5.4.2 夏季强降水个例
城市化导致的土地覆盖变化和气溶胶浓度的增加对于夏季降水的影响取决于不同的天气条件，城市化对总降水的变化影响较弱，这是由于城市化对不同降水个例的影响不同，在5年的模拟中这些作用相互抵消造成的。本部分作者选取了长三角城市群两个典型的夏季午后强降水个例进行对比分析。Case A 的降水主要发生在2006年6月23日08：00至6月24日08：00；Case B降水主要发生在2006年7月1日08：00至7月2日08：00。图5.8（a）和（d）给出了两次降水过程的平均降水量以及850hPa平均风场。Case A 中整个区域受到西南风控制，而Case B中区域南部地区受西南风控制，而北部地区受西北风控制，并且Case B中的平均背景风场比Case A 强很多。图5.8（b）和 （c）、 （e）和（f）分别给出了Case A、Case B中土地利用/土地覆盖的变化以及气溶胶效应对此次降水的影响。可以看出，Case A 中城市下垫面的改变导致降水增加，而气溶胶则导致降水减少。Case B中城市下垫面的改变和气溶胶对降水的影响与Case A 刚好相反。
图5.7 LU70E06和LU70E70模拟的辐射加热、垂直速度 （等值线，单位：m/s）以及地表太阳辐射之差的时间-高度剖面
图5.9（a）和（d）分别给出了控制试验模拟的R1区域和R2区域 [见图5.8（a）、（d）]降水的时间-经度剖面，对这两个降水个例而言，降水主要发生在08：00—20：00。相应的城市土地覆盖和气溶胶的增加对这两次降水过程的影响如图5.9（b）和（c）、（e）和（f）所示。在Case A中，城市土地类型改变使得午后降水显著增强，最大增加量为6.87mm/h，而气溶胶效应使得降水显著减少，降水率最多减少3.85mm/h。然而对Case B而言，土地类型改变与气溶胶浓度增加对降水的影响与Case A 相反，城市下垫面的改变使得降水减少，降水率最大减少3.81mm/h，而气溶胶浓度增加使得降水显著增加，降水率最大增加2.85mm/h。
图5.10（a）和（b）分别给出了城市下垫面改变和气溶胶浓度增加对Case A 中R1区域水汽通量辐合（灰度）以及云水混合比（等值线）的影响。可以看出，城市土地类型改变使得R1区域地表水汽辐合增加，最终造成了降水的增强 [图5.9（b）]，而气溶胶浓度增加则会造成地表水汽辐合减弱，导致降水减少 [图5.9（c）]。图5.10（c）和图5.10（d）分别给出了城市下垫面改变和气溶胶浓度增加对Case B中R2区域水汽通量辐合以及云水混合比的影响。在Case B中，城市土地类型改变使得R2区域地表水汽辐散，最终造成了降水的减少[图5.9（e）]，而气溶胶浓度增加则会造成地表水汽辐合，导致降水增加[图5.9（f）]。因此，城市土地类型改变和气溶胶的变化在这两个降水个例中通过对地表水汽通量散度的影响来改变降水过程以及降水量分布。
图5.8 Case A和Case B的平均降水量（灰度，单位：mm/h）以及850hPa平均风场（箭头，单位m/s）
图5.9 Case A 和Case B降水率沿ab和cd的剖面
根据方程（5.2），可以将水汽通量辐合拆分为以下两项，第一项为风速的辐合项（CON），第二项为水汽平流项（MA）。
(https://www.daowen.com)
图5.11分别给出了城市土地覆盖和气溶胶浓度增加对Case A 和Case B 降水过程中R1区域和R2区域CON 项和MA 项的影响。在Case A 中城市下垫面改变造成R1区域风速辐合明显增强，CON项增加的最大值为1.56×10-4 g/（kg·s） [图5.11（a）]，Case B中R2区域的CON 项也有所增加，但是最大值仅为0.61×10-4 g/（kg·s）[图5.11（c）]。Case A 中风速辐合增强更为明显是由于在此次降水过程中城市热岛效应造成的地表增温更大。相反，气溶胶的浓度增加吸收了较多的太阳辐射，导致到达地面的辐射减少从而降低了地表温度，因此使这两个降水个例中地表辐合减弱。由于Case A 的大气气溶胶含量较Case B更高，地表冷却作用更强，因此气溶胶浓度增加对于地表风速辐合的减少在Case A 中更为明显。MA 项表示水汽平流对水汽通量散度的贡献，正、负MA 项分别表示湿平流和干平流。城市土地覆盖改变导致Case A 和Case B中湿度平流减小，最大的减小量分别为-0.99g/（kg·s）和-1.89×10-4 g/（kg·s）。相反，气溶胶浓度增加则会增加湿度平流，最大的增加量分别为0.93g/（kg·s）和1.31×10-4 g/（kg·s）。可以看出，城市土地覆盖和气溶胶浓度增加对湿度平流的影响在Case B 比Case A 要强，因此，城市化对这两次降水过程中水汽通量散度的影响有所不同，并且与不同的天气条件有关。
图5.10 Case A 和Case B水汽通量辐合以及云水混合比（等值线，单位：×10-2 g/kg）的时间-高度剖面
Case A 和Case B两次降水过程中MA 的不同与背景风场的差异有关[图5.8（a）和（b）]，在Case A 中整个区域受弱西南风影响，而Case B中降水区域的南部和北部分别受较强的西南风和西北风的影响。MA 可以进一步拆分为以下三项：
图5.11 Case A 和Case B中CON 项以及MA 项 [等值线，单位：×10-4 g/（kg·s）]的时间-高度剖面
式（5.3）中右边第一项表示水汽的变化，第二项与环流的变化有关，第三项是与水汽和环流都有关的非线性项。由于第三项较小可以忽略，图5.12给出了Case A 和Case B中前两项的变化。Case A 和Case B中城市下垫面都导致第一项减小，最大减小量分别为0.34×10-4 g/（kg·s）和1.54×10-4 g/（kg·s）。气溶胶效应则导致第一项增加，最大增加量分别为0.49×10-4 g/（kg·s）和1.78×10-4 g/（kg·s）。城市下垫面和气溶胶对第二项的影响在Case A 和Case B中较为相似。因此，导致Case A 和Case B中城市化对降水的影响存在差异的主要原因是第一项，这与背景风场有直接关系。Case B比Case A 中该项更大是由于降水过程中背景风更强的原因造成的，因此导致图5.11中MA 项更大。
图5.12 Case A 和Case B中-V ctrl·Δ（∇q）项和-（∇q）ctrl·ΔV 项的时间-高度剖面
综上所述，城市土地类型改变和气溶胶浓度增加对地表辐合的影响在Case A 中更为明显，这是由于此次降水过程中热岛效应比Case B 更强，且气溶胶含量也比Case B 更高。相反，由于Case B中背景风场更强，城市下垫面的变化和气溶胶浓度增加对风速以及水汽输送的影响比Case A 更强。因此，在Case A 中，CON 项对水汽通量辐合的贡献大于MA 项。城市土地类型的改变和气溶胶浓度增加分别造成了此次降水过程中降水量的增加和减少。与之相反，由于Case B 中MA 项对水汽通量辐合起到更为重要的作用，城市土地覆盖和气溶胶增加分别导致了降水的减少和增加。因此，由于这两个降水个例中天气背景与环境条件的不同，城市化对降水的影响也有所不同。
