近日，中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程研究中心研究人员提出一种基于高分辨率人为热建模与改进耦合方案的空气质量模拟框架，利用多源数据驱动的人为热估算与 WRF-Chem 模型，有效分解人为热对大气污染的直接物理效应与间接化学效应。
人为热排放是城市能源消耗过程中释放到环境中的附加热量，不仅直接增强了城市热岛效应，还通过改变边界层结构和大气环流，间接影响大气污染物的生成、扩散与积累。污染物通过调节短波和长波辐射收支，进一步显著改变近地面温度、湿度和风速，从而对城市热环境和居民热舒适度产生深远影响。
在冬季城市空气污染物累积与夏季臭氧污染的季节性差异，使得人为热与大气化学过程的耦合关系更加复杂。亟需在高分辨率模拟框架下，系统评估人为热对大气污染物分布的影响，并进一步揭示污染物变化对城市热环境的反馈效应。
基于此，研究人员基于 WRF-Chem 模型开展冬夏两季多组敏感性实验，系统分解人为热对大气污染的直接物理效应与间接化学效应，具体来讲：研究人员基于能源消耗清单、地理大数据与机器学习集成方法，构建 500 m、逐小时的人为热排放数据集，并通过位置语义信息细化其时序特征，以提升人为热输入的时空分辨率。同时，在 WRF-Chem 模型中改进 SLUCM 耦合方式，突破传统参数表固定值的限制，实现对外部高分辨率人为热数据的直接读取与动态更新，从而保证每个网格单元具备独立的时空变化特征。之后，设计冬季与夏季四组敏感性实验，通过差分方法分离人为热的直接物理效应与间接化学效应，并进一步评估其对近地面气象要素、污染物分布及户外热舒适度的综合影响。
最终研究结果表明，基于 WRF-Chem 模拟的人为热效应在城市中心区表现出显著差异。直接物理效应主要通过增强边界层湍流和热岛环流，促进污染物的混合与扩散，从而在冬季显著降低了 NO₂、SO₂、CO 和 PM₂.₅ 的近地面浓度；但在夏季则加剧了臭氧累积，夜间 O₃ 浓度平均升高 40 μg/m³，且垂直影响可达 800 m。相比能源清单法的整体趋势，模拟结果揭示了更细致的空间差异，尤其在市中心区域表现出更强的聚集性。
另外，在北京冬夏季敏感性实验中发现，人为热的综合效应不仅改变了污染物浓度，还通过辐射收支反馈作用于近地面气候。冬季主要表现为污染物减少带来的短波辐射增强和夜间长波辐射减弱，从而缓解冷应激；而夏季则表现为臭氧增加导致的短波辐射增强和夜间降温受限，最大增温超过 0.4 °C。这些结果为通过控制人为热与污染物排放来优化城市热环境提供了直接证据。
研究成果以“How do atmospheric pollutant changes driven by anthropogenic heat provide feedback on the urban thermal environment in Beijing?”为题，近期发表于中国科学院一区Top期刊Sustainable Cities and Society。空天院博士钱江康为第一作者，空天院副研究员张琳琳为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会会员等项目的支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2210670725007796
图1 人为热导致近地面浓度变化示意图：(a) O₃、(b) NO₂、(c) SO₂、(d) CO及(e) PM2.5。箭头表示10米高度风向变化的归一化矢量。
图2 人为热冬季对(a) O₃、(b) NO₂、(c) SO₂、(d) CO及(e) PM2.5浓度垂直剖面的影响变化（Chem_AH与Chem_noAH对比）。箭头方向表示剖面内风向矢量（垂直速度×10）变化趋势。
图3 人为热排放的综合影响（AH_com）、直接物理影响（AH_phys）和间接化学影响（AH_Chem）对（a）2米气温（T2）、（b）2米相对湿度（RH2）、（c）10米风速（WS10）、（d）短波辐射（SR）和（e）长波辐射（LR）的影响。
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