中国东部城市群的天气气候效应及其影响机理_天文地球

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前　言

联合国政府间气候变化专门委员会第五次科学评估报告指出，人类活动造成了地气系统辐射强迫改变，显著地影响了20世纪以来的全球气候。城市化对天气和气候变化产生了重要影

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第1章　绪　论

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1.1　城市化对天气气候变化的影响

城市化是人类活动引起地表特征显著变化的现象，其对天气和气候变化也产生了重要影响。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel

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1.1.1　城市热岛效应

城市带来的土地利用/土地覆盖的变化，改变了下垫面的热力性质和三维结构：反照率的减小减少了向外反射或散射的短波和长波辐射，增加了大气对太阳短波辐射和地面长波辐射的

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1.1.2　城市降水

早在1921年，Horton 就强调，大城市比乡村环境更容易发生雷暴。Lansberg 在1956年的研究以及Atkinson在1968年的工作也证实，城市化对

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1.2　城市化对降水的影响机制

随着城市化效应研究的逐步深入，人们对城市热岛的认识已日趋成熟，但是城市化对降水的影响较为复杂，目前仍然存在一定的不确定性。在全球变暖的气候背景下，城市地区暴雨、

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1.3　我国主要城市群影响降水的观测与模拟研究

自改革开放以来，我国的城市化进程正在朝着大都市区和大城市集群方向发展（谢志清等，2007）。随着经济的高速发展，我国东部地区土地利用快速扩张、能源消耗高度集中、

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1.4　资料、模式、研究方法

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1.4.1　资料

本书研究工作主要使用了以下资料。（1）NCEP/NCAR （National Centre for Environmental Prediction and

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1.4.2　模式

本书采用新一代高分辨率中尺度模式WRF （Weather Research and Forecasting Model）进行模拟研究，该模式是由美国国家大气研究

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1.4.3　研究方法

本书主要采用了集合数值模拟方法、动力学诊断方法、Morlet小波分析方法和Butterworth带通滤波分析方法。（1）集合数值模拟方法。关于集合降水预报的研

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第2章　京津冀城市群对夏季强降水的影响

京津冀城市群包括北京、天津两大直辖市及河北省的保定、唐山、石家庄、廊坊、秦皇岛、张家口、承德、沧州、衡水、邢台、邯郸共13个城市，是我国东部地区城镇最为密集、城

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2.1　试验设计

本章利用包含单层城市冠层（Chen et al.，2011；Kusaka and Kimura，2004）的WRF模式对京津冀地区2008年的一次夏季强降水过

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2.2　模式验证

为了验证本研究所采用的集合数值模拟对所选强降水个例的模拟能力，本节主要对集合模拟的结果进行评估。在对模式结果进行验证之前，有必要对集合的有效性进行评估。结果发现

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2.2.1　环流场

众所周知，温度和降水是天气气候研究中较为重要的两个气象要素。而环流场对温度和降水的分布有显著的影响。准确地再现环流形势，有利于把握强降水发生过程中的天气背景，提

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2.2.2　温度、湿度和降水

下面从模式对温度、湿度和降水模拟的角度进行模式性能的检验。图2.4～图2.6分别给出了模式D2区域中850hPa、500h Pa和200h Pa温度与NCEP观

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2.3　城市化对短期强降水过程的影响

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2.3.1　城市化对温度、辐射和降水的影响

诸多研究表明，城市化可以通过改变地表反照率，以及建筑物的拦截效应等影响地表接收到的太阳辐射，进而改变地表能量收支（Aida，1982）。图2.10给出了URB

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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

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第3章　长三角地区城市群对夏季强降水的影响

长三角城市群是中国东部地区城镇最为密集、城市化水平最高的城市群之一，它不仅在中国具有举足轻重的地位，而且在国际上也享有盛誉，被世界著名的地理学家戈特曼誉为世界六

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3.1　个例选取及天气背景

2003年夏季，江淮流域发生了继1991年以来又一次的大范围持续性强降水，淮河流域降水总量达到400mm 以上，比常年同期偏多1～2倍，致使淮河洪水泛滥，给国家

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3.2　试验设计

已有研究表明，4km 足够分辨出中纬度中尺度对流系统（Weisman et al.，1997）。此外，2003年发起并一直持续开展的BAMEX （Bow Ec

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3.3　模式验证

为了验证本书所采用的集合数值模拟对所挑选强降水个例的刻画能力，本节主要对集合模拟的结果进行评估。在对模式结果进行验证之前，有必要对集合的有效性进行评估。由于西太

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3.3.1　环流背景

图3.2和图3.3分别为URB试验和NURB试验模拟的降水过程中第一重区域（D1）850hPa和500hPa的位势高度和风速分布及相应的观测结果。从图3.3（

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3.3.2　温度、湿度和风速

下文从模式对温度、湿度和风速的角度进行模式性能的检验。图3.6～图3.8分别为URB试验和NURB试验模拟的D3区域7月4日12：00、7月5日00：00和7月

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3.3.3　降水

将URB试验和NURB试验模拟的南京站和滁州站（强降水集中地区）的降水日变化与相应的OBS （观测）进行对比，如图3.9所示。显然，从图3.9中可以看到，200

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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

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第4章　土地利用变化和人为气溶胶对城市夏季强降水的影响

城市化对大气环流和环境的影响主要包括土地利用/土地覆盖的改变及人为污染物排放两个方面：一方面，城市化造成的土地利用/土地覆盖的变化可以通过改变地表以及边界层的属

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4.1　试验设计

本章利用耦合了单层城市冠层（UCM）的WRF-Chem （Grell et al.，2005）模式对京津冀地区2008年的一次夏季强降水过程进行模拟。它的气象

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《中国东部城市群的天气气候效应及其影响机理》简介

前　言

目录

第1章　绪　论

1.1　城市化对天气气候变化的影响

1.1.1　城市热岛效应

1.1.2　城市降水

1.2　城市化对降水的影响机制

1.3　我国主要城市群影响降水的观测与模拟研究

1.4　资料、模式、研究方法

1.4.1　资料

1.4.2　模式

1.4.3　研究方法

第2章　京津冀城市群对夏季强降水的影响

2.1　试验设计

2.2　模式验证

2.2.1　环流场

2.2.2　温度、湿度和降水

2.3　城市化对短期强降水过程的影响

2.3.1　城市化对温度、辐射和降水的影响

2.3.2　城市化影响强降水过程的机制

第3章　长三角地区城市群对夏季强降水的影响

3.1　个例选取及天气背景

3.2　试验设计

3.3　模式验证

3.3.1　环流背景

3.3.2　温度、湿度和风速

3.3.3　降水

3.4　城市化对短期强降水过程的影响

第4章　土地利用变化和人为气溶胶对城市夏季强降水的影响

4.1　试验设计