Abstract The cool-roof strategy is an effective way of mitigating severe urban heat islands, and its impacts on urban flow and air quality deserve in-depth investigations. This study examines the effects of cool roofs on turbulent coherent structures and ozone air quality in Seoul, South Korea using the Weather Research and Forecasting-Community Multiscale Air Quality (WRF-CMAQ) model with a 50 m horizontal grid spacing. Cool roofs decrease the daily average air temperature, planetary boundary layer (PBL) height, and wind speed in the urban area of Seoul by 0.80 °C, 230 m, and 0.17 m s−1, respectively. Due to the lowered air temperature by cool roofs, the sea breeze and convective structures weaken and eddies at the PBL top appear less frequently. Since high O3 concentration air flows into Seoul by the sea breeze, the weakened sea breeze decreases the daily average O3 concentration near the surface by 3.3 ppb. Air at lower level is transported upward across the PBL top by convective structures and eddies at the PBL top. The transported air at lower level has lower O3 concentration and higher concentrations of O3 precursors than air at upper level. Therefore, the weakened convective structures and less-frequent appearance of eddies at the PBL top by cool roofs weaken the upward transport of O3 precursors at lower level across the PBL top. As a result, the chemical production of O3 and O3 concentration slightly above the PBL top are decreased. An integrated process rate analysis shows that cool roofs weaken the effects of turbulent coherent structures on O3 concentration.

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冷屋顶对首尔湍流相干结构和臭氧空气质量的影响

摘要 屋顶降温策略是缓解城市严重热岛效应的有效途径，其对城市流量和空气质量的影响值得深入研究。本研究使用天气研究和预测 - 社区多尺度空气质量 (WRF-CMAQ) 模型和 50 m 水平网格间距，研究了凉爽屋顶对韩国首尔湍流相干结构和臭氧空气质量的影响。凉爽的屋顶使首尔市区的日平均气温、行星边界层 (PBL) 高度和风速分别降低 0.80 °C、230 m 和 0.17 m s−1。由于凉爽的屋顶降低了气温，海风和对流结构减弱，PBL 顶部的涡流出现的频率降低。由于高浓度的 O3 空气被海风吹入首尔，减弱的海风使地表附近的日平均 O3 浓度降低了 3.3 ppb。较低层的空气通过 PBL 顶部的对流结构和涡流向上输送穿过 PBL 顶部。与上层空气相比，下层输送的空气具有较低的 O3 浓度和较高的 O3 前体浓度。因此，减弱的对流结构和冷却屋顶在 PBL 顶部较少出现的涡流减弱了 O3 前体在较低水平上穿过 PBL 顶部的向上传输。因此，O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。较低层的空气通过 PBL 顶部的对流结构和涡流向上输送穿过 PBL 顶部。与上层空气相比，下层输送的空气具有较低的 O3 浓度和较高的 O3 前体浓度。因此，减弱的对流结构和冷却屋顶在 PBL 顶部较少出现的涡流减弱了 O3 前体在较低水平上穿过 PBL 顶部的向上传输。因此，O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。较低层的空气通过 PBL 顶部的对流结构和涡流向上输送穿过 PBL 顶部。与上层空气相比，下层输送的空气具有较低的 O3 浓度和较高的 O3 前体浓度。因此，减弱的对流结构和冷却屋顶在 PBL 顶部较少出现的涡流减弱了 O3 前体在较低水平上穿过 PBL 顶部的向上传输。因此，O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。与上层空气相比，下层输送的空气具有较低的 O3 浓度和较高的 O3 前体浓度。因此，减弱的对流结构和冷却屋顶在 PBL 顶部出现涡流的频率较低，削弱了低层 O3 前驱体穿过 PBL 顶部的向上传输。因此，O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。与上层空气相比，下层输送的空气具有较低的 O3 浓度和较高的 O3 前体浓度。因此，减弱的对流结构和冷却屋顶在 PBL 顶部出现涡流的频率较低，削弱了低层 O3 前驱体穿过 PBL 顶部的向上传输。因此，O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。O3 的化学产量和略高于 PBL 顶部的 O3 浓度下降。综合过程速率分析表明，冷屋顶减弱了湍流相干结构对 O3 浓度的影响。