2.3.2　城市化影响强降水过程的机制

2.3.2　城市化影响强降水过程的机制

从以上的分析可以看出，城市化效应延缓了此次降水系统的发展，推迟了北京市区降水的开始时间，但是使得降水强度明显增强。在这一部分中本书将具体分析城市化效应对于这次降水过程的影响，并且探究城市化影响强降水过程的可能机制。此次降水过程是京津冀地区一次典型的锋面降水过程，因此本书将主要研究城市化对于锋面过程的影响，从而揭示城市化效应影响这次降水的时间变化和降水强度的可能机制。

图2.15分别给出了URB试验和NURB试验模拟的15：00—18：00地表风速和逐小时降水的分布，粗线表示风切变的位置，即近地面锋面位置，细线范围表示北京城区。在这两组试验中，风切变的位置以及降水中心从15：00开始向东南方向移动。但是在NURB试验中，锋面移动速度比URB试验更快，在16：00已经到达了城区，而此时在URB试验中锋面仍然位于北京市的西北面 [图2.15（c）、 （d）]。与锋面的移动过程相似，NURB试验模拟的北京城区的降水从16：00开始，而此时在URB 试验中北京市区没有明显的降水。此后，锋面系统继续向东南方向移动，并且在17：00到达城市中心 [图2.15（e）、（f）]。这两组试验中，锋面系统和降水中心在18：00移动到了北京的东南面 [图2.15（g）、（h）]。此时降水过程仍在持续，降水量也明显增强，最大降水率超过30mm/h。并且URB试验模拟的城区降水明显多于NURB试验，这表明城市化效应导致了此次降水过程中冷锋移速的减慢，并且使得降水在城区维持了更长的时间，从而降水量明显增加。Loose和Bornstein（1977）同样发现了城市化会造成锋面移动速度的减慢。还有一些研究指出，城市化会通过建筑物的阻拦作用影响风暴的发展（Bornstein and Lin，2000；Guo et al.，2006）。一些数值试验的结果表明，城市化对于海陆风的作用还会造成沿海地区的海风增强（Simpson et al.，2008）。在此次降水过程中，URB试验模拟的渤海湾的海风明显强于NURB 试验 （图2.15），这同样会减慢锋面的移动速度。

图2.15　URB试验和NURB试验地表风速 （箭头，单位：m/s）和降水强度

图2.16分别给出了锋面移动过程中URB 试验和NURB 试验从2008年6月27日08：00至6月28日08：00 AB断面上的C点的水平风速的时间-高度剖面，可根据冷锋移动过程中冷暖气团两侧的风切变来确定锋面移动的位置。在冷锋过境之前，这两组试验中900hPa以下由东南风控制，为此次降水过程提供了充足的水汽。以往的研究表明，冷锋前部的低空急流容易引起上升运动，并且有利于产生更多的局地降水。此次降水过程中北京城区上空的低空急流明显，最大风速超过18m/s。较强的低空急流与该地区充足的水汽辐合相互影响，同样有利于产生对流和降水。如图2.16（b）所示，NURB试验中边界层的风向在15：00发生了明显的转变，由东南风转为西北风，并且风向与锋线几乎平行。然而在URB试验中，直到16：00才发生相似的风向转变，这表明URB试验中冷锋系统推迟1h到达北京。在NURB试验中，在17：00 C点的锋面位置位于850hPa以上，此后随着锋面的移动逐渐消失。而在URB试验中，C 点上空的锋面位置直至19：00仍然维持在850hPa以上。也就是说，URB试验所模拟的冷锋移动速度明显比NURB试验减慢。Hobbs等（1980）同样发现了这种城市化对于锋面移动过程的减慢作用。综上所述，城市化效应在一定程度上减慢了这次锋面过程的移动速度，并且最终影响到此次强降水过程的发展。

图2.16　2008年6月27日08：00至6月28日08：00 AB断面上的C点的水平风速
（箭头，单位：m/s）的时间-高度剖面

图2.17分别给出了URB试验和NURB试验在15：00和17：00沿AB 断面上温度和风矢量的垂直分布，粗线表示北京城区。如图2.17（a）、（b）所示，URB试验所模拟的15：00冷暖气团的交界面以及显著的上升运动位于NURB 试验西北侧15km，表明城市化延缓了这次锋面过程的移动。并且在NURB 试验中，在北京市上空有明显的上升运动，这种上升运动在不稳定的边界层中有利于形成深对流并产生强降水。随着锋面系统向东南方向发展，上升气流在17：00出现在北京市的东南侧 [图2.17（d）]，并且此时该地的温度比北京市区更高，这是由于在之前的2h内（15：00—17：00），北京城区的强降水造成地面温度降低所致。然而在URB试验中，上升运动的位置落后于NURB试验，仍然位于北京城区之上[图2.17（c）]。此外，URB试验模拟出了城市化效应所造成的近地面的温度扰动，在15：00和17：00，URB 试验模拟的城区温度比NURB 试验高出5℃。并且，在URB试验中城市热岛环流的下游效应十分明显，在17：00城区的东南侧温度也明显高于周边地区，这对该试验中北京城区降水的增加也起到十分重要的作用，因为UHI对降水也有重要的影响。

图2.17　URB试验和NURB试验沿AB断面上温度和风矢量 （箭头，单位：m/s）

图2.18给出了两组试验在15：00和17：00 AB断面上的C点的T-ln P 图。尽管在15：00，这两组试验模拟的该点上空温度差异并不明显，但是NURB试验模拟的850hPa以上的露点温度高于URB 试验，这表明NURB 试验中该点上空的湿度较大。同时，NURB试验模拟的自由对流高度之上的气块温度要高于URB试验，相应的CAPE （Convective Available Potential Energy）为2831J/kg，远高于URB 试验 （1793J/kg）。Koch和Clark （1999）的研究表明，锋面移动过程中的强上升运动使得地面气团易于抬升到LFC，并且导致明显的对流运动。在这次降水过程中，NURB 试验模拟的对流层在15：00比URB试验更不稳定，且湿度更大。这种不稳定的边界层与北京上空明显的垂直上升运动[图2.18（b）]相互作用，更加有利于形成对流并且增加局地降水。此外，这两组试验模拟的北京市区上空的风向也有所不同。如图2.18所示，在15：00 NURB 试验中北京市区上空为西风，而在URB试验中为东风，这也可以看出了城市化减慢了冷锋的移动速度。然而，在17：00 URB 试验模拟的大气边界层比NURB 试验更不稳定，CAPE为1359J/kg，远高于NURB 试验 （287J/kg）。此外，URB 试验模拟的LFC 比NURB试验低2km 左右，也就是说空气块被抬升之后更易于产生深对流。这种不稳定的对流层环境有利于在北京城区形成更多的降水。

图2.18　AB断面上的C点在的T-ln P 图

图2.19　URB试验和NURB试验中气压突变发生的时刻

诸多观测与数值试验研究表明，锋面过程的移动伴随着明显的气压突变 （Koch and Clark，1999）。图2.19给出了这两组试验模拟的锋面移动过程中气压突变时刻的等值线，与锋面系统的移动方向一致，该等值线同样随时间向东南方向移动。可以看出，在15：00 NURB 试验模拟的气压突变位于北京城区的西北边界上，超前于URB 试验。URB试验中锋面的位置落后于NURB 试验，直至整个锋面过程移出京津冀地区。图2.20同样给出了在AB 断面上各时刻锋面的位置。可见，在14：00之前，URB 试验和NURB 试验模拟的锋面位置均位于A 点，但此后URB试验中锋面移动速度落后于NURB 试验，直至19：00锋面移动到B点，比NURB试验推迟了1h。有关城市化对于冷锋影响的研究结果表明，由于城市化引起的地表粗糙度增加，对锋面系统的移动速度起到减慢的作用。对于这次强降水系统而言，城市化同样可以通过热岛效应来影响冷锋的移动速度，进而影响降水系统的发展。接下来本书将进一步探究城市化影响锋面移动的可能机制，进而解释城市化影响这次降水过程的原因。(https://www.daowen.com)

图2.21分别给出了URB 试验和NURB试验模拟的AB断面上9个点在冷锋过境前后气压突变，黑色粗线表示的是这9个点的平均。可以看出，基本上AB断面上的各点在冷锋过境之前气压降低，而在此后的两小时气压显著上升。通过比较这两组试验气压突变随时间的变化，可以看出URB 试验模拟的锋面过境1h之后气压的变化（1.5h Pa）比NURB试验小（2hPa）。图2.21（c）分别给出了两组试验中9个点的气压突变，点和星号分别表示URB和NURB试验。如图2.21（c）所示，除a1点之外，城市化效应造成了锋面移动过程中气压突变的减小，这对此次降水过程中锋面系统的移动速度产生影响。

图2.20　AB断面上两组试验模拟的锋面位置

图2.21　AB断面上的9个点在冷锋移动过程中气压突变随时间的变化及其平均 （黑粗线）

以往的研究指出（Koch and Kocin，1991），冷锋的移动速度可以通过如下方程表示：

其中，ΔP 为冷锋过境前后的气压突变；ρw 为暖空气的密度；F d 为弗劳德常数，约为1.08。由方程（2.1）可以看出，气压突变 （ΔP）对于两组试验中锋面移动速度有重要的影响。因此，利用地面气压倾向方程（2.2）来进一步分析这两组试验所模拟的锋面移动过程中气压突变的差异，进而研究城市化对冷锋移动速度的影响。

方程（2.2）中，x，y，z 分别为纬向、经向和垂直坐标轴，u，v 分别为沿x 和y方向上的风速；P 0，ρ0，w 0，g 分别为地表气压、空气密度、垂直风速以及重力加速度。由于地表的垂直速度很小，方程中右侧的第三项可以忽略不计。其中空气密度ρ 可以通过状态方程（P=ρRT）进行换算，因此最终方程可以改写为以下形式：

根据方程 （2.3），地表的气压变化项ΔP 0 可以根据模式结果的垂直积分求出。可以看出，气压变化项ΔP 0 由三个垂直积分项共同决定，分别是气压梯度项PG，温度平流项TA 以及辐合辐散项DIV。通过计算这两组试验中各项的垂直积分，我们可以得到这三项对地表气压变化ΔP 0 的贡献及其相对重要性，并且比较城市化对其影响的主要机制。

图2.22　锋面过境1h后气压突变ΔP、地表气压变化项ΔP 0、PG 项、TA 项及DIV 项

图2.22分别给出了URB试验和NURB 试验模拟的冷锋过境1h后的气压突变ΔP，地表气压变化项ΔP 0，以及方程（2.3）右侧三项的垂直积分。对于这两组试验而言，地表气压变化项ΔP 0 与冷锋过境后1h气压突变ΔP 十分相近，这表明方程 （2.3）对地表气压突变的描述是可信的。此外，通过比较PG、TA 和DIV 三项的大小进一步研究这三项对于气压变化项ΔP 0 的相对重要性。第一项PG 项在这两组试验中的量级较小，可以忽略。第二项TA 项表示温度平流对气压倾向的影响，并且可以通过模式结果的垂直积分进行计算。若TA 项为正则为冷平流，为负则为暖平流。NURB 试验得到的TA 项比URB试验更大，这表明该试验中较强的冷平流有利于地表气压的增加。第三项DIV 项表示整层辐合辐散的垂直积分。URB试验中的DIV 项为正值，表示整层空气柱的辐合有利于地表气压的增加。相反，NURB 试验中整层空气柱的辐散则会导致负的气压倾向。根据锋面移速方程（2.1）以及气压倾向方程 （2.3），可以计算出URB 试验和NURB 试验模拟此次降水过程中的锋面移动速度分别是11.9m/s和14.5m/s。这与图2.19（b）描述的锋面移动速度是比较一致的。以上结果都表明，在这次降水事件中URB试验模拟的锋面移动速度比NURB试验慢，也就是说城市化造成了冷锋移速的减慢。综上所述，这两组试验中整层大气的温度平流对于地表气压变化有重要的影响，在NURB 试验中，尽管整层大气的辐散有利于地表气压的减少，整层大气较强的冷平流对地表气压的增加起到更重要的作用，最终影响了这次强降水中冷锋系统的移动。在URB试验中，整层大气较弱的冷平流是造成锋面移动速度减慢，并且影响到降水过程的重要原因。