大规模城市化对梅雨建立影响的数值试验

于楠,郭品文

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.河北省石家庄市气象局,河北 石家庄 050081)

大规模城市化对梅雨建立影响的数值试验

于楠1,2,郭品文1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.河北省石家庄市气象局,河北 石家庄 050081)

利用WRF V3.1.1中尺度数值模式,对2004年梅雨的建立过程进行了模拟,详细分析了6月14、15日梅雨建立过程中大规模城市化对降水及梅雨锋垂直结构的影响。研究表明:将城市改为农田后,模拟的6月14日几个降水中心的降水量明显减小,西北方降水明显增多,模拟的梅雨锋与控制试验有相似的热力结构特征,但高θse舌区的强度比控制试验要弱,即上升运动变弱,对流不稳定度及湿度小于控制试验,梅雨锋锋区的位置比控制试验略为偏北;模拟的6月15日安徽中部降水中心的降水量明显减小,其以西的降水明显增多,梅雨锋结构、锋区位置与控制试验类似,但800 hPa上θse低值区(336 K)的范围比控制试验大,几乎覆盖26～32°N,导致高θse舌区对流不稳定度偏小。

城市化;梅雨;数值模拟

0 引言

随着城市化的发展,我国沿海地区目前已形成了多个城市群,如长三角、珠三角等。由于城市人口膨胀所引发的城市大气及局地气候环境的变化,乃至对更大尺度天气气候环境的影响,受到广泛的重视(Best,2006)。从气候系统的观点出发,陆面过程是全球大气环流的一个影响因子,是气候形成和变化的影响因子之一。因此,随着人类越来越强烈地改变着地表下垫面的状况,研究陆面生态系统的变化和对气候的影响也就具有了非常重要的现实意义。

城市化进程使得陆地表面发生了巨大的改变,这种改变足以影响区域气候(Landsberg,1970;Changnon,1978)。作为人居活动的基本舞台和地气交换的纽带,大气边界层(约1 500 m高度范围)处于十分关键的地位(蒋维楣等,2010)。沿海地区是中国经济发展的重心和人口高度聚集区,随着城市化水平的提高,城市数量和城市规模将进一步扩大。随着城市的发展,城市地表热力、动力过程对区域大气边界层产生作用,对气温、风场等边界层结构要素产生影响,进而影响低层大气环流(倪敏莉等,2009;徐阳阳等,2009;司鹏等,2010)。

利用数值模式对城市化影响进行模拟研究的工作已有很多(彭珍和胡非,2006;陈燕和蒋维楣,2007;解令运等,2008;文伟俊等,2009;杜东升等,2010)。WRF模式自2.2版本开始加入了新的陆面方案(马红云等,2009)——城市冠层模式UCM(urban canopy model),并与NOAH方案耦合,从而为城市气象研究提供了更为细致合理的陆面方案。本文将利用WRF耦合单层城市冠层模式,对典型梅雨年的梅雨爆发过程进行模拟,并将110°E以东的城市改为农田来进行敏感性试验,探讨大规模城市化对梅雨爆发过程的影响。

1 个例选取及降水概况

按照杨静和钱永甫(2009)划分梅雨期及计算梅雨特征参数的标准,21世纪以来,江淮梅雨呈现出了非典型特征,只有2004年可看做典型年。2004年梅雨从6月14日开始,到7月12日结束。阴雨集中在两个时段,第一段从6月14日到6月底,第二段从7月7日到12日。7月初受华东沿海台风“电母”环流影响,梅雨中断近一周。图1给出了2004年6、7月杭州日降水量变化,基本代表了长江中下游梅雨期的降水情况。本文选取6月11—16日为研究对象,其中11—13日为梅雨建立前,城市群区域基本无降水。

2 模拟方案

运用新一代中尺度数值天气预报模式WRF V3.1.1,美国国家大气研究中心NCEP/NCAR提供的1°×1°每日4次的全球最终分析资料FNL作为初始场。模式以(116.5°E,28.5°N)为中心;水平网格距设为10 km×10 km,格点数分别为201×201;垂直方向为35层,其中15层在800 hPa以下;微物理过程采用Lin方案,积云对流采用Grell-Devenyi联合方案;长波辐射方案是RRTM方案,短波辐射方案是Dudhia方案;边界层选用MYJ方案,近地面层采用MYJ方案,陆面过程为耦合NOAH与单层UCM方案(以下简称UCM方案)(胡向军等,2008;王咏薇等,2008)。积分时间从2004年6月10日12:00—17日00:00,时间步长30 s,共积分156 h,每1 h输出一次结果。另外,本次试验中WRF模式使用了美国国家航空航天局NASA提供的2001年1 km分辨率的土地利用资料(MODIS_30s),可以较贴切地反映下垫面状况(图2a,其中12代表城市)。模式运行结果作为控制试验,前12 h作为spin-up时间,从6月11日00时开始分析模拟结果。另进行了一组敏感性试验,试验方案如下。

图2 模拟区域及主要土地利用类型(1.常绿针叶林;2.常绿阔叶林;3.水体;4.落叶阔叶林;5.混合林;6.封闭灌丛;7.农田;8.草原;9.草地;10.开放灌丛;11.农田/自然植被;12.城市) a.控制试验;b.敏感试验Fig.2 Simulated domain and major land use categories(1.evergreen needle-leaf forest;2.evergreen broadleaf forest;3.water;4.deciduous broadleaf forest;5.mixed forests;6.closed shrublands;7.croplands;8.savannas;9.grasslands;10.open shrublands;11.cropland/natural vegetation mosaic;12.urban and built-up area) a.control experiment;b.sensitive experiment

敏感性试验:将110°E以东下垫面类型为城市(12)的改为农田(7)(图2b),作为城市化进程之前的土地利用状况。初始场及其他物理方案等与控制试验相同。

3 模拟结果分析

3.1 控制试验与实况对比

图3为控制试验与实况(文中所用常规观测资料由南京信息工程大学气象台提供)在2004年梅雨建立前(6月11—13日)后(6月14—16日)的日平均降水量对比。由图可见,梅雨建立前110°E以东地区降水量基本在5 mm以下(图3a),相应的控制试验(图3c)较好地模拟了这一状况;梅雨发生后(图3b),主要雨带位于长江中下游流域,从图中可以看到有四个主要降水中心分别位于湖南西北部、广西北部、安徽中部以及长江入海口,另外有一个次级降水中心位于江西中部,相应的控制试验(图3d)模拟出了雨带的位置及走向,对除了长江入海口处的几个降水中心的位置及雨量大小都模拟得较好,但在湖北中部及广西出现了虚假降水,可能与模式的水平分辨率或参数对降水过程的描述不够全面有关。

3.2 城市化进程对降水及梅雨锋结构的影响

从实况来看,长江中下游流域梅雨锋自建立以来逐渐东伸,与雨带的推进相一致,控制试验较好地体现了这一变化(图略)。梅雨锋主要表现为温度锋或θse锋(赵玉春等,2011),而θse是包含了湿度和温度的物理量,故本文用θse的垂直分布来表征梅雨锋结构。下面将对梅雨锋建立以来每天的降水及锋面结构进行比较,以探讨城市化的影响。

由图4可见,控制试验模拟的6月14日降水中心主要位于湖南北部及湖北中部(图4a),雨带呈东北—西南走向。与控制试验相比,敏感试验模拟的几个降水中心的降水量明显减小(图4b),其西北方降水明显增多。

6月14日降水中心位于(112～114°E,29～31°N)附近,由假相当位温沿112～114°E平均的纬度—高度剖面来对比两试验梅雨锋的垂直结构(图5)。图5a显示控制试验能模拟出θse的鞍形场,高θse舌区向上伸展到800 hPa附近,随高度向北倾斜。锋区位于30～31°N附近。敏感试验也模拟出了相似的热力结构特征(图5b),但高θse舌区的强度比控制试验要弱,即上升运动弱于、对流不稳定度及湿度小于控制试验;模拟的梅雨锋锋区的位置比控制试验略偏北。

图3 2004年6月11—13日(a,c)、14—16日(b,d)的日平均降水量(a,b)与控制试验模拟结果(c,d)对比(单位:mm)Fig.3 Comparison of (a,b)daily average precipitation (a,c)from 11 to 13 and (b,d)from 14 to 16 June,2004 with(c,d) simulated results in control experiment(units:mm)

图4 6月14日控制试验与敏感试验降水量对比(单位:mm) a.控制试验;b.敏感试验减控制试验Fig.4 Comparison of precipitation between control experiment and sensitive experiment on 14 June(units:mm) a.control experiment;b.difference between sensitive experiment and control experiment

图5 6月14日假相当位温沿112～114°E平均的纬度—高度剖面(单位:K) a.控制试验;b.敏感试验Fig.5 Vertical-latitude cross section of 112—114°E averaged pseudo equivalent potential temperature on 14 June(units:K) a.control experiment;b.sensitive experiment

6月15日主要降水中心位于安徽中部及江西北部(图6a)。敏感试验模拟的安徽中部降水中心的降水量明显减小(图6b),降水中心以西的降水明显增多。

沿117°E做假相当位温的纬度—高度剖面(图7)。控制试验模拟的高θse舌区向上伸展到800 hPa附近(图7a),此高度上26～28°N、30～32°N分别有一θse低值区(336 K)。敏感试验模拟的梅雨锋结构、锋区位置与控制试验类似(图7b),但800 hPa上θse低值区(336 K)的范围扩大,几乎覆盖26～32°N,导致高θse舌区对流不稳定度略偏小。

图6 6月15日控制试验与敏感试验降水量对比(单位:mm) a.控制试验;b.敏感试验减控制试验Fig.6 Comparison of precipitation between control experiment and sensitive experiment on 15 June(units:mm) a.control experiment;b.difference between sensitive experiment and control experiment

图7 6月15日假相当位温沿117°E的纬度—高度剖面(单位:K) a.控制试验;b.敏感试验Fig.7 Vertical-latitude cross section of 117°E averaged pseudo equivalent potential temperature on 15 June(units:K) a.control experiment;b.sensitive experiment

6月16日主要雨带移至华南地区。梅雨锋不位于长江中下游地区,故不作讨论。

4 结论与讨论

详细分析了2004年6月14、15日梅雨建立过程中大规模城市化对降水及梅雨锋垂直结构的影响,得到如下结论:

1)下垫面有城市时,模拟结果较好地再现了梅雨建立前后的降水过程。

2)将城市改为农田后,模拟的6月14日几个降水中心的降水量明显减小,其西北方降水明显增多;模拟的梅雨锋与控制试验有相似的热力结构特征,但高θse舌区的强度比控制试验要弱,即上升运动弱于、对流不稳定度及湿度小于控制试验;模拟的梅雨锋锋区的位置比控制试验略为偏北。

3)将城市改为农田后,模拟的6月15日安徽中部降水中心的降水量明显减小,其以西的降水明显增多;模拟的梅雨锋结构、锋区位置与控制试验类似,但800 hPa上θse低值区(336 K)的范围比控制试验大,几乎覆盖26～32°N,导致高θse舌区对流不稳定度偏小。

本文的结论只是初步的,在试验过程中,初始场只采用了NCEP再分析资料。如果加入非常规资料进行同化,模拟结果将会更加接近实际,这些将在后期的工作中进一步考虑。

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(责任编辑：刘菲)

Numericalsimulationoftheeffectoflarge-scaleurbanizationontheoccurrenceofMeiyu

YU Nan1,2,GUO Pin-wen1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Shijiazhuang Meteorological Bureau of Hebei,Shijiazhuang 050081,China)

The Weather Research and Forecasting model(WRF) was used to simulate the formation process of Meiyu in 2004 and the impact of urbanization on precipitation and the vertical structure of the Meiyu front was analyzed in detail.After changing urban to cropland,the simulated precipitation at rainfall centers on June 14 decreased obviously,while the precipitation over the area northwest to it increased.The thermal structure of Meiyu front was similar to that in the control experiment,but the intensity of the high value scope of the pseudo equivalent potential temperature,ascending motion,convective instability and moisture were weaker.The location of the frontal zone was slightly north than in the control test.On June 15,the simulated precipitation at the rainfall center in the middle of Anhui Province also decreased,and the precipitation over the area west to it increased.The structure of the Meiyu front and the location of frontal zone were similar to those in the control run,but the low value scope of the pseudo equivalent potential temperature(336 K) at 800 hPa was larger,almost covering 26—32°N,resulting in lower convective instability over the high value region of the pseudo equivalent potential temperature.

urbanization;Meiyu;numerical simulation

2012-12-05；改回日期2013-02-25

国家重点基础研究发展计划项目(2010CB428500)

郭品文,教授,博士生导师,研究方向为季风动力学、海气相互作用,guo@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121205006.

1674-7097(2014)05-0585-06

P435

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121205006

于楠,郭品文.2014.大规模城市化对梅雨建立影响的数值试验[J].大气科学学报,37(5):585-590.

Yu Nan,Guo Pin-wen.2014.Numerical simulation of the effect of large-scale urbanization on the occurrence of Meiyu[J].Trans Atmos Sci,37(5):585-590.(in Chinese)