2.3.1 城市化对温度、辐射和降水的影响
诸多研究表明，城市化可以通过改变地表反照率，以及建筑物的拦截效应等影响地表接收到的太阳辐射，进而改变地表能量收支 （Aida，1982）。图2.10给出了URB试验和NURB试验模拟的2008年6月27日北京城区地表辐射的日变化特征。如图2.10（a）所示，净短波辐射从08：00开始增加，到12：00达到最大，随后逐渐减小直至20：00为零。可以看出，URB试验中城区获得的短波辐射明显高于NURB试验，这是由于城市下垫面上的反照率小，地表接收到更多的短波辐射，同时建筑物的拦截作用同样使得到达地面的太阳辐射增加。对净长波辐射而言，除了降水集中的时段 （16：00—20：00）之外，URB试验的地表净长波辐射明显高于NURB试验 [图2.10（b）]，这表明在URB试验中由于地表温度较高，城区的净长波辐射也明显增加。如图2.10（c）所示，这两组试验中城区的净辐射总量的日变化特征与净短波辐射相似，但是从6月27日19：00至6月28日05：00，净辐射总量为负。URB试验中城区白天的净辐射总量高于NURB试验，但是在夜间却低于NURB试验。以上的分析表明，城市化所导致的土地利用/土地覆盖的变化改变了城区的地表能量平衡（Shepherd，2005），这对城区强降水过程有重要的影响。
图2.10 URB试验和NURB试验模拟的2008年6月27日北京城区地表辐射的日变化特征
图2.11分别给出了这两组试验中北京城区2008年6月27日位温的日变化特征。URB试验和NURB试验都模拟出了北京市区一天中边界层的发展情况，可见，北京城区在14：00的边界层最不稳定。根据Rozoff等（2002）对边界层顶的定义 （即层结稳定度的最低值点），可以看出，URB试验中06：00的边界层高度高于NURB试验。由于城市化导致的地表温度增加，白天近地面的对流活动增强，因此导致了边界层发展迅速。此外，在NURB试验中，边界层在日落之后（16：00）直至夜间均维持稳定层结。日落后，由于地表的辐射冷却，开始形成稳定的夜间边界层。而在URB试验中，从16：00—18：00，城市边界层维持中性层结。这是由于城市的增温延缓了日落后地表的冷却作用，因此在18：00，市区的边界层仍然维持中性。
图2.11 北京城区位温的时间-高度剖面图
图2.12分别给出了URB 试验和NURB 试验沿图2.8（b）中EF 断面上2m 温度6月27日08：00—20：00的演变特征。由于这次降水过程中冷空气主要位于西北，而暖空气位于东南，所以EF断面上西北侧的温度比东南侧高。与NURB试验不同，自降水时刻开始（14：00），URB试验中城区的温度明显比周围高。在NURB试验中，冷空气的移动和雨带的发展方向一致，均为自西北向东南移动，因此导致了EF断面上温度随时间逐渐降低。而在URB试验中，城市化效应延缓了冷锋的移动速度，最终影响了降水过程的发展。
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图2.12 EF断面上2m 温度的演变 （单位：℃）
城市化使得城区温度升高，形成“热岛”，北京城区温度升高了1～3℃，相对湿度明显减小，形成“干岛”。在降水过程中城区的近地面风速减小，北京城区风速约减小了1m/s，城市的边界层高度升高了200m 左右。此外，城市化还造成了城区潜热明显减小，感热增大。图2.13给出了URB试验和NURB 试验2008年6月27日14：00至6月28日02：00模拟的累积降水差，以及URB试验模拟的该时段平均风场。这次降水过程中，京津冀城市群受东南风控制，并且城市化效应造成了北京市区以及下风向地区 （西北面）降水增加，累积降水量最大增加了25mm。而在上风向区域 （东南面），累计降水明显减少，最多减少了10mm。控制试验（URB）和敏感性试验（NURB）的结果与前人的研究结果相一致，即城市化会造成市区及其下风向上降水增加（Burian and Shepherd 2005）。
图2.13 URB试验和NURB试验2008年6月27日14：00至6月28日02：00模拟的累积降水差和风速分布 （箭头，单位：m/s）
城市化不仅仅会影响降水的空间分布，还会影响降水系统的发展，从而影响降水的时间演变（Lin et al.，2011；Wan et al.，2013）。图2.14给出了URB试验和NURB试验模拟的AB断面上（图2.13）降水的日变化 （6月27日12：00—20：00）以及URB 与NURB之差，粗线表示北京城区。如图2.14（b）所示，NURB 试验模拟的城区降水从15：00开始，而URB试验中降水仍位于城区的西北面 [图2.14（a）]。URB 试验中北京市区降水从16：00开始，比NURB试验推迟了1h。此后，URB 模拟的城区降水强度从16：00—20：00逐渐增强，最大的降水强度在17：00达到最大 （38.6mm/h），比NURB试验（33.3mm/h）模拟的更强。URB试验模拟的城区强降水持续到18：00，最大的降水量为27.1mm/h，而NURB试验中降水量在18：00减弱到5mm/h。URB试验和NURB试验中降水系统均是从京津冀城市群的西北向东南方向移动，但是在URB试验中降水维持的时间更长。图2.14（c）给出了URB与NURB试验降水日变化之差，可以看出，14：00—15：00城市化造成了城区降水减少，而从16：00开始，降水明显增强，降水率最大增加到15mm/h。以上的分析表明，城市化效应推迟了北京市区降水的发生时间，使得降水持续时间延长，降水量也因此显著增加。也就是说，城市化延迟了降水系统的发展，但是增加了城区的降水量（Lin et al.，2011；Wan et al.，2014）。
图2.14 2008年6月27日AB断面上降水的日变化 （单位：mm/h）
