城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究

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1 文章编号 : C doi: /j.issn 城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究 张珊 1,3 黄刚 1 王君 1,3 刘永 2 贾根锁 1 任改莎 4 1. 中国科学院大气物理研究所, 东亚区域气候环境重点实验室, 北京 ; 2. 中国科学院大气物理研究所, 季风系统研究中心, 北京 中国科学院大学, 北京 鹿泉市气象局, 石家庄 摘要本文利用京津冀地区 24 个气象站的日降水资料和耦合有单层城市冠层模式 (SLUCM) 的中尺 度数值模式 WRF 的模拟结果, 研究了城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响 结果表明, 在京 津冀城市面积迅速增长的近三十年 ( ), 该地区大部分站点的降水量都呈现减少的趋势, 减 少最明显的站点主要集中在京津唐城市区域, 其中 50mm 的降水量减少趋势占总降水量减少趋势的 50% 以上 城市扩张可能是造成京津冀降水时空格局改变的因素之一 通过对比分析控制试验与敏感 性试验的模拟结果, 发现城市化引起的地表特征的改变使北京 天津 唐山主要城市地区的降水量和 降水频次都有明显减少, 而城市群下风向的降水量和降水强度则明显增加和增强, 其中 50mm 以上等 级的降水量变化最为显著, 贡献率在 60% 以上 城市地表特征使北京 天津和唐山地区 50mm 以上等 级降水量的百分比下降了 6%-20%, 下风向地区增加了 8% 城市地表特征也影响了主要城市和城市 群下风向地区降水量的日变化结构, 使北京和唐山几乎所有时段的降水量都有所减少, 而城市群下风 向降水量的增加主要发生在白天 研究发现城市地表特征对深对流的抑制 ( 加强 ) 可能是造成京津冀 地区降水减少 ( 增多 ) 的重要原因, 而由于城市地表蒸发量的改变引起的潜热通量和对流有效位能的 改变则可能是引起深对流变化的重要因素 关键词京津冀 WRF/UCM 城市地表特征城市化降水 Impact of Urban Surface Characteristics on Summer Rainfall in Beijing-Tianjin-Hebei Area 收稿日期 收修定稿资助项目国家重点基础研究发展计划项目 2011CB309704, 全球变化研究国家重大科学研究计划项目 2012CB955604, 国家自然科学基金 , 作者简介张珊, 女,1988 年 6 月生, 硕士研究生, 研究方向 : 城市气候学, @qq.com 通讯作者黄刚, hg@mail.iap.ac.cn

2 Zhang Shan 1,3, Huang Gang 1, Wang Jun 1,3, Liu Yong 2, Jia Gen-suo 1, Ren Gai-sha 4 1. Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, , China 2. Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Abstract Beijing, , China 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing Meteorology Bureau of Luquan, Shijiazhuang Utilizing daily precipitation data of 24 meteorological sites in Beijing-Tianjin-Hebei and the results of WRF(Weather Research and Forecasting model)/ucm(urban Canopy Model), this paper investigates the impact of urban surface characteristics on summer rainfall in Beijing-Tianjin-Hebei. Results indicate that precipitation of most sites in this region reduces during the last 30 years, the sites whose precipitation reduce the most are mainly centered on the Beijing Tianjin -Tangshan metropolis. Urbanization is one of the possible factors that alter the precipitation in Beijing-Tianjin-Hebei Area. By comparing the results of control run and sensitivity run, we find that due to urban surface, rainfall and rainfall frequency in Beijing, Tianjin, Tangshan decrease evidently, while rainfall and rainfall intensity increase in downwind of the agglomerations. Precipitation above 50 mm change significantly due to urban surface and the contribution could be more than 60%, the percentage of rainfall above 50 mm declines 6%-20% in Beijing, Tianjin, Tangshan, while it increases 8% in downwind. The diurnal structure of rainfall changes due to urbanization: precipitation in Beijing and Tangshan of most the time reduces due to urbanization, and the increase of downwind occurs mainly in daytime. Results show that the inhibition (enhancement) of deep convection, which may be influenced by the change of latent heat flux and CAPE due to urban surface, may explain the modification of precipitation. Key words Beijing-Tianjin-Hebei, WRF/UCM, urban surface characteristics, urbanization, precipitation 1. 引言 在气候学意义上, 城市化主要是指由于人类活动而引起的土地利用变化, 进而使得 陆面物理学属性 ( 反射率 热传导率 波文比和热容量等 ) 和动力学性质 ( 粗糙度等 )

3 发生改变的过程 (Oke, 1982) 城市因其较小的反照率 较大的热容量以及不可渗透性, 使其能量收支 温度和湿度等发生改变进而影响城市及其周边的区域气候 随着近年来 洪涝和干旱的频繁发生, 城市化对降水的影响也越来越受到人们的关注 早在 1921 年, Horton (1921) 就指出大城市附近更容易产生暴雨, 之后 Changnon (1968, 1979) 和 Huff (1972) 通过城市气象综合观测实验 (METROMEX) 发现城市化引起圣路易斯城市及其下 风向 50-75km 区域的降水在暖季增加了 9%-17%, 并指出城市化对降水的影响在中尺度对流强迫占主导地位的暖季较为明显 随后不断有新的观测和模拟结果支持 METROMEX 计划的研究结论 (Chow and Chang, 1984; Jauregui and Romales, 1996; Burian and Shepherd, 2005) Shepherd and Burian (2003) 通过热带测雨任务卫星 (TRMM) 资料 分析了休斯敦地区降水的时空变化, 发现城市下风向 30-60km 区域的月平均降水量增加 了 28%,Chen et al. (2007) 发现城市化使得台北午后雷暴频率增多 67% Niyogi et al. (2011) Yang et al. (2014) 指出强对流系统在城市上风向分裂后又在下风向合并, 这可能 是引起城市下风向强降水增多的原因 最近又有一些学者提出城市下垫面局地蒸发的减 少以及城市气溶胶的气候效应可使降水减少 (Givati and Rosenfeld, 2004; Kaufmann et al., 2007; Rosenfeld et al., 2007; Wang et al., 2012) Guo et al. (2005) 利用第五代中尺度模式 (MM5) 对北京一次强流天气过程进行了数值模拟, 指出城市下垫面引起了该地区 ( 尤其是市区 ) 累计降水量的减少 Zhang et al. (2009) 通过对北京 年站点降水资 料的分析, 指出北京东北部夏季降水的减少可能与城市扩张有一定关系, 并设计了几种 不同的下垫面情景模拟两次强降水过程, 结果显示城市扩张使局地蒸发减少 感热通量 增加 边界层水汽混合更加均匀, 对流有效位能降低, 从而抑制了对流系统的发生发展 近些年, 随着城市不断发展和扩张使得城市更加集中, 形成城市群 研究表明, 城 市群会使得热岛更集中 更强 (Chen et al., 2006; He et al., 2007) 国内关于城市群城市化 过程对降水的影响问题已开展不少研究工作 ( 黎伟标等,2009; 钱嘉星等,2010; Li et al., 2011; 蒙伟光等,2012; Wan et al., 2013), 这些工作多数利用观测资料进行分析 ( 黎伟标等,2009; 钱嘉星等,2010; Li et al., 2011), 也有一些工作通过数值模拟对对流降水的真 实个例进行分析 ( 蒙伟光等,2012; Wan et al., 2013) 但仅用观测资料很难将城市化对降 水变化的影响从气候内部变率中分离出来, 而天气个例分析的研究结果存在一定的不确 定性 此外, 由于降水过程的复杂性, 不连续性以及较强的局地性, 不同城市对降水的 影响存在很大的差异 因此, 需要对更多的城市和城市群采用更长时间的数值模拟来探究城市化对降水的影响 本文将针对京津冀地区, 利用日降水观测资料和 WRF/UCM 数

4 值模式的模拟结果, 探讨该区域由于城市化而引起的地表特征改变对夏季降水的影响 研究将以日降水量 0.1mm 为标准统计夏季降水发生的频次 2. 京津冀城市群夏季降水量的变化特征 京津冀城市群是中国三大城市群之一, 在过去三十年里京津冀的城市面积迅速增长 京津冀地区位于温带季风区, 其降水主要集中在夏季 (6-8 月 ), 可占全年总降水量的 75%-85%(Huang et al., 2011), 其中在 7 月下半月和 8 月上半月降水最为集中 受东亚夏季风的影响, 京津冀降水年际变化很大 ( 图 1) 京津冀地势特点为西北高, 东南低 ( 图 4b), 降水分布与地形存在一定的关系, 降水量的高值区位于燕山和太行山山前迎风坡 及东南沿海地区 ( 张健等,2010), 西北地区降水以小雨为主, 降水日数较多而总降水 量较少, 而东南沿海地区大雨和暴雨发生较多 图 年京津冀地区夏季降水量的年际变化 ( 斜线和方程分别表示回归线和对应的回归方 程, 单位 :mm) 90 年代后期至 21 世纪初京津冀地区一直处于降水偏少期 ( 图 1), 与 90 年代之前相比, 降水的年际变化幅度明显减小, 除了气候系统的自然变率, 人类活动也可能存在一定影响 图 2 显示的是京津冀地区 24 个气象站 年夏季降水量的线性变化趋势的空间分布 可以看出, 在城市化发展迅速的近三十年, 只有 3 个站点 ( 廊坊 泊头 黄骅 ) 的降水量略有增加, 最大变化趋势值仅为 6mm/10a 而其余站点均表现出负的变 化趋势, 其中有 11 个站点通过了 80% 水平的显著性检验 降水减少比较明显的站点主要 集中在京津唐城市区域, 北京 密云和唐山站点降水量的减少趋势均在 -60mm/10a 以上, 天津宝坻和塘沽站点的减少趋势也分别达到了 -45.7mm/10a 和 -34.1mm/10a 另外, 大部 分站点的降水频次也呈现出负的变化趋势 ( 图略 ), 最大达到了 -3.4d/10a 京津唐区域各 站点的降水强度也存在一定的减少趋势 ( 图略 ), 减少值在 (-1.3mm/10a)-(-0.25mm/10a) 之间 为了研究不同等级的降水对总降水变化的相对贡献, 本文将日降水划分成 10 个等级 :0-5mm,5-10mm,10-15mm,15-20mm,20-25mm,25-30mm,30-40mm,40-50mm, mm, 100mm, 图 3 给出了密云 北京 唐山和塘沽 4 个站点不同等级降水量变 化趋势的贡献率 ( 每种等级降水的变化趋势与总降水变化趋势的绝对值的百分比 ) 可以 看出, 北京和密云站几乎所有等级降水变化的贡献率都为负, 唐山站只有 10-15mm 和 40-50mm 等级的降水表现为正的贡献率, 塘沽站中等强度降水 (10-25mm) 和 40-50mm 等级降水的贡献率为正, 其它等级降水的贡献率都为负 其中, 北京 唐山和塘沽站点

5 50mm 以上等级降水量变化的贡献率均在 -70% 以上, 密云站点的也在 -50% 左右, 而 50mm 以上的降水量仅占总降水量的 30% 左右, 这与 Zhang et al. (2009) 李书严和马京津 (2011) 对北京地区的研究结果相一致, 说明京津唐城市区域降水量的减少很大程度上是由极端 降水量的减少引起的 图 2 京津冀地区 年夏季降水量线性变化趋势的空间分布 ( 单位 :mm/10a) + 和 * 号分别表示通过 80% 和 95% 水平的显著性检验城市化作为人类活动的重要表现形式, 对局地气候有着很大影响 近 30 年来京津冀地区城市化进程之快, 对于其对该地区夏季降水变化的影响, 我们很难从观测资料中分 离出来 因此, 在下一节我们将利用 WRF/SLUCM 模式, 通过数值试验, 探讨城市化引 起的地表特征的改变对京津冀夏季降水的影响 图 3 密云 北京 唐山和塘沽站点不同等级降水量线性变化趋势的贡献率 ( 单位 :%) 3. 试验设计 本文采用的模式为耦合有单层城市冠层模式 (SLUCM) 的中尺度天气模式 WRF (V3.5.1) SLUCM 最早由 Kusaka et al. (2001, 2004) 提出和建立, 随后由 Chen et al. (2004) Miao et al. (2009) 进行了改进并将其耦合到中尺度模式 MM5 和 WRF 中 该城市 冠层模式不仅考虑了道路的朝向和几何特征以及建筑物的阴影和反射作用, 还考虑了太 阳高度角的变化, 对建筑物楼顶 墙面和路面的热力作用分别进行计算 (Chen et al., 2011), 较好地改进了模式对城市热力学和动力学效应的描述 WRF/SLUCM 的模拟结果可以很 好的再现城市热岛效应的日变化和空间分布, 风向 风速的日变化, 山谷和热岛局地环 流, 边界层的湍流活动以及夜间低空急流等特征 (Miao and Chen, 2008; Lin et al., 2008; Miao et al., 2009; Kusaka et al., 2009; 蒙伟光等,2010), 也能较好的描述强对流天气过程 中气象要素场的变化及降水分布情况 ( 张朝林等,2007; 吴风波和汤剑平,2011; 郑祚芳等,2013), 而且大多数情况下模拟结果比没有耦合 UCM 的要好 (Miao et al., 2010; 张艳霞等,2013) 因此可以用来进行城市化对气候变化影响的预报和评估 本文模拟域配 置为三重嵌套, 水平分辨率分别为 30km,10km 和 3.3km, 投影方式为 lambert, 最外层 模拟区域的中心点位于 (38 N, 118 E), 模式垂直方向分为 35 层, 顶层气压为 50hpa 模拟区域见图 4, 最内层的 D3 区域为本文重点分析的京津冀地区 模拟过程中采用的物 理参数化方案包括 :Rapid Radiative Transfer Model 长短波辐射方案 (RRTMG)(Iacono et al., 2008) Single-Moment 5-class scheme 云微物理参数化方案 (WSM5)(Hong et al., 2004)

6 Kain-Fritsch 积云对流参数化方案 (K-F)(Kain, 2004) Yonsei University 边界层方案 (YSU) (Noh et al., 2003) 以及 NOAH 陆面过程模式 (Chen and Dudhia, 2001)( 嵌套 UCM) 模拟使 用的初始场和边界场由 6 h 间隔的 NCEP 1 1 的 FNL 资料提供, 模拟时间从 年每年的 5 月 21 日 08 时积分至 9 月 1 日 08 时 ( 北京时 ), 每 1 小时输出一次 模拟结果, 研究只对 D3 区域 6-8 月的结果进行分析 图 4 数值试验的模拟区域和地形分布 :(a)d1 D2 和 D3 的区域嵌套配置 ;(b)d3( 京津冀 ) 区域模拟使用的土地利用数据为 Earth Observation of Climate Change (EOCC) 研究小组 ( 见 ) 研制的遥感数据产品 (Model Land Cover Data sets version 1.0)(Hu and Jia, 2010), 其中包括 和 2009 三个年代三种空间分辨率 (30km,10km,3.3km) 的数据 研究设计了三组下垫面情景下的对比试验 ( 图 5):(1) U09( 控制试验, 图 5a), 用上文提到的 2009 年遥感数据产品更新 WRF 模式中默认的下垫 面土地利用信息 ( 基于 MODIS 土地覆盖分类 );(2)U90( 敏感性试验, 图 5b), 用 1990 年的遥感数据产品替代 WRF 模式中默认的下垫面土地利用信息 ;(3)NoUB( 敏感性试验, 图 5c), 在 WRF 模式默认的土地利用信息的基础上用周围的其他土地利用类型插值替代城市部分, 即没有城市的情景试验 图 5a 中黑色实线框起来的区域分别代表北京 天津 唐山 石家庄城市区域以及将要在 4.2 节中介绍的 DOWN 区域 图 5 WRF/UCM 模拟中的三种土地利用情景 ( 红色代表城市 ):(a) 用 2009 年的遥感数据产品更新 WRF 模式中默认的下垫面土地利用信息 ;(b) 同 a, 但为 1990 年 ;(c) 没有城市 4. 结果分析与讨论 4.1 模式评估 本节选用 TRMM3B42 卫星观测日降水资料 ( 水平分辨率 ) 和中国气象科学数据共享服务网提供的地面气温资料 ( 水平分辨率 ) 与控制试验 (U09) 的模拟结果进行对比, 温度资料是基于中国地面高密度台站数据 ( 约 2400 个国家级气象 观测站 ), 利用 ANUSPLIN 软件的薄盘样条法 (TPS,Thin Plate Spline) 进行空间插值生 成的格点化数据集 图 6 为京津冀地区 年的模拟和观测的夏季平均降水量 (6a, 6b) 和地面气温 (6c,6d) 的空间分布, 可以看出, 模式基本能模拟出降水和温度的分 布形态, 部分区域模式对降水的模拟偏强 : 与 TRMM 相比, 模式模拟的降水在北京偏北和东北部存在一个虚拟的强降水中心 除了模式模拟存在偏差外,TRMM 本身对日降雨

7 量的估算也可能偏小 ( 骆三等,2011) 模式模拟的 2m 气温除了城市区域比观测数据 偏高 1~2 C, 其它区域与观测基本吻合 同时, 我们还计算了模拟的降水和温度与对应 的观测之间的空间相关系数, 计算得出京津冀夏季平均降水量 降水频次 2m 气温的空 间相关系数分别为 , 均通过了 99% 水平的显著性检验 其中模式对 小雨和暴雨频次的空间分布模拟较好, 与观测之间的相关系数分别达到了 和 图 6 模拟 (U09 的结果,6a 和 6c) 和观测 (6b 和 6d) 的京津冀地区 3 年 ( ) 夏季平均的降水量 (6a 和 6b, 单位 :mm) 和 2m 温度 (6c 和 6d, 单位 : C ) 的空间分布 4.2 城市地表特征对京津冀夏季降水量 降水频次和降水强度的影响 图 7 显示的是控制试验 (U09) 与敏感性试验 (U90 和 NoUB) 夏季平均降水量和降 水频次之差的空间分布, 可以看出京津冀地表特征的改变影响了降水的空间分布格局 由图 7a 和 7b 可见, 除京津冀东北角的正值区外, 其它大部分地区都为负值区 与 U90 和 NoUB 相比,U09 模拟的降水量在北京 天津 唐山主要城市区域明显减少, 而在石 家庄 保定等城市比较分散的区域降水量减少或增加的情况并不明显 表 1 给出了区域 降水量变化的具体值, 其中北京 天津和唐山城市区域平均的 U09 与 NoUB 降水量的差值分别为 -98mm -71.3mm 和 mm, 而在石家庄,U09 与 U90 的差值为负,U09 与 NoUB 的差值却为正, 这说明城市地表特征对降水的影响与城市所在的位置和大小都存 在一定关系 关于城市地表特征影响降水的内在机理将在 4.5 节进行讨论 图 8a 8b 和 8c 分别给出了北京 天津 唐山城市区域 10m 高度的风向玫瑰图 ( 控制试验 U09 的 结果 ) 可以看出这三个区域夏季都以偏南气流为主, 北京和唐山南风频率最大, 其次为 东南风和西南方, 天津以东南风频率最大, 偏南气流带来的暖湿空气是京津冀夏季降水 形成的重要原因 结合 850hpa 风场 ( 图略 ), 可以看到, 京津冀地区大气低层为一致的 西南气流 因此, 图 7a 和 7b 东北角的降水正值区正好位于三个大城市的下风向交集处, 这与前人关于城市化使得下风向降水增多的研究结论相一致 (Chow and Chang, 1984; Shepherd et al., 2003) 将由于城市地表特征的改变而引起降水明显增多的区域定义为 DOWN( 图 5), 城市扩张使该区域降水量增加了 23-50mm( 见表 1) 4.3 节和 4.4 节将 分别讨论该区域不同等级降水对总降水变化的贡献以及降水量的日变化特征 图 7 控制实验与敏感性试验夏季降水量 (7a 和 7b, 单位 :mm) 和降水频次 (7c 和 7d, 单位 :d) 之差的空间分布 :7a 和 7c 为 U09 与 U90 之差 ;7b 和 7d 为 U09 与 NoUB 之差 图 8 3 年夏季平均的风向玫瑰图 (U09 的模拟结果 ):(a) 北京 ;(b) 天津 ;(c) 唐山

8 表 1 不同区域的控制试验与敏感性试验降水量之差的值 北京天津唐山石家庄 DOWN 京津冀地区 U09-U U09-NoUB 从图 7c 和 7d 可见, 城市地表特征使京津冀大部分地区的降水频次都有所减少, 其中在北京 天津 唐山城市比较集中的区域最为较明显, 最大减少天数可达 7 天以上, 只有在京津冀西部和西南很小的区域存在降水频次变化正值区 图 9 是控制试验 (U09) 与敏感性试验 (U90,NoUB) 降水强度 ( 总降水量与总降水频次之比 ) 之差的空间分布 图 可以看出, 地表特征的改变使北京 天津和唐山主要城市及周边的大部分地区的降 水强度减弱, 最大可减弱 10mm/d, 而使城市群下风向 (DOWN) 天津西北以及北京西 北等零散区域降水强度增强, 其中 DOWN 区域的增强能达 8mm/d 以上 图 9 同图 7, 但为降水强度之差 ( 单位 :mm/d) 4.3 城市地表特征对京津冀夏季不同等级降水的影响 为了说明由于城市化而引起的地表特征的改变对哪种级别降水的影响比较显著, 本节同样将日降水划分成 10 个等级 :0-5mm,5-10mm,10-15mm,15-20mm,20-25mm, 25-30mm,30-40mm,40-50mm,50-100mm,>100mm 图 10a 和 10b 分别给出了 U09 与 NoUB 模拟的五个区域不同等级降水量 (a) 和降水频次 (b) 之差的贡献率 ( 见公式 1), 其中 BeiJing,TianJin,TangShan,DOWN 分别代表图 5a 中黑框对应的区域 ( 下同 ), Jing-Jin-Ji 则代表整个京津冀地区 (D3) 可以看出城市下垫面使北京 ( 黑色实线 ) 和京 津冀地区 ( 紫色实线 ) 所有等级的降水量和降水频次都有所减少, 唐山城市区域 ( 红色 实线 ) 除 5-20mm 等级的降水略有增加外, 其它等级的降水量和降水频次都有所减少, 而天津城市区域 ( 绿色实线 ) 只有 0-5mm 的小降水事件和 50mm 以上的极端降水事件表现为负的贡献率, 其中 50mm 以上等级的降水量的负贡献率达到了 140% 城市地表特征对天津降水的影响和北京相比有明显的差异, 这可能是天津临近渤海, 城市热岛与海风 环流相互作用的结果 (Shepherd et al., 2003) 从下垫面改变对 DOWN 区域降水的影响来看 ( 蓝色实线 ), 城市化主要引起了该区域 40mm 以上等级降水量和降水频次的增加, 其它 等级的降水都表现为负的贡献率 由图 10a 可见, 三个城市区域 50mm 以上等级的降水 量的负贡献率都在 60% 以上, 而 50mm 以上的降水量占总降水量的比例在 30%-40% 之间, 这说明城市地表特征可能会使极端降水占总降水的比例下降 表 2 和表 3 分别给出了上

9 述五个区域不同试验的 50mm 以上的降水量和降水频次占总降水的百分比, 从中可以看 出, 地表特征的改变确实使北京 天津和唐山城市区域极端降水量和极端降水频次的百 分比有不同程度的下降, 降水量的减少在 6%-20% 之间, 降水频次的减少在 0.8%-3.6% 之 间 而在 DOWN 区域,50mm 以上等级的降水量和降水频次的百分比分别增加了 8% 和 1.5% p ( U 09 NoUB )/sum( U 09 NoUB) 100% (1) 图 10 U09 与 NoUB 模拟的北京 天津 唐山 京津冀及 DOWN 地区不同等级降水量 (a) 和降水 频次 (b) 之差的贡献率 ( 单位 :%) 极端降水量百分比 (%) 表 2 控制试验与敏感性试验极端降水 ( 50mm) 量的百分比 U09 U90 NoUB U09-U90 U09-NoUB 北京 27.6% 28.3% 35.4% -0.7% -7.8% 天津 34.0% 55.6% 53.7% -21.6% -19.7% 唐山 42.6% 51.5% 49.1% -8.9% -6.5% 京津冀地区 30.4% 32.0% 37.6% -1.6% -7.2% DOWN 44.8% 34.5% 36.8% +10.3% +8.0% 极端降水频次百分比 (%) 表 3 控制试验与敏感性试验极端降水 ( 50mm) 频次的百分比 U09 U90 NoUB U09-U90 U09-NoUB 北京 3.7% 4.4% 4.7% -0.7% -1.0% 天津 6.4% 9.4% 10.0% -3.0% -3.6% 唐山 6.6% 9.1% 8.6% -2.5% -2.2% 京津冀地区 4.3% 5.2% 5.1% -0.9% -0.8% DOWN 7.0% 5.2% 5.5% +1.8% +1.5% 4.4 城市地表特征对京津冀夏季降水日变化的影响 由于城市化而引起的地表特征的改变使得主要城市地区降水减少, 而城市群下风向

10 降水增多, 这种变化在一天中哪些时段比较明显, 需要进一步的探究 图 11 给出了 U09 和 NoUB 模拟的六个区域夏季降水量的日变化曲线 就整个京津冀地区的平均情况而言 ( 图 11f), 下垫面的改变导致一天中所有时段的降水量都有所减少, 但对降水量的日变 化结构没有显著影响 : 两组实验得到的降水量都在上午 8 时和下午 15 时左右存在一个峰 值, 而在夜间 22 时达到最低值 就北京 天津和唐山地区而言, 城市地表特征对降水量 的日变化结构有着明显的影响 : 在北京地区 ( 图 11a),U09 几乎所有时段的降水量与 NoUB 相比都有所减少, 尤其在傍晚至第二天凌晨这段时间,NoUB 模拟的降水量在傍晚 (18: 00-20:00) 出现一个峰值, 而相应的时段 U09 却出现一段降水低值 ; 地表特征的改变引 起的唐山地区降水量的减少主要发生在午后 15:00-17:00 夜晚 21:00-2:00 以及凌晨 6: 00-8:00( 图 11c), 其它时段降水量的变化不大 ; 城市地表特征对天津降水的影响与北 京和唐山有所不同, 由图 11b 可见, 京津冀城市群的存在使天津地区的降水量在凌晨 2:00- 上午 9:00 明显增加, 前面 4.3 节中也提到地表特征的改变使天津城市区域 5-50mm 等级 的降水量和降水频次有所增加 ( 图 10a 和 10b), 这可能是夜晚的热岛环流与海风环流的 相互作用引起的 与前面三个大城市相比, 城市地表特征对石家庄降水的影响并不明显 ( 图 11d), 在上午 10:00- 中午 13:00 时段 U09 的降水量比 NoUB 多, 而凌晨 4:00- 早上 8:00 情况相反 由此可见, 地表特征的改变对降水的影响因城市而异, 但整体而言, 城市下垫面可能是京津冀城市区域降水减少的一个因素 从图 11e 可以看出, 城市下垫 面使 DOWN 区域降水的增加主要发生在白天, 而午夜到次日凌晨, 该区域降水因地表特 征的改变而减少 图 11 U09 和 NoUB 模拟的夏季降水量的日变化 ( 单位 :mm):(a) 北京 ;(b) 天津 ;(c) 唐 山 ;(d) 石家庄 ;(e)down;(f) 京津冀地区 ( 横坐标为北京时间,08 时的值代表的是 07:00-08: 00 的累积降水量, 依次类推 ) 4.5 机理探究 由于城市化而引起的城区及周边地区降水的变化很可能是由以下两个因素共同影响造成的 ( 本次模拟只考虑了地表特征的改变, 没有考虑气溶胶和人为热的变化 ):(1) 地表 粗糙度增加和城市热效应引起的大气低层气流辐合加强 ;(2) 城市区域较少的水汽蒸发 引发的边界层内水汽含量的减少 低层气流辐合有利于垂直运动加强从而促进对流的发 展, 而边界层内水汽含量的减少将使对流有效位能 (CAPE) 减少进而抑制深对流的发展 (Zhang et al.,2009) 对于京津冀地区, 究竟是上述哪种因素起主要作用? 图 12 给出了 U09

11 与 NoUB 模拟的四个区域对流层垂直速度和对流有效位能之差的日变化分布图, 横坐标 为北京时间, 纵坐标为垂直层次 从北京 天津 唐山三个城市区域来看 ( 图 12a,12b 和 12c), 地表特征的改变使大部分时段对流层低层的垂直运动加强, 高层的垂直运动减 弱, 其中天津和唐山地区大气低层垂直运动的加强主要发生在白天 通过图 12, 我们发 现城市地表特征对对流层中高层垂直运动的抑制 ( 加强 ) 可能是引起降水量减少 ( 增加 ) 的原因 例如, 凌晨 2:00- 上午 9:00 是天津城市区域对流层中高层垂直运动加强的时段 ( 图 12b), 相应的该时段有城市试验 (U09) 的降水量明显高于无城市试验 (NoUB) 的降水量 ( 图 11b); 对于唐山地区 ( 图 12c), 对流层中高层在午夜左右有一个较强的负 值中心, 对应时段 U09 的降水量也明显低于 NoUB( 图 11c); 对于 DOWN 区域, 地表 特征的改变使降水量的增加主要发生在 10:00-20:00( 图 11e), 而图 12d 中该时段的对 流层中高层则表现为一个较强的正值中心 由此可见, 城市地表特征对深对流的抑制 ( 加 强 ) 可能是造成京津冀地区降水减少 ( 增多 ) 的一个重要原因 图 14 为 U09 与 NoUB 模拟的京津冀地区三年夏季平均的潜热通量之差的空间分布 可以看出, 城市由于较少 的水汽蒸发使得主要城市及周边地区潜热通量明显减少, 最大减少量达到了 200W/m 2 以上, 而城市群下风向潜热通量略有增加 城市区域潜热通量的减少引起了大气低层水汽含量减少 ( 图略 ) 进而使对流有效位能 (CAPE) 减少 ( 图 13a,13b 和 13c), 这样, 即使城市地区大气低层垂直运动由于气流辐合而被加强,CAPE 的减少会在一定程度上抑 制垂直运动的进一步的发展进而使深对流的发展被抑制, 因此城市地表特征使主要城市 区降水减少 以上分析说明, 对于京津冀城市群而言, 蒸发量的改变是引起降水变化的 主要因素 Miao et al. (2011) 指出由于城市冠层模块 (SLUCM) 中并没有将人为水汽排 放源考虑进去, 其模拟的空气湿度可能会偏低, 因此, 上述结论存在一定局限性, 未来 的工作需要进一步提高 UCM 模块对城市环境描述的准确性从而提高模拟结果的可信度 虽然天津地区凌晨 2:00- 上午 9:00( 图 12b) 以及 DOWN 地区上午 10:00-20:00( 图 12d) 是中高层垂直运动增强 降水增加的时段, 但 CAPE 在相应的时段内并没有增加, 反而有所减少, 这说明城市地表特征对降水的影响不仅由上述两种因素控制, 还可能与 城市热岛环流引起的低层水汽输送的改变有关, 关于此还需要进一步的探讨 图 12 U09 与 NoUB 模拟的 3 年夏季平均对流层垂直速度之差的日变化 ( 单位 :cm/s):(a) 北京 ; (b) 天津 ;(c) 唐山 ;(d)down( 纵坐标中 0-19 代表的 Eta 值分别为 : )

12 图 13 同图 12, 但为对流有效位能 (CAPE) 之差的日变化 ( 单位 :J/Kg) 图 结论 U09 与 NoUB 模拟的夏季平均的地表潜热通量 ( 单位 :W/m 2 ) 之差的空间分布 本文利用京津冀地区 24 个气象观测站的日降水资料和耦合有单层城市冠层模式的中 尺度模式 WRF 的模拟结果, 研究了城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响, 主要的结论如下 : (1) 在京津冀城市面积迅速增长的近三十年 ( ), 该地区大部分站点的降 水量都呈现减少的趋势, 减少最明显的站点主要集中在京津唐城市区域 北京 密云和 唐山站点降水量的减少趋势均在 -60mm/10a 以上, 天津宝坻和塘沽站点的减少趋势也分 别达到了 -45.7mm/10a 和 -34.1mm/10a, 其中 50mm 等级降水量的减少趋势占总降水量 减少趋势的 50% 以上, 说明京津唐城市区域降水量的减少很大程度上是由极端降水的减 少引起的 (2) 通过对比分析控制试验与敏感性试验的模拟结果, 发现城市化引起的地表特征的改变使北京 天津 唐山主要城市地区的降水量和降水频次明显减少, 而城市群下风向的降水量和降水强度明显增加和增强 其中 50mm 以上等级的降水量变化最为显著, 贡献率在 60% 以上, 地表特征的改变使北京 天津和唐山城市区域 50mm 以上等级降水 量的百分比下降了 6%-20%,DOWN 区域增加了 8% 值得一提的是, 城市地表特征仅使 天津城市区域 0-5mm 的小降水事件和 50mm 以上的极端降水事件减少, 而其它等级的降 水明显增加, 造成这一结果的内在机理还需要进一步的探究 (3) 城市地表特征影响了主要城市和城市群下风向地区降水量的日变化结构 : 使北 京和唐山城市区域几乎所有时段降水量都有所减少 ; 天津地区降水量的减少发生在上午 10:00- 凌晨 1:00, 而其它时段降水量是增加的 ; 城市群下风向降水量的增加集中在白天, 夜晚降水量减少 (4) 研究发现城市地表特征对深对流的抑制 ( 加强 ) 可能是造成京津冀地区降水减 少 ( 增多 ) 的一个重要原因, 而由于城市地表蒸发量的改变引起的潜热通量和对流有效 位能 (CAPE) 的改变则可能是使深对流变化的重要因素 参考文献 (References) Burian S J, Shepherd J M Effect of urbanization on the diurnal rainfall pattern in Houston[J].

13 Hydrological Process, 19(5): Changnon S A The LaPorte weather anomaly-fact or fiction? [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 49: Changnon S A Rainfall changes in summer caused by St. Louis[J]. Science (Washington, DC), 205(4404): Chen F, Dudhia J Coupling and advanced land surface hydrology model with the Penn State-NCAR MM5 modeling system. Part I: Model implementation and sensitivity[j]. Mon. Weather Rev., 129: Chen F, Kusaka H, Tewari M, et al Utilizing the coupled WRF/LSM/Urban modeling system with detailed urban classification to simulate the urban heat island phenomena over the greater Houston area[c]. Fifth Conference on Urban Environment. Chen F, Kusaka H, Bornstein R, et al The integrated WRF/urban modelling system: development, evaluation, and applications to urban environmental problems[j]. Royal Meteorological Society, 31: Chen T C, Wang S Y, Yen M C Enhancement of afternoon thunderstorm activity by urbanization in a valley: Taipei[J]. Appl. Meteor. Climatol., 46: Chen X, Zhao H, Li P, et al Remote sensing image-based analysis of the relationship between urban heat island and land use/cover changes[j]. Remote Sens. Environ., 104: Chow S, Chang C Shanghai urban influences on humidity and precipitation distribution[j]. GeoJournal, 8(2): Givati A, Rosenfeld D Quantifying precipitation suppression due to air pollution[j]. J. Appl. Meteor., 43: Guo X L, Fu D H, Wang J Mesoscale convective precipitation system modified by urbanization in Beijing City[J]. Atmospheric Research, 82(1-2): He J, Liu J, Zhuang D, et al Assessing the effect of land use/land cover change on the change of urban heat island intensity[j]. Theor. Appl. Climatol., 90: Hong S Y, Dudhia J, Chen S H A revised approach to ice microphysical processes for the bulk parameterization of clouds and precipitation[j]. Mon. Weather Rev., 132:

14 Horton R E Thunderstorm-breeding spots[j]. Monthly Weather Review, 49(4): Hu Y H, Jia G S Influence of land use change on urban heat island derived from multi-sensor data[j]. Int. J. Climatol., 30: Huang G, Liu Y, Huang R The inter-annual variability of summer rainfall in the arid and semiarid regions of northern China and its association with the northern hemisphere circumglobal teleconnection[j]. Adv. Atmos. Sci., 28(2): Huff F A, Changnon S A Climatological assessment of urban effects on precipitation at St. Louis[J]. J. Appl. Meteor., 11: Iacono M J, Delamere J S, Mlawer E J, et al Radiative forcing by long-lived greenhouse gases: Calculations with the AER radiative transfer models[j]. Geophys. Res., 113, doi: /2008JD Jauregui E, Romales E Urban effects on convective precipitation in Mexico City[J]. Atmospheric Environment, 30(20): Kain J S The Kain-Fritsch convective parameterization: An update[j]. J. Appl. Meteorol., 43: Kaufmann, Robert K., Karen C S Climate response to rapid urban growth: evidence of a human-induced precipitation deficit[j]. J. Climate, 20(10): Kusaka H, Kondo H, Kikegawa Y, et al A simple single-layer urban canopy model for atmospheric models: Comparison with multi-layer and slab models[j]. Boundary-Layer Meteorology, 101: Kusaka H, Kimuro F Coupling a single-layer urban canopy model with a simple atmospheric model: impact on urban heat island simulation for an idealized case[j]. Journal of the Meteorological Society of Japan, 82(1): Kusaka H, Chen F, Tewari M, et al Performance of the WRF model as a high resolution regional climate model: model inter-comparison study[c]. Proceedings of ICUC-7 (in CD-ROM). 黎伟标, 杜尧东, 王国栋, 等 基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究 [J]., 33(6): 李书严, 马京津 城市化进程对北京地区降水的影响分析 [J]. 气象科学,31(4): Li D, Bou Z E, Baeck M L Modeling land surface processes and heavy rainfall in urban environments:

15 sensitivity to urban surface representations[j]. Journal of Hydrometeorology, 14: Li W B, Chen S, Chen G X, et al Urbanization signatures in strong versus weak precipitation over the Pearl River Delta metropolitan regions of China[J]. Environ. Res. Lett., 6(3), doi: / /6/4/ Lin C Y, Chen F, Huang J C, et al Urban heat island effect and its impact on boundary layer development and land sea circulation over northern Taiwan[J]. Atmospheric Environment, 42: 骆三, 苗峻峰, 牛涛, 等 TRMM 测雨产品 3B42 与台站资料在中国区域的对比分析 [J]. 气象, 37(9): 蒙伟光, 张艳霞, 李江南, 等 WRF/UCM 在广州高温天气及城市热岛模拟研究中的应用 [J]. 热 带气象学报,26(3): 蒙伟光, 李昊睿, 张艳霞, 等 珠三角城市环境对对流降水影响的模拟研究 [J]., 36 (5): Miao S G, Chen F Formation of horizontal convective rolls in urban areas [J]. Atmospheric Research,89(3): Miao S G, Chen F, Le M A, et al An observational and modeling study of characteristics of urban heat island and boundary layer structures in Beijing[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 48: Miao S G, Chen F, Li Q C, et al Impacts of urban processes and urbanization on summer precipitation: A Case Study of Heavy Rainfall in Beijing on 1 August 2006 [J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50: Niyogi D, Pyle P, Lei M, et al Urban modification of thunderstorms: An observational storm climatology and model case study for the Indianapolis urban region[j]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50: , doi: /2010jamc Noh Y, Cheon W G, Hong S Y, et al Improvement of the K-profile model for the planetary boundary layer based on large eddy simulation data[j]. Boundary Layer Meteorol., 107: Oke T R The energetic basis of the urban heat island[j]. Quart J Roy. Meteor. Soc., 108(455): 钱嘉星, 徐海明, 万齐林 珠江三角洲城市群对雷暴的影响 [J]. 热带气象学报, 26(1):

16 Rosenfeld D, Dai J, Yu X, et al Inverse relations between amounts of air pollution and orographic precipitation[j]. Science, 315: Shepeherd J M, Burian S Detection of urban-induced rainfall anomalies in a major coastal city[j]. Earth Interactions, 7(4):1-5. Shepherd J M, Carter W M, Manyin M, et al The impact of urbanization on current and future coastal precipitation: A case study for Houston[J]. Environ. Plann., 37B: Wan H C, Zhong Z, Yang X Q, et al Impact of city belt in Yangtze River Delta in China on a precipitation process in summer: A case study[j]. Atmospheric Research, : Wang J, Feng J M, Yan Z W, et al Nested high-resolution modeling of the impact of urbanization on regional climate in three vast urban agglomerations in China[J]. Journal of Geophysical Research, 117: D21103, doi: /2012 JD 吴风波, 汤剑平 城市化对 2008 年 8 月 25 日上海一次特大暴雨的影响 [J]. 南京大学学报,47(1): Yang L, Tian F Q, Smith J, et al Urban signatures in the spatial clustering of summer heavy rainfall events over the Beijing metropolitan region[j]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, doi: /2013 JD 张朝林, 苗世光, 李青春, 等 北京精细下垫面信息引人对暴雨模拟的影响 [J]. 地球物理学报, 50(5): Zhang C L, Chen F, Miao S G, et al Impacts of urban expansion and future green planting on summer precipitation in the Beijing metropolitan area[j]. Geophys. Res., 114: D02116, doi: /2008 JD 张健, 章新平, 王晓云, 等 近 47 年来京津冀地区降水的变化 [J]. 干旱区资源与环境,24(2): 张艳霞, 蒙伟光, 戴光丰, 等 WRF 耦合城市冠层模式对珠三角城市群天气模拟影响的评估 [J]. 热带气象学报,29(6): 郑祚芳, 高华, 李青春 城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析 [J]. 气象, 39(3):

17 附图 : 图 年京津冀地区夏季降水量的年 际变化 ( 斜线和方程分别表示回归线和对应的 回归方程, 单位 :mm) 和 * 号分别表示通过 80% 和 95% 水平的显著性检验 图 2 京津冀地区 年夏季降水量线性 变化趋势的空间分布 ( 单位 :mm/10a) + 图 3 密云 北京 唐山和塘沽站点不同等级降水量线性变化趋势的贡献率 ( 单位 :%)

18 科 学 刊 待 图 4 数值试验的模拟区域和地形分布 a D1 D2 和 D3 的区域嵌套配置 b D3 京 学 刊 待 大 气 科 大 气 津冀 区域 图 5 WRF/UCM 模拟中的三种土地利用情景 红色代表城市 a 用 2009 年的遥感数据产品更新 WRF 模式中默认的下垫面土地利用信息 b 同 a 但为 1990 年 c 没有城市

19 图 6 模拟 (U09 的结果,6a 和 6c) 和观测 (6b 和 6d) 的京津冀地区 3 年 ( ) 夏季平均的 降水量 (6a 和 6b, 单位 :mm) 和 2m 温度 (6c 和 6d, 单位 : C ) 的空间分布

20 科 学 刊 待 图 7 控制实验与敏感性试验夏季降水量 7a 和 7b 单位 mm 和降水频次 7c 和 7d 单位 d 之 学 3 年夏季平均的风向玫瑰图 U09 的模拟结果 a 北京 b 天津 c 唐山 图9 刊 待 大 气 图8 科 大 气 差的空间分布 7a 和 7c 为 U09 与 U90 之差 7b 和 7d 为 U09 与 NoUB 之差 同图 7 但为降水强度之差 单位 mm/d

21 图 10 U09 与 NoUB 模拟的北京 天津 唐山 京津冀及 DOWN 地区不同等级降水量 (a) 和降水 频次 (b) 之差的贡献率 ( 单位 :%) 图 11 U09 和 NoUB 模拟的夏季降水量的日变化 ( 单位 :mm):(a) 北京 ;(b) 天津 ;(c) 唐山 ;(d) 石家庄 ;(e)down;(f) 京津冀地区 ( 横坐标为北京时间,08 时的值代表的是 07:00-08:00 的累积降水量, 依次类推 )

22 图 12 U09 与 NoUB 模拟的 3 年夏季平均对流层垂直速度之差的日变化 ( 单位 :cm/s):(a) 北 京 ;(b) 天津 ;(c) 唐山 ;(d)down( 纵坐标中 0-19 代表的 Eta 值分别为 : )

23 图 13 同图 12, 但为对流有效位能 (CAPE) 之差的日变化 ( 单位 :J/Kg)

24 图 14 U09 与 NoUB 模拟的夏季平均的地表潜热通量 ( 单位 :W/m 2 ) 之差的空间分布