質(zhì)和129個反應(yīng)式）；化學(xué)積分方案為QSSA；污染源資料包括面源與高架點源，來自 Zhang等［25］的研究.城市下墊面數(shù)據(jù)來自基于 1992～1993年衛(wèi)星數(shù)據(jù)的美國地理調(diào)查（U. S. Geological Survey ，USGS） 24種下墊面資料［26］，以及基于2004年MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的20種下墊面資料［27］，見圖2.

圖1　模式區(qū)域設(shè)置Fig.1 Domain settings in WRF-CALGRID （a）所有區(qū)域；（b）區(qū)域四

2　資料分析結(jié)果與討論

2.1南京城市下墊面變化情況

由圖2中衛(wèi)星資料顯示的南京地區(qū)下墊面分布情況的變化可以明顯看到，近些年南京市靠近長江兩側(cè)區(qū)域以及南部的江寧區(qū)，城市化速度非?？?，2004年已經(jīng)形成了較大的城市規(guī)模.從1990～2010年《南京統(tǒng)計年鑒》［28］中城區(qū)面積變化可知，1994年南京城區(qū)面積由76.34km2增 長 到186.73km2，2003年從200.44km2擴(kuò)張至 260.05km2，其他時間城區(qū)面積相對穩(wěn)定.

圖2　不同時期南京市城市下墊面分布情況Fig.2 Distribution of urban areas over Nanjing at different times

2.2南京氣象要素變化

圖3給出了南京1951～2010年氣溫、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)等氣象要素的變化.可見，無論是平均氣溫還是日最高、最低氣溫在20世紀(jì)50～70年代基本保持穩(wěn)定，但自20世紀(jì)80年代開始都逐漸增高，特別是近10年增溫趨勢十分明顯.與附近城市化較不明顯的盱眙（58027）站（圖略）的溫度變化相比，2000年后南京與盱眙溫差有較明顯的增大趨勢，現(xiàn)年平均氣溫溫差為 1.32℃、最高氣溫溫差為1.01℃、最低氣溫溫差為1.63.℃與溫度的變化趨勢相反，南京地區(qū)的平均風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)都有較為明顯的下降趨勢.與此同時，盱眙站的相對濕度和日照時數(shù)變化不大，平均風(fēng)速雖有減小但小于南京的變化幅度.城市化改變了城市地區(qū)下墊面屬性，進(jìn)而改變地表和大氣之間的物質(zhì)、動量、熱量、水汽等的交換.有研究表明，城市規(guī)模、人口密度、人為熱排放量等會影響城區(qū)的溫度，形成城市熱島現(xiàn)象［29］；城市高大而密集的建筑群和交織的街道增大了城市下墊面的粗糙度，可以阻擋氣流的運動，降低城市的平均風(fēng)速［29-30］；城區(qū)鋼筋混凝土建筑以及柏油、水泥路面，比郊區(qū)的自然下墊面水分蒸發(fā)能力弱、吸收降水能力弱、地表徑流快、蓄水能力差，會使城區(qū)大氣的相對濕度降低，逐漸形成了一個城市干島［31］.從圖3中南京氣象要素的逐年變化及其與周邊氣象條件比較來看，下墊面變化對南京地區(qū)局地氣象場產(chǎn)生一定影響.

2.3氣象要素與O3濃度變化的關(guān)系

利用2007年全年草場門觀測站的O3濃度數(shù)據(jù)以及國家基準(zhǔn)站南京（58238）站氣象要素數(shù)據(jù)，分析 O3濃度與氣象要素的相關(guān)性.結(jié)果顯示，氣溫和O3濃度之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系：如圖4所示，1～5月、10～12月二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74（6～9月兩者相關(guān)性不高與這些月份多降水有關(guān)）.此外，相對濕度和風(fēng)速對 O3都有影響，相對濕度越小、風(fēng)速較小時O3濃度越大.Lam等［32］統(tǒng)計分析多年香港氣象和臭氧觀測資料，指出臭氧濃度超標(biāo)同氣溫和太陽輻射關(guān)系密切，且若環(huán)境溫度升高1℃臭氧濃度將增加4.6μg/m3.謝旻等［1］也指出氣象要素中光強、溫度、相對濕度是影響對流層氣相光化學(xué)反應(yīng)的重要因子.本研究的分析結(jié)論與前人相近.

圖3　南京1951～2010年主要氣象要素變化Fig.3 Variation trends of main meteorological factors in Nanjing from 1951 to 2010

圖4　2007年南京日均O3濃度和日平均溫度Fig.4 The variation of daily O3concentration and air temperature in Nanjing in 2007

3　模擬結(jié)果與討論

氣象要素會影響O3濃度，城市化會造成城區(qū)溫度增高、風(fēng)速減小、相對濕度降低、日照時數(shù)減少等，這種氣象要素的變化又可能帶來O3濃度改變.為定量城市下墊面改變對空氣污染的影響，本研究利用WRF-CALGRID空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)，模擬2008年7月南京市及周邊地區(qū)臭氧及其前體物的濃度.設(shè)計2種方案，見表1.方案1中的下墊面資料是2004年的MODIS衛(wèi)星資料，能反映2008年的情景；方案 2中下墊面資料是1992～1993年的USGS資料，代表沒有大規(guī)模城市化時的情景.通過方案2的結(jié)果減方案1的，可以分析南京城市下墊面的改變對氣象要素和 O3濃度分布的影響.

表1　數(shù)值模擬方案Table 1 Different simulation schemes

3.1模式驗證

圖5為WRF-CALGRID模擬的2008年7月浦口站和草場門站O3地面濃度模擬值與觀測值的比較結(jié)果.2個站點O3濃度的模擬結(jié)果同觀測值的變化趨勢基本一致，相關(guān)性較好：浦口站為上風(fēng)向城郊站，O3濃度相對較低，模擬情況總體較好，模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.70；草場門站為市區(qū)站，O3濃度較大、變化較為劇烈，模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.50.由于模擬值是網(wǎng)格平均值而觀測值是一個點上的值，因此2個站點的模擬濃度普遍偏低.但是，總體上WRF- CALGRID空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)對 O3的模擬比較成功，能反映大氣光化學(xué)反應(yīng)過程.

圖5　站點O3濃度模擬值與觀測值比較Fig.5 Comparison of observed and simulated surface concentration of ozone at two sites

圖6　2008年7月氮氧化物和臭氧平均濃度的空間分布Fig.6 The spatial distribution of monthly average concentration of O3and NOxat surface in July， 2008

圖6給出了模擬時段（2008年7月）NOx和O3平均濃度的空間分布.可見，前體物NOx濃度的大值區(qū)主要分布在南京市區(qū)和江北工業(yè)區(qū)，在南京北部出現(xiàn)極大值（大于 20×10-9）；低值區(qū)主要分布在南京的溧水、高淳，以及附近的江蘇其他市和安徽部分地區(qū).VOC濃度的分布與NOx類似（圖略）.前體物濃度分布和它們的排放情況相吻合：南京城市人口更密集、機(jī)動車尾氣排放更多，江北工業(yè)區(qū)集中，這些地區(qū)前體物排放量較大，因此其濃度值較高.與前體物濃度空間分布不同，臭氧的大值區(qū)主要分布在南京的溧水、高淳以及安徽的馬鞍山、蕪湖等南京市區(qū)的下風(fēng)向，濃度值大于 40×10-9；而市區(qū)和江北工業(yè)區(qū)等前體物濃度較高的地區(qū)臭氧濃度較低.這主要是因為在 NOx濃度較高的地方NO會與O3發(fā)生反應(yīng)（NO+ O3→NO2+O2）消耗臭氧.

3.2城市下墊面變化對局地氣象場的影響

圖7　南京城市下墊面變化對2008年7月氣象要素的影響Fig.7 Effects of urbanization on meteorology fields in Nanjing

圖7給出了南京城市下墊面發(fā)生變化對該區(qū)域2008年7月的主要氣象要素的影響（方案2-方案 1）.可見，城市下墊面的增加改變了地表的儲熱屬性、改變了地氣之間的熱量交換，使得南京市區(qū)的平均氣溫有明顯上升，特別是主城區(qū)，增溫幅度超過1，℃部分地區(qū)甚至大于1.2；℃而城市建筑物的拖曳作用使得整個模擬區(qū)域的風(fēng)速總體下降，平均減小 0.4m/s，僅長江水面部分地區(qū)稍有上升；城市近地面溫度增高、地表湍動能增加，也使得南京城區(qū)混合層高度有明顯上升，大部分區(qū)域增高超過 100m、部分區(qū)域增加甚至超過 200m；城市人造路面也使得城區(qū)吸收降水能力減弱、蓄水能力變差、水分蒸發(fā)能力減弱，使整個南京市區(qū)的大氣濕度下降明顯，減小量超過 0.5g/kg，形成一個明顯的城市干島.此外，城市建筑的遮擋作用也會削弱到達(dá)地面的太陽輻射，從模擬結(jié)果來看，城市下墊面的增加降低了南京城區(qū)地表接收的太陽輻射（圖略）.Liao等［18］研究長江三角洲地區(qū)城市化對氣象要素的影響中指出在南京、杭州、上海等大都市市區(qū)下墊面的改變會導(dǎo)致7月份白天氣溫平均升高1.8℃、風(fēng)速減小0.6m/s、邊界層增高210m，晚上氣溫平均升高 2.3℃、風(fēng)速減小0.7m/s、邊界層增高105m.本文的研究結(jié)果與其非常接近.

南京城市下墊面的增加造成城區(qū)氣溫上升，將使得該區(qū)域光化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行，有利于O3的氣相化學(xué)反應(yīng)生成，導(dǎo)致 O3濃度上升；風(fēng)速的下降對O3及其前體物等污染物的輸送擴(kuò)散非常不利，因而可能導(dǎo)致市區(qū) O3濃度上升；而城區(qū)水汽的減少，有利于低濕環(huán)境下 O3的光化學(xué)生成，也可能導(dǎo)致更高的 O3濃度.但是，城區(qū)地表接受太陽輻射量下降，有可能使南京城區(qū)光化學(xué)反應(yīng)減弱、導(dǎo)致O3濃度下降；城區(qū)混合層高度的明顯上升也意味著更多的近地面空氣污染物向上輸送，導(dǎo)致濃度下降，可能造成南京城區(qū)一次污染物和O3的濃度的減小.下墊面改變引起的氣象要素的變化對O3的影響有增有減，其綜合作用需結(jié)合化學(xué)模式的結(jié)果加以分析.

3.3城市下墊面變化對臭氧濃度的影響

圖8　2008年7月下墊面變化對南京地區(qū)O3及其前體物濃度的影響Fig.8 Effects of urbanization on ozone and its precursors over Nanjing in July， 2008

圖8給出了南京城市下墊面改變后引起的O3及其前體物濃度在2008年 7月的平均變化.對于一次污染物而言，下墊面的改變使得南京主城區(qū)以及浦口、六合靠近主城區(qū)的區(qū)域 NOx濃度減小，最大減小量超過6×10-9，而其他地區(qū)濃度變化不大（改變小于 1×10-9）.從氣象要素的變化情況來看，NOx濃度減小區(qū)域與溫度和混合層高度增加區(qū)域較為吻合，應(yīng)該是一方面城區(qū)混合層高度明顯增高，導(dǎo)致污染物更易于向上擴(kuò)散傳輸，稀釋了其濃度，另一方面城區(qū)更高的溫度也可能加強了一次物的反應(yīng)消耗.圖 8b給出了沿圖8a 的AB線的NO的垂直分布，可以明顯看到浦口、主城區(qū)、江寧等下墊面為城市的區(qū)域，低層的NO減少.這應(yīng)該是因為城市特殊的下墊面將增強垂直方向湍流動能，進(jìn)而增強垂直方向能量和物質(zhì)的輸送，則有更多的一次物被輸送到上層，造成地面濃度的減少.從圖 8b還能看到，這些城市下墊面之間的區(qū)域NO有所增加，應(yīng)該是受城市局地環(huán)流所致.

從城市下墊面改變帶來的南京地區(qū)O3濃度分布的變化來看（圖8c），O3在有的區(qū)域增加有的區(qū)域減少.增加的區(qū)域主要在南京市區(qū)北部、西部，增加量超過 2×10-9.這些地區(qū)的 O3受溫度增加、風(fēng)速減小的影響更大.此外，從O3沿圖8c的AB線的垂直剖面來看（圖8d），北部地區(qū)（圖8d左部）O3垂直分布與NO有很好的對應(yīng)關(guān)系，O3濃度高的區(qū)域NO濃度低、反之亦然.可見，南京市區(qū)北部、西部垂直方向的輸送擴(kuò)散減小了城市下墊面上NO濃度，削弱了NO對O3消耗過程（這也是這些地區(qū)O3濃度增加的重要原因）.而O3減少的區(qū)域在主城區(qū)的南部、東部和江寧的部分地區(qū)，減少量一般1×10-9～3×10-9，這些區(qū)域O3濃度應(yīng)該主要受混合層高度上升的影響.從圖8d右部可以看到，主城區(qū)的南部和江寧城市下墊面區(qū)域低層的O3減少.城市下墊面增強的垂直方向湍流動能會將地面的O3向上輸送，當(dāng)這個作用超過NO減少引起的O3濃度上升時，O3濃度將下降.

4　結(jié)論

4.1隨著城市的發(fā)展和城區(qū)面積擴(kuò)張，南京氣溫呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，平均風(fēng)速、大氣相對濕度、日照時數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.氣溫與O3濃度呈一定的正相關(guān)關(guān)系，相對濕度和風(fēng)速對O3都有影響，一般相對濕度、風(fēng)速較小時O3濃度較大.

4.2WRF模擬結(jié)果顯示，1990年代以后南京城市下墊面的增加將使城區(qū)溫度增高1℃、風(fēng)速減小0.4m/s、濕度下降0.5g/kg、混合層高度增加100m.氣溫上升、風(fēng)速下降、水汽減少能導(dǎo)致更高的O3濃度；但太陽輻射量下降、混合層高度上升，可能造成O3濃度的減小.

4.3CALGRID模式能較好地模擬南京地區(qū)的光化學(xué)反應(yīng)過程.模擬結(jié)果顯示，城市下墊面的增加使得南京主城區(qū)地面NOx濃度減小，最大減小量超過6×10-9，主要受垂直方向運動的影響.而O3濃度有增有減，總體上南京市北部、西部增加較為明顯，增加量超過2×10-9，主要受溫度增加、風(fēng)速減小以及NO的垂直運動影響；主城區(qū)的南部、東部和江寧 O3濃度有所減小，減少量 1×10-9～3×10-9，主要受混合層高度增加的影響.

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Study on the effects of urban expansion on region climate and ozone pollution over Nanjing in summer.

ZHU Kuan-guang1，XIE Min1，2，3*， HUO Yun-yi1， WANG Ti-jian1，3， FENG Wen2， ZHU Xin-sheng4， CHEN Fei4， OUYANG Yan4， FU Chuan-bo2，TANG Jia-xiang2（1.School of Atmospheric Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China；2.Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province， Haikou 570203， China；3.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Climate Change， Nanjing 210023， China；4.Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Environmental Protection， Nanjing 210042， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3217～3226

Based on the meteorological observation data from 1951 to 2010 at the station 58238， as well as air pollutant monitoring data in 2007 from Caochangmen air quality monitoring stations， the variation trend of the meteorological factors in Nanjing and the relationship between air pollution and meteorology were analyzed. With the aid of WRF-CALGRID， impacts of urbanization on local meteorological fields and ozone concentration over Nanjing were discussed. The results show that the elevated air temperature， the decreased wind speed and the reduced air humidity in Nanjing can be attributed to urban sprawl. And in consideration of the effects of meteorological factors， such as air temperature and wind， on the concentration of ozone， urbanization in Nanjing may evidently impact ozone formation and distribution. The simulated results illustrated that changes of land-use in Nanjing cause an increase in air temperature over 1℃， a decrease in wind speed with 0.4m/s， a decrease in air humidity with 0.5g/kg， and an increase in mixing layer height with 100m. Urbanization reduces near surface NOxconcentration due to the increase of PBLH， with the maximum decrease over 6×10-9. In the north and west of Nanjing， urbanization increases the concentration of O3with the value over 2×10-9， which can be related to the increase of air temperature， the decrease of wind speed and the change of NO. In the south and east of Nanjing， O3can be lowered about 1×10-9～3×10-9due to the increase of the height of mixing layer.

land-use；meteorological elements；ozone；WRF-CALGRID

X515

A

1000-6923（2015）11-3217-10

2015-04-25

國家自然科學(xué)基金項目（41475122）；海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室開放基金項目（SCSF201401）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

* 責(zé)任作者， 副教授， minxie@nju.edu.cn

朱寬廣（1989-），男，湖北鄂州人，南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院碩士研究生，主要從事城市化及其環(huán)境氣候效應(yīng)的研究.