李育慧 , 郭偉, 陳藝敏
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城市化影響降水的研究進展
李育慧1, 郭偉2, 陳藝敏3
(1. 漳州市龍文區氣象局, 福建漳州363007; 2. 福建省氣象服務中心, 福建福州350001;3. 漳州職業技術學院, 福建漳州363000)
在全球城市人口集聚膨脹和氣候變化的大背景下,城市環境對降水的影響成為社會關注的熱點。介紹近年來在城市環境(下墊面、氣溶膠、熱屬性)影響下降水時空變化的進展。在引言中對城市化影響降水的研究做了簡要回顧。從城市化影響降水的不同影響機制、主要研究方法入手,介紹近年來特別是2000年以后,國內外該領域的最新研究成果。最后,在介紹了國外在城市化影響降水研究的發展方向的基礎上,提出了今后國內在該領域的研究方向。
城市化;降水;人為
聯合國人類活動基金會(UNFPA)發布的《2009年世界人口狀況報告》中指出[1],2009年全球已有50%的人口居住在城市地區,預計到2030年其數字將劇增到81%。近年來,越來越多的研究成果顯示城市環境與氣候異常現象之間有著密切的聯系。城市化發展影響著從局部地區到全球尺度的大氣組成、地面能量平衡、水及碳循環過程和生態系統的發展。政府間氣候變化委員會(IPCC)在2007年評估報告中更是號召要重點發展城市相關過程與局部降水變化的研究[2]。
早在1921年,Horton[3]就發現城市中心區比郊區更容易產生雷暴天氣。Landsberg[4]和Atkinson[5]同樣也發現了在大城市地區能夠影響降水系統。在過去的30年里,許多的觀測和氣候研究結果已經指出了城市化效應能影響降水變化。早期的研究[6,7,8]發現暖季在美國的主要城市在城區及下風方向的降水量增加9%~17%的現象。隨后的上世紀70年代,美國開展了一項城市氣象試驗(METROMEX),旨在廣泛調查城市環境對降水的影響效應,結果發現城市化效應能使夏季的降水量有增加趨勢。增加降水的區域主要集中在城市中心及其下風方向50km~75km的范圍內,降水值比背景值增多5%~25%[9,10,11,12,13]。它的另一個成果也表明了城市地區及下風方向降水量的大小及降水區域與城市面積的大小有關。Balling等[14]利用地面氣象資料統計分析,發現城市人口增多使菲尼克斯夏季雷暴天氣出現在午后的概率增大。Bornstein等[15]研究發現紐約的城市環境對夏季白天雷暴的形成和移動都有影響,其結果顯示雷達回波的最大值出現在城市區的下風方向。圖1為理想條件下,城市化效應對降水影響的示意圖。

圖1 城市化影響降水的示意圖[16]
國內在城市環境影響降水的研究相對比較滯后。周淑貞[17]在1985年出版的《城市氣候學導論》中首次提及了城市環境影響降水分布的有關敘述,提出了城市環境中存在包括“雨島效應”在內的“五島效應”。隨后,李天杰[18]研究發現上海城市化對降水的水量和水質都有一定程度的影響。進入21世紀以后,在全球氣候變化的大背景下,我國各地都頻發降水異常事件,國內學者開始重視對城市影響降水的研究,并取得了一些研究成果。吳息[19]分析了北京城市環境對短時降水的影響,結果指出城市化使北京下風區的短時降水雨量增加影響明顯,使市中心發生暴雨的概率和強度增加顯著。孫繼松等[20]也發現了相類似的結果。周建康等[22]利用歷史地面氣象資料,對南京地區的降水量進行了統計分析,結果發現該區域發生大雨、暴雨的頻率及年降水量均有增加趨勢。孟偉光等[23]利用氣象統計資料耦合MM5模式,對城市化產生的熱島效應與珠江三角洲雷暴天氣的可能影響機制進行了分析。然而,張立杰等[21]利用1975~2004年北京城區及郊區的13個站夏季降水資料分析的結果顯示,無論城區還是郊區的夏季降水都有減小趨勢,認為是地形起了主導因素。Kaufman等[24]利用地面氣象統計資料,分析了珠江三角洲城市環境的時空變化與該地區干季降水的時空變化關系。它提出可能由于地表水環境的變化,從而導致了局部地區降水量減小。
盡管國內外學者關于城市化影響降水量增加還是減少的結論還存在較大爭議,但城市化與降水相互影響關系的事實已成為共識。城市化降水效應的研究不僅能應用于提高降水預報水平上,而且城市防洪、建筑規劃、水資源調控、防災減災等都有極大的研究意義。雖然近年來國內學者在該領域取得了一定的成果,但總體而言水平與國外差距還比較大,也不能滿足社會發展的需求。因此,為了更好地了解國內外在城市化影響降水研究的發展現狀從而加深對其了解,筆者對近年來的最新研究成果做了簡要綜述,希望對讀者有所幫助。本文主要從城市化影響降水的不同影響機制、主要研究方法入手,介紹國內外有關城市化影響降水的最新研究成果,并對研究的發展方向及存在問題作簡要陳述。
Shepherd[25]提出了城市環境影響降水的主要產生機制:1)城市環境中的下墊面粗糙度的增大,導致了低層輻合作用的加強;2)城市熱島效應產生的大氣邊界層的熱擾動,形成熱島環流,從而產生對流云;3)城市環境產生氣溶膠的增加為云的產生提供了充足的吸濕性凝結核;4)由城市冠層的相關過程而引起降水系統的分流;5)其它機制,如城市環境充當對流發展所需的水汽來源。他指出4種機制是相互作用,相互影響存在的。除了這些機制外,一些研究成果還發現海濱城市的降水變化受地理因素的影響。綜合前人觀點,不難看出城市化對降水影響主要因素有下墊面、城市熱島、氣溶膠、地形條件、水汽條件等5大因素。
2.1 下墊面
下墊面主要是透過下墊面幾何形狀(粗糙度、地物走向)、熱屬性(導熱率、反射率)影響降水的。增加城市下墊面粗糙度,使其產生氣流的輻合作用加強,從而對局地對流有加強的作用。城郊粗糙度變化,引起城郊的輻合程度差異,在大氣流動的作用下,影響降水系統的移動和強度。城市環境改變了下墊面的熱效應,如屋頂、街道和墻體的熱通量變化,導致顯熱變化。Guo等[26]研究發現,城市化導致顯熱通量的最大值出現的時間提早,并且大大減少了潛熱通量。Shem等[27]利用WRF模式模擬夏季亞特蘭大暴雨的研究中發現,城市化使其市區的感熱通量遠遠大于郊區,潛熱通量比郊區低,并分析其原因是城市可用水汽來源和蒸散量減小有關。他還發現城市面積對降水有影響,即相同條件下一般城市的降水量比大城市要高。
其它最新成果指出,人為改善下墊面條件,能優化其不利影響。Zhang等[28]對北京面積擴展和綠色植被對降水影響的研究發現:城市中的綠色植物有利于增加降水,并指出草對降水的促進作用比樹更明顯;對于同一種植物,環形和楔形種植對降水影響不大。
2.2 城市熱島
在城市化影響降水的過程中,常常伴有城市熱島效應,并與之產生反饋作用。城市熱島產生的熱島環流引起對流產生,從而促進降水的形成和移動;降水引起的能量變化,也影響著城市的熱環境。Shepherd[16]在利用TRMM衛星降水資料研究城市化降水指出,城市熱島環流導致氣流向下風向流動,且產生對流云。Changnon[29]利用1945~2000年的美國主要大城市的冰雹事件資料庫,發現由于城市熱島效應導致冰雹事件發生概率增加10%~30%。
孫繼松等[20]利用北京地區1975~2004年的觀測資料研究北京城市熱島對冬夏季降水的影響的結果顯示:冬季盛行北風氣流,熱島效應強波產生的邊界層下沉運動有可能造成局地降水相對減少,城區及其南側相反;夏季盛行南風氣流,熱島效應增強,發生在北部的弱降水過程趨于增多。
2.3 氣溶膠
氣溶膠透過微物理過程、大氣動力過程、云降水等方面影響降水。Rosenfeld[30]發現城市和郊區的小云凝結核(CCN)抑制降水,這是因為云降水,必須使云層變厚且云頂溫度變冷,也就是當氣溶膠被淺且短時的云吸收時,將抑制降水。Broy等[31,32]提出了污染排放的氣溶膠能抑制冬季地形云生成的觀點。他們分析指出城市大氣污染所增加的云凝結核,能夠導致小云滴的形成。Givtati等[33]利用加利福尼亞和以色列兩個地區的污染中心和污染下風方向的降水資料,分析不同地理類型的污染對降水的影響。其成果指出云滴粒子減小將抑制淞化過程,使水滴變小,降低下降速度以及減少降雪數量。Heever等[34]利用cloud-resolving模式研究圣路易斯地區的氣溶膠對其市區及下風方向降水的影響的結果顯示:決定降水在下風方向發展的是城市化輻合引起的,而不是氣溶膠引起的;氣溶膠影響降水量的大小和降水速率,提高了上升下層氣流的強度和時長。
2.4地形條件
城市人口的急劇膨脹,使現有土地遠遠不能滿足城市發展的用地需求。因此,一些沿海、沿湖、沿江城市為了城市發展而采取了的一系列措施(填埋湖泊、江河、海洋大陸架)造地,極大地影響其水汽循環、生態系統、碳循環。一些研究表明,地形條件與局地降水有著密切的聯系。Kitada等[35]研究UHI-Sea和breeeze-orgrahy的相互作用,發現遠離城市100km-200km的山脈對城市氣流有一定影響。Baker[36]利用大氣-地表模式進行耦合,發現降水的時間和定位都受到海岸形狀的影響,低層輻合和隨后的暴雨在有曲率的海岸比沒有曲率的海岸發生要早。
2.5水汽條件
城市結構的改變能影響水汽條件發生變化。在大多數城市,城市結構特征使地表水汽蒸散量減小,從而使降水減少。但是在一些干旱地區的城市,也存在因地表灌溉和人為水汽的排放,使當地降水量增大。Diem等[37]研究菲尼克斯氣溶膠與降水影響發現,氣溶膠的增加對城市下風區降水有增強作用,并分析其原因可能是人為灌溉工程,增加了空氣濕度,從而影響使降水量增加。Kaufman等[24]在珠江流域的研究,提出了地表水資源因素是造成該地區局部降水量減少的可能原因。
伴隨著計算機、衛星探測技術的迅猛發展,城市化影響降水的研究手段得到了極大豐富。縱觀該領域的研究方法,總結主要有以下幾點:1)對歷史氣象(包括地面、高空等)資料進行數理統計分析;2)根據現有衛星資料(TRMM、GPM等)產品進行分析整理;3) 數值模型(MM5、WRF等);4)對歷史站點、衛星資料與數值模型綜合處理分析。
3.1 數理統計分析法
數理統計分析法是目前應用最為廣泛且最為簡便的方法。早期的研究成果比較多的是建立在氣象站點資料的運用。上個世紀末開始,氣象觀測儀器的發展,自動氣象站點的普及,極大豐富了氣象地面站點資料,使研究成果更加真實可靠。現在的研究也大多基于氣象站點資料的統計分析,得出其研究成果。盡管如此,應用氣象資料的數理統計方法也存在著諸多弊端,主要是因為站點觀測的降水量往往受到測站空間分布的制約,并且受測站變遷或者測站周圍環境的影響,很難把城市化的降水效應加以區分。
3.2 衛星資料分析法
衛星資料是近年來降水研究的中重要工具。利用衛星資料對區域降水效應的影響有其獨特的優點,如衛星資料可以在較長時期用同一儀器對同一區域進行觀測,資料的相對可比較性強,分布均勻一致性好,便于城市及周邊區域的降水情況比較。當前運用比較廣泛的是TRMM衛星數據來觀測分析地面降水狀況。熱帶降水測量衛星測雨雷達(TRMM),是第一部星載的測雨雷達,由日本和美國共同研發,發射于1997年,裝有PRH和TMI,可以實現降水三維結構的探測,具有較高的水平分辨率和垂直分辨率。Shepherd等[38]首次用TRMM衛星資料研究休斯頓地區城市化對降水的影響(圖2),結果發現了在城市下風區出現小雨(<2.0mm/h)的概率最低,而出現大雨的概率大大增高。黎偉標等[39]利用TRMM降水資料及QuikSCAT風場資料,對珠江三角洲及鄰近區域降水分布特征進行分析,表明珠江三角洲城市群降水的增加明顯多于周邊地區,也得出了城市化對降水的影響與風場的分布密切相關,使降水次數減少,但強度增加。

圖2 休斯頓地區四季平均降水速率示意圖
3.3 數值模式法
數值模式的研究,因其能夠使城市降水的物理過程試驗進行參數化控制,成為研究該領域的重要手段。近十年里,有關城市化影響降水的模式研究發展迅猛。Baik等[40]2001年利用2D中尺度模式來解釋大氣熱效應如何影響干濕對流,結果也解釋了為什么在城市下風區方向經常出現降水最大值或對流運動。Thielen 等[41]利用2D模式,對法國巴黎地表參數化,結果顯示當城市熱島較弱時,地表顯熱通量、低層輻合和浮力變化能明顯影響離熱源中心一定距離區域的降水發展。Shem等[27]利用WRF模式模擬亞特蘭大地區1996年和2007年夏季的兩次雷暴發展過程,其結果顯示城區與郊區相比,城市下風方向(離市中心20~50km范圍內)的降水次數比郊區高10%~13%。孟偉光等[23]利用MM5模式對珠江三角洲城市群的雷暴發生和發展演變進行模擬,也得出了相類似的結論。
盡管數值模式法的可操作性比較強,但是在研究中也存在一些缺陷,如具有代表性的城市地表參數的匱乏,以及降水相關物理過程的過簡單化處理,都將使研究結果存在很大的不確定性。因此,對城市環境(地表粗糙度、熱容量、反射率和土壤導熱率、氣溶膠)的全面參數化處理,將是數值模式研究的重點。
3.4 綜合分析法
綜合分析法能夠對上述方法進行取長補短,是當前城市化降水效應乃至其它氣象研究中最可靠的研究方法。Tsing-chang chen 等[42]在對臺北市城市化影響午后降水時空變化的研究中,就利用了地面站點資料、高空探測資料、landsat衛星資料、數字高地模型(DEM)等進行綜合分析處理。Hand等[43]在對美國俄克拉荷馬州的城市化對夏季降水的時空變化研究中,應用地面站點資料對TRMM衛星資料進行降水數值修正,建立了一套關于使用衛星-降水評估方法來修正降水資料,這對于沒有雷達設備和足夠地面資料的城市環境研究有著重大意義。
Shepherd[25]提出解決城市化降水效應還需注意的一些問題:1)發展新的觀測系統來檢測和追蹤人為及自然的氣溶膠、地表覆蓋、利用改變云微觀粒子和降水過程;2)發展能夠準確解釋氣溶膠、云微觀粒子、復雜地表和降水過程的模型系統,更明確地理解他們之間的反饋及相互作用;3)實施局部尺度的城市參數化,來解決城市街谷、動力和通量過程,特別是在粗糙度、地表覆蓋屬性以及與灌溉、氣溶膠有關的低空濕度的計算;4)實地考察來驗證衛星觀測和模式模擬的城市降水過程,加深對有關過程的理解;5)發展能合理描述城市環境的氣候模型系統,來解釋全球城市地表在陸地氣候系統的總體角色,特別是在氣候變化情況下水循環的降水成分;6)城市誘發降水實際應用的影響評價。
最新的研究成果在一定程度上已經解決了上述的一部分問題,并開始探尋城市化降水效應研究成果的實際應用。Shepherd在2010年1月份的美國氣象學會年會上報告提出了城市降水效應的最新研究方向及問題:1)繼續對氣溶膠、地表類型與降水影響的研究;2)應用研究成果在城市規劃、政府決策、工程設計的應用;3)研究城市影響水預算問題;4)城市化對降水的影響研究;5)政府政策和計劃對城市化降水效應的反饋機制。
結合國外發展方向及國內發展現狀,除了上述一些發展方向,筆者認為今后還可以在以下幾個方面進行突破:1)全球氣候異常對城市化降水效應的影響;2)利用現有地面資料,對TRMM資料進行修正,得出更高精度的降水時空分布;3)從城市化影響降水角度,開發出預報產品,指導城市規劃、水資源調控;4)在大尺度天氣系統背景條件下,城市化對降水的影響評估。
此外,在國外的一些氣象學術會議中,城市化降水的研究開始應用到水文學研究領域。城市氣候學與水文學的結合,對于一些問題的研究,諸如城市徑流與城市化降水效應等問題有重大意義。
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(責任編輯:季平)
The Progress of Study on Urbanization Impact on Precipitation
LI Yu-hui1, GUO Wei2, CHEN Yi-min3
(1. Zhangzhou Longwen District Meteorology Bureau, Zhangzhou 363007, China; 2. The Fujian Province Meteorological Service Center, Fuzhou 350001, China; 3. Zhangzhou Tropical Crops Meteorology Experimental Station, Zhangzhou 363000, China)
Urban environment’s impact on precipitation have come to arrest growing attention of the society by the global population expanding and climate change. This paper introduces some essays about review of urban environment’s impact on precipitation’s temporal and spatial variation (land use, aerosols, thermal properties). There is a brief historical perspective on effect on precipitation in the beginning of the essay. By the different mechanisms and primary methods, the paper attempt to introduce current investigations on urbanization impact on rainfall. In addition, the paper close with a set of recommendations for what study work is needed in the future in our country, which is based on the introduction of the development on urbanization impact on precipitation.
urban; rainfall; anthropogenic
P461.8; P426.6
A
1673-1417(2016)03-0029-07 doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.03.0006
2016-06-20
李育慧(1986—),女,福建漳州人,工程師,本科,研究方向:氣象預報服務及應用氣象。