3.4 城市化对短期强降水过程的影响
图3.11为城市化对降水、湿度、温度、风等主要气象因子的影响 （敏感性试验与控制试验之差）。由图3.11（b）中可以看到，城市化导致长三角城市及其周边地区近地表湿度减少，最大可超过16%，这种现象被称之为“城市干岛”（周淑贞等，1985）。“城市干岛”的形成原因主要是因为城市地表和建筑多为不透水的沥青和水泥结构，降水后雨水流失较快，地面较干燥，与富含土壤水的植被相比，蒸发和蒸腾量明显减少。此外，城市下垫面粗糙度较大，其机械湍流和热力湍流均较强，通过湍流向上输送的水汽较多，导致蒸发量减少。城市化效应所引起的地表温度变化也可能是造成地表湿度变化的原因之一。与湿度变化正好相反，城市化引起城市及其邻近地区地表温度升高 （热岛效应），尤其是大城市中心，热岛强度可达3℃[图3.11（c）]。热岛效应的形成是众多因素综合作用的结果，其中广泛被人们所接受的主要原因是：与周围植被覆盖区域相比，城市建筑物和地表白天会捕获更多的热能；在夜间晴空少云的情况下，白天储存的热能向大气释放，由于城市建筑物减少了辐射冷却和通风，导致城市地区温度明显高于周边乡村地区，形成较强的热岛。从图3.11（e）中可以看到，受地表粗糙度增加及城市建筑物的摩擦和拖曳效应影响，城市地区近地表风速减小。由于上述结论与前人研究结果一致，这里不再赘述。值得指出的是，从图3.11（a）中可以看到，受长三角城市群城市化影响，降水变化主要集中在降水区，且大体呈现出大概以32°N （长江）为界，32°N 以北地区降水增加，而32°N以南地区降水减小的特征。相应地，城市化效应导致850hPa风场在降水增加地区表现为辐合，而在降水减少地区表现为辐散[图3.11（f）]。
图3.11 NURB试验与URB试验模拟结果之差
城市化的气候效应早已为人们所熟知，因而通常意义上，人们认为城市化的显著影响主要体现在气候变化上，关于城市化对短期天气过程的影响显著性问题没有进行讨论。那么，长三角城市群城市化对本次强降水过程的影响是否显著呢？ 针对这一问题，本研究工作选取Student’s t统计检验方法，对图3.11中城市化所引起的主要气象要素的变化进行显著性检验。其具体步骤为：在D3区域每个网格点上，对URB试验和NURB试验集合平均得到的逐小时（7月4日12：00至7月5日12：00）降水、温度、相对湿度和风速进行采样。对降水进行采样时，在研究时段内无降水 （＜0.1mm）的网格点予以剔除，以增强结果的可信度。最终，对每个变量而言，在保留下来参与显著性检验的每个网格点上均有25对集合平均值，而同一对中两个数据的差异可看作是仅由土地利用类型变更（城市更换为农田）所导致的。这样一来，当比较局限于各数据对中的两个数据时，就能排除种种其他因素，而只考虑单独由城市效应所产生的影响，从而能够评估城市化所引起的各物理量的变化是否显著。基于这种思想，本研究工作将每一个物理量各网格点上的25对数据样本进行t检验，并将显著性水平超过90%的区域在图3.11中用斜线填充的等值线表示。显著性检验的结果表明，差异显著的区域与由城市化所导致的各物理量变化较大的区域有很好的对应关系，说明对本文所研究的短期强降水过程而言，长三角城市群城市化的影响是显著的。此外，从图3.11（b）、（c）和 （e）中还可以看到，城市化所导致的显著变化不仅局限于城市地区，而且覆盖了城市周边区域，并呈现出明显的连片趋势。这一结果表明，一方面，城市群的城市化效应对近地表天气要素的显著影响不仅仅局限于局地范围，而是可以扩展到区域尺度。另一方面，城市化所引起的对流层底层的显著变化很可能与降水变化存在直接或间接的关系，但是到目前为止，关于大规模城市群城市化对高空大气影响的研究论文鲜有发表，因此还需要开展进一步研究。
众所周知，城市化会改变地表能量收支。独特的城市地表能量平衡与局地强降水密切相关（Kawai and Kanda，2010）。图3.12给出了两组试验降水期间长三角地区城市区域平均的地表能量收支日变化（7月4日12：00至7月5日12：00）。其中，实心矩形框表示地表净热通量，实心圆表示潜热通量，五角星表示地表热通量，空心方框表示感热通量；实线表示URB试验，虚线表示NURB 试验。从图3.12中可以看到，白昼 （当地时间08：00至16：00）URB试验模拟的城市地表潜热通量较小，基本不超过50W/m2，而感热通量则可达到200W/m2 以上。地表净热通量主要分配给感热通量和地表热通量。与URB试验不同，NURB试验模拟的潜热通量在地表能量分配中占据主导地位，最大可达300W/m2 左右，而感热通量和地表热通量则均不超过150W/m2。由此说明，城市化会导致白昼期间地表热通量的分配发生明显的改变。具体而言，城市化导致感热通量和地表热通量增加，其增幅均可超过150W/m2，而潜热通量则表现出明显的减小特征，其减小最大可超过300W/m2。最终结果是受城市化影响，地表净热通量仍呈增大趋势。夜间（当地时间20：00至04：00），URB试验和NURB试验模拟的地表热通量各成员的数值均较小，且大多为负值。尽管与白昼相比地表感热通量急剧减小，但仍然为正，这也是城市的一个独特特征。
图3.12 URB试验和NURB试验模拟的降水期间地表能通量日变化
图3.13和图3.14分别为URB 试验和NURB 试验模拟的南京站和上海站7月4日11：00和7月5日00：00的Skew-T log P 图以及相应的探空观测，其中实线代表温度，虚线代表露点温度。由图3.13（a）可以看到，强降水事件发生前，南京地表温度高达30℃，南京上空受西—西南风控制。该地区上空925hPa 大气达到最不稳定状态，CAPE （Convective Available Potential Energy）可达1487J/kg，而CIN （Convective Inhibition）仅为5J/kg。URB试验和NURB试验对温度和对流层底以下的风的刻画能力相差不大，其模拟结果均与观测较为吻合。然而，URB试验对露点温度以及对流层中上层的风的模拟能力要明显强于NURB试验。URB试验较好地再现了露点温度的垂向变化趋势，尤其是在300～600hPa，URB试验模拟的露点温度比NURB更接近于观测。第一次强降水过程结束后，南京地表温度有所下降，仅为25℃，其上空仍然受西南风控制，地表风速为0。与7月4日11：00相比，南京上空大气比较稳定。同样，URB试验对露点温度的刻画好于NURB 试验 [图3.13（b）]。由图3.14中可以看到，与南京站类似，两个试验都能较为准确地刻画7月4日11：00和7月5日00：00上海站上空温度和风的垂向变化，与NURB试验相比，URB试验模拟的露点温度垂向变化更接近于观测。
图3.13 观测、URB和NURB模拟的南京站Skew-T log P 图
图3.14 观测、URB和NURB模拟的上海站Skew-T log P 图
鉴于7月4日和7月5日各有一次降水发展过程，以7月5日00：00为界，将时间段划分为7月4日12：00至7月5日00：00和7月5日00：00至7月5日12：00，分别对这两个时间段内的降水过程进行分析。图3.15和图3.16分别为URB试验和NURB试验模拟的两次过程的累计降水及相应的观测。从图3.15（a）中可以看到，第一次降水过程的累计降水分别与7月4日12：00至7月5日12：00 24h累计降水[图3.10（b）]的分布大体一致，仅累计降水量略微偏小，由此说明江淮地区2003年7月4—5日的强降水过程主要以第一次降水事件为主。与观测相比，尽管模拟的降水范围相对偏窄，但是URB试验和NURB试验均基本再现了雨带的位置。URB试验模拟的降水极值为307mm，与观测的316mm 相差不到10mm。URB试验模拟的降水极值中心点的位置也与观测比较接近[均位于（118.3°E，32.3°N）附近]。与URB试验相比，NURB试验对降水极值的低估更明显，相差可达20mm 以上。另外，NURB 试验模拟的降水极值中心点的位置也与观测相差较大，偏于观测降水极值中心的西南侧（上风区）。图3.15结果表明，受长三角城市群影响，强降水事件发生较晚，但降水强度较大。产生这种现象的原因，一方面，可能是由于长三角地区城市周边基本为农田所覆盖，将城市下垫面更改为农田，下垫面性质变得较为一致，使得水汽输送较为容易，降水发展较早；而城市群的热岛效应和干岛效应则不利于水汽输送，导致强降水发展较迟。图3.17和图3.18中URB试验和NURB试验模拟的近地表和850hPa水汽通量变化证实了上述解释。另一方面，城市热岛效应对大气边界层的热扰动导致大气变得不稳定，容易促进对流活动的发展。从图3.16（a）中不难看出，第二次降水过程主要集中在常州以北 （120.2°E，31.8°N）附近，累计降水量不超过120mm。URB 试验和NURB 试验模拟的降水极值与观测均较为一致，但是两个试验模拟的降水极值点位置与实测相比均偏北。与此同时，从图3.16（a）中还可以看到，（115.9°E，30.8°N）附近存在另一个相对较弱的降水极值中心。URB试验和NURB试验模拟结果均偏东。图3.15和图3.16的结果均表明，URB试验的模拟结果与观测更为接近。
图3.15 7月4日12：00至7月5日00：00累计降水
图3.16 7月5日00：00—12：00累计降水
图3.17 7月4日18：00、20：00、22：00近地表水汽通量 [箭头，单位：gm/（kg·s）]
图3.18 7月4日18：00、20：00、22：00 850hPa水汽通量 [箭头，单位：gm/（kg·s）]
以上分析多次表明，URB试验的模拟结果要明显好于NURB试验，说明真实的下垫面土地利用情形对于城市降水数值模拟研究而言具有非常重要的意义。
图3.11（a）和（e）中均呈现出一个有趣的现象，即长三角城市群城市化导致降水和近地表风以北纬32°为界，其南北两端呈现出反位相变化的特征。为了从客观事实寻找依据，这里选取1970—1979年和2000—2009年两个十年分别代表长三角地区城市化前和城市化后的典型时期。采用1.875°×1.9°高斯网格点的NCEP 再分析数据，分别计算1970—1979年和2000—2009年降水期间的平均10m 风速，并将二者作差，以体现长三角地区城市群城市化的影响，其结果如图3.19所示。有趣的是，从图3.19中可以看到，两个十年的平均地表风速差也大概以32°为界，南北两端呈现出反位相变化的特征。尽管这种反位相变化可能与年代际变化有关，但是长三角城市群城市化也必然对该现象的形成产生一定的影响。
图3.19 NCEP资料1970—1979年与2000—2009年平均10m 风速差（等值线，单位：m/s）
下面重点针对长三角城市群城市化对降水产生的影响及其影响机理进行探讨。
将NURB试验和URB试验模拟的7月4日12：00至7月5日00：00累计降水作差（NURB-URB），如图3.20所示。从图3.20中不难看出，受长三角城市群城市化效应影响，降水大概以32°N 为界，其南北两端呈现出反位相变化特征，即在32°N 以北地区降水呈现出增加趋势，而降水减少主要位于32°N 以南。伴随着降水的这种反位相变化，城市化导致地表风场也呈现出与之相对应的特征：在降水增加的城市群下风区，地表风场表现为明显的辐合；而在降水减少的上风区，地表风场呈现出辐散特征。有趣的是，NURB试验与URB试验模拟的7月5日00：00—12：00累计降水差也呈现出与图3.20类似的特征：城市化导致32°N 以北降水呈现增加趋势，32°N 以南降水减少。与此同时，受城市化影响，地表风场在降水增加地区表现为辐合，而在降水减少地区表现为辐散。图3.20和图3.21表明，长三角城市群城市化对两次强降水事件表现出较为一致的影响。
(https://www.daowen.com)
图3.20 NURB试验与URB试验7月4日12：00至7月5日00：00累计降水量差及地表风场差 （箭头，单位：m/s）
图3.21 NURB试验与URB试验7月5日00：00—12：00累计降水量差及地表风场差 （箭头，单位：m/s）
对于降水在32°N 南北呈现反位相变化的一个简单解释为：不连续的长三角城市群其热岛效应和干岛效应及其建筑物的阻碍效应减缓了强降水系统的移动 （Bornstein and Lin，2000），从而导致32°N 以北地区获得更多的降水。相应地，32°N 以南的水汽剩余较少（受西南向盛行风影响，水汽向北输送），导致该地区降水减小。对于风场的变化，可能也是由于城市群如同一个大城市般，其阻碍效应导致气流产生分叉，然后于城市下风区汇合造成。下面就长三角城市群城市化如何造成降水在32°N 南北呈现反位相变化问题进行进一步的研究。
分别在32°N 以北降水增加区域和32°N 以南降水减少区域各选取一个典型区域，分别称为区域C和区域D，如图3.20所示。这两个区域面积几乎相等，且均位于降水变化较为显著的地区。计算7月4日12：00至7月5日00：00各时刻NURB试验和URB试验在区域C和区域D 垂直剖面上各层的水平平均扰动动能差（NURB-URB），分别如图3.22（a）和（b）所示。从图3.22中可以看到，区域C和区域D 上空平均扰动动能呈现出反位相变化：7月4日15：00—21：00，区域C 上，URB 试验模拟的平均扰动动能大于NURB试验，而区域D 中则以NURB试验模拟的平均扰动动能较大。换而言之，长三角城市群城市化导致降水期间区域C 上扰动动能增大，而区域D 上扰动动能减小。而这种扰动动能的反位相变化与图3.20中区域C和区域D 上降水的反位相变化具有很好的对应关系。
图3.22 NURB试验与URB试验模拟的扰动动能差 （NURB-URB）随时间演变
从图3.22中还可以发现一个有趣的现象，即随着第一次强降水过程的发展，区域C和区域D 上空NURB试验和URB试验模拟的扰动动能差均呈现出由地面向高空的传递，如图中箭头所示。这意味着城市化的影响信号也存在由地表向高空的传递。
图3.23 NURB试验与URB试验模拟的7月4日16：00、18：00和20：00涡度差
图3.23为NURB试验与URB试验模拟的第一次强降水过程期间水平涡度差异分布（NURB-URB）。由图3.23中不难看到，当强降水开始发展时（7月4日16：00），城市群城市化导致的地表正涡度异常主要位于32°N 以北，而负涡度异常则位于32°N 以南区域。32°N 以北的正涡度异常有利于产生垂直上升运动，易于导致大气不稳定。此时，对流层底主要以负涡度异常为主，大气状态较为稳定。对比地表和850hPa 涡度变化，925hPa涡度变化表现出过渡特征。7月4日18：00，地表涡度变化主要以负涡度异常为主，而925hPa涡度变化则呈现出与7月4日16：00地表涡度变化类似的特征，即正涡度异常主要位于32°N 以北，负涡度异常位于32°N 以南。有趣的是，至7月4日20：00时，这种变化出现于对流层底。地表主要受负涡度异常控制，925hPa表现出过渡特征。由此说明，长三角城市群城市化所导致的第一次强降水期间涡度变化呈现出由地表向对流层底传播的特征。图3.22和图3.23的结果表明，长三角城市群城市化所导致的大气状态的改变存在从地表向高空的传播，由此证实降水期间长三角城市群城市化的影响信号确实存在从地表向高空的传递。
图3.24为降水期间城市化所造成的近地表、925hPa及850h Pa水汽变化 （NURBURB）。从图3.24（a）中不难看出，城市化导致的近地表相对湿度减少主要出现在城市及其周边地区。此外，伴随着相对湿度的减少，近地层风场呈现出辐合特征。925hPa上，水汽的汇聚和流失主要位于宁镇扬和苏锡常地区，上海和杭州大都市区仅存在微小变化[图3.24（b）]。相应地，风的辐合辐散也集中在宁镇扬和苏锡常地区。在850hPa水汽和风的变化主要集中在降水区，且与降水变化相对应，在32°N 南北呈现出相反的变化[图3.24（c）]。图3.25为NURB试验和URB 试验模拟的925h Pa和850hPa上的扰动动能差（NURB-URB）。由图3.25可以看到，长三角城市群城市化所造成的925hPa和850hPa扰动动能变化分别呈现出与图3.24（b）和图3.24（c）中水汽通量散度变化类似的特征。图3.24和图3.25的结果表明，当城市化的影响信号从近地层向高空传递的同时，其影响范围也偏离城市及其周边地区而集中至降水区，这很可能是造成降水变化集中在降水区的原因之一。
图3.26为断面AB （图3.20）上NURB试验与URB试验模拟的降水期间近地表温差（NURB-URB）。从图3.26中不难看出，第一次强降水事件伊始，断面AB上城市地区热岛效应均较为明显，尤其是南京和上海，热岛强度较强（＞4℃）；随着降水过程的发展，城市地区热岛强度逐渐减弱；当降水发展较为强盛时，除了上海依然保持微弱的热岛强度 （约1℃）外，其余城市的热岛现象均消失，南京至常州甚至出现 “冷岛”现象。有趣的是，当第二次降水事件开始减弱时，从南京沿断面至上海，热岛现象依次再次发展起来 （如图3.26中箭头所示）。与此同时，南京西北地区出现一个新的热源强迫。由此说明，强降水过程中长三角地区主要城市的热岛 （热源强迫）呈现出沿断面的传播特征。
依据图3.26，选取7月5日03：00、04：00和05：00连续的3个时刻，计算NURB试验与URB试验模拟的AB 断面温差剖面 （NURB-URB），如图3.27所示。7月5日03：00，南京上空的热岛发展较高，可达1km 以上；而其他城市热岛发展相对较弱，垂向伸展均不到500m。7月5日04：00，南京上空热岛强度减弱，强热岛信号出现于南京至常州之间。与此同时，南京西北地区开始形成一个较弱的热源。7月5日05：00，热岛信号继续向南京东南方向传播，强热岛信号出现在常州上空。与此同时，南京上空呈现出“冷岛”特征，而南京西北方向的热源已经发展起来。图3.26和图3.27的结果证实，随着降水过程的发展，城市热岛信号向下游方向传播。前人研究结果表明（Thielen et al.，2000），热岛对离热源中心一定距离上影响降水发展的因子（如地表感热通量、辐合及浮力变化等）的影响最为显著。因此，热岛信号的这种下游传播，必然导致大气的热动力学特征发生改变，从而对强降水过程产生重要的影响。
图3.24 NURB试验与URB试验模拟的水汽通量散度差及风场差 （箭头，单位：m/s）
图3.25 NURB试验与URB试验模拟的扰动动能差
图3.26 NURB试验与URB试验模拟的AB断面上2m 温差的日变化 （等值线，单位：℃）
图3.28为长三角城市群城市化导致的降水期间AB 断面上环流、水汽通量、CAPE（Convective Available Potential Energy）及CIN （Convective Inhibition）的 变 化（NURB-URB）。从图3.28（a）中可以看到，热岛信号向下游传播的同时，AB 断面上的环流大概以南京为界，南北两端表现出相反的变化：受城市化影响，南京西南地区上空出现明显的下沉气流，而南京西北地区大都表现为上升气流，尤其是对流层底以上，上升气流更为明显（约2m/s）。与此同时，南京东南地区，从南京至苏州，对流层底水汽通量减少，最大可达13gm/（kg·s）；而南京西北地区水汽通量增加，对流层底以上增加较为明显，最大可超过15gm/（kg·s）。这种水汽的变化除了 “城市干岛”的原因之外，与城市化所造成的环流变化也密切相关：一方面，断面AB上南京至常州地区对流层底以下气流指向西北方向，导致水汽向西北方向输送，而常州东南地区对流层底以下气流指向东南方向，使得水汽向东南方向输送。南京西北地区，较强的上升气流将水汽向上输送，使得该地区上空水汽充沛。该地区的热源强迫 [图3.27（c）]增强了上升的暖湿气流，易于造成大气不稳定和对流活动的发展。另一方面，图3.28（b）中CAPE （阴影）和CIN （等值线）的变化也证实，南京西北地区有利于对流活动的发展。具体而言，受长三角城市群城市化影响，南京西北地区CAPE 增加，对流层底以下可达150J/kg以上，而CIN 表现出略微减小的趋势；南京至常州地区，对流层底CAPE 减小（＞100J/kg），而CIN 则明显增大，在常州附近可达50J/kg以上。南京东南地区CAPE的减小和CIN 的增大不利于对流活动的发展，而南京西北地区CAPE 和CIN 的变化则正好相反。
图3.29为长三角城市群城市化导致的降水期间EF断面上环流、比湿和CAPE 的变化。由图3.29中可以看到，断面EF 上，以镇江为界，其东南部苏锡常城市群区水汽减少（＞2g/kg），而其北部地区水汽增加，最大可达3g/kg左右。与此同时，受城市化影响，扬州以北地区对流层底出现辐合气流，相应地，对流层底以上为明显的上升气流；镇江以南地区则正好相反，对流层底的辐散气流对应于其上空的下层气流。此外，城市化导致扬州以北地区CAPE 增加，最大可达200J/kg以上；镇江至常州地区CAPE 则显著减小，最大可达400J/kg左右。值得指出的是，图3.28和图3.29中由长三角城市群城市化所导致的大气状态的变化分别对应于城市化效应引起的降水的变化。上述分析结果表明，伴随着热岛信号的下游传播，热源强迫发生改变，引起了大气状态的变化，从而导致降水在32°N 南北呈现出反位相变化。
图3.27 NURB试验与URB试验模拟的AB断面温差的垂直剖面
图3.28 NURB试验与URB试验模拟的AB断面上环流、水汽通量、CAPE及CIN 的变化
图3.29 NURB试验与URB试验中模拟的EF断面上环流、比湿和CAPE的变化
