城市化影响降水的研究进展

李育慧 , 郭伟, 陈艺敏



城市化影响降水的研究进展

李育慧1, 郭伟2, 陈艺敏3

（1. 漳州市龙文区气象局, 福建漳州363007; 2. 福建省气象服务中心, 福建福州350001;3. 漳州职业技术学院, 福建漳州363000）

在全球城市人口集聚膨胀和气候变化的大背景下，城市环境对降水的影响成为社会关注的热点。介绍近年来在城市环境（下垫面、气溶胶、热属性）影响下降水时空变化的进展。在引言中对城市化影响降水的研究做了简要回顾。从城市化影响降水的不同影响机制、主要研究方法入手，介绍近年来特别是2000年以后，国内外该领域的最新研究成果。最后，在介绍了国外在城市化影响降水研究的发展方向的基础上，提出了今后国内在该领域的研究方向。

城市化；降水；人为

1 引言

联合国人类活动基金会（UNFPA）发布的《2009年世界人口状况报告》中指出[1]，2009年全球已有50%的人口居住在城市地区，预计到2030年其数字将剧增到81%。近年来，越来越多的研究成果显示城市环境与气候异常现象之间有着密切的联系。城市化发展影响着从局部地区到全球尺度的大气组成、地面能量平衡、水及碳循环过程和生态系统的发展。政府间气候变化委员会（IPCC）在2007年评估报告中更是号召要重点发展城市相关过程与局部降水变化的研究[2]。

早在1921年，Horton[3]就发现城市中心区比郊区更容易产生雷暴天气。Landsberg[4]和Atkinson[5]同样也发现了在大城市地区能够影响降水系统。在过去的30年里，许多的观测和气候研究结果已经指出了城市化效应能影响降水变化。早期的研究[6,7,8]发现暖季在美国的主要城市在城区及下风方向的降水量增加9%～17%的现象。随后的上世纪70年代，美国开展了一项城市气象试验（METROMEX），旨在广泛调查城市环境对降水的影响效应，结果发现城市化效应能使夏季的降水量有增加趋势。增加降水的区域主要集中在城市中心及其下风方向50km～75km的范围内，降水值比背景值增多5%～25%[9,10,11,12,13]。它的另一个成果也表明了城市地区及下风方向降水量的大小及降水区域与城市面积的大小有关。Balling等[14]利用地面气象资料统计分析，发现城市人口增多使菲尼克斯夏季雷暴天气出现在午后的概率增大。Bornstein等[15]研究发现纽约的城市环境对夏季白天雷暴的形成和移动都有影响，其结果显示雷达回波的最大值出现在城市区的下风方向。图1为理想条件下，城市化效应对降水影响的示意图。 

图1 城市化影响降水的示意图[16]

国内在城市环境影响降水的研究相对比较滞后。周淑贞[17]在1985年出版的《城市气候学导论》中首次提及了城市环境影响降水分布的有关叙述，提出了城市环境中存在包括“雨岛效应”在内的“五岛效应”。随后，李天杰[18]研究发现上海城市化对降水的水量和水质都有一定程度的影响。进入21世纪以后，在全球气候变化的大背景下，我国各地都频发降水异常事件，国内学者开始重视对城市影响降水的研究，并取得了一些研究成果。吴息[19]分析了北京城市环境对短时降水的影响，结果指出城市化使北京下风区的短时降水雨量增加影响明显，使市中心发生暴雨的概率和强度增加显著。孙继松等[20]也发现了相类似的结果。周建康等[22]利用历史地面气象资料，对南京地区的降水量进行了统计分析，结果发现该区域发生大雨、暴雨的频率及年降水量均有增加趋势。孟伟光等[23]利用气象统计资料耦合MM5模式，对城市化产生的热岛效应与珠江三角洲雷暴天气的可能影响机制进行了分析。然而，张立杰等[21]利用1975~2004年北京城区及郊区的13个站夏季降水资料分析的结果显示，无论城区还是郊区的夏季降水都有减小趋势，认为是地形起了主导因素。Kaufman等[24]利用地面气象统计资料，分析了珠江三角洲城市环境的时空变化与该地区干季降水的时空变化关系。它提出可能由于地表水环境的变化，从而导致了局部地区降水量减小。

尽管国内外学者关于城市化影响降水量增加还是减少的结论还存在较大争议，但城市化与降水相互影响关系的事实已成为共识。城市化降水效应的研究不仅能应用于提高降水预报水平上，而且城市防洪、建筑规划、水资源调控、防灾减灾等都有极大的研究意义。虽然近年来国内学者在该领域取得了一定的成果，但总体而言水平与国外差距还比较大，也不能满足社会发展的需求。因此，为了更好地了解国内外在城市化影响降水研究的发展现状从而加深对其了解，笔者对近年来的最新研究成果做了简要综述，希望对读者有所帮助。本文主要从城市化影响降水的不同影响机制、主要研究方法入手，介绍国内外有关城市化影响降水的最新研究成果，并对研究的发展方向及存在问题作简要陈述。

2 城市化影响降水的影响机制

Shepherd[25]提出了城市环境影响降水的主要产生机制：1）城市环境中的下垫面粗糙度的增大，导致了低层辐合作用的加强；2）城市热岛效应产生的大气边界层的热扰动，形成热岛环流，从而产生对流云；3）城市环境产生气溶胶的增加为云的产生提供了充足的吸湿性凝结核；4）由城市冠层的相关过程而引起降水系统的分流；5）其它机制，如城市环境充当对流发展所需的水汽来源。他指出４种机制是相互作用，相互影响存在的。除了这些机制外，一些研究成果还发现海滨城市的降水变化受地理因素的影响。综合前人观点，不难看出城市化对降水影响主要因素有下垫面、城市热岛、气溶胶、地形条件、水汽条件等5大因素。

2.1 下垫面

下垫面主要是透过下垫面几何形状（粗糙度、地物走向）、热属性（导热率、反射率）影响降水的。增加城市下垫面粗糙度，使其产生气流的辐合作用加强，从而对局地对流有加强的作用。城郊粗糙度变化，引起城郊的辐合程度差异，在大气流动的作用下，影响降水系统的移动和强度。城市环境改变了下垫面的热效应，如屋顶、街道和墙体的热通量变化，导致显热变化。Guo等[26]研究发现，城市化导致显热通量的最大值出现的时间提早，并且大大减少了潜热通量。Shem等[27]利用WRF模式模拟夏季亚特兰大暴雨的研究中发现，城市化使其市区的感热通量远远大于郊区，潜热通量比郊区低，并分析其原因是城市可用水汽来源和蒸散量减小有关。他还发现城市面积对降水有影响，即相同条件下一般城市的降水量比大城市要高。

其它最新成果指出，人为改善下垫面条件，能优化其不利影响。Zhang等[28]对北京面积扩展和绿色植被对降水影响的研究发现：城市中的绿色植物有利于增加降水，并指出草对降水的促进作用比树更明显；对于同一种植物，环形和楔形种植对降水影响不大。

2.2 城市热岛

在城市化影响降水的过程中，常常伴有城市热岛效应，并与之产生反馈作用。城市热岛产生的热岛环流引起对流产生，从而促进降水的形成和移动；降水引起的能量变化，也影响着城市的热环境。Shepherd[16]在利用TRMM卫星降水资料研究城市化降水指出，城市热岛环流导致气流向下风向流动，且产生对流云。Changnon[29]利用1945～2000年的美国主要大城市的冰雹事件资料库，发现由于城市热岛效应导致冰雹事件发生概率增加10%～30%。

孙继松等[20]利用北京地区1975～2004年的观测资料研究北京城市热岛对冬夏季降水的影响的结果显示：冬季盛行北风气流，热岛效应强波产生的边界层下沉运动有可能造成局地降水相对减少，城区及其南侧相反；夏季盛行南风气流，热岛效应增强，发生在北部的弱降水过程趋于增多。

2.3 气溶胶

气溶胶透过微物理过程、大气动力过程、云降水等方面影响降水。Rosenfeld[30]发现城市和郊区的小云凝结核（CCN）抑制降水，这是因为云降水，必须使云层变厚且云顶温度变冷，也就是当气溶胶被浅且短时的云吸收时，将抑制降水。Broy等[31,32]提出了污染排放的气溶胶能抑制冬季地形云生成的观点。他们分析指出城市大气污染所增加的云凝结核，能够导致小云滴的形成。Givtati等[33]利用加利福尼亚和以色列两个地区的污染中心和污染下风方向的降水资料，分析不同地理类型的污染对降水的影响。其成果指出云滴粒子减小将抑制淞化过程，使水滴变小，降低下降速度以及减少降雪数量。Heever等[34]利用cloud-resolving模式研究圣路易斯地区的气溶胶对其市区及下风方向降水的影响的结果显示：决定降水在下风方向发展的是城市化辐合引起的，而不是气溶胶引起的；气溶胶影响降水量的大小和降水速率，提高了上升下层气流的强度和时长。

2.4地形条件

城市人口的急剧膨胀，使现有土地远远不能满足城市发展的用地需求。因此，一些沿海、沿湖、沿江城市为了城市发展而采取了的一系列措施（填埋湖泊、江河、海洋大陆架）造地，极大地影响其水汽循环、生态系统、碳循环。一些研究表明，地形条件与局地降水有着密切的联系。Kitada等[35]研究UHI-Sea和breeeze-orgrahy的相互作用，发现远离城市100km-200km的山脉对城市气流有一定影响。Baker[36]利用大气-地表模式进行耦合，发现降水的时间和定位都受到海岸形状的影响，低层辐合和随后的暴雨在有曲率的海岸比没有曲率的海岸发生要早。

2.5水汽条件

城市结构的改变能影响水汽条件发生变化。在大多数城市，城市结构特征使地表水汽蒸散量减小，从而使降水减少。但是在一些干旱地区的城市，也存在因地表灌溉和人为水汽的排放，使当地降水量增大。Diem等[37]研究菲尼克斯气溶胶与降水影响发现，气溶胶的增加对城市下风区降水有增强作用，并分析其原因可能是人为灌溉工程，增加了空气湿度，从而影响使降水量增加。Kaufman等[24]在珠江流域的研究，提出了地表水资源因素是造成该地区局部降水量减少的可能原因。

3 研究方法

伴随着计算机、卫星探测技术的迅猛发展，城市化影响降水的研究手段得到了极大丰富。纵观该领域的研究方法，总结主要有以下几点：1）对历史气象（包括地面、高空等）资料进行数理统计分析；2）根据现有卫星资料（TRMM、GPM等）产品进行分析整理；3) 数值模型（MM5、WRF等）；4）对历史站点、卫星资料与数值模型综合处理分析。

3.1 数理统计分析法

数理统计分析法是目前应用最为广泛且最为简便的方法。早期的研究成果比较多的是建立在气象站点资料的运用。上个世纪末开始，气象观测仪器的发展，自动气象站点的普及，极大丰富了气象地面站点资料，使研究成果更加真实可靠。现在的研究也大多基于气象站点资料的统计分析，得出其研究成果。尽管如此，应用气象资料的数理统计方法也存在着诸多弊端，主要是因为站点观测的降水量往往受到测站空间分布的制约，并且受测站变迁或者测站周围环境的影响，很难把城市化的降水效应加以区分。

3.2 卫星资料分析法

卫星资料是近年来降水研究的中重要工具。利用卫星资料对区域降水效应的影响有其独特的优点，如卫星资料可以在较长时期用同一仪器对同一区域进行观测，资料的相对可比较性强，分布均匀一致性好，便于城市及周边区域的降水情况比较。当前运用比较广泛的是TRMM卫星数据来观测分析地面降水状况。热带降水测量卫星测雨雷达（TRMM），是第一部星载的测雨雷达，由日本和美国共同研发，发射于1997年，装有PRH和TMI，可以实现降水三维结构的探测，具有较高的水平分辨率和垂直分辨率。Shepherd等[38]首次用TRMM卫星资料研究休斯顿地区城市化对降水的影响（图2），结果发现了在城市下风区出现小雨（<2.0mm/h）的概率最低，而出现大雨的概率大大增高。黎伟标等[39]利用TRMM降水资料及QuikSCAT风场资料,对珠江三角洲及邻近区域降水分布特征进行分析，表明珠江三角洲城市群降水的增加明显多于周边地区，也得出了城市化对降水的影响与风场的分布密切相关，使降水次数减少，但强度增加。

图2 休斯顿地区四季平均降水速率示意图

3.3 数值模式法

数值模式的研究，因其能够使城市降水的物理过程试验进行参数化控制，成为研究该领域的重要手段。近十年里，有关城市化影响降水的模式研究发展迅猛。Baik等[40]2001年利用2D中尺度模式来解释大气热效应如何影响干湿对流，结果也解释了为什么在城市下风区方向经常出现降水最大值或对流运动。Thielen 等[41]利用2D模式，对法国巴黎地表参数化，结果显示当城市热岛较弱时，地表显热通量、低层辐合和浮力变化能明显影响离热源中心一定距离区域的降水发展。Shem等[27]利用WRF模式模拟亚特兰大地区1996年和2007年夏季的两次雷暴发展过程，其结果显示城区与郊区相比，城市下风方向（离市中心20～50km范围内）的降水次数比郊区高10%～13%。孟伟光等[23]利用MM5模式对珠江三角洲城市群的雷暴发生和发展演变进行模拟，也得出了相类似的结论。

尽管数值模式法的可操作性比较强，但是在研究中也存在一些缺陷，如具有代表性的城市地表参数的匮乏，以及降水相关物理过程的过简单化处理，都将使研究结果存在很大的不确定性。因此，对城市环境（地表粗糙度、热容量、反射率和土壤导热率、气溶胶）的全面参数化处理，将是数值模式研究的重点。

3.4 综合分析法

综合分析法能够对上述方法进行取长补短，是当前城市化降水效应乃至其它气象研究中最可靠的研究方法。Tsing-chang chen 等[42]在对台北市城市化影响午后降水时空变化的研究中，就利用了地面站点资料、高空探测资料、landsat卫星资料、数字高地模型（DEM）等进行综合分析处理。Hand等[43]在对美国俄克拉荷马州的城市化对夏季降水的时空变化研究中，应用地面站点资料对TRMM卫星资料进行降水数值修正，建立了一套关于使用卫星-降水评估方法来修正降水资料，这对于没有雷达设备和足够地面资料的城市环境研究有着重大意义。

4 总结

Shepherd[25]提出解决城市化降水效应还需注意的一些问题：1）发展新的观测系统来检测和追踪人为及自然的气溶胶、地表覆盖、利用改变云微观粒子和降水过程；2）发展能够准确解释气溶胶、云微观粒子、复杂地表和降水过程的模型系统，更明确地理解他们之间的反馈及相互作用；3)实施局部尺度的城市参数化，来解决城市街谷、动力和通量过程，特别是在粗糙度、地表覆盖属性以及与灌溉、气溶胶有关的低空湿度的计算；4）实地考察来验证卫星观测和模式模拟的城市降水过程，加深对有关过程的理解；5）发展能合理描述城市环境的气候模型系统，来解释全球城市地表在陆地气候系统的总体角色，特别是在气候变化情况下水循环的降水成分；6）城市诱发降水实际应用的影响评价。

最新的研究成果在一定程度上已经解决了上述的一部分问题，并开始探寻城市化降水效应研究成果的实际应用。Shepherd在2010年1月份的美国气象学会年会上报告提出了城市降水效应的最新研究方向及问题：1）继续对气溶胶、地表类型与降水影响的研究；2）应用研究成果在城市规划、政府决策、工程设计的应用；3）研究城市影响水预算问题；4）城市化对降水的影响研究；5）政府政策和计划对城市化降水效应的反馈机制。

结合国外发展方向及国内发展现状，除了上述一些发展方向，笔者认为今后还可以在以下几个方面进行突破：1）全球气候异常对城市化降水效应的影响；2）利用现有地面资料，对TRMM资料进行修正，得出更高精度的降水时空分布；3）从城市化影响降水角度，开发出预报产品，指导城市规划、水资源调控；4）在大尺度天气系统背景条件下，城市化对降水的影响评估。

此外，在国外的一些气象学术会议中，城市化降水的研究开始应用到水文学研究领域。城市气候学与水文学的结合，对于一些问题的研究，诸如城市径流与城市化降水效应等问题有重大意义。

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（责任编辑: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，工程师，本科，研究方向：气象预报服务及应用气象。