受全球变暖与快速城市化共同驱动，极端高温与臭氧污染呈现协同增强的趋势，人口密集城市已然成为复合暴露风险的热点区域。城市绿化提供了基于自然的高温解决方案，然而绿地对高温与臭氧复合事件的综合作用机制，仍有待系统厘清。近日，我院黄昕教授、李蒙蒙副教授等在城市绿地对高温-臭氧污染复合事件的调控机制方面取得研究进展，成果以“Unraveling the potential of urban greenery for extreme heat and ozone mitigation in Northern Hemisphere cities”为题，发表在National Science Review。
研究指出，北半球正经历百年以来最暖的十年，气温距平接近1.5°C。与此同时，极端高温事件愈发严重，其发生频率和强度的增长速率分别达到1.0天/十年和6.6℃/十年（图1a, b）。高温驱动近地面臭氧浓度上升，使得人口集聚的城市群暴露于高温-臭氧复合风险之下，过去十年夏季高温-臭氧污染复合事件年均已超过10天（图1c），严重威胁居民健康。为此，深入认识城市绿地的气象与化学耦合效应，对于科学规划城市绿化空间格局、提升城市气候韧性具有重要意义。
图1. 气候增暖驱动北半球极端高温与臭氧污染复合事件加剧。(a) 1980年以来北半球夏季日最高气温的气候距平。(b) 1980年以来北半球极端高温频次与强度的增长趋势。(c) 2014–2023年北半球高温-臭氧复合事件发生频次（叉号标记）。阴影代表2014–2023年相对20世纪80年代的极端高温增幅。
本研究选取2022年夏季热浪频发的北半球五大城市群作为研究对象，涵盖美国加州城市群、美国大西洋沿岸城市群、伦敦-巴黎西欧城市群、中国长三角城市群以及日本东京太平洋沿岸城市群。研究采用耦合城市冠层模块的WRF数值模拟框架，并结合精细化的真实城市下垫面景观数据, 定量评估不同气候背景下城市绿地的降温潜能。研究证实城市绿地能够产生可观的降温效应，有效缓解城市高温胁迫，降温效果由城市绿地覆盖比例与区域气候条件共同调控。绿地可使城市夏季平均日最高气温下降0.26–1.08 ℃，且存在明显的区域分异特征：大西洋沿岸城市群降温幅度最大（−1.08±0.34 ℃），干旱气候控制下的加州城市群降温效应最弱（−0.26±0.20 ℃；图2a）。城市绿地降温幅度与植被覆盖占比呈显著负相关，而单位面积绿地的降温效率则受制于土壤湿度、局地温湿环境等因子（图2b）。特别地，在干旱区域土壤水分亏缺会抑制植被蒸散冷却过程；而在热浪时段，绿地降温强度几乎翻倍。
图2. 北半球五大城市群绿地的降温效应。(a) 城市气候模拟城市群绿地降温幅度；箱线图代表城市降温幅度的25%与75%分位数。(b) 城市绿地降温幅度和降温效率与植被占比、气候条件的关系。研究区域包括加州城市群21区县、大西洋沿岸城市群83区县、西欧城市群35城、长三角34城、东京太平洋沿岸城市群25城。
城市绿地对臭氧污染的调控作用涉及更为复杂的气象-化学耦合机制。研究表明，绿地对臭氧的影响并非单向改善，绿地可通过两条路径共同影响臭氧污染：一是绿地降温及城市边界层变化可调节臭氧前体物的输送与光化学生成，二是通过排放生物源挥发性有机物（BVOCs）又可能促进臭氧形成（图3）。一方面，绿地降温会抑制城市边界层湍流活动，降低大气扩散能力，促使臭氧前体物在近地面累积。受臭氧光化学反应对前体物的强非线性响应特征影响，臭氧对绿地气象效应的响应存在显著区域差异：在VOCs控制型中心城区，绿地能够抑制臭氧生成，而在郊区则可能加剧臭氧污染（图3a, b）。另一方面，植被释放的BVOCs可直接参与臭氧光化学生成过程，进一步改变绿地的空气质量效益。绿地调控臭氧的综合效应取决于区域气候背景、植被特征及臭氧光化学敏感性，在大西洋沿岸城市群与东京太平洋沿岸城市群，热浪期间日间臭氧浓度最大增幅可达7.6 µg m−3，而在多数欧亚城市，绿地的气象效应与化学效应相互抵消，臭氧浓度变化幅度相对有限。
图3. 城市绿地调控臭氧污染的气象-化学耦合机制。(a) 绿地对中心城区与郊区日间臭氧化学生成的差异化响应；ΔNO2_METE代表日间近地面NO2浓度的变化。(b) 绿地气象效应引发的198座城市日间臭氧化学生成变化与H2O2/HNO3比值关系。色柱为各城市日间城区NO2浓度，绿色曲线为城区植被占比。(c) 城市绿地通过气象与生物化学路径影响臭氧污染的机理示意图。
极端高温与臭氧污染复合暴露已成为全球城市面临的重大挑战，该研究从气象-化学耦合视角系统揭示了城市绿地对高温-臭氧复合污染的调控机制，为面向气候适应与空气质量协同优化的城市绿地规划提供了科学依据。南京大学李蒙蒙副教授为论文的第一作者，南京大学黄昕教授为论文的通讯作者，合作作者包括南京大学丁爱军教授、王体健教授、汪名怀教授、王文杰副教授、葛骏助理教授，南京信息工程大学陈海山教授、北京大学覃栎研究员、四川大学王楠副研究员等。该研究受到国家自然科学基金（42588101、42293322、42575122），国家重点研发计划（2022YFC3701105）、新基石科学基金会科学探索奖共同资助。
参考文献：Mengmeng Li, Yuting Lu, Xin Huang*, Hui Zhang, Zilin Wang, Yue Qin, Jun Ge, Xueyu Zhou, Wei Wang, Wenjie Wang, Nan Wang, Tijian Wang, Minghuai Wang, Haishan Chen, Aijun Ding, Unraveling the potential of urban greenery for extreme heat and ozone mitigation in Northern Hemisphere cities, National Science Review, 2026, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag494.
来源：南京大学大气科学院