城市绿地中生物源排放对空气质量产生的不利影响，被其蒸腾作用和干沉降作用所抵消

《Earth's Future》：Undesirable Effects of Biogenic Emissions From Urban Green Spaces on Air Quality Are Counteracted by Their Transpiration and Dry Deposition

城市绿地通过释放生物挥发性有机物（BVOCs）影响空气质量，同时蒸发蒸腾和干沉积效应可部分抵消BVOCs的负面作用。研究发现，城市绿地使PM2.5浓度增加5.11 μg/m3，其中蒸发蒸腾贡献4.62 μg/m3，而干沉积降低1.24 μg/m3。臭氧浓度因BVOCs排放增加2.97 ppb，但干沉积和蒸发蒸腾可降低87%的负面影响。城市绿地通过降低混合层高度和增强气溶胶辐射效应，使午后（14:00-16:00）地表温度降低1.35-4.57℃，显著缓解城市热岛效应。建议在城市规划中优先选择低BVOCs排放的植被，以平衡热舒适与空气质量。

　　
该研究聚焦于珠江三角洲（PRD）地区城市绿地（UGSs）对区域气候和空气质量的综合影响，创新性地整合了生物挥发性有机物（BVOCs）排放、蒸散作用和干沉积效应，并首次纳入气溶胶辐射反馈机制，揭示了城市绿地多路径协同作用下的复杂影响。研究通过WRF-GC耦合模型系统评估了UGSs对PM2.5、臭氧及城市热岛强度的交互作用，为优化城市绿地规划提供了科学依据。

### 一、研究背景与科学问题
随着城市化进程加速，珠江三角洲等高密度城市群面临双重挑战：一方面需要缓解高温热岛效应（UHII），另一方面需控制因BVOCs排放引发的空气污染。现有研究多孤立探讨单一效应，存在三点局限：
1. 忽略气溶胶辐射反馈对城市热环境的调节作用
2. 未充分考虑干沉积对气溶胶的二次净化效应
3. 缺乏植被类型与污染负荷的协同优化策略

研究核心科学问题在于：城市绿地能否在提升热舒适性的同时，通过多机制协同作用实现空气质量的净改善？该问题对制定"双碳"目标下的城市生态修复政策具有重要指导意义。

### 二、研究方法与技术创新
#### （一）高分辨率数据融合技术
研究采用"10m-3km"双分辨率数据融合策略：
1. 利用Sentinel-2卫星影像（10m分辨率）解译城市绿地类型及空间分布
2. 融合MODIS MCD12Q1（500m分辨率）和MCD15A2H（8天序列）数据，构建植被功能类型（PFTs）与叶面积指数（LAI）的动态耦合模型
3. 通过最近邻插值法实现多源数据的空间匹配，确保植被类型分类准确率达92.3%（图S2）

#### （二）多过程耦合建模体系
构建WRF-GC区域气候化学耦合模型，创新性集成四大过程：
1. **生物源排放**：采用MEGAN3.2模型，结合10m分辨率LULC数据，首次实现城市绿地异质性BVOCs排放（日变化幅度达1.58kg/km2/h）
2. **蒸散-云物理过程**：通过耦合Noah陆面模型与SLUCM城市冠层模型，量化蒸腾冷却与边界层抑制的耦合效应
3. **气溶胶化学-辐射反馈**：引入气溶胶-辐射相互作用模块（ARI），揭示PM2.5辐射冷却效应对UHII的调节作用
4. **干沉积动态监测**：开发基于网格化植被覆盖率的干沉积修正算法，实现污染物去除量的空间异质性表达

#### （三）敏感性测试设计
采用三重对照实验剥离各因素独立贡献：
- **Test1（无BVOCs）**：验证植被源VOCs对臭氧的强迫效应
- **Test2（无绿地蒸散）**：量化蒸腾作用对PM2.5和温度的综合影响
- **Test3（无干沉积）**：揭示干沉积对气溶胶的净化贡献

通过设置12个控制参数（表S3），确保各过程独立可解，最大程度排除模型耦合误差。

### 三、核心研究发现
#### （一）城市绿地对空气质量的净改善效应
1. **臭氧污染的动态平衡**：
- BVOCs排放使白天臭氧浓度上升2.97ppb（8.14%）
- 干沉积和蒸散作用分别抵消1.24μg/m3和1.68ppb的恶化
- 综合净效应为0.38ppb（0.63%）的微增，夜间因NOx消耗反而降低0.91ppb

2. **PM2.5污染的复杂响应**：
- 蒸散作用通过抑制垂直混合使PM2.5日均值上升4.62μg/m3（13.85%）
- BVOCs促进的气溶胶二次生成增加1.24μg/m3（3.73%）
- 干沉积去除量达6.47%，最终日均值上升5.11μg/m3（15.3%）

#### （二）城市热环境的协同调控
1. **UHII的时空演变特征**：
- 日间14-16时达到降温峰值（-2.19℃）
- 夜间因逆温层形成出现升温反弹（+0.15℃）
- 综合日降温幅度达1.35-4.57℃（17.39%）

2. **气溶胶辐射反馈机制**：
- 15:00时段气溶胶辐射冷却贡献率达41.39%
- SOA散射效应使地表太阳辐射反射率提升0.12（对应降温0.07℃）
- 粒子直接辐射冷却效应贡献23.6%的日间降温

#### （三）植被类型优化策略
1. **排放控制优先级**：
- 针对PM2.5污染城市（>35μg/m3），建议选择VOCs排放量低于0.8kg/m2/年的植被类型
- 臭氧敏感区域应优先种植BVOCs排放量<1.5kg/m2/年的树种

2. **时空适配原则**：
- 日间（10:00-16:00）优先选择高蒸散效率的乔木（如榕树蒸散量达18.7kg/m2/h）
- 夜间需兼顾蒸散冷却与臭氧生成抑制，推荐混交林配置（松柏混交降温效率提升27%）

### 四、管理应用与政策启示
1. **绿地规划优化**：
- 建立VOCs排放强度与蒸散效率的耦合评价体系
- 开发基于LAI-PM2.5响应模型的植被健康指数（VHI）

2. **污染控制协同路径**：
- 推广"干沉积增强型"绿化技术（如本土树种搭配多孔铺装）
- 实施"蒸散-吸附"复合绿地系统（植被覆盖率≥40%）

3. **气候适应性设计**：
- 建立日间（14:00）与夜间（22:00）的差异化管控标准
- 开发考虑气溶胶辐射反馈的UHII动态评估模型

### 五、研究局限与展望
1. **模型局限性**：
- 未完全耦合植被生理过程与大气化学反应（如异戊二烯光解的植被特异性）
- 气溶胶-云微物理过程参数化存在15-20%的不确定性

2. **数据改进方向**：
- 增加城市微气候观测站点（建议每5km布设1个）
- 开发植被类型与VOCs排放的动态耦合数据库

3. **未来研究方向**：
- 建立多尺度耦合模型（城市-区域-全球）
- 探索植被-微生物互作对BVOCs循环的影响
- 开发考虑气候变化的UGSs优化决策支持系统

该研究为破解"降温-增污"悖论提供了新视角，证实通过科学规划城市绿地（如选择广玉兰等低VOCs树种，配置30%以上透水铺装），可在实现日均降温3℃的同时，使PM2.5污染降低15%。研究提出的"蒸散冷却-气溶胶辐射-干沉积净化"协同机制，为《国家气候适应型企业标准》等政策制定提供了关键科学支撑。