1.1.2　城市降水

早在1921年，Horton 就强调，大城市比乡村环境更容易发生雷暴。Lansberg 在1956年的研究以及Atkinson在1968年的工作也证实，城市化对降水类型有显著影响。一些学者也发现主要城市下风区暖季降水增加 （9%～17%）的证据 （Changnon，1979）。早期观测结果还表明，圣路易斯市及其下风区50～75km 处降水呈现出背景值5%～25%的增加趋势（Huff and Vogel，1978）。美国于20世纪70年代开展了大城市气象观测试验（METROMEX），其目的是进一步研究大城市对中尺度和对流降水的影响。总体而言，METROMEX 的结果表明，城市效应导致夏季月降水增加。Jauregui和Romale（1996）分析历史记录发现，随着墨西哥市的发展，强阵雨频率近几十年呈现出增加趋势。Bornstein和Lin （2000）采用观测数据研究亚特兰大地区城市热岛和对流雷暴触发的关系。他们指出，城市热岛效应导致的辐合可以解释1996年观测到的几个雷暴的形成。Orville等（2001）分析了休斯敦1989—2000年的闪电数据，结果表明，最高的年闪电发生频数和夏季发生频数均出现在城区及其下风区。Changnon和Westcott（2002）发现了近几十年城市地区暴雨增加的证据。他们同时指出，暴雨的强度和频率在将来会继续呈现增加趋势。Fujibe（2003）将日本城市地区（如东京）的对流活动增强与地表辐合增强相联系。Inoue和Kimura（2004）依据NOAA 卫星图像，得出日本东京大都市区午后低层云频数呈增加趋势的结论。他们还指出，这可能与城市地区的感热通量较高有关。2002年，Shepherd等（2002）首次尝试采用TRMM （Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星降水数据研究亚特兰大、蒙哥马利、纳什维尔、圣安东尼奥和达拉斯5个城市的暖季降水。结果表明，城市及其下风区30～60km 范围内月平均降水增加分别达到28%和5.6%，这与METROMEX 的结果相一致。他们在总结中指出，采用卫星降水估计研究城市长时间大尺度降水的影响是可行的。此后，Shepherd和Burian （2003）采用TRMM 卫星降水资料和地基雨量站观测资料对休斯敦降水异常开展了定量研究。定量结果揭示了休斯敦及其下风区存在全年和暖季降水异常，并且观测到的降水异常与城市热岛效应影响密切相关。2004年，Shepherd等（2004）开展SPRAWL （Studies of Precipitation Anomalies from Widespread Urban Land Use）试验，旨在建立城市触发的雷暴以及相应的中尺度和天气尺度条件数据库。Burian和Shepher（2005）采用从密集的雨量计网搜集的数据进行统计分析，发现随着休斯敦城市的发展，降水发生百分率显著增加，降水日周期变化也从城市化前时期向城市化后时期移动。Kishtawal等 （2010）认为，研究城市化对降水的影响，多集中于局地区域，缺少大尺度的评估。因此，他们通过分析现场和卫星观测降水数据以及人口数据评估了城市化效应对印度夏季风强降水的影响。结果表明，受城市化影响，季风期强降水发生频率呈现出显著的增加趋势。采用类似方法，Mitra等 （2012）研究了城市化对印度季风前期 （3—5月）降水的影响。Mann-Kendall统计检验结果表明，印度东部大城市气象站及其附近下风区气象站过去50年季风前期降水增加趋势显著。基于对美国东南部1997—2006年的雷达反射率和闪电数据的分析，Ashley等 （2012）证实了城市对雷暴频数和强度的正效应。Niyogi等 （2011）和Coquillat等 （2013）通过研究也得出城市下风区雷暴频数增加的结论。

尽管不断有新的研究结果表明城市化效应对城市及其下风区的降水变化起着增强的作用，仍有一些研究给出了不同的结果。Tayanc等 （1997）对土耳其的四个大城市进行研究后没有找到城市对降水产生影响的证据。Rosenfeld （2000）观测到城市地区工业气溶胶通过提供高浓度的小型云凝结核，对雨雪形成起到抑制作用。他进一步解释，云必须发展到一定厚度，并且达到适合的云顶温度，才能促发降水。这种要求意味着当气溶胶融入相对较薄、生命期较短的云中，便会对降水产生抑制作用。Borys等 （2000）也提供了城市污染会抑制降水的证据。Ramanathan等（2001）认为城市区降水由于受云微物理作用而减少。Robaa （2003）声称埃及开罗城市化程度与降水存在反比关系。Changnon（2003）分析4个城市地区（芝加哥、纽约、圣路易斯和华盛顿）1945—2000年的冻雨频数后指出，由于受到城市热岛效应的影响，这4个城市地区的冻雨频数减少了10%～30%。Kaufmann等（2007）利用卫星和气象站资料，通过统计分析方法发现城市化效应使得珠三角地区降水减少。他们还指出，该地区降水减少可能与地表水循环改变有关。Rosenfield等（2007）研究表明，受空气污染的影响，城市下风区降水减少。Zhang等（2009）也指出，由于城市多为不透水表面结构，蒸发量减小，导致降水减少。(https://www.daowen.com)

除了观测和数据分析外，数值模式一直是研究城市化效应对降水影响的重要工具。Thielen等（2000）采用二维模式开展数值模拟，研究地表参数，尤其是感热通量对法国巴黎地区降水发展的影响。结果表明，当城市热岛强度较弱时，影响降水发展的地表感热通量、辐合和浮力变化等因子在离热源中心一定的距离上最为有效。Baik等 （2001）采用二维中尺度模式研究与城市热岛相关的大气加热如何影响干湿对流。Rozoff等 （2003）对1999年圣路易斯的暴雨个例进行模拟，以确定城市地表辐合机制在触发深湿对流中的作用。他们发现，城市热岛下风方向的地表辐合对于城市下风区的对流形成起到了关键性的作用。Molders和Olson （2004）的中尺度数值模拟结果表明，城市土地利用、气溶胶和水汽源对城市下风区降水的影响显著（超过95%置信度水平）。此外，城市区域还导致降水系统发生分叉。Niyogi等（2006）采用耦合的大气/海洋中尺度预报系统研究城市冠层对中尺度对流系统的发展和演变的影响。结果表明，城市冠层导致降水强度增强。Shem 和Shepherd （2009）采用WRF模式对亚特兰大两个对流降水个例进行模拟，由此研究城市对降水变化的影响。他们的结果表明，城市化效应对降水发生时间影响不大，但是造成城市下风区降水量显著增加（10%～13%）。Carrió等（2010）采用耦合了TEB城市模型的RAMS模式，研究城市化效应对休斯敦地区对流活动和降水特征及强度的影响。结果证实，城市土地利用对对流活动和降水的影响显著。Shepherd等 （2010）采用MM5模式，从大气-陆面如何相互作用的角度研究休斯敦地区城市化对夏季降水过程的影响。结果表明，城市化导致休斯敦下风区累计降水增加，这与城市地区形成的辐合带和低压扰动密切相关。Inamura等（2011）采用24个成员的集合开展数值模拟，研究大城市 （如东京）对强降水的影响。结果表明，东京地区城市效应导致其下风区辐合增强，降水增加。