《Atmospheric Pollution Research》：Urban Canopy Turbulence under Clean and Haze Conditions in a Basin City and Its Role in Haze Formation
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城市下垫层湍流结构对雾霾形成的影响：基于兰州盆地的观测分析，发现雾霾期间动态湍流减弱导致污染物扩散能力下降，而热湍流增强不足以弥补扩散损失，最终形成雾霾累积。该研究揭示了动力与热力湍流耦合机制对盆地城市雾霾演变的关键作用。
刘梅燕|任艳|张洪生|梁建宁|田鹏飞|曹贤杰|李佳芸|张雷
兰州大学西部生态安全协同创新中心，中国兰州730000
摘要
流域城市复杂的大气边界层结构以及有限的湍流扩散能力对雾霾预报和控制带来了相当大的挑战。本研究利用兰州盆地的观测数据，比较了清洁天气和雾霾天气下城市冠层（UCL）内的湍流结构，并探讨了它们与雾霾演变之间的关系。结果表明，在雾霾期间，湍流动能和摩擦速度显著降低，而热通量和大气不稳定性则有所增加，这表明动力湍流和热湍流对雾霾过程的影响存在差异。进一步分析发现，在雾霾期间，间歇性的动力亚中尺度强迫作用增强，间歇性的热亚中尺度强迫作用减弱，热传输效率提高。象限分析表明，热效应的增强主要与热羽流的重要性增加有关，这也加剧了动量传输和热传输之间的差异。然而，这种热湍流的增强不足以抵消动力作用的减弱，导致细颗粒物持续积累。因此，动力扩散能力的减弱是影响流域UCL内雾霾污染形成和持续的关键因素。本研究为理解流域城市雾霾污染的动力-热力学机制提供了新的证据，并为改善城市空气质量预报提供了科学支持。
引言
在经济发展迅速、人口密度高的城市地区，细颗粒物（PM2.5）污染已成为严重的环境问题（Moreira等人，2024年），对人类健康、天气和气候变化产生了显著影响（Cohen等人，2017年；Huang等人，2023年）。与雾霾形成相关的源排放、物理过程和化学转化主要发生在大气边界层内，其结构特征和湍流扩散能力在决定雾霾事件的发展和演变中起着关键作用。湍流结构和传输特性的变化会导致雾霾强度和持续时间的显著差异（Ren等人，2019a年；Liu等人，2021年）。在流域城市中，受地形限制形成的复杂大气边界层结构，加上湍流混合受限，给雾霾预报和控制带来了更大的挑战（Baasandorj等人，2017年；Hallar等人，2022年；Zhao等人，2023年）。
大气湍流可以由浮力（热湍流）驱动，也可以由风切变（机械湍流）产生。这些不稳定性机制能够产生空间和时间上有序的湍流结构，如热羽流、发夹涡旋和湍流包（Dupont和Patton，2022年）。这些结构可以在短时间内触发强烈的热量、动量或污染物传输（Foken，2008年；Ferreres等人，2013年）。在湍流较弱的条件下，特别是在稳定的边界层中，湍流通常表现出大尺度的间歇性。其特征是湍流状态和准层流状态在时间和空间上的不规则转换，所有尺度上的湍流都被抑制（Mahrt，1999年）。这一过程通常由非定常的亚中尺度运动驱动（Mahrt，2010年；Sun等人，2015年），这可能引发“湍流屏障效应”，显著抑制污染物扩散并导致细颗粒物浓度急剧增加（Wei等人，2018年；Ren等人，2023a年）。此外，在气溶胶污染事件中，不同类型的气溶胶具有不同的光学特性，可能会引发“穹顶效应”或“炉灶效应”（Ding等人，2016年；Ma等人，2020年）。湍流混合的强度不仅调节气溶胶的垂直分布，还改变大气边界层的热结构，从而反过来影响湍流传输能力和污染物扩散过程（Su等人，2020年）。尽管先前的研究强调了雾霾污染与边界层之间的显著相互作用，但这种耦合过程中湍流的详细机制仍不完全清楚。
与自然表面相比，城市表面表现出更大的动态粗糙度和热量释放。这些复杂的动态和热过程相互作用，共同影响城市近地面层的湍流交换特性。因此，风速、温度和湿度等气象要素的垂直分布发生了显著变化（Roth，2000年；Wood等人，2010年）。由于城市表面由建筑物、树木和其他具有异质空间分布的粗糙元素组成，城市边界层更加三维和空间不均匀。为了描述这种复杂性，城市边界层通常被垂直划分为城市近地面层和上方的外层。城市近地面层可以进一步分为粗糙度亚层和惯性亚层（Rotach等人，2005年）。粗糙度亚层通常延伸到平均建筑高度的2-5倍（Roth，2000年）。其最低部分，从地面到平均建筑高度，被称为城市冠层（UCL）。在UCL内，大气流动受到建筑物尾流和屋顶剪切的强烈影响，导致湍流结构非常复杂。通常，在整个粗糙度亚层中，湍流通量和湍流统计特性随高度显著变化，因此Monin–Obukhov相似性理论不适用（Rotach和Holtslag，2025年）。相比之下，在粗糙度亚层上方的惯性亚层中，湍流通量随高度变化很小。这一层有时被称为恒定通量层，在这里经典的Monin–Obukhov相似性理论及相关湍流参数化更有可能成立。
作为陆气相互作用的关键界面，UCL具有高度复杂的湍流结构，容易受到人为活动的影响，在雾霾污染的形成和演变中起着关键作用（Oke等人，2017年）。然而，在模拟城市地区的雾霾事件时，传统湍流参数化方案在UCL内的适用性受到了广泛质疑（Zou等人，2018年）。观测证据表明，实际大气中动量与其他标量（如热量）的湍流传输存在差异。这种偏离雷诺类比的情况可能会降低湍流参数化的准确性，从而降低天气预报和气候模拟的可靠性（Li和Bou-Zeid，2011年；Jia等人，2020年）。尽管先前的研究已经调查了UCL中的一般湍流特性，但不同空气质量条件下湍流结构的差异及其对雾霾过程影响的机制仍缺乏系统性的理解（Wang等人，2014年；Ren等人，2018年；Shi和Hu，2020年）。
总之，在流域地形和城市表面特征的共同影响下，流域UCL内的湍流结构非常复杂。目前，动量和热量的湍流传输特性尚未得到充分理解，动力湍流和热湍流在雾霾事件形成和演变中的机制也不清楚。因此，本研究利用观测数据比较了清洁天气和雾霾天气下流域UCL内湍流结构和传输特性的差异，并探讨了它们对雾霾污染过程的影响机制。这些发现为改进城市边界层湍流参数化提供了观测证据，特别是对于提高城市空气污染预报的准确性具有重要意义。本文的第2节描述了数据和方法论，第3节展示了结果，第4节总结了主要结论。
研究片段
野外活动
本研究使用的观测数据来自兰州大气成分监测超级站（LACMS；36.05° N, 103.87° E），收集时间为2021年1月。所有观测时间均以北京时间（BJT = UTC + 8小时）报告。兰州盆地位于青藏高原东北侧的黄河流域狭窄区域内，总体呈西北-东南方向（图1a）。平均海拔约为1520米。
雾霾污染事件和平均湍流特性概述
基于2021年1月的观测数据集，采用了中国国家环境空气质量标准（环境保护部，2012年）的第二级标准（75 μg m-3）作为区分清洁天气和雾霾天气的阈值。观测结果显示，1月2日、12日、18日和20-22日的日均PM2.5浓度超过了75 μg m-3，这些天被认定为雾霾污染日。图2展示了PM2.5浓度和PM2.5/CO的时间序列。
结论
细颗粒物的时空分布与大气湍流运动密切相关。在流域城市中，在复杂的下层表面和人为热源的共同影响下，UCL内的湍流结构极其复杂，UCL湍流结构与雾霾污染之间的关系仍不清楚。基于2021年1月的观测数据，本研究比较了兰州盆地UCL内的湍流结构。
CRediT作者贡献声明
李佳芸：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，调查。
曹贤杰：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，调查。
田鹏飞：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，调查。
梁建宁：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，调查。
张雷：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，调查。
张洪生：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，资源提供，项目管理，资金获取，概念化。
任艳：撰写 –
未引用参考文献
Hallar等人，2021年；Jia等人，2022年；Quan和Hu，2009年；St?ckl等人，2022年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3708202、2023YFC3706300）、国家自然科学基金（42475184、42305071）以及龙源青年人才项目的共同资助。
