基于CMORPH资料的长三角城市化 对降水分布特征影响的观测研究

利用CMORPH卫星降水资料和NCEP风场资料,综合分析了长江三角洲地区南京、杭州、上海、苏州等主要城市的降水分布特征,结果表明：长三角城市效应主要表现在对夏半年降水强度空间分布的影响,具体表现为在700 hPa平均引导气流控制下,城市中心和下风向地区的夏半年降水强度比上风向地区增加5%~15%,最大值通常位于城市中心下游20～70 km。冬半年主要城市周围的降水量、降水时间和降水强度的空间变化都比较小,城市效应对降水分布特征没有明显的影响。长三角城市因地理位置的差异,不同城市降水的下游效应存在差别。夏半年南京、杭州、无锡、苏州、常州等城市的下风向地区比上风向地区降水强度明显增加,城市效应显著。上海和宁波受到海洋影响明显,夏半年低层海风侵入范围较广,夏季降水强度的高值中心偏向海风的下游方位,可能是受到海风环流和城市热岛环流的共同影响。距离上风城市较近的镇江等城市,降水强度的分布受到上风城市降水强度下游效应的影响。     

湖泊和上风向地形对纳木错地区秋季降水影响

首先利用中国区域地面气象要素数据集(CMFD)分析了1992-2015年纳木错地区月平均降水分布,发现湖泊效应导致的下风向降水在10-11月较为明显。其次根据中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站自动气象站2 m的风速和气温的数据,分析了2005-2015年焚风累积发生次数的月分布特征,发现12月焚风发生几率最大,且10月是秋季中发生焚风现象次数最多的月份的结果。再者,运用WRF模型对纳木错地区10月份降水进行了模拟,发现在已有大气环流背景条件下,纳木错地区秋季降水受到湖泊存在的影响比上游地形影响显著。有、无湖模拟试验表明,纳木错地区湖泊的存在会使周边地区尤其是湖泊下风向降水增多,影响范围可达100 km。上风向较高地形会使整个区域降水小幅增加,上风向地形导致的焚风效应对纳木错地区降水的影响较弱。     

长江三角洲城市群对夏季日降水特征影响的模拟研究

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,探讨了长江三角洲地区城市化对夏季日降水特征的影响。结果表明,WRF模式能较好地再现长三角地区2003—2007年夏季降水的空间分布,比较成功地模拟出了降水中心的位置及强度。城市化使得长三角地区夏季降水日数减少了1～5 d,这种降水日数的减少主要是由于城市化使小雨日数减少引起。城市化增强了长三角大部分地区的日降水强度。进一步对长三角地区4个典型城市群宁镇扬、苏锡常、上海和杭州湾城市群进行了夏季降水日变化分析,得出城市化对降水日变化的影响存在一定的区域差异。对于长三角整个大城市群,城市化对降水量、降水强度日峰值出现时刻以及降水强度日峰值大小无明显影响,而使得降水量日峰值减少。城市化使得苏锡常地区降水量日峰值略有增加,宁镇扬和上海地区降水量日峰值都减小,而杭州湾城市群区降水量日峰值出现时刻延后。城市化使得4个典型城市群降水强度日变化曲线形态发生改变,使得上海地区降水强度日峰值出现时刻延后,使得杭州湾城市群区夜雨增强。     

长江三角洲城市群对夏季日降水特征

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,探讨了长江三角洲地区城市化对夏季日降水特征的影响。结果表明,WRF模式能较好地再现长三角地区2003—2007年夏季降水的空间分布, 比较成功地模拟出了降水中心的位置及强度。城市化使得长三角地区夏季降水日数减少了1～5 d,这种降水日数的减少主要是由于城市化使小雨日数减少引起。城市化增强了长三角大部分地区的日降水强度。进一步对长三角地区4个典型城市群宁镇扬、苏锡常、上海和杭州湾城市群进行了夏季降水日变化分析,得出城市化对降水日变化的影响存在一定的区域差异。对于长三角整个大城市群,城市化对降水量、降水强度日峰值出现时刻以及降水强度日峰值大小无明显影响,而使得降水量日峰值减少。城市化使得苏锡常地区降水量日峰值略有增加,宁镇扬和上海地区降水量日峰值都减小,而杭州湾城市群区降水量日峰值出现时刻延后。城市化使得4个典型城市群降水强度日变化曲线形态发生改变,使得上海地区降水强度日峰值出现时刻延后,使得杭州湾城市群区夜雨增强。     

环青海湖地区夏半年极端降水时空特征及其对大气环流因子的响应

研究利用环青海湖地区8个气象站点1961—2018年逐日降水数据，分析了该地区夏半年降水量和极端降水指标的时空演变和大气环流特征，为准确理解水资源变化提供了重要的研究基础。结果表明：近60年环青海湖地区夏半年降水量呈显著增加趋势；极端降水事件各项指标（夏半年极端降水量、夏半年极端降水日数、夏半年极端降水强度、夏半年1日最大极端降水量、夏半年极端降水事件频率）呈上升趋势，尤其2005年以来各项极端降水指标上升趋势特别明显。21世纪初期是环青海湖地区的降水突变期，夏半年降水量和极端降水事件多项指标均在这一时期发生了突变。通过对极端降水指标与环流变化的关系研究发现，南极涛动指数(AAO)、西太平洋副高强度指数(WPSH)与极端降水指标显著正相关。在2006年前后南极涛动指数(AAO)和西太平洋副高指数(WPSH)发生比较明显的转折性变化，最终导致环青海湖地区夏半年极端降水各项指标在2006前后出现比较明显的突变。环青海湖地区夏半年降水量和极端降水量均存在6年的短周期和16年左右的长周期。环青海湖地区夏半年极端降水量和半年极端降水日数的均表现为西部较东部显著的空间变化特征。     

地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

采用非静力中尺度模式WRF研究地形辐射效应参数化对海南岛2012年7月5日多云天气条件下的海风环流结构和云水分布模拟的影响, 并分析了差异产生的可能原因。地形辐射效应是考虑坡地辐射强迫后, 辐射与大气中的各种气体、云以及非均匀下垫面间相互反馈的累积效应。其中地形辐射效应参数化的使用使得温度的模拟更接近实际, 对水汽的模拟也有一定改进能力, 对风速、风向的改进效果不明显。考虑地形辐射效应后, 海风的发生发展演变过程及风场的水平分布无显著变化, 但局地海风以及海风对流云的位置和强度有较明显的改变。山区四周的海风环流结构和对流云的变化与坡地辐射强迫直接相关, 考虑地形辐射效应后, 山坡向阳面的海风有所增强, 背阳面的海风减弱; 向阳坡谷风减弱, 背阳坡谷风增强; 同时紧临海岸的山坡对海风的影响与岛上山坡对谷风的作用类似。平坦地区的海风环流和海风对流云总体上有所减弱, 其变化原因比较复杂。各向海风的强度变化最终会改变海风辐合线的分布, 使海风潜在降水区域发生变化。      

基于不同重现期的1960—2019年长三角地区区域降水风险评估北大核心

本文基于长三角地区1960—2019年逐日降水观测数据以及2015年1 km格网的GDP和人口数据,借助区域降水事件提取方法共识别出2109次区域降水事件,并利用不同分布函数确定不同重现期下降水强度和降水日数的阈值,进一步采用国际减灾战略(ISDR)的灾害风险评估模型,从危险性与脆弱性综合评价长三角地区区域降水风险及其空间分布特征。结果表明:(1)对于降水强度,GEV函数拟合效果最优;对于降水日数,EXP函数和POISS函数拟合效果最好;(2)长三角不同重现期下区域降水的危险性均从中部地区向南北两侧递减;(3)长三角脆弱性由东部沿海向内陆逐渐降低;(4)不同重现期下长三角区域降水风险均是由东部沿海向内陆降低,其中各大中心城市始终是高风险区。     

海南岛地形对局地海风降水强度和分布影响的数值模拟

利用高分辨率模式WRF对2013年5月31日发生在海南岛的一次海风降水过程进行数值模拟,通过不同地形高度及裸土化的敏感性试验,探讨了地形对局地海风降水模拟的影响。结果表明,随着海风环流的不断发展,海风锋与降水落区几乎同相向内陆推进,降水落区主要分布在岛屿西部的黎母岭山前。海南岛海风降水的强度及分布特征与当地四周低平、中间高耸的地形特点密不可分,地形在整个海风降水期间存在动力、热力作用的交替演变。11:00(北京时,下同)-16:00,降水主要由岛屿单侧海风锋引起,由于海风所经之处地形坡度较低,地形对海风的影响以热力增强为主,地形高度越大,驱动海风发展的海陆感热通量差异越大,海风环流发展越旺盛,降水强度也越大。17:00-21:00,降水主要由东南、西北向海风锋正向碰撞造成,随着海风不断向内陆传播,地形的动力阻挡作用越来越强,当地形坡度增加到一定程度时,这种阻挡作用可以迅速削弱海风环流,使降水强度减小。裸土化试验进一步表明,地形高度变化导致的以上影响依赖于下垫面的非均匀特征,地形和植被的共同作用可使地表能量的分配产生更大的差异,进而对局地降水产生较大的影响。     

基于TRMM PR探测的夏季合肥地区降水特征分析

利用热带测雨卫星TRMM搭载的测雨雷达（PR）1998-2012年的观测资料,研究了合肥地区夏季（6、7、8月）不同类型降水的降水强度和频次的水平空间分布、降水垂直结构、日变化特征以及气候变化等特征,揭示了城市化效应造成城市及其周边区域降水特征在时空上的分布差异。研究结果表明,（1）主城区对流和层云降水强度低于周边区域,对流降水频次也低于周边区域,但层云降水频次则相反。可见城市化发展是改变降水的空间分布的因素之一,且对不同的降水类型空间分布影响不同。（2）主城区降水回波信号高度高于周边区域,而降水强度低于周边区域,表明城市效应促进降水云发展而未造成降水强度增强。（3）合肥地区对流和层云降水的强度和频次日循环存在时空分布不均匀性,其中城区的对流降水强度和频次日循环与城市热岛效应日循环具有一致性。总体来看,城市化对局地降水强度影响较大,而对局地降水频次的总体影响不是很明显。（4）通过降水气候变化分析表明,城区两种类型降水强度和频次均呈逐年下降趋势,周边区域降水强度呈不显著上升趋势,降水频次呈逐年下降趋势,其中层云降水频次下降趋势较显著。城市化进程使得城市及其周边区域降水不均匀性逐年增强。极端降水空间分布特征分析表明,城市周边区域强降水频次高于主城区,尤其在城市的下风区高出主城区75%;而周边区域弱降水发生的频次低于主城区,城市下风区最低,低于主城区约18%。     

北京地区降水空间分布及城市效应分析

利用1971-2010年北京地区20个测站降水资料和城市发展数据,分析了北京地区降水的大尺度变化趋势及局地降水的城市效应特征。结果表明:(1)北京地区年降水量具有大尺度变化特征,其线性倾向率为-9.12 mm·(10a)-1;(2)城市化缓慢期城市对降水影响不明显,而快速发展期则表现出明显的雨岛效应,城市化不仅使雨岛增强,还对城市下风向降水有一定影响;(3)受盛行风及热岛环流的共同影响,北京地区不同季节局地降水表现出不同的分布形态;(4)城市化过程对城区局地强降水日数存在增加效应。     

珠江三角洲城市群对夏季降雨影响的初步研究

利用TRMM 2A25卫星降水数据和CMORPH同化数据对珠三角洲地区的降水分布特征进行了探讨,观测表明：珠三角城市群区域总体处于降水的低值中心,且对流降雨的低值中心尤为明显;同时近10 a珠三角核心城市区域降雨有减少的趋势,这种降水减少的趋势可能与珠三角城市化效应有关。本文进一步利用WRF模式模拟分析了珠三角城市群发展对夏季降雨的影响,结果表明珠三角城市化使得该区域降雨减少,其原因为城市化使得地表的蒸发减弱及其大气中的水分供应减少,同时也抬升了珠三角区域边界层高度相应增强了低层大气水汽垂直混合。     

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

利用卫星观测TRMM降水以及QuikSCAT风场资料, 对珠江三角洲地区及临近区域降水的分布特征进行了探讨, 结果表明: (1) 同一纬度相比, 珠江三角洲城市群所处的区域降水明显多于其周边地区, 表明了城市化可能会使所处区域的降水增加; (2) 珠江三角洲城市群所处区域降水的增加存在明显的季节变化特征, 在前汛期城市所处区域的降水增多较其它季节明显; (3) 珠江三角洲城市化对降水的影响与风场的分布密切关联, 降水增多的区域通常位于城市群所在之处及其下风方向的邻近地区; (4) 珠江三角洲城市化使城市群所处区域的降水时次减少, 而降水强度则加强; (5) 珠江三角洲城市群的天气、 气候效应只对对流性降水产生影响, 而层状降水的分布则与城市群的位置没有明显关联。     

河北廊坊城市化进程对降水特征的影响

利用1970-2012年廊坊市逐日降水观测资料和城市化发展资料,研究了城市化进程对廊坊地区降水特征的影响。结果表明：随着城市化的发展廊坊地区年降水量和汛期降水量分布格局发生明显改变,降水向城市化发展迅速的地区集中;城市化对降水的影响随降水强度增大而逐渐显著,且城市化发展愈迅速影响愈大;城市化使城区的降水量趋于集中,郊区的降水量趋于均化,这种趋势在未来一段时间内将持续。     

Urban impacts on precipitation

Weather and climate changes caused by human activities (e.g., greenhouse gas emissions, deforestation, and urbanization) have received much attention because of their impacts on human lives as well as scientific interests. The detection, understanding, and future projection of weather and climate changes due to urbanization are important subjects in the discipline of urban meteorology and climatology. This article reviews urban impacts on precipitation. Observational studies of changes in convective phenomena over and around cities are reviewed, with focus on precipitation enhancement downwind of cities. The proposed causative factors (urban heat island, large surface roughness, and higher aerosol concentration) and mechanisms of urban-induced and/or urban-modified precipitation are then reviewed and discussed, with focus on downwind precipitation enhancement. A universal mechanism of urban-induced precipitation is made through a thorough literature review and is as follows. The urban heat island produces updrafts on the leeward or downwind side of cities, and the urban heat island-induced updrafts initiate moist convection under favorable thermodynamic conditions, thus leading to surface precipitation. Surface precipitation is likely to further increase under higher aerosol concentrations if the air humidity is high and deep and strong convection occurs. It is not likely that larger urban surface roughness plays a major role in urbaninduced precipitation. Larger urban surface roughness can, however, disrupt or bifurcate precipitating convective systems formed outside cities while passing over the cities. Such urban-modified precipitating systems can either increase or decrease precipitation over and/or downwind of cities. Much effort is needed for in-depth or new understanding of urban precipitation anomalies, which includes local and regional modeling studies using advanced numerical models and analysis studies of long-term radar data.     

The Long-term Variation of Extreme Heavy Precipitation and Its Link to Urbanization Effects in Shanghai during 1916–2014

Using the hourly precipitation records of meteorological stations in Shanghai, covering a period of almost a century(1916–2014), the long-term variation of extreme heavy precipitation in Shanghai on multiple spatial and temporal scales is analyzed, and the effects of urbanization on hourly rainstorms studied. Results show that:(1) Over the last century, extreme hourly precipitation events enhanced significantly. During the recent urbanization period from 1981 to 2014, the frequency of heavy precipitation increased significantly, with a distinct localized and abrupt characteristic.(2) The spatial distribution of long-term trends for the occurrence frequency and total precipitation intensity of hourly heavy precipitation in Shanghai shows a distinct urban rain-island feature; namely, heavy precipitation was increasingly focused in urban and suburban areas.Attribution analysis shows that urbanization in Shanghai contributed greatly to the increase in both frequency and intensity of heavy rainfall events in the city, thus leading to an increasing total precipitation amount of heavy rainfall events. In addition,the diurnal variation of rainfall intensity also shows distinctive urban–rural differences, especially during late afternoon and early nighttime in the city area.(3) Regional warming, with subsequent enhancement of water vapor content, convergence of moisture flux and atmospheric instability, provided favorable physical backgrounds for the formation of extreme precipitation.This accounts for the consistent increase in hourly heavy precipitation over the whole Shanghai area during recent times.     

北京地区夏季极端降水变化特征及城市化的影响

应用北京地区20站1971—2010年降水记录及城市发展数据,采用百分位方法定义极端降水事件的阈值,分析了北京地区夏季极端降水事件的时空变化特征及城市化的影响。结果表明：(1)北京夏季极端降水阈值及频数存在较强局地性特征,基本沿地形高度分布,极端降水频数多发区与高阈值区不完全对应;(2)近40年极端降水频率及强度均呈现下降趋势,年际及年代际差异显著;(3)城市化发展不同阶段极端降水强度及频数均有不同的分布形态,城市化对城市不同区域极端降水影响不一样,城市化导致城市下风向近郊区极端降水强度、次数均表现为增多趋势;(4)城市对极端降水的影响还与天气过程强度有关,强天气背景下城市对极端降水频数的影响程度高于对降水强度的影响。     

基于自动站观测的北京夏季降水特征

应用2007~2011年北京地区237个自动气象站资料,分析了北京夏季降水的精细化时空分布特征及城郊差异,结果表明:(1)北京大部分地区夏季平均有效降水时数约120~160 h,降水时数高值区主要位于北部怀柔、密云山前迎风坡一带。城、郊区间有效降水时数差异并不明显,城市化对局地降水强度有较明显影响。(2)北京夏季降水主要出现在傍晚到前半夜,凌晨到正午降水较少出现。夏季平均降水量极大值出现在17:00(北京时间),为3.2 mm/h。降水量存在较明显的周期变化特征,其中7 d左右的周期是主周期。(3)夏季城区平均降水量多于郊区,城、郊雨量差异主要来自较强降水过程。城市效应会导致城区弱降水事件的减少,亦会导致较强降水事件的增多。(4)城、郊区间降水持续时长的差异主要由较强降水过程决定,多数情况下城区降水持续时长大于郊区,午后到前半夜发生的降水尤甚。     

城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究

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(1981~2010),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≥50 mm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50 mm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50 mm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。     

城市化效应对北京市短历时降水特征的影响

对北京城区和郊区的自动气象站的部分小时降水量资料进行了分析和概率分布的拟合,结果为：小时降水量适用对数－Ｗｅｉｂｕｌｌ分布模式拟合;中到大雨时,城市效庆对下风区的短历时降水雨量增加影响最明显;而在市中心,短历时降水暴雨的发生概率和强度增加最显著。     

Effects of Vertical Wind Shear on Intensity and Rainfall Asymmetries of Strong Tropical Storm Bilis （2006）

The effects of environmental vertical wind shear(VWS)on the intensity and rainfall asymmetries in Tropical Storm(TS)Bilis(2006)have been analyzed based on TRMM/TMI-estimated surface rainfall data,QuikSCAT wind fields,850-and 200-hPa winds of the NCEP-NCAR reanalysis,precipitation data at 5-min intervals from automatic weather stations over mainland China,and the best track data of TS Bilis(2006). The results show that the simultaneous and 6-hour-lagged correlation coeffcients between VWS and storm intensity(the minimum central sea level pressure)are 0.59145 and 0.57438(P0.01),respectively.The averaged VWS was found to be about 11 m s-1 and thus suppressed the intensification of Bilis(2006). Distribution of precipitation in Bilis(2006)was highly asymmetric.The azimuthally-averaged rainfall rate in the partial eyewall,however,was smaller than that in a major outer rainband.As the storm intensified,the major rainband showed an unusual outward propagation.The VWS had a great impact on the asymmetric distribution of precipitation.Consistent with previous modeling studies,heavy rainfall generally occurred downshear to downshear-left of the VWS vector both near and outside the eyewall,showing a strong wavenumber-one asymmetry,which was amplified as the VWS increased.