本研究于2021年发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》，由南京大学的李政、赵坤，香港城市大学的陈镜辉以及宾夕法尼亚州立大学的陈兴超共同完成。

学术背景

城市化是全球范围内深刻改变地表环境和气候的重要驱动力。超过一半的世界人口居住在城市地区，城市化进程与可持续发展和生态系统密切相关。沿海城市因经济发达，人口吸引力强，易于形成大规模的城市群。城市中的人类活动（如燃料消耗、人为气溶胶排放、土地利用/覆盖变化）会显著影响全球至区域尺度的气候，增加热浪、霾和洪水等灾害性天气的频率。城市扩张改变了城市建成区的地表能量平衡，通过城市中心与其外围的热力对比维持了城市热岛效应。不透水材料（如混凝土、沥青）的大量使用阻碍了液态水的渗透和蒸发，城市中高层建筑商业区和高密度住宅区减缓了城市冠层内的气流运动。这些变化导致了世界各地主要城市观测到的温度、湿度和风场不同程度的变化。

城市扩张通过对底层物理和化学过程的改变，可能影响对流风暴和降水。学界提出了多种假设来解释这种变化，包括：城市热岛效应诱导的下风方辐合和上升气流在有利的热力条件下可动态启动湿对流；地表粗糙度增加导致近地面出现尾流，表现为水平再循环涡旋，使雷暴发生分叉并绕过城市；气溶胶-云相互作用影响辐射传输，从而决定云的形成时间和地点；高气溶胶浓度下的降水可能被抑制或增强，取决于暖云滴粒径减小及其导致更高云顶的动态反馈的相对贡献。然而，这些机制之间、特定区域大气环境与下垫面强迫力之间的复杂相互作用，使得人们难以完全理解导致不同城市降雨变化的具体物理机制。

在数值模拟研究方面，过去的成果主要集中在使用理想化模型进行理论分析、研究季节/年尺度上的区域气候变化以及分析真实个例中的风暴演变。然而，针对华南沿海地区，特别是珠江三角洲都市圈，城市扩张如何影响其独特的夏季风降水日变化，其物理机制尚不清晰。过去的研究多聚焦于海陆对比和复杂地形在调控沿海降水日循环中的作用，而较少考虑城市下垫面对内陆降雨日循环的具体影响。尽管观测研究指出了珠三角城市地区最大日降水量在快速城市化期间有增加趋势，以及强城市热岛强度下易发生突发性极端小时降雨事件，但对于城市化引起的降雨空间格局和日变化的变化及其背后机制，研究仍然较少。理解这些机制对于改进天气预报技能至关重要。

因此，本研究旨在探讨城市化对珠三角都市圈夏季风降水空间分布和日变化的影响。利用长时间序列的观测数据对比城市化前后的气候态，并采用半理想化数值模拟及敏感性试验，分离并量化城市地表不同物理过程（感热、蒸散发、摩擦）在改变降水和局地环流中的作用，以期阐明其物理机制。

研究流程

本研究主要包含三个相互关联的步骤：基于观测数据的统计分析、半理想化数值模拟控制实验、以及分离城市物理过程的敏感性实验。

第一步：观测数据分析 (1981–2014年) * 研究对象与样本： 使用广东省86个国家级地面气象站的质量控制后的小时雨量数据，时间跨度为34年（1981–2014年）。重点关注5-6月（前汛期）的夏季风降水。研究区域为珠三角地区，该地区在此期间经历了人口、经济，尤其是地理空间的爆炸式城市化扩张。根据广州和深圳建成区面积的年增长率变化（以1998年为界），将研究时段划分为城市化前期（1981–1997年）和快速城市化期（1998–2014年）两个阶段，分别考察其夏季风降水日变化特征。 * 数据处理与方法： 利用国防气象卫星计划（DMSP-OLS）的夜间灯光数据（最近年份为2013年）识别珠三角城市轮廓和城市气象站（以亮度值30为阈值）。计算两个阶段中每个站点的降水日变化峰值时间和峰值时的雨强，并绘制空间分布图，对比其差异。同时，为了后续模拟验证，还利用2007-2009年5-6月（梅雨季节）的数据，计算了12个城市站和12个郊区站（基于夜间灯光数据区分）的平均2米温度差，以此代表城市热岛强度，并选取了10个无雨夜间和10个中雨白天的个例事件来代表季风和城市影响下的平均气候条件。

第二步：半理想化数值模拟与控制实验 * 模型与设置： 采用与Chen等人（2016，简称C16）研究相同的模式配置，即WRF-ARW（Weather Research and Forecasting - Advanced Research WRF）模式版本3.7，以更好地进行比较。模拟区域以珠三角为中心，水平网格间距为4公里，垂直方向50层。初始场和随时间循环的侧边界条件采用2007-2009年梅雨季（5月11日至6月24日）135天平均的GFS分析场，以过滤瞬变信号，保留平均季风流动以及海陆风和城市热岛环流等日变化和准稳定扰动特征。每次模拟运行10天，舍弃第一天以消除模式spin-up的不确定性，分析基于后9天的平均结果。 * 物理参数化方案： 主要物理参数化方案包括WSM5微物理方案、Kain-Fritsch积云参数化方案、YSU行星边界层方案、RRTM长波辐射和Dudhia短波辐射方案。关键改进在于，本研究将统一的Noah陆面模式与单层城市冠层模型耦合，以更好地刻画城市对地表热、湿和动量的影响。 * 下垫面与实验设计： 设计了两个控制实验来测试城市扩张的总影响。在NOURBAN实验中，珠三角地区的内陆下垫面被预设为常绿阔叶林（海拔高于50米）和农田/草地镶嵌（低于50米），代表城市化前的情景。在WITHURBAN实验中，除了NOURBAN的设置外，将根据夜间灯光数据提取的珠三角城市区域（图1b蓝线内）设置为高密度住宅区，代表城市化后的情景。这种简化处理旨在抓住珠三角城市化前后主要的下垫面变化。

第三步：敏感性实验 为了厘清城市地表不同物理过程（感热、蒸散发、摩擦）对降水和局地环流的独立贡献，基于WITHURBAN实验设计了一系列敏感性实验。实验设计参考了Miao等人（2011）的思路，通过修改城市冠层模型中的参数来单独开启或关闭特定过程。 * ONLYH实验：仅考虑城市感热和地面热通量的影响，关闭蒸散发/潜热和摩擦效应。 * ONLYQ实验：仅考虑城市蒸散发和潜热通量的影响（即模拟不透水表面导致的蒸散抑制），关闭感热和摩擦效应。 * ONLYF实验：仅考虑城市粗糙度增加的摩擦效应，关闭感热和潜热效应。 为了更清晰地分辨城市效应与湿润过程的相互作用，所有实验还在关闭微物理和积云方案的“假干”条件下重复进行，以分离动力和热力条件的贡献。实验配置详见表1。

主要结果

1. 观测到的降水日变化变化 观测分析清晰地揭示了珠三角地区城市化前后夏季风降水日循环的显著变化（图3，图4）。 * 峰值时间延迟： 在城市化前期，白天降雨通常在早晨于海岸线启动，午后作为雨带在海风锋的驱动下向内陆渗透。而在快速城市化期，珠三角都市区西北部，特别是广州和佛山核心城区，降雨峰值时间出现了约2小时的延迟。最强降水从通常的正午前后推迟到了傍晚。在海岸区和城市核心区之间，存在一个狭窄的过渡带，这表明连续的雨带移动被城市“阻挡”了。 * “跳跃”现象： 早晨在海岸启动的降水，在傍晚“跳跃”到了城市的下游（北侧）地区。这意味着在城市附近可能发生更突发、短历时的降雨。 * 雨强变化： 峰值时的降雨强度在城市化后也有所增强，最大值从4.25毫米/小时增至4.75毫米/小时。强雨区的位置也从山脉迎风侧西移至山麓，并延伸至珠三角都市区的东部。此外，另一条中等强度的降雨带从珠江口延伸至广州和佛山核心城区的北部，该区域正好对应傍晚的降雨峰值。

2. 控制实验模拟结果 数值模拟成功地再现了观测到的主要变化特征。 * 城市热岛模拟： WITHURBAN实验模拟的夜间最大城市热岛强度为2.4°C，与观测的2.7°C接近。有趣的是，模拟和观测都显示在雨天白天，城市热岛强度也可以很强，这可能与城市和郊区降水不均匀性相互增强有关。 * 雨带演变对比： 在NOURBAN实验中，雨带如预期般在正午于海岸形成，并于午后逐步向内陆推进。而在WITHURBAN实验中，珠三角都市区南部的对流启动减少，降水减弱；午后雨带向北推进时被阻挡在都市区的东南侧，城市中心只有零星弱降水；直到傍晚，增强的降水才集中在珠三角都市区的北缘并维持数小时。 * 降雨日变化： 在广州和佛山地区，WITHURBAN实验模拟的降雨强度在1400 LST（当地太阳时）降低，随后在傍晚增强并集中，峰值时间比NOURBAN实验延迟了4小时，与观测到的2小时延迟趋势一致（图7）。

3. 城市化引起的局地环流变化 模拟揭示，城市扩张通过改变海风和城市热岛环流，进而影响降水日变化。 * 海风变化： 城市化后，海风的强度增强（最大风速从2.4米/秒增至3.6米/秒），生命周期延长了约3小时（启动更早、结束更晚）。这是由于城市区域吸收和储存了更多的太阳辐射能，使得海陆热对比在早晨更容易建立，在夜间更难逆转。 * 环流阻挡： 增强的海风主体在傍晚抵达并停止在城市区域的北缘。其向内陆渗透的总速度和范围均减小（渗透速度从4.6米/秒降至2.8米/秒，范围从200公里减至120公里）。阻挡海风持续渗透的是来自城市北侧的负扰动风，即城市热岛环流的低层入流（图8b）。这种由城市热岛引起的、平行于盛行风的水平流动是一种准稳定的流动。 * 垂直结构演变： 垂直剖面显示（图9），午后，海风锋前的上升运动与城市热岛环流的上升支逐渐合并。傍晚，在城市北侧发展出一个深厚且持久的上升运动区，而更北部的山区则被城市热岛环流的下沉支笼罩，这可能抑制了该区域午后的降水发展，部分解释了观测中该区域降雨峰值从午后向早晨转变的现象。

4. 不同城市物理过程的影响（敏感性实验） 敏感性实验阐明了城市感热、蒸散发和摩擦效应的独立作用。 * 城市感热 (ONLYH)：是改变局地环流的主导因素。城市感热加热增强了海风环流，并诱导了不对称的低层城市入流。这种不对称入流（城市西侧增强、东侧减弱）与对流产生的冷池结合，共同解释了观测中出现在都市区东侧的高强度降雨带的动力成因。感热为海风和城市热岛环流提供了能量来源。 * 蒸散发抑制 (ONLYQ)：主要影响热力条件。城市不透水表面导致蒸散发和潜热通量大幅减少，形成“城市干岛”，使边界层变干，并对流有效位能（CAPE）降低。即使动力强迫与NOURBAN实验相同，这种CAPE的减少也足以消除城市上空的降水。WITHURBAN实验中城市上空降水较弱，部分原因就在于这种“干岛”效应。 * 摩擦效应 (ONLYF)：对白天的降雨日循环影响较小。但它可以降低地表风速，在弱城市热岛条件下，能增强清晨沿海地区的辐合，可能对触发近海降雨有作用。然而，当与强城市热岛效应共存时，热力效应往往起主导作用，掩盖了摩擦效应。

结论

本研究的核心结论是，珠三角的城市扩张通过改变地表物理过程，显著影响了夏季风降水的日变化特征和空间分布，其机制主要归因于城市感热和蒸散发抑制这两类物理过程在动力和热力条件上的竞争性交互作用。

1. 观测证实变化： 城市化导致区域性气候雨带向内陆的连续渗透被城市阻挡。早晨在海岸启动的降水，其峰值在傍晚“跳跃”至城市下游（北侧），使城市区域降雨峰值时间延迟约2小时，雨强分布也发生改变。
2. 模拟验证机制： 半理想化数值模拟成功再现了上述降水变化及其相关的海风和城市热岛环流变化。城市扩张增强了海风强度但减慢了其渗透速度，城市热岛环流的低层入流与停滞区共同阻挡了海风推进，并在城市北缘形成持续的增强辐合区，导致该处产生强降水。
3. 过程贡献解析： 城市感热是改变局地环流动力的主要能量来源。城市蒸散发抑制则通过形成“干岛”削弱了对流的热力潜能。降雨日变化的改变发生在一个动力强迫增强（海风与城市热岛环流相互作用）、但热力条件因城市干岛而恶化的环境中。“跳跃”现象可能是这种动力与热力因素竞争性相互作用的结果。城市摩擦在白天的直接影响相对次要。

研究价值与亮点

• 科学价值： 本研究系统性地将珠三角地区长期观测的降水日变化气候变化信号，与高分辨率数值模拟揭示的物理机制联系起来，清晰地量化了城市地表不同物理过程（感热、潜热、摩擦）在改变沿海季风降水中的相对重要性。它证实了即使在复杂季风背景下，仅城市扩张引起的环流变化就足以显著改变降水的日循环格局。
• 应用价值： 研究指出，城市化导致的降雨峰值时间延迟可能与晚高峰交通时段重叠，这对城市排水系统和应急响应提出了挑战。研究结果有助于深化对华南沿海特大都市区降水规律的认识，为提升该地区精细化天气预报和气候预测能力提供了科学依据。
• 研究亮点：
  1. 多方法结合： 创新性地将长达34年的高密度站点观测统计分析、与采用周期性边界条件的半理想化模拟相结合，既揭示了长期气候态变化，又通过“干净”的对照实验明晰了城市化的因果机制。
  2. 过程分离清晰： 通过精心设计的敏感性实验（ONLYH， ONLYQ， ONLYF），首次在珠三角区域清晰地分离并量化了城市感热、蒸散发抑制和摩擦效应对降水日变化的独立贡献，明确了感热和潜热过程的关键作用。
  3. 机制阐释深入： 不仅指出了海风渗透被阻挡的现象，还深入揭示了其背后是增强的海风与城市热岛环流之间的相互作用，以及伴随的“城市干岛”对热力条件的抑制，提出了动力与热力条件竞争导致降雨“跳跃”的机制解释。
  4. 研究启示： 文章最后指出，未来的研究需要更直接地关注各类人类活动（如气溶胶效应、人为热等）如何共同影响风暴演变的动力和热力条件，并衡量它们的综合贡献，而不是孤立地强调某一方面。同时，建议进一步研究不同季风背景风场（风速、风向）如何调制城市效应，以及开展更长期的模拟以区分降水的自然变率和人为影响。