《Atmospheric Environment》：Observed and Modeled Interactions Between Atmospheric Pollutants and Urban Thermal Environment in an Arid City: Urumqi as a Case Study
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臭氧|地表温度|城市热岛|耦合机制|WRF-Chem模型
孔文|余旺|阿里·马姆蒂明|建鹏|哈吉古尔·萨伊特|贾丽凤|梅岐松|贾成高|艾莉雅尔·艾海提|俊健刘|伊西拉穆·乌拉音|成龙周|范阳|文烁|关峰|张庆功
中国气象局沙漠气象研究所，乌鲁木齐830002
摘要
在干旱地区，城市化进程加剧了空气污染和城市热岛效应，但两者之间的耦合机制仍不甚明了。本研究通过整合多源卫星数据和数值模拟，分析了2019-2024年间中国西北部典型干旱区特大城市乌鲁木齐的地表温度（LST）与大气污染物之间的时空关系。利用MODIS LST数据和Sentinel-5P的柱状污染物数据（O3、NO2、SO2、CO、CH2O），采用趋势统计和空间自相关方法进行了分析。结果表明，白天地表温度呈下降趋势，而夜间地表温度显著上升，反映了夜间城市热岛效应的增强。污染物表现出明显的季节性变化，其中O3浓度增加，NO2浓度下降。双变量Moran’s I指数和局部空间关联指数（LISA）显示，O3与地表温度的正空间耦合最为显著，尤其是在夜间；而NO2和SO2的相关性较弱且具有季节性变化。WRF和WRF-Chem模拟结果表明，2023年2月臭氧及其共排放物加剧了近地面升温，导致白天温度差异约为0.4-1.6°C，并在O3浓度超过多日平均值时引发夜间升温。这些结果强调了臭氧在干旱城市生态系统中作为污染物-温度反馈的主要驱动因素的作用，为干旱盆地城市的空气质量与城市热风险综合管理提供了定量依据。
引言
快速的城市化从根本上改变了地表能量平衡，使城市成为大气污染的热点区域，进一步恶化了热环境（Grimm等人，2008年）。卫星数据显示，自20世纪90年代初以来，全球不透水面面积翻了一番以上，城市化加剧了地表温度的升高（Qiu等人，2024年）。自然景观被低反照率的建筑表面取代，加上工业和交通的人为热排放，使城市地表温度比周边农村或郊区高出数度（Meineke等人，2017年；Peng等人，2012年；Wheeler等人，2019年）。在蒸发受限的干旱地区，这种差异更加明显（Gao等人，2022年；Zhou等人，2014年）。同时，城市能源消耗和交通排放产生了复杂的大气污染物混合物，包括颗粒物（PM25、PM10）、臭氧（O3）和二氧化硫（SO2），每年导致约870万人过早死亡（Fuller等人，2022年；Vohra等人，2021年）。超过世界卫生组织空气质量标准的97%的城市中，这些污染物混合物导致预期寿命缩短（Apte等人，2018年）。城市及其下风地区的生态系统同时受到工业排放和气候变化的影响（Stevens等人，2004年；Sonwani等人，2022年；Weiskopf等人，2020年）。
地表温度（LST）是一种不同于空气温度的关键生态指标，它更直接地反映了地表与大气之间的能量交换。卫星获取的LST数据已成为评估城市热环境的重要指标，MODIS和Landsat数据支持高分辨率的时空分析（Cao等人，2016年）。Xiang等人利用280个空气温度传感器和Landsat卫星遥感数据量化了长沙地区空气温度与LST的时空变化；Xu等人研究了在深圳相似气候条件下，Landsat-7和Landsat-8图像对应LST产品之间的匹配关系。
城市生产和日常生活产生的污染物导致大气污染，影响气候变化和城市生态环境，进而对居民健康造成不良影响（Richter等人，2005年）。气溶胶的变化也影响地表反射和吸收的太阳辐射，导致城市和郊区地表温度的变化，进而影响城市热岛效应（Wang等人，2018年）。学者们研究了这些影响机制及相关情况（Li等人，2018年；McComiskey等人，2008年；Ngarambe等人，2021年）。然而，传统的监测方法受站点数量限制，只能反映有限区域内的大气污染物变化（Su等人，2024年），无法获取大气污染物的柱状浓度信息。随着卫星遥感技术的突破，尤其是Sentinel-5P的监测，现在可以准确测量八种关键污染物，分辨率和精度都有显著提高（Showstack，2014年）。
LST与大气污染物之间的物理化学相互作用通过双向辐射和化学途径发生，不同于简单的因果关系。气溶胶散射入射太阳辐射，使亚洲大城市的地表辐照度减少15-40%（Abassi等人，2020年；Jiang等人，2023年）。同时，臭氧和甲烷作为强效温室气体吸收长波辐射，加剧了夜间热岛效应（Jacobson，2010年）。这些过程产生了昼夜不对称的影响：白天的污染物层通过减弱辐照度抑制地表升温，而夜间的温室气体热捕获加剧了热应力（Li等人，2017年；Wu等人，2018年）。化学相互作用进一步复杂化了这一关系：升高的LST加速了SO2和NOx前体的氧化，产生硫酸盐和硝酸盐颗粒，加剧了PM25污染（Ding等人，2016年）。在干旱环境中，矿物尘埃为异质化学反应提供了活性表面，并在强太阳辐射下与O3相互作用，进一步复杂化了污染物-温度反馈。WRF和WRF-Chem等区域模型被广泛用于研究城市热岛、气溶胶-辐射相互作用及其对气象和空气质量的影响（Guo等人，2024年；Han等人，2023年；Shrestha等人，2025年）。
乌鲁木齐位于中国西北部，是新疆的典型工业中心，由于其独特的地理位置和持续存在的空气质量问题，成为研究这些相互作用的理想自然实验室（Abulimiti等人，2024年）。其半封闭的盆地地形将污染物困在温度逆温层之下，加剧了热岛效应，形成了一个自我强化的循环：上升的地表温度加速了光化学反应，颗粒物污染改变了辐射强迫（Li等人，2015年）。然而，现有研究往往关注单一污染物或短期观测，缺乏多因素协同效应和长期趋势的分析（Liu等人，2025年）。本研究通过对2019-2024年间乌鲁木齐MOD11A2昼夜LST数据和Sentinel-5P测量的O3、CO、NO2、CH2O、SO2动态的全面分析，揭示了大气污染物与LST之间的反馈机制，量化了污染-热相互作用的尺度效应和空间异质性，填补了干旱城市生态系统如何应对气候和人为污染压力的理解空白。此外，本研究还为现有文献提供了多项改进。它提供了乌鲁木齐大气污染物与地表温度时空关系的全面和长期评估，这是干旱城市中此类综合研究的不足之处。通过结合多源卫星数据（Sentinel-5P和MODIS）和数值实验（WRF和WRF-Chem），研究将观测证据与模型机制联系起来，使得对污染-热相互作用的解释更加可靠。空间自相关技术的应用进一步揭示了2019年至2024年间O3、NO2、SO2与地表温度之间的耦合强度变化。WRF-Chem实验得出的臭氧升温效应为大气污染物对城市热环境的昼夜非对称反馈提供了新的见解。这些贡献不仅丰富了人们对干旱城市生态系统中气候-污染相互作用的理解，还为空气质量与城市热风险的共同管理提供了科学指导。
研究区域
乌鲁木齐市（东经86°47'-88°58'，北纬42°55'-45°00'）位于中国西北部，新疆中部，地处欧亚大陆深处。它是新疆维吾尔自治区的首府，也是该地区唯一的大城市（图1）。该市位于北天山山脉的北麓和准噶尔盆地的南缘，地形复杂，海拔差异显著。总面积为13,800平方公里，常住人口达到4.0848万人
乌鲁木齐市地表温度的时空变化
本研究使用MODIS MOD11A2产品分析了乌鲁木齐的地表温度。图2显示了2019-2024年间乌鲁木齐市白天（图2a）和夜间（图2b）的平均地表温度分布，每年的白天和夜间地表温度模式分别见图S1和S2。图2展示了多年来的空间特征。白天，较高的地表温度主要分布在城市的北部和东南部
讨论
本研究揭示了乌鲁木齐地表温度与大气污染物之间的季节性和昼夜差异，并通过WRF-Chem模拟进一步探讨了其机制。结果显示了明显的夜间热岛效应，这与中亚干旱城市的发现一致（Abulimiti等人，2025年）。在多哈（Rajeswari等人，2024年）和利雅得（Alqurashi，2021年）等干旱城市也观察到了类似现象，表明夜间热岛效应的普遍性
结论
本研究结合多年卫星观测和区域建模，研究了乌鲁木齐（中国西北部典型的干旱盆地城市）中大气污染物与地表温度的相互作用。主要结论如下：
1.2019-2024年间，乌鲁木齐的白天地表温度在北部和东南部沙漠地区较高，而夜间地表温度在密集建筑的核心区域达到峰值，形成了明显的夜间地表热岛效应。
作者贡献声明
艾莉雅尔·艾海提：研究、数据管理。贾成高：研究、数据管理。梅岐松：可视化、验证、软件开发。贾丽凤：资源协调、研究。范阳：写作-审稿与编辑、研究。余旺：写作-审稿与编辑、验证、软件开发、数据分析。成龙周：写作-审稿与编辑、指导。孔文：写作-初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析、概念化。伊西拉穆·乌拉音：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了以下项目的资助：科技创新团队（天山创新团队）项目：2022TSYCTD0007；国家自然科学基金：42375084、42305132；第三次新疆科学考察：2022xjkk030502；中国气象局青年创新团队：CMA2024QN13；
