6.3.1 城市群对降水30～60d低频变化的影响
图6.16为URB试验和NURB试验模拟的华南、江淮和华北地区2003年夏半年逐日降水序列30～60d带通滤波后的低频分量变化。从图6.16中不难发现，两个试验模拟的华南、江淮和华北地区降水30～60d低频分量均存在明显差异，统计检验结果表明，其差异显著性达到95%的置信度水平。华南地区，URB 试验和NURB 试验模拟的降水30～60d低频变化差异主要体现在5—8月。除了6月中旬至7月中旬URB 试验模拟的降水30～60d低频分量的振幅显著地大于NURB试验外，5—8月均以NURB试验模拟的降水30～60d低频分量振幅较大。江淮地区，URB试验模拟的2003年夏半年降水30～60d低频分量振幅基本上均大于NURB试验（7月下旬至8月上旬除外），但二者模拟的降水低频分量的位相变化较为一致。华北地区，URB试验和NURB试验模拟的降水在30～60d低频分量于5月中旬至7月上旬呈现出反位相变化。7月中旬以后，两个试验模拟的降水30～60d低频分量变化差异主要体现在振幅上，且表现为URB试验的模拟结果较大。
图6.14 2003年夏半年 （5—10月）逐日降水序列小波分析
图6.15 2003年夏半年 （5—10月）850h Pa风速
图6.16 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日降水30～60d带通滤波后的低频分量变化
计算CMORPH 观测以及URB试验和NURB试验模拟得到的华南、江淮和华北地区降水序列10～20d和30～60d低频分量的方差，并除以原始降水序列的方差，得到两个降水低频分量的方差贡献，其结果列于表6.3。由表6.3中可以看到，观测以及两个试验模拟结果均表明，华南、江淮和华北地区2003年夏半年降水30～60d低频分量对实际降水的方差贡献均较大，尤其是江淮地区，其方差贡献可达30%以上。此外，对比图6.12和图6.16不难发现，上述三个地区降水30～60d低频分量的正负位相变化能够较好地反映出持续性强弱降水的交替演变过程。
表6.3华南、江淮和华北地区2003年夏半年30～60d和10～20d降水低频的方差贡献
采用CMORPH 降水资料以及URB试验和NURB试验模拟得到的逐日降水序列，计算30～60d带通滤波后的中国东部地区2003年夏季累计降水分布，如图6.17所示，其中斜线填充的等值线置信度水平达到95%。从图6.17（a）中可以看出，观测结果表明，中国东部地区2003年夏季累计降水呈现出“汉堡”型分布：24°N 以南以及32°N 以北地区降水30～60d低频分量位相为负，而24°～32°N 降水30～60d低频分量表现为正位相。由此表明，2003年夏季华南北部和江淮地区降水较强，表现为多雨特征，而华北和华南南部地区降水较弱，呈现出少雨或干旱的特征。与观测相比，尽管低估了降水强度，但是URB试验基本再现了中国东部地区2003年夏季30～60d累计降水的分布特征[图6.17（b）]。将NURB试验与URB试验模拟结果作差，得到城市化对中国东部地区2003年夏季30～60d累计降水的影响，如图6.17（c）所示。从图6.17中可以看到，受中国东部城市化影响，江淮和华北大部分地区30～60d累计降水呈增加趋势，而华南大部分地区降水呈减小趋势。换句话说，城市化导致江淮和华北大部分地区2003年夏季降水偏多，而华南大部分地区降水偏少。从图6.17（c）中还可以看到，上述大尺度城市化对30～60d累计降水的影响显著（达到95%的置信度水平）。
图6.18和图6.19分别为URB试验和NURB试验模拟的华南、江淮和华北地区2003年夏半年逐日感热通量和潜热通量30～60d低频分量的变化。从两图中可以看到，东部城市化对华南、江淮和华北地区的感热通量和潜热通量30～60d低频分量变化均产生了影响。URB试验和NURB试验模拟的华南地区感热通量30～60d低频分量位相变化较为一致，但从7月初开始，URB 试验模拟的华南地区感热通量30～60d 低频分量振幅比NURB试验模拟结果大。与华南地区相似，两个试验模拟的江淮地区感热通量30～60d低频分量大致呈同位相变化，但URB 试验模拟的降水低频分量振幅于6—7月明显小于NURB试验。URB试验和NURB试验模拟的华北地区感热通量30～60d低频分量变化差异较大：URB试验模拟的感热通量30～60d低频分量正位相峰值主要出现于6月上旬和10月中旬前后，且第二次振幅峰值较大，而NURB试验模拟的感热通量30～60d低频分量正位相峰值主要出现在8月中旬和9月中旬前后，且以第一次振幅较大。从图6.19中可以看到，URB试验和NURB试验模拟的华南地区2003年夏半年潜热通量30～60d低频分量变化差异主要表现为7月中旬至10月初，URB试验模拟的潜热通量低频分量振幅明显小于NURB试验模拟结果。URB试验和NURB试验模拟的江淮地区潜热通量30～60d低频分量差异明显：5月，URB试验模拟的潜热通量低频分量振幅大于NURB试验；6月，NURB试验模拟的潜热通量低频分量位相落后于URB 试验，最多可达5d左右。8月中旬以后，两个试验的模拟结果差异更为明显，主要表现为URB试验模拟的潜热通量低频分量振幅较大。与感热通量结果类似，URB试验和NURB试验模拟的华北地区潜热通量30～60d低频分量变化差异显著。2003年夏半年期间，URB试验模拟的潜热通量低频分量位相大都落后于NURB试验模拟结果，5—6月初和9月初前后，两个试验模拟的潜热通量低频分量位相相反。此外，从图6.19中还可以看到，URB试验模拟的潜热通量低频分量振幅普遍大于NURB试验。
图6.17 中国东部地区2003年夏季30～60d降水分布
图6.18 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日感热通量的30～60d低频分量变化(https://www.daowen.com)
图6.19 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日潜热通量的30～60d低频分量变化
图6.20为NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季感热通量和潜热通量30～60d低频分量的水平分布差异。如图6.20（a）所示，受中国东部城市化影响，华南南部地区30～60d感热通量呈减小趋势，且以23°～25°N 地区较为显著 （超过95%的置信度水平）。此外，华北西部和北部地区30～60d感热通量也显著减小，说明城市化导致上述地区2003年夏季感热通量呈减小趋势。与之相反，华南北部、江淮南部和华北南部地区30～60d感热通量呈明显的增加趋势。受中国东部城市化影响，2003年夏季江淮地区30～60d潜热通量呈显著的增加趋势，长江流域及其周边地区尤为明显 [图6.20（b）]。与此同时，华南南部和华北北部地区30～60d潜热通量显著减小。
与中国东部城市化相联系的中国东部地区感热通量和潜热通量的变化，必然导致该地区地表热交换发生改变，作为对地表热交换变化的直接响应，地表温度必然发生改变。图6.21为URB试验和NURB试验模拟的华南、江淮和华北地区2m 温度30～60d低频分量变化。从图6.21中可以看到，两个试验模拟的上述三个地区地表温度30～60d低频分量变化确实存在差异。5月中旬至6月下旬，两个试验模拟的华南地区2m 温度30～60d低频分量呈反位相变化[图6.21（a）]。8月中旬以后，尽管URB试验和NURB试验模拟的2m 温度30～60d低频分量振幅均开始呈现出增大的趋势，但9月中旬以后NURB 试验模拟的地表温度低频分量位相超前于URB 试验，最多可达10d左右。从图6.21（b）中可以看到，URB试验和NURB试验模拟的江淮地区2m 温度30～60d低频分量变化差异较大：URB试验模拟的2m 温度30～60d低频分量于6月下旬前后达到正位相峰值，比NURB试验落后了近20d左右。10月NURB试验模拟的地表温度低频分量位相也超前于URB试验5d左右。8月中旬至9月中旬，URB试验与NURB试验模拟的地表温度低频分量位相相反。URB试验和NURB试验模拟的华北地区2m 温度30～60d低频分量大体呈同位相变化，但URB试验模拟的地表温度低频分量振幅大于NURB 试验模拟结果[图6.21（c）]。
海陆温差是驱动夏季风环流的一个根本原因，东亚夏季风的强弱与海陆温差的大小密切相关。由于本研究工作关注夏半年，相对于陆地而言海表温度变化缓慢，可以近似看作定常状态。因此，海陆温差的强度变化仅由大陆地区 （中国东部地区）的温度变化决定。这也表明，中国东部地区的温度变化对该地区夏季风强度的影响较大。图6.22（a）和图6.22（b）分别为东部城市群对中国东部地区2003年夏季2m 和850h Pa温度30～60d低频分量水平分布的影响（NURB-URB），斜线填充的等值线置信度水平达到95%。从图6.22（a）中可以看到，受中国东部城市化影响，江淮和华北中部地区30～60d地表温度显著上升。由此表明，受城市化影响，在海表温度基本保持不变的情况下，江淮和华北中部地区地表温度升高，海陆温差增大，有利于夏季风强度的增强。城市化导致的30～60d地表温度显著降低主要位于华南东南部地区，意味着受东部城市化影响，该地区海陆温差减小，易于导致该地区夏季风强度减弱。值得注意的是，江淮和华北中部地区海陆温差增大以及华南东南部海陆温差减小分别与该地区降水低频分量的变化 [图6.17（c）]有很好的对应关系。受大尺度城市化影响，中国东部地区2003年夏季850hPa温度30～60d低频分量的变化为：江淮和华南地区温度降低，而华北地区温度升高 [图6.22（b）]。由此表明，华北中部地区海陆温差增大以及华南东南部海陆温差减小现象在对流层底依然明显。
图6.20 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季30～60d低频分量的水平分布差异
图6.21 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日2m 温度30～60d低频分量变化
图6.22 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季30～60d低频分量差
图6.23 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季风30～60d低频分量差
下面来看海陆温差变化对季风环流的影响。图6.23为城市群城市化导致的中国东部地区2003年夏季10m、850hPa和500hPa风场30～60d低频分量水平分布变化。由图6.23中可以看到，从近地表到对流层中层，城市群城市化对风场30～60d低频分量的影响比较一致：受大尺度城市化影响，江淮和华北大部分地区风速30～60d低频分量表现出正异常。与此同时，该地区受较强的异常南向气流控制，且近地层表现为东南转西南气流，而对流层底和对流层中层则表现为一致的西南气流。强劲的南向气流有利于水汽的由南向北输送，有利于该地区对流活动的发展。而华南地区正好相反，城市化导致该地区风速30～60d低频分量表现为负异常，且近地层表现为异常的西北气流，而对流层底和对流层中层则表现为明显的东北干冷气流，均不利于对流活动的发展。从图6.23中还可以看到，大尺度城市化对风场30～60d低频分量的影响以850hPa最为明显。此外，图6.23中由城市群城市化所导致的风场30～60d低频分量从低层到高层的一致变化与图6.17（c）中降水的变化有很好的对应关系。
为了进一步检验城市群导致的风场30～60d低频分量变化是否对应于降水30～60d低频分量变化，选取115°E和120°E两个经度断面，计算这两个断面上URB试验和NURB试验模拟的2003年夏季经向环流30～60d低频分量差，如图6.24所示。由图6.24（a）中可以看到，受东部城市群城市化影响，115°E 断面24°N 以南，经向环流30～60d低频分量在垂直方向上表现为弱上升气流；24°～27°N，经向环流30～60d低频分量在垂直方向上表现为明显的下沉气流，尤其是25°N 对流层中层至对流层顶，下沉气流较强；33°～38°N，经向环流30～60d低频分量在垂直方向整层均表现为明显的上升气流；40°N 以北，经向环流30～60d低频分量在300～700hPa之间表现为明显的下沉气流。对流层底以下，28°N 以北地区表现为明显的南风，有利于水汽的由南向北输送。受城市群影响，120°E断面上，经向风环流30～60d低频分量在25°～28°N 垂直方向上表现为明显的下沉气流，尤其是27°N 附近对流层底以上，下沉运动较为明显 [图6.24（b）]。28°N 以北，经向风环流30～60d低频分量在垂直方向上大体表现为上升运动。同样，对流层底以下，28°N以北地区也表现为明显的南风。水汽的北向输送配合垂直上升运动，有利于对流活动的发展。图6.24中两个断面上经向环流30～60d低频分量的变化与图6.17（c）中降水的30～60d低频分量变化有很好的对应关系。
上述分析表明，中国东部城市群城市化对降水30～60d低频变化所产生的影响有利于形成江淮和华北地区降水偏多而华南降水偏少的格局，而这种格局的形成可能与大尺度城市化导致中国东部地区感热通量和潜热通量发生变化，从而引起海陆温差、环流以及水汽分布发生改变密切相关。
