蔣子琪， 王旭紅， 馮子豪， 崔思穎， 楊 霞

（1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127；3.陜西西安城市生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，陜西 西安 710127）

城市熱島（Urban Heat Island,UHI）效應(yīng)是一種城市地區(qū)溫度高于周邊鄉(xiāng)村地區(qū)的現(xiàn)象，是由人類活動對地球環(huán)境的影響造成的［1］。城市與鄉(xiāng)村的地表輻射熱特性差異及地表接收太陽輻射量的差異形成了城市熱島現(xiàn)象［2］。全球平均日間地表熱島強度為0.85°C，在目前全球氣候變暖的背景下，白天的城市熱島強度在日益增大，大約每10 a增加0.03±0.02 ℃［3］。城市熱島強度（Urban Heat Island Intensi?ty，UHII）的表征可以用地溫和氣溫2 種參量，因此城市熱島效應(yīng)可分為地表熱島效應(yīng)和大氣熱島效應(yīng)2種形式。其中，冠層熱島（Canopy Urban Heat Is?land，CUHI）效應(yīng)被定義為城市區(qū)域與周圍環(huán)境之間的氣溫差異，并通過地面氣象站或移動測量進行研究。地表熱島（Surface Urban Heat Island, SUHI）效應(yīng)是利用衛(wèi)星遙感觀測的城市或建成區(qū)和非城市地區(qū)（如水體和植被區(qū)）之間的地表溫度差來表征［4］。

城市污染與鄉(xiāng)村污染存在著城鄉(xiāng)差異，在一般情況下，城市的污染物顆粒比農(nóng)村多，稱為城市污島效應(yīng)（Urban Pollution Island，UPI）［5］，以表示典型城市特征和活動的存在而導(dǎo)致的城鄉(xiāng)間污染物濃度存在差異的現(xiàn)象。城市污島強度（Urban Pollu?tion Island Intensity，UPII）由城市地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)污染程度之間的差異來定義［6］?？諝馕廴境潭榷嗖捎脷馊苣z光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）或近地表細顆粒物（Particulate Matter，PM）濃度來表征。其中，AOD是指大氣中氣溶膠顆粒物等介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向的積分，用于描述由于大氣中氣溶膠粒子散射和吸收而引起太陽輻射衰減的輻射效應(yīng)，可作為大氣柱中顆粒物濃度和空氣污染程度的替代性指示標志。近地表PM主要的來源是化石燃料燃燒和人們生產(chǎn)生活活動中排放到城市大氣的大量污染物細顆粒［7-8］。這些細顆粒物如PM2.5被認為是影響空氣質(zhì)量的首要污染物，是當前大氣質(zhì)量監(jiān)測和評價的一個重要指標［9］。基于上述2種計算指標，將UPI 分為大氣污島（Atmospheric Urban Pol?lution Island，AUPI）和近地表污島（Near-Surface Ur?ban Pollution Island，NSUPI）。城市污島處于大氣穹隆中，并參與城市大氣穹隆中的地表空氣動力、湍流運動及其他動力過程。

UHI 與UPI 存在一定的相互作用關(guān)系。一方面，氣溶膠顆粒物通過衰減太陽輻射和增加大氣下行輻射從而影響城市熱島強度的變化。氣溶膠污染可以減少到達城市空間的短波太陽輻射，起到緩解城市熱島效應(yīng)的作用［10-11］。同時，在特定條件下，氣溶膠在吸收和散射輻射方面比長波大氣窗口（波長范圍8～12 μm）中的水蒸氣和溫室氣體更有效，因此有可能增加城市地表接收的長波輻射能量［12-13］。有研究表明，氣溶膠污染是夜間城市熱島UHI 的主控因子之一［14-15］。另一方面，城市熱島效應(yīng)能夠加強湍流混合強度，增加城市邊界層高度，有助于氣溶膠顆粒物向高層擴散［16］，而城市冷島則降低湍流混合速率和混合層高度［17］，導(dǎo)致近地表污染物聚集濃度升高。如Zhong 等［18］發(fā)現(xiàn)，在西安PM2.5嚴重污染的寒冷時段，惡化的天氣狀況與累積氣溶膠污染之間存在顯著的雙向反饋機制。此外，UHI 與UPI的相互影響也存在顯著的季節(jié)效應(yīng)。Ngarambe等［19］通過回歸分析和方差分析發(fā)現(xiàn)，在韓國首爾地區(qū)，空氣污染濃度與UHI 之間有統(tǒng)計學(xué)上顯著的相互作用，秋冬季污染物顆粒濃度與UHI 相關(guān)性最強，春夏季較弱。He［10］也提到空氣污染的季節(jié)變化是造成UHI現(xiàn)象季節(jié)性影響的原因。

自2000年西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來，西北地區(qū)城市人口、機動車輛、工業(yè)污染排放激增，西北部城市的熱島與空氣污染之間的潛在相互作用值得進一步分析和了解。西安市位于關(guān)中盆地中部，在關(guān)中喇叭口地形的影響下，污染物易聚集［20］，使西安市面臨著前所未有的熱污染和空氣污染等的壓力。同時，在目前現(xiàn)有研究城市熱島效應(yīng)和城市污島效應(yīng)中，通常使用單一的參量表征UHI 和UPI 效應(yīng)，很少利用多個參量分別從輻射傳輸效應(yīng)和湍流運輸2 個角度 下深入探討AUPI 對SUHI、CUHI 對NSUPI 的作用關(guān)系。此外，由于氣溶膠輻射效應(yīng)的不確定性，UPI 與UHI 的相互作用關(guān)系因城市地域和背景氣候的不同而具有很大的差異性。因此，UHI 效應(yīng)與UPI 效應(yīng)兩者相互作用、相互影響的關(guān)系仍需深入分析。在本研究中，以西安市為研究區(qū)，對2003—2020 年間季節(jié)尺度上地表/冠層熱島效應(yīng)與大氣/近地表污島效應(yīng)的變化特征及相互作用關(guān)系進行了深入的剖析，并利用歸因分析方法量化估算了大氣污染下的城市霧霾對地表熱島強度的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取西安市城區(qū)及其周圍地區(qū)作為研究區(qū)（圖1），主要包括西安市的新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)，咸陽市的渭城區(qū)、秦都區(qū)、興平市、涇陽縣、禮泉縣、涇陽縣、三原縣，以及西安市的鄠邑區(qū)、長安區(qū)、藍田縣、灞橋區(qū)、臨潼區(qū)、高陵區(qū)、閻良區(qū)。研究區(qū)的地理位置為108°27′58″～109°19′18″E，33°55′47″～34°40′39″N 之間，中部為關(guān)中平原，海拔為350～700 m，南部為秦嶺山脈，北部為黃土高原，南北部海拔均在750 m 以上，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冷暖干濕四季分明。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

西安市土地利用數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)土地利用類型包括：耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設(shè)用地和未利用土地8 類。將西安市城鎮(zhèn)聚集區(qū)定義為城市區(qū)，在城市區(qū)外生成20～25 km 的緩沖區(qū)［21］，將此緩沖區(qū)內(nèi)與城市區(qū)高程差在±100 m 的像素、水像素、其他小城市的城鎮(zhèn)用地聚集區(qū)、農(nóng)村居民點以及其他建設(shè)用地［22］排除，剩下的區(qū)域定義為鄉(xiāng)村區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

（1）地表溫度數(shù)據(jù)：采用MODIS 的MYD11A2（C6）數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d，選取“LST_Day_1 km”和“LST_Night_1 km”兩項子數(shù)據(jù)集計算地表溫度。這項數(shù)據(jù)由AQUA上的中分辨率成像光譜儀MODIS 獲取，影像獲取時間為2003—2020年，軌道行列號分別為h26v05和h27v05，數(shù)據(jù)來自于美國航空航天局NASA（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括：正弦投影轉(zhuǎn)WGS84、拼接、裁剪、IDW 插值處理等，這些過程均通過ENVI IDL和ARCPY以及NASA網(wǎng)站在線后處理工具進行批處理實現(xiàn)。

（2）AOD數(shù)據(jù)：來自MCD19A2（C6）氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，是中等分辨率成像光譜儀（MODIS）Terra和Aqua 組合的多角度大氣校正（MAIAC）陸地氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）網(wǎng)格化2 級產(chǎn)品，空間分辨率為1 km。AOD數(shù)據(jù)的去云、重投影、拼接、裁剪等處理借助于GEE（Google Earth Engine）云計算平臺完成。

（3）氣溫數(shù)據(jù)：利用國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國1 km分辨率逐月平均氣溫數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)的格式為NetCDF。該數(shù)據(jù)基于中國地面824 個氣象站臺的月值資料，采用DEM 數(shù)據(jù)為協(xié)變量，利用樣條法（TPS）插值生成，插值后的數(shù)據(jù)經(jīng)過氣象臺站實測資料的閾值檢驗。

（4）PM2.5濃度數(shù)據(jù)：來自美國馬里蘭大學(xué)大氣環(huán)境遙感團隊［23］制作的China High Air Pollutants（CHAP）datasets（https://weijing-rs.github.io/product.html），其空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)整合了MODIS AOD 數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)（如地面觀測站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、再分析和模型模擬數(shù)據(jù)），重建了中國大陸高分辨率、高質(zhì)量PM2.5數(shù)據(jù)集（即ChinaHighPM2.5產(chǎn)品）。

（5）土地利用數(shù)據(jù)：來自地理監(jiān)測云平臺（http://www.dsac.cn），共有6 個一級類，25 個二級類及部分三級類。這項數(shù)據(jù)的耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地平均分類精度達到85%以上，滿足本研究的應(yīng)用需求。

1.3 研究方法

（1）UHII、UPII 的 計算。UHII 包 括SUHII 和CUHII，分別利用地溫數(shù)據(jù)和氣溫數(shù)據(jù)計算。SUHII用MODIS MYD11A2（C6）地溫數(shù)據(jù)的城鄉(xiāng)差異值表示，SUHII可計算白天地表熱島強度（SUHIIday）、夜晚地表熱島強度（SUHIInight）。CUHII 用國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1 km 逐月氣溫數(shù)據(jù)集的城鄉(xiāng)差異值估算；

UPII包括AUPII和NSUPII，分別利用AOD數(shù)據(jù)和近地表污染物顆粒物PM2.5濃度數(shù)據(jù)計算。AUPII表示為城鄉(xiāng)間AOD 的差異，NSUPII 表示為城鄉(xiāng)間PM2.5的濃度差異。

UHII、UPII的具體計算方法如下［24］：

（2）空間耦合性分析?？捎脕矸治? 個要素之間的相互作用，相互影響的程度［25］。UHI 與UPI 的耦合協(xié)調(diào)性包括AUPI 與SUHIday、AUPI 與SUHInight、CUHI 與NSUPI 的 耦 合 協(xié) 調(diào) 度。AUPI 與SUHIday、AUPI 與SUHInight、CUHI 與NSUPI 的耦合協(xié)調(diào)度分別定義為AOD 與白天地表溫度、AOD 與夜間地表溫度、氣溫與PM2.5濃度在不同空間位置上相互影響和作用的程度。耦合協(xié)調(diào)度M由耦合度M1和綜合評價值M2共同決定，計算公式如下：

計算AUPI 與SUHIday、AUPI 與SUHInight、CUHI 與NSUPI 的耦合協(xié)調(diào)度時，A1，A2分別表示經(jīng)標準化處理后的AOD 和白天地表溫度、AOD 和夜晚地表溫度、空氣溫度和PM2.5濃度；a，b為待定參數(shù)，參考前人經(jīng)驗，a=b=0.5，分別表明AOD 和白天地表溫度、AOD 和夜晚地表溫度、空氣溫度和PM2.5濃度同等重要。

（3）量化霧霾污染對SUHI的貢獻。參照Li等［26］的歸因方法，Zhao 等［27］及Cao 等［28］利用地表能量平衡計算在南美洲和中國大陸地區(qū)各生物量（輻射、感熱對流效率、蒸發(fā)、蓄熱和人為放熱）對地表溫度城鄉(xiāng)差異的影響。此外，Cao 等［28］通過量化城市與鄉(xiāng)村地區(qū)的長波輻射差異，利用城市氣候模型以及觀測減去再分析（OMR）的方法，進一步定量評估不同氣候區(qū)霧霾對熱島效應(yīng)的貢獻。

這里用Cao 等［28］的量化方法，霧霾污染通過氣溶膠光學(xué)厚度AOD數(shù)據(jù)來表示，城鄉(xiāng)長波輻射差異計算為AOD 敏感度和城鄉(xiāng)AOD 差異的乘積。霧霾污染對SUHI強度變化的貢獻值為ΔTAOD，計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 UHI、UPI的年、季變化特征

由圖2 可知，SUHIIday逐年下降，年均下降率為0.038 K，SUHIInight逐年上升，年均增長率為0.061 K。西安市白天地表熱島效應(yīng)從2003年至今逐步減弱，城市與鄉(xiāng)村的地表溫度逐漸接近，夜間地表熱島效應(yīng)則逐年增強，城市比鄉(xiāng)村越來越暖熱，這與梁秀娟等［14］、Lu等［29］關(guān)于西安市地表熱島的變化研究結(jié)果相同。CUHII 年際間保持穩(wěn)定，年均增長率僅為0.007 K。AUPII 在2003—2020 年逐年下降且降幅較小，年均下降率為0.003。NSUPII 在2003—2020 年也逐年下降，年均下降率為0.223 μg·m-3。西安市AOD、細顆粒物PM2.5濃度的城鄉(xiāng)差距在逐年減小，表明西安市大氣污島、近地表污島效應(yīng)均減弱。

圖2 熱島強度與污島強度的年、季變化Fig.2 Annual and seasonal variation of UHII and UPII

由表1 可知，SUHIInight的年均值（3.078 K）高于SUHIIday（1.66 K），夜間的地表熱島效應(yīng)更強烈。夜間UHI 的驅(qū)動因素主要是城市地表白天獲取的太陽輻射能的釋放和人為熱排放［30］，城市中心區(qū)比郊區(qū)儲熱量大、熱源多，導(dǎo)致了夜晚熱島效應(yīng)明顯。此外，同一季節(jié)地表熱島效應(yīng)存在晝夜差異，尤其在冬季。冬季白天、夜晚的SUHI 強度分別為-0.767 K、3.38 K，這種白天呈現(xiàn)冷島效應(yīng)，夜晚顯示為強熱島效應(yīng)的現(xiàn)象可能是由空氣污染作用下的地表熱輻射、人為熱和大氣熱輻射等不同源的輻射作用共同導(dǎo)致的。同時，CUHII 的年均值（0.723 K）明顯小于SUHIIday和SUHIInight，城鄉(xiāng)地表蒸散發(fā)冷卻效果的差異導(dǎo)致了城鄉(xiāng)區(qū)的氣溫差異低于地表溫度差異［31］。

表1 UHII與UPII的年、季均值Tab.1 Annual and quarterly mean values of UHII and UPII

AUPII 的年均值為0.017，季節(jié)均值分別為：春季（-0.02）、夏季（0.043）、秋季（0.047）、冬季（-0.004），夏秋季的AUPII 強于春冬季。結(jié)合西安市的氣象，分析其自然因素為：夏秋季西安市大氣濕度較高，溫暖潮濕的環(huán)境使得吸濕性氣溶膠顆粒的平均粒徑增大，大氣消光系數(shù)增加，增強了形成氣溶膠的能力；此外，夏季太陽輻射增強，大氣垂直運動劇烈，形成較強的氣溶膠垂直運輸，使大氣的氣溶膠含量增強［32］。而春冬季為干冷天氣、風速較大且存在逆溫層，高空污染物不易堆積［33］，因此AU?PI較小。

NSUPI 強度存在季節(jié)差異，其在冬季最強（3.015 μg·m-3），春秋季的NSUPI 強度次之（分別為2.274 μg·m-3、1.666 μg·m-3），夏季最弱（-1.260 μg·m-3）。NSUPI效應(yīng)的季節(jié)差異由細顆粒物的城鄉(xiāng)差異決定，機動車尾氣排放是一年中細顆粒物的持續(xù)性來源，燃煤等其他因素導(dǎo)致的細顆粒物季節(jié)性排放是形成NSUPI 的季節(jié)差異的主要原因。因此，冬季供暖季節(jié)，城市區(qū)燃煤、燃薪等增加了空氣中的污染顆粒物濃度，最終導(dǎo)致冬季的城鄉(xiāng)間細顆粒物濃度差距大于其他季節(jié)；春季西安市多揚塵天氣，秋季為農(nóng)忙季，多秸稈燃燒［34］，造成了春秋季的NSUPI 強度僅次于冬季；夏季鄉(xiāng)村區(qū)PM2.5濃度高于城市區(qū)，NSUPI強度為負值，考慮為城市熱作用下的空氣湍流、擴散導(dǎo)致的。

2.2 UHI與UPI的空間耦合性分析

利用空間耦合性模型對UHI 與UPI 進行分析。耦合協(xié)調(diào)度數(shù)值越大的地方，表明變量間相互作用的能力越強。圖3、圖4 和圖5 分別顯示了2003—2020 年不同季節(jié)下SUHIday與AUPI、SUHInight與AU?PI、CUHI與NSUPI 的空間耦合性分布。表2統(tǒng)計了城市區(qū)和鄉(xiāng)村區(qū)的耦合性均值，并計算了城鄉(xiāng)間的耦合性差異值。整體來看，除了鄠邑區(qū)、長安區(qū)、藍田縣南部秦嶺山地高海拔地區(qū)的UHI與UPI的耦合協(xié)調(diào)度小于0.6 外，西安市及其周邊區(qū)、縣域的UHI與UPI 空間耦合協(xié)調(diào)度基本大于0.8，UHI 與UPI 在空間上相互作用顯著。

2.2.1 SUHI與AUPI的空間耦合效應(yīng) 由圖3可知，季節(jié)上秋、冬季的整體耦合性高于春、夏季，表明地表溫度與霧霾相互作用強度在秋冬季較強。空間分布上，春、夏及秋季高耦合協(xié)調(diào)度區(qū)呈東北至西南的趨勢分布，而冬季東部的臨潼區(qū)、高陵區(qū)、灞橋區(qū)和北部未央?yún)^(qū)及南部長安區(qū)的北部等區(qū)域的耦合協(xié)調(diào)度高于處于西安市中心的蓮湖區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)。城鄉(xiāng)間耦合性差異值在春、夏和秋季為正值且夏季最高（0.0525），而在冬季為負值（-0.0124）（表2），表明春、夏和秋季白天SUHI與AUPI可能呈正向作用，而冬季白天SUHI隨AUPI呈反向作用。

圖3 SUHIday&AUPI的空間耦合協(xié)調(diào)度分布Fig.3 Spatial coupling coordination degree distribution of SUHIday&AUPI

由圖4 可知，季節(jié)上除了春季耦合性稍弱外，夏、秋、冬季的整體耦合性分布相似且協(xié)調(diào)度高于春季。空間上來看，夜間耦合性分布與白天相反，表現(xiàn)為耦合協(xié)調(diào)度高值區(qū)集中在城市中心的蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)，當其他區(qū)縣距離城市中心越遠時，耦合協(xié)調(diào)度下降。此外，夜間的城鄉(xiāng)耦合性差異明顯高于白天，尤其是秋季夜晚的耦合性差異值達到了0.0689（表2）。這表明在氣象狀況穩(wěn)定的情況下，夜間各季節(jié)城市區(qū)氣溶膠輻射作用的能力高于鄉(xiāng)村區(qū)，可能會導(dǎo)致AUPI 與SUHI 的相互促進、共同增強。值得注意的是，一場強風或暴雨也可能會減弱或中斷這種相互作用。

圖4 SUHInight&AUPI的空間耦合協(xié)調(diào)度分布Fig.4 Spatial coupling coordination degree distribution of SUHInight&AUPI

2.2.2 CUHI與NSUPI的空間耦合效應(yīng) 由圖5可以看出，近地表區(qū)域CUHI 與NSUPI 聯(lián)系緊密，耦合協(xié)調(diào)度在各個季節(jié)均高于SUHI 與AUPI 的空間耦合度。在季節(jié)變化上，夏、秋季的空間耦合度高于春、冬季。夏、秋季所有區(qū)、縣的低海拔地區(qū)的耦合性基本大于0.925，CUHI 與NSUPI 相互影響的能力強于其他季節(jié)。從空間上來看，由于夏季高耦合性區(qū)域分布廣泛，使得城鄉(xiāng)間的耦合性差異（0.0036）并不明顯（表2），導(dǎo)致夏季CUHI 與NSUPI 相互作用、相互反饋的程度弱于其他季節(jié)。

表2 城市與鄉(xiāng)村區(qū)耦合協(xié)調(diào)度均值及城鄉(xiāng)耦合協(xié)調(diào)度差值Tab.2 The mean value of coupling coordination degree in urban and rural areas and the difference value of coupling coordination degree between urban and rural areas

圖5 CUHI&NSUPI的空間耦合協(xié)調(diào)度分布Fig.5 Spatial coupling coordination degree distribution of CUHI&NSUPI

2.3 UHI與UPI相互作用分析

2.3.1 輻射效應(yīng)下AUPI 對SUHI 的影響 由圖6 可知，春、秋季的地表熱島SUHI效應(yīng)與AUPI的變化存在相同趨勢，但由于受春、秋季氣象因素等的干擾影響，氣溶膠的輻射效應(yīng)特征呈復(fù)雜性。夏季的白天和夜間，SUHII 與AUPII 的增長趨勢相同，這是季節(jié)效應(yīng)因素影響的結(jié)果。夏季炎熱，地表熱島效應(yīng)強烈且僅次于春季（表1），加之夏季大氣上行運動強烈，氣溶膠垂直輸送至上空，導(dǎo)致AUPI 效應(yīng)強于其他季節(jié)，且夏季AUPII＞0.5 時所占頻率高于其他季節(jié)。

冬季，SUHII 的變化態(tài)勢主要由氣溶膠輻射效應(yīng)驅(qū)動形成。從圖6可看出，SUHIIday小于-0.2 K，城市地溫低，城市比鄉(xiāng)村冷；而夜間地表熱島效應(yīng)強烈，SUHIInight大于2.2 K，最高值能達3.642 K，城市地溫遠遠高于周圍鄉(xiāng)村。分析其原因是西安市在冬季重污染情況下［35］，白天由于氣溶膠的輻射冷卻作用強，地表接收的太陽輻射減少，從而導(dǎo)致城市地表異常降溫［36］。因此，冬季白天城市地表溫度低于鄉(xiāng)村，表現(xiàn)為冷島效應(yīng)。而在夜晚，氣溶膠的長波輻射效應(yīng)明顯，成為城市區(qū)地溫的“保溫層”。Wu等［37］的研究也表明，氣溶膠污染在白天減少城市變暖，但在污染水平較高的夜間會加劇城市變暖。

圖6 AUPII與SUHII的變化關(guān)系Fig.6 Variation relationship between AUPII and SUHII

2.3.2 湍流作用下CUHI 對NSUPI 的影響 由圖7可知，當春季CUHII為0.7～1.3 K、夏季CUHII在0.1～0.8 K 時，冠層熱島CUHI 效應(yīng)與近地表污島NSUPI效應(yīng)同時增強，增幅分別為0.6 K、3.655 μg·m-3（春季），0.7 K、4.344 μg·m-3（夏季）。這是因為由機動車引起的交通“污排放”（汽車尾氣、揚塵等）與道路交通“熱排放”同時升高了城市區(qū)的PM2.5濃度和氣溫［38］，CUHI 與NSUPI 效應(yīng)因此增強，且夏季強于春季。然而，當春季CUHII＞1.3 K、夏季CUHII＞0.8 K時，城市區(qū)PM2.5濃度、NSUPI 強度均降低。究其原因為：CUHI 持續(xù)增強時，冠層熱島效應(yīng)導(dǎo)致的高溫可以通過加強湍流從而降低城市地區(qū)的近地表顆粒物濃度和NSUPI［13］。值得注意的是，當春季CUHII＜0.8 K 時，NSUPI、城市區(qū)PM2.5濃度均呈由高初值后下降的趨勢。這可能是由于氣溫和污染物濃度的變化不同步造成的［10］，后者的形成需要更多的時間，存在著滯后性。在CUHI較低的早春時期，高NSUPI與高PM2.5濃度可能是冬季的后續(xù)效應(yīng)。

圖7 CUHII與NSUPII的變化關(guān)系Fig.7 Variation relationship between CUHII and NSUPII

由圖7 秋冬季變化狀況可知，秋季城市區(qū)的PM2.5濃度相對穩(wěn)定，濃度變化范圍波動在69～80 μg·m-3之間；而冬季城市區(qū)PM2.5濃度隨CUHI 增大呈波動上升狀態(tài)，從109.187 μg·m-3提高到122.463 μg·m-3。說明秋冬時期城市區(qū)細顆粒物濃度始終處于高水平，且冬季有增加態(tài)勢。秋、冬季的NSUPI效應(yīng)持續(xù)增強，其變化趨勢與CUHI 強度有關(guān)。秋季CUHII＜0.5 K、冬季CUHII＜0.7 K時，秋、冬季NSU?PI 增強迅速，增長幅度分別為5.473 μg·m-3、10.984 μg·m-3；隨著CUHII持續(xù)增長，NSUPI的增長速率緩慢，增長幅度分別為0.248 μg·m-3、1.806 μg·m-3。表明在城市冠層熱島的高溫影響下，秋冬季CUHII 的持續(xù)增強，加強了NSUPI效應(yīng)，這與春夏的CUHII對NSUPI 影響作用趨勢相反。高CUHI 效應(yīng)導(dǎo)致的湍流混合并未使城市區(qū)PM2.5濃度降低。這是因為在逆溫層的存在下，大氣對流層中氣溫隨高度增加，CUHI 效應(yīng)導(dǎo)致的空氣上升運動被阻礙，PM2.5等污染物顆粒被困在近地表區(qū)域［39］，并逐漸聚集、堆積。因此，城市區(qū)PM2.5顆粒物濃度增大，城鄉(xiāng)間的PM2.5濃度差異增大，NSUPI增強。此外，對流層的逆溫現(xiàn)象使高空大氣污染物擴散至周圍鄉(xiāng)村區(qū)，大氣污染物在風的作用下在鄉(xiāng)村區(qū)逆流循環(huán)。

2.4 霧霾污染對SUHI的量化估算

表3 顯示了AOD 與城市地表熱島強度SUHI 的相關(guān)性。白天城市AOD 均值、鄉(xiāng)村AOD 均值與地表熱島SUHI相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)小于0.1。這種不顯著關(guān)系是由于白天氣溶膠顆粒既散射太陽輻射又截留長波輻射，氣溶膠對地表熱島的影響較為復(fù)雜造成的。夜晚城市AOD、鄉(xiāng)村AOD均與SUHI呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.431、-0.386，且P＜0.01。AOD對夜晚熱島效應(yīng)的明顯的負相關(guān)趨勢表明霧霾減弱了熱環(huán)境，產(chǎn)生降溫效果。由于白天AOD與地表熱島效應(yīng)的相關(guān)系數(shù)小于夜晚，且相關(guān)性不顯著，故這里只考慮夜間AOD對地表熱島的影響。

表3 AOD與SUHI的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between AOD and SUHI

從圖8 中可以看出，霧霾對熱島效應(yīng)的貢獻值在-0.25～0.1 K 之間。多數(shù)年份表現(xiàn)為城市AOD 大于農(nóng)村，城市降溫效果更顯著、ΔTAOD為負值。尤其是2004年、2011年城鄉(xiāng)AOD差距明顯、霧霾減弱熱島的作用效果強，ΔTAOD分別為-0.235 K、-0.179 K。而2010年、2012年鄉(xiāng)村AOD大于城市，鄉(xiāng)村降溫程度強于城市，因此加強了城市熱島效應(yīng)，ΔTAOD分別為0.034 K、0.039 K。此外，2005 年以及2013—2018年間AOD 差距不明顯且城市、鄉(xiāng)村AOD 均較小，ΔTAOD在-0.05～0.05 K 之間，霧霾對熱島的影響并不明顯。

圖8 城市AOD、鄉(xiāng)村AOD及ΔTAOD的年變化Fig.8 Annual variation of AOD in city,AOD in rural and ΔTAOD

3 討論

通過MYD11A2地溫數(shù)據(jù)、MYD04氣溶膠數(shù)據(jù)、氣溫數(shù)據(jù)集以及PM2.5數(shù)據(jù)集計算地表熱島、大氣污島、冠層熱島和近地表污島，從季節(jié)尺度上分析了AUPI對SUHI的作用、CUHI對NSUPI的作用。

AUPI與SUHI的分析表明，春、夏和秋季氣溶膠對地表熱島的作用機理復(fù)雜；而冬季西安市氣溶膠輻射效應(yīng)對地表熱島的作用明顯，表現(xiàn)為氣溶膠白天冷卻地表溫度、夜晚增溫，導(dǎo)致西安市白天的熱島效應(yīng)減弱，夜晚的熱島效應(yīng)增強。這是因為當存在降雨、風等時，局地環(huán)流會通過運輸污染物、改變大氣相對濕度，使得氣溶膠輻射效應(yīng)相對復(fù)雜，其對地表熱島的作用機制難以分析，這主要發(fā)生在氣象因素不穩(wěn)定的季節(jié)。冬季大氣相對穩(wěn)定時，氣溶膠顆粒白天削弱入射太陽輻射，發(fā)生輻射冷卻效應(yīng)；夜晚增強大氣長波輻射，增加到達地表的輻射。CUHI與NSUPI的分析表明，春夏季冠層熱島效應(yīng)持續(xù)增強時，城市內(nèi)PM2.5濃度下降、近地表污島強度降低；秋冬季CUHI導(dǎo)致的湍流作用增強時，近地表城鄉(xiāng)細顆粒物差異反而增大，NSUPI 增強。這是因為春夏季熱島效應(yīng)導(dǎo)致的湍流作用將城市污染物顆粒擴散至農(nóng)村，降低了NSUPI。而干冷的秋冬季由于逆溫層的存在，“上暖下涼”的逆溫層結(jié)構(gòu)將壓抑和阻礙地面空氣層的對流運動，熱島效應(yīng)導(dǎo)致的近地表湍流作用無法向上運輸顆粒物，城市內(nèi)污染物堆積，工業(yè)廢氣等也在近地面的空氣層中逐漸積累。因此，西安市秋冬季多為嚴重霧霾天，近地表污島效應(yīng)進一步增強。

除本研究區(qū)外，北京、天津、廊坊、保定［40］、南京［41］等城市均存在這樣的氣溶膠輻射作用機制。然而在風等氣象條件作用下，由風輸送的污染物會改變其濃度［42］，輸送的水汽增強了氣溶膠的吸濕增長和多相反應(yīng)［18］等。既改變了氣溶膠輻射效應(yīng)，又改變了局地環(huán)流。對于冠層熱島的湍流作用，西北部山谷城市蘭州，由于污染物不易擴散，冬季強逆溫使污染物進一步聚集［43-46］，湍流作用也被抑制［47］，其反應(yīng)機理與西安市相同。但是由于城市地區(qū)邊界層結(jié)構(gòu)和局地環(huán)流的復(fù)雜性，熱島效應(yīng)與氣溶膠污染之間存在復(fù)雜的關(guān)系。在降水更充沛的南方地區(qū)以及沿海城市，存在濕度高、強海風的影響。沿海城市的局地環(huán)流還受到城市風、海風和陸風的共同影響，需結(jié)合具體狀況分析。因此，城市污染的熱島環(huán)流、水平傳輸和垂直混合受主導(dǎo)風向和地形的影響，并參與影響城市熱島效應(yīng)與城市污島的相互作用。

由于影響空氣質(zhì)量的原因和條件的復(fù)雜性，解釋污染物濃度和熱島強度之間的精確關(guān)系還需要考慮研究區(qū)的地形、氣象條件、人為排放等因素。此次分析的角度是長時間序列下的UHI與UPI相互作用的季節(jié)變化，忽略了更具體的本地氣候、局地環(huán)流帶來的影響，還存在著不足?？紤]到污染物濃度、邊界層高度、水汽、長波輻射之間存在復(fù)雜的關(guān)系、過程和反饋，未來將選取冬季典型重霧霾日，結(jié)合具體氣象條件及輻射數(shù)據(jù)，以詳盡探究UHI 與UPI的相互作用關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）2003—2020 年SUHIIday逐年下降，SUHIInight逐年上升；SUHIIday的年均下降率為0.038 K，SUHII?night的年均增長率為0.061 K；且年均夜間的地表熱島效應(yīng)（3.078 K）強于白天（1.66 K）；CUHII 年際間保持穩(wěn)定，年均值（0.723 K）低于SUHII。AUPII 逐年下降且降幅較小，年均下降率為0.003，AUPII 的年均值為0.017；NSUPII 年均下降率為0.223 μg·m-3，年均值為1.394 μg·m-3。

（2）AUPI 與SUHIday的城鄉(xiāng)間耦合性差異值在春、夏及秋季為正值，在冬季為負值，冬季AUPI 與SUHIday的作用效力與其他季節(jié)相反，而夜間各季節(jié)城鄉(xiāng)耦合性差異值均為正值。CUHI 與NSUPI 整體耦合協(xié)調(diào)度高于SUHI與AUPI的空間耦合度。

（3）AUPI 對SUHI 的影響：春、秋季的地表熱島SUHI 效應(yīng)與AUPI 的變化趨勢相同，氣溶膠的輻射效應(yīng)特征呈復(fù)雜性。夏季的白天和夜間，SUHII 與AUPII 的增長趨勢相同，這是季節(jié)效應(yīng)因素影響的結(jié)果。冬季，SUHII 的變化態(tài)勢主要由氣溶膠輻射效應(yīng)驅(qū)動形成，其白天存在氣溶膠的輻射冷卻作用，SUHI 強度低于-0.2 K，夜晚氣溶膠增強長波輻射強度，SUHI強度高于2.2 K。

CUHI 對NSUPI 的影響：春、夏季CUHI 持續(xù)增強時，湍流混合加強導(dǎo)致近地表污染物顆粒擴散，城市區(qū)PM2.5濃度、NSUPI 強度均降低；秋冬季CUHI效應(yīng)導(dǎo)致的空氣上升運動被逆溫層阻礙，城市區(qū)PM2.5顆粒在近地表區(qū)域聚集、堆積，NSUPI增強。

（4）AOD 與SUHI 的相關(guān)性在白天不明顯而在夜晚顯著，由于夜晚城市AOD、鄉(xiāng)村AOD與SUHI呈負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.431、-0.386。因此霧霾對熱環(huán)境主要是降溫作用，尤以2004 年、2011年最為顯著，由霧霾減弱的西安市熱島強度分別為-0.235 K、-0.179 K。而在2010 年、2012 年，由于城鄉(xiāng)霧霾分布的負差異，鄉(xiāng)村AOD 大于城市，鄉(xiāng)村降溫程度大于城市，因此相對地加強了城市熱島效應(yīng)，ΔTAOD分別為0.034 K、0.039 K。