6.3.2 城市群对降水10～20d低频变化的影响
已有研究表明，东亚夏季风降水的10～20d低频模对中国东部地区的旱涝变化也具有重要影响。此外，从表6.3中可以看到，尽管30～60d降水低频分量对实际降水变化方差贡献较大，10～20d降水低频分量对降水的方差贡献也不可忽略。因此，下面就中国东部城市群城市化对降水10～20d低频分量变化的影响进行探讨。
图6.24 NURB试验与URB试验模拟的2003年夏季经向环流30～60d低频分量差沿115°E和120°E断面变化
图6.25为URB试验和NURB试验模拟的华南、江淮和华北地区降水10～20d低频分量变化。从图6.25中可以看到，NURB试验模拟的华南地区降水10～20d低频分量振幅在5月初至7月中旬期间明显大于URB试验，尤其是6月，降水10～20d低频分量变化较为剧烈，正位相峰值与负位相峰值相差接近18 [图6.25（a）]。5月初，两个试验模拟的降水10～20d低频分量位相相反；5月中旬至6月上旬，NURB 试验模拟的降水10～20d低频分量位相落后于URB试验3～5d。值得注意的是，从图6.25中还可以看到，5月和6月是华南地区降水10～20d低频分量变化最为显著的时期。因此，这段时间内两个试验的模拟结果存在明显差异必然对华南地区降水产生重要的影响。江淮地区降水10～20d低频分量变化较为显著的时期集中在6月和7月，该期间两个试验模拟的降水10～20d低频分量变化差别也较为明显[图6.25（b）]。6—7月中旬，尽管位相较为一致，URB试验模拟的降水10～20d低频分量振幅显著地大于NURB试验。华北地区两个试验模拟的降水10～20d低频分量变化较为平缓[图6.25（c）]。5月，两个试验模拟的降水10～20d低频分量近似呈反位相变化；7月，NURB试验模拟的降水10～20d低频分量振幅大于URB试验。
图6.25 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日降水10～20d低频分量变化
图6.26为观测和模拟的中国东部地区2003年夏季降水10～20d低频分量的水平分布。从图6.26中可以看到，与CMORPH 资料对比，URB试验较好地刻画出了华南负位相、江淮正位相、华北南部负位相而北部正位相的降水10～20d低频分量分布。这种分布与2003年夏季江淮地区多雨、华南和华北少雨的降水特征较为吻合 [图6.17（a）]。NURB试验与URB试验模拟的2003年夏季中国东部地区降水10～20d低频分量差的分布表明，受东部城市群城市化影响，华南和华北地区，尤其是华南地区，降水低频分量主要表现为较强的负位相；而江淮地区降水低频分量主要表现为正位相。由此说明，从10～20d降水低频分量变化的角度来看，东部城市群容易促使江淮地区降水偏多，而华南和华北地区降水偏少。
图6.27为URB试验和NURB 试验模拟的华南、江淮和华北地区感热通量的10～20d低频分量变化。由6.27 （b）中可以看到，江淮地区URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年感热通量10～20d 低频分量变化差异显著，且主要体现在振幅上。与NURB试验相比，URB试验模拟的感热通量10～20d低频分量振幅正位相高值更高而负位相低值更低，说明URB模拟的江淮地区感热变化更为剧烈。两个试验模拟的华南和华北地区的感热通量10～20d低频分量变化振幅差异相对较小，但也不可忽略。与此同时，6月底至7月初以及7月底至8月初两个试验模拟的华南地区感热通量10～20d低频分量位相相反[图6.27（a）]。华北地区，除了7月中上旬和9月外，两个试验模拟的感热通量10～20d低频分量位相差异均非常明显 [图6.27（c）]。与感热通量类似，URB试验和NURB试验模拟的江淮地区潜热通量10～20d低频分量变化差异显著，并且也主要表现为URB试验模拟的潜热通量10～20d低频分量振幅明显大于NURB试验模拟结果，6—7月中旬以及9月以后尤为明显[图6.28（b）]。两个试验模拟的华南地区潜热通量10～20d低频分量差异主要体现在7月和8月，尽管二者振幅大小相当，但是位相相反[图6.28（a）]。与华南地区类似，URB试验和NURB试验模拟的华北地区潜热通量10～20d低频分量变化差异也主要体现在位相上。但与华南地区不同的是，华北地区二者位相差异出现于6月，尤其是6月中旬前后[图6.28（c）]。
受城市化影响，中国东部地区2003年夏季感热通量和潜热通量10～20d低频分量的水平分布也发生了改变（图6.29）。如图6.29（a）所示，受东部城市群城市化影响，江淮地区感热通量10～20d低频分量表现出明显的增加趋势，且以长三角地区和长江上游地区最为显著（超过95%的置信水平）。与此相反，城市化导致华北平原地区和华南24°～27°N 地区感热通量10～20d低频分量呈现出显著的减小趋势 （超过95%的置信度水平）。由图6.29（b）中可以看到，城市化所导致的中国东部地区潜热通量10～20d低频分量变化也呈现出与感热通量类似的分布。城市化所导致的潜热通量10～20d低频分量的显著增加主要位于江淮地区，而华北西部和华南南部沿海地区潜热通量10～20d低频分量表现出显著的减小变化。值得指出的是，上述城市化所引起的中国东部地区感热通量和潜热通量10～20d低频分量变化与降水10～20d低频分量变化有较好的对应关系 [图6.26（c）]。由此也说明，城市化所导致的地表感热通量和潜热通量的10～20d低频分量变化很可能与降水10～20d低频分量变化联系紧密。
图6.26 中国东部地区2003年夏季10～20d降水分布
图6.27 URB试验和NURB试验模拟的夏半年逐日感热通量的10～20d低频分量变化
图6.28 URB试验和NURB试验模拟的夏半年逐日潜热通量的10～20d低频分量变化
图6.30为URB试验和NURB 试验模拟的华南、江淮和华北地区近地表温度10～20d低频分量变化。如图6.30（a）所示，URB 试验和NURB 试验模拟的华南地区5—9月近地表温度10～20d低频分量振幅均较小，相较而言，后者模拟结果比前者大，二者差异主要集中在6月中旬至8月初。江淮地区，两个试验模拟的近地表温度10～20d低频分量位相变化较为一致，但是振幅差异明显，尤其是6月中旬至7月中旬 [图6.30（b）]。URB试验和NURB试验模拟的华北地区近地表温度10～20d低频分量也表现出同位相变化，其差异主要体现在振幅变化上，6月开始NURB试验模拟的振幅明显大于URB试验的模拟结果；7月中旬至8月初，情况正好相反；9月以后再次表现为NURB试验模拟的振幅显著大于URB试验。除了近地表温度外，东部城市群城市化还对850hPa温度10～20d低频分量变化产生了影响。相对而言，URB 试验和NURB 试验模拟的江淮地区和华北地区对流层底温度10～20d低频分量变化差异较小。但二者模拟的华南地区850hPa温度10～20d低频分量变化差异显著，尤其是6—8月期间，振幅和位相均不同。
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图6.29 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季10～20d低频分量差
图6.30 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日2m温度10～20d低频分量变化
图6.31 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季10～20d低频分量差
图6.31为东部城市群城市化对东部陆地地区2003年夏季温度10～20d低频分量变化的影响。从图6.31（a）中可以看到，城市群城市化导致华南北部、江淮南部以及华北西部地区近地表温度10～20d低频分量减小，即易于造成上述地区温度下降。在海表温度几乎保持不变的情况下，陆地温度下降意味着海陆温差减小，会对季风产生削弱作用。江淮北部地区正好相反，城市化所导致的近地表温度10～20d低频分量增大，有利于海陆温差的增大以及与之相关的夏季风强度增强。东部城市群城市化所引起的850hPa温度10～20d低频分量变化呈现出西北地区增大、东南地区减小的特征，且西北地区低频分量的增大更为显著[图6.31（b）]。
图6.32为URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年华南、江淮和华北地区10m风速10～20d低频分量变化。由图6.32（a）中可以清楚地看到，两个试验模拟的华南地区近地层风速10～20d低频分量振幅差异显著，尤其是5月底至8月下旬，NURB试验模拟的低频分量振幅明显大于URB试验模拟结果。但是两个试验模拟的10m 风速10～20d低频分量的位相却比较一致。与华南地区相比，两个试验模拟的江淮和华北地区10m 风速10～20d低频分量差异相对较小[图6.32（b）和 （c）]。URB 试验和NURB 试验模拟的华南地区850hPa风速10～20d低频分量除了在8月中旬和9月中旬前后呈现出反位相变化外，二者整个夏半年均呈现出同位相变化特征。就振幅而言，NURB 试验的模拟结果略大于URB试验。江淮地区，尽管两个试验模拟的850hPa风速10～20d低频分量位相几乎一致，但其振幅差别较为明显，5月至6月中旬以及7月中旬至9月初尤为显著。总体而言，URB试验模拟的对流层底风速10～20d低频分量振幅大于NURB试验模拟结果。URB试验和NURB试验模拟的华北地区850h Pa风速10～20d低频分量变化差异主要体现在振幅上，尤其是6月中旬至8月中旬，NURB 试验模拟的振幅显著大于URB试验模拟结果。
从水平环流10～20d低频分量的差异上看，受城市群城市化影响，中国东部地区近地层风速呈现出“汉堡”型分布，即华南南部地区10m 风速表现为正异常，而华南北部则为负异常，至江淮地区，10m 风速10～20d低频分量再次表现为显著的正异常 [图6.33（a）]。与此同时，城市化导致华南北部地区受异常的东北气流控制。850hPa上，大尺度城市化导致的中国东部地区风速10～20d低频分量变化依然呈现出“汉堡”型分布，且与降水10～20d低频分量变化较为一致。江淮地区，850h Pa风速10～20d低频分量表现为显著的正异常，长江流域及其周边地区西南向气流明显，有利于水汽的由南向北输送；华南地区和华北大部分地区则正好相反，城市化导致850hPa风速10～20d低频分量表现为负位相，风向为东北风。东南沿海地区，强劲的东北干冷气流，不利于对流活动的发展[图6.33（b）]。由图6.33（c）中可以看到，城市化所导致的中国东部地区500h Pa风速10～20d低频分量变化大体表现为西南部为负位相而东北部为正位相。负位相地区多伴随北向气流而正位相地区则主要受南向气流控制。
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10～20d低频分量差。由图6.34（a）中可以看到，受东部城市群城市化影响，115°E断面上，24°～28°N 的经向环流10～20d低频分量在垂直方向上表现为明显的下沉气流。对流层底以下为明显的向南的气流，不利于水汽的北向输送；而28°N 以北至33°N，850hPa以下北向的气流强劲，有助于水汽的由南向北输送。再配合500hPa以下明显的上升气流，有利于对流活动的发展；35°N 附近，垂直方向上整层均为下沉气流控制，而40°N附近对流层中层以下则表现为明显的上升气流。120°E断面上大部分地区经向风环流10～20d低频分量均表现为上升气流，仅在26°～29°N 附近表现为较强的下沉气流[图6.34（b）]。与此同时，26°～29°N地区850hPa以下南向气流以及30°N以北地区对流层中下层向北的气流也较为明显。城市化所导致的这两个断面上的经向环流10～20d低频分量变化与图6.32（c）中降水的10～20d低频分量变化有很好的对应关系。
图6.32 URB试验和NURB试验模拟的2003年夏半年逐日10m 风速的10～20d低频分量变化
图6.33 NURB试验与URB试验模拟的中国东部地区2003年夏季风10～20d低频分量差
图6.34 NURB试验与URB试验模拟的2003年夏季经向环流10～20d低频分量差沿115°E和120°E断面变化
综上所述，与30～60d低频分量类似，中国东部城市群城市化所导致的东部地区降水10～20d低频分量的变化与大尺度城市化导致地表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。由此推断，中国东部城市群城市化影响降水有可能通过以下方式进行：大尺度城市化改变了地表属性，从而影响感热通量和潜热通量的分布。作为直接效应，中国东部地区陆地温度发生变化，导致海陆温差发生改变。作为季风环流的驱动力，海陆温差改变导致季风环流受到影响，水汽重新分布，从而导致中国东部地区降水位置及强度发生变化。
