城市精細天氣預(yù)報的理論與技術(shù)研究進展

孫繼松

（北京市氣象臺，北京 100089）

城市精細天氣預(yù)報的理論與技術(shù)研究進展

孫繼松

（北京市氣象臺，北京 100089）

對最近二十多年，城市中尺度天氣學(xué)和精細預(yù)報技術(shù)研究進展進行了回顧，包括以下幾個方面：（1）城市環(huán)流對中尺度降水系統(tǒng)的影響研究；（2）城市環(huán)流與地形相互作用的物理過程及其對中尺度系統(tǒng)的影響過程研究；（3）城市環(huán)流與海（湖）風(fēng)環(huán)流的相互作用對中尺度天氣系統(tǒng)的影響過程研究；（4）城市或城市群對大霧形成與分布的影響研究。最后，對未來城市精細天氣預(yù)報技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望，認為針對特大城市典型的中尺度天氣系統(tǒng)開展精細化觀測研究，并將研究成果應(yīng)用于中尺度模式物理過程的改進之中，進一步完善城市冠層模式，可能是提高城市精細化預(yù)報能力的主要有效手段。

城市，中尺度天氣學(xué)，精細天氣預(yù)報

1 引言

根據(jù)聯(lián)合國人口司發(fā)布的《世界城市化展望》（2006年修正版），預(yù)計世界城市人口在2030年達到49億，即60%的全球人口將居住在城市地區(qū)。城市特別是特大型城市一般是所在區(qū)域的政治、經(jīng)濟、文化和消費中心，同時也是交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)的主要基地和商品流通集散地。因此，城市單位面積上的經(jīng)濟當量、人口密度是其他區(qū)域無法比擬的，相同程度的氣象災(zāi)害發(fā)生在城市時，所造成的生命財產(chǎn)損失、社會關(guān)注度往往是巨大的。從另一角度來看，由于城市下墊面的絕大部分被非透水性物理介質(zhì)（如水泥、瀝青等）所覆蓋，高度起伏的大面積建筑物、坡度不一的立體路面交通網(wǎng)以及人為地表坡度，為地表徑流的快速匯流提供了條件，當強降水發(fā)生時，低洼路段不僅成為城市交通網(wǎng)的“栓塞”，造成大面積交通癱瘓，而且已經(jīng)直接威脅到居住或途徑低洼地區(qū)市民的生命安全。近幾年來，無論是沿海的上海、天津，還是內(nèi)陸的北京、武漢、西安、濟南、重慶、鄭州、烏魯木齊等絕大多數(shù)大型城市中心區(qū)，幾乎都發(fā)生過不同程度的局部內(nèi)澇，造成交通嚴重受阻、甚至巨大的人員傷亡。另外，城市高聳的建筑進一步加大了雷電災(zāi)害對生命的威脅，高大建筑之間的狹管效應(yīng)也直接加重了風(fēng)災(zāi)的危害，極易造成高空物件墜落，臨時建筑、廣告牌、綠化樹木等倒塌造成人員傷亡事件也屢見不鮮。另一方面，城市對電、水、燃氣等資源的過度集中使用，當突然遭遇高溫?zé)崂?、寒流等氣象?zāi)害

襲擊時，往往造成這些管網(wǎng)不堪重負而發(fā)生崩潰。最近幾年，先后發(fā)生在歐洲大陸、美國等地的高溫?zé)崂艘l(fā)的城市大面積停電事故，不僅造成了城市生活的無序狀態(tài)，而且造成了大量的城市人口死亡。從這一角度講，看似堅固的城市，在氣象災(zāi)害面前顯得更加脆弱。從服務(wù)需求來看，具有重大國際影響的政治、經(jīng)濟、體育、文化等大型活動一般都在中心城市舉行，常規(guī)天氣預(yù)報服務(wù)的技術(shù)方法和科學(xué)支撐能力幾乎無法滿足這些活動對氣象保障的精細化要求，正是由于城市氣象服務(wù)的特殊需求，催生了城市中尺度天氣動力學(xué)的興起和發(fā)展。

從城市氣象學(xué)的發(fā)展進程來看，氣象學(xué)家們首先注意到的是城市或城市群的崛起對局地氣候的影響，提出了城市氣候的概念，并開展了一系列的氣候?qū)W研究，特別是在城市能量平衡（urban energy balance）、城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island Effect）、城市大氣邊界層結(jié)構(gòu)（structure of urban boundary-layer）[1-10]等方面取得了大量的研究成果。一直到現(xiàn)在，城市氣候?qū)W研究依然是氣候?qū)W中最活躍的分支之一。隨著全球氣候變化研究不斷深入，氣象學(xué)家們逐漸意識到世界城市化進程對全球氣候變化的可能影響，特別是最近幾十年全球氣候變暖并非像以前認為的整個對流層都在迅速升溫，而可能只出現(xiàn)在近地面非常薄的一層大氣中[11]。一些氣象學(xué)家認為，氣候變暖在很大程度上可能受到了城市熱島效應(yīng)的影響，而且在很多情況下，對一些大城市熱島效應(yīng)的估計可能偏低[12]：如果城市一直處于一種平穩(wěn)發(fā)展的過程，評估熱島效應(yīng)的影響可能容易一些，但是一些新興的工業(yè)化國家（如中國、印度等）的迅速崛起，城市的快速擴張和區(qū)域城市群的出現(xiàn)，使得城市熱島效應(yīng)對區(qū)域氣溫的影響評估變得非常困難，造成了全球氣候變暖研究中的最大不確定性因素[13]，而城市氣候的形成，實質(zhì)上是城市中小尺度大氣環(huán)流的一種長時間平均態(tài)。最近幾年來，大城市天氣災(zāi)害所造成的損失和社會反響日益突顯，例如，2001年12月7日發(fā)生在北京地區(qū)一次小雪天氣而衍生的“城市雪災(zāi)”；2004年7月10日北京城區(qū)的短時暴雨造成的交通受阻，同年發(fā)生在上海的局地強風(fēng)暴過程；2007年發(fā)生在濟南、烏魯木齊、重慶、鄭州等地的特大暴雨等中尺度災(zāi)害天氣造成了巨大人員傷亡；最近幾年，西安、廣州、深圳、香港、太原、天津、武漢等幾乎所有的大城市都曾先后出現(xiàn)過局地強對流暴雨災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟損失，造成了極大的社會影響。

從本質(zhì)上講，城市中尺度天氣動力學(xué)的核心問題是通過對城市邊界層與自由大氣之間相互作用而造成發(fā)生在城市及其周邊地區(qū)特有的中小尺度天氣現(xiàn)象及其物理機制進行系統(tǒng)性研究，進而形成精細預(yù)報技術(shù)。隨著中尺度天氣動力學(xué)的發(fā)展和中尺度數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)的進步，針對城市特定環(huán)境下的中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演變機理等方面的研究受到了廣泛關(guān)注，在一定程度上提高了城市天氣預(yù)報服務(wù)的精細化程度。但是，應(yīng)該看到，橫亙在氣象工作者面臨的諸多科學(xué)問題和預(yù)報技術(shù)難題仍然艱巨。本文旨在對近幾年來有關(guān)城市中小尺度天氣動力學(xué)研究，特別是城市中尺度氣象災(zāi)害動力學(xué)、預(yù)報技術(shù)方面的研究進展進行梳理，并就未來城市天氣動力學(xué)的發(fā)展方向和城市天氣預(yù)報技術(shù)需要解決的科學(xué)技術(shù)問題進行簡單的探討。

2 城市中尺度天氣系統(tǒng)的特殊性

針對城市的中尺度天氣系統(tǒng)及其預(yù)報技術(shù)的研究雖然只是中尺度天氣動力學(xué)研究中的一個分支，但是相較廣義上的中尺度天氣動力學(xué)或中尺度天氣學(xué)而言，又具有明顯的特殊性。這種特殊性主要體現(xiàn)在四個方面。

（1）特定的城市尺度。城市，即便是特大型中心城市，其水平空間尺度一般都不大于α中尺度，市區(qū)面積更小。例如，北京的轄區(qū)面積約為1.68km2，中心城區(qū)面積只有約為60km×60km（以六環(huán)路為界）。但是在夏季，在很多城市經(jīng)?？梢杂^測到一個或多個水平尺度比城區(qū)面積小得多的強對流系統(tǒng)，在城區(qū)或郊區(qū)造成嚴重的雷暴、暴雨災(zāi)害；在冬季，許多降雪天氣過程也只出現(xiàn)在局部地區(qū)。因此，就城市災(zāi)害天氣研究和預(yù)報而言，關(guān)注的主要對象是天氣尺度或α中尺度背景下的β、γ中尺度系統(tǒng)的演變及其相互作用過程。

（2）特定的地理環(huán)境。大多數(shù)城市要么依山而建，要么面水而立（例如大型湖泊、江河、海洋等）。地形對各種尺度天氣系統(tǒng)的影響程度、影響方式，一直以來是氣象學(xué)界的前沿課題之一，地形環(huán)流（山谷風(fēng)環(huán)流）與城市環(huán)流（熱島環(huán)流）的相互作用過程對中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的影響進一步增加氣象學(xué)家對城市中尺度天氣系統(tǒng)形成機理的認識難度；海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)的變化與城市大氣的相互作用過程也是造成城市中尺度天氣系統(tǒng)演變的重要原因。

（3）特定的人為環(huán)境。城市是受人類活動影響最劇烈的區(qū)域，城市大氣要素的變化幅度和速率都是其他區(qū)域無法比擬的。城市氣候?qū)W更多地關(guān)注這些要素的長期影響，而城市中尺度天氣動力學(xué)在于如何科學(xué)地描述它們的短期甚至短時變化：不同天氣背景

下，起伏巨大的建筑造成了邊界層流場的不同變化；下墊面物理屬性的變化和人為熱源形成了城市熱島，城市熱島的季節(jié)變化、劇烈的日變化及其強度、中心位置的非定常性改變了邊界層內(nèi)熱力層結(jié)的垂直變化和水平分布，必然強迫流場、氣壓場、濕度場等發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，這種調(diào)整過程本身就可能誘發(fā)中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生；氣溶膠濃度存在的劇烈短期變化直接造成了城市上空凝結(jié)核數(shù)量的激烈變化，也可能是降水非均勻性變化的原因等。很顯然，這些環(huán)境要素的短期變化與分布差異將直接影響中尺度天氣系統(tǒng)的演變進程與高影響天氣的落區(qū)變化。

（4）城市環(huán)流對上下游天氣的影響。城市中尺度天氣動力學(xué)需要解釋天氣系統(tǒng)在城市環(huán)流的影響下，天氣系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的一系列調(diào)整過程。而城市環(huán)流的強迫作用造成城市上下游發(fā)生的特有的中小尺度天氣系統(tǒng)生消過程則是城市天氣精細預(yù)報不得不面對的另一個課題。已經(jīng)有研究[14]表明，以特大型城市為中心的城市群的崛起，不僅改變了城市的局地環(huán)流，而且很可能已經(jīng)或者正在影響更大尺度范圍內(nèi)天氣系統(tǒng)的演變。

針對城市中尺度天氣系統(tǒng)的上述特殊性的認識，不僅是建立和完善城市天氣精細化預(yù)報技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)，而且是推動中尺度天氣動力學(xué)進步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果我們能夠?qū)⒉煌鞖獗尘啊⒉煌乩硖卣骱筒煌藶榄h(huán)境下的β中尺度、γ中尺度系統(tǒng)的演變機制進行科學(xué)、完整的數(shù)學(xué)物理描述，那么，阻礙中尺度數(shù)值模式發(fā)展進步的主要物理過程問題將迎刃而解。

3 城市中尺度降水系統(tǒng)研究

氣象學(xué)家首先把城市或城市群作為一個整體，研究它對天氣系統(tǒng)的影響。最先受到氣象學(xué)家關(guān)注的是：降水、雷暴活動在城市下風(fēng)方向有明顯增多、增強現(xiàn)象。1971年，Changnon等人[15]的統(tǒng)計研究就表明：城區(qū)及其下風(fēng)方的年降水量比周圍農(nóng)村地區(qū)高出10%～17%，其中雷暴的增加可達到21%。蒙偉光等[16]最近進行的數(shù)值模擬表明，發(fā)生在珠江三角洲地區(qū)的雷暴發(fā)展和演變過程與這一地區(qū)的城市化發(fā)展有密切關(guān)系：與城市影響有關(guān)的低層輻合主要位于500m以下的近地面層，形成于上風(fēng)方的雷暴在城市下風(fēng)方明顯增強。黎偉標等[17]利用TRMM衛(wèi)星資料的研究結(jié)果也表明，發(fā)生在珠三角城市群的降水與比鄰海區(qū)的降水存在明顯的不同，前者以對流性降水為主，后者以穩(wěn)定性降水為主。

關(guān)于城市及其下風(fēng)方降水增加的原因，可能和環(huán)境氣流與城市熱島效應(yīng)、城市大氣污染相互作用，以及高層建筑導(dǎo)致機械湍流增強有關(guān)。孫繼松等[18]就城市化過程對北京地區(qū)冬夏季中尺度降水分布的影響進行了研究，結(jié)果表明，在北京城區(qū)南北兩側(cè)，冬季和夏季的降水日數(shù)、降水量的相對變化趨勢明顯不同：相對區(qū)域平均而言，在城區(qū)及南部近郊區(qū)，冬季降水日數(shù)和降水量都在明顯增加；夏季，城區(qū)北側(cè)的降水日數(shù)呈加速增長趨勢，盡管南部平原郊區(qū)的相對降水日數(shù)變化不大，但降水量在相對減少，并指出，這種現(xiàn)象可能是城市熱島與盛行風(fēng)流場相互作用的結(jié)果。Rosenfeld[19]則認為，城市及下游方向降雨、降雪量的增加不僅與城市化進程有關(guān)，而且與城市空氣污染程度和擴散方向有關(guān)。

隨著城市極端天氣事件的頻繁發(fā)生，發(fā)生在城市中心區(qū)的中尺度災(zāi)害天氣系統(tǒng)的形成機理和演變過程受到了越來越多的關(guān)注。城市地表加熱的非均勻性是城市中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的根本原因之一。Thielen等[20]的數(shù)值研究表明，城市地表的感熱通量、特別是降水發(fā)生之前4小時內(nèi)的感熱通量變化對γ中尺度的對流降水有重要影響；孫繼松等[21]的研究結(jié)果認為：在夏季，城市熱島可能直接對一些雷暴起到強迫和組織作用，晴空背景下，中午前后，開始出現(xiàn)郊區(qū)氣流向中心城區(qū)輻合的現(xiàn)象，這種熱力強迫有利于形成城市中尺度的低空風(fēng)場輻合線，它的存在不僅可能觸發(fā)局地對流單體，而且對多單體起到了組織作用，同時城區(qū)與郊區(qū)的這種熱力差異，還可能造成邊界層內(nèi)中心城區(qū)風(fēng)場垂直切變加強，即市區(qū)邊界層頂氣流加速；而在郊區(qū)，表現(xiàn)為邊界層下部的風(fēng)速加大，這種強迫有利于降水中心區(qū)強烈的上升運動維持，保證了低空水汽在較大范圍內(nèi)向?qū)α黧w中流入，維持對流降水的持續(xù)（圖1）。在冬季，同樣存在城市熱島對流場的強迫作用：桑建國等[22]發(fā)現(xiàn)，由于熱島效應(yīng)的存在，容易形成一個以市區(qū)為中心的低壓系統(tǒng)以及指向市中心的氣壓梯度力，造成氣流在邊界層內(nèi)輻合，抬升的熱羽在邊界層上部輻散流出。實質(zhì)上，由于城市熱島環(huán)流存在斜壓性特征，在平坦地形條件下，由于城市

熱島的中心位于城區(qū)以及偏下風(fēng)方向，造成城市中心上游地區(qū)，低層氣流輻散、上層輻合，而市中心下游低層氣流輻合、上層輻散，組成一個穿過城區(qū)的低空閉合環(huán)流。

圖1 城市熱島效應(yīng)誘發(fā)對流性降水的動力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖[21]

4 城市環(huán)流與山地環(huán)流、水陸環(huán)流相互作用及其對中尺度天氣系統(tǒng)的影響

大多數(shù)大城市都依山傍水，或背靠山區(qū)，或面向大面積水體（海洋、湖泊、江河），使得城市大氣環(huán)流與自然環(huán)境形成的局地環(huán)流系統(tǒng)之間形成了復(fù)雜的相互作用關(guān)系，這種相互作用對城市及其周邊地區(qū)的中尺度天氣過程產(chǎn)生了明顯影響。

4.1 城市環(huán)流與山地環(huán)流之間的相互作用

研究表明，在不同天氣尺度背景下，城市環(huán)流與山地環(huán)流之間的相互作用過程對中尺度天氣系統(tǒng)的影響呈現(xiàn)出多樣性特征。齊琳琳等[23]研究了上海周邊地形、城市暖干性效應(yīng)及城市阻滯作用對2001年8月一次特大暴雨的影響程度，結(jié)果表明：地形影響了暴雨系統(tǒng)的移動、停滯、發(fā)展和加強，城市化地表特征造成暴雨系統(tǒng)內(nèi)部中尺度動力、熱力結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)明顯變化。孫繼松[24]研究證實，在不考慮平流垂直分布差異的背景下，如果沒有降水發(fā)生，局地邊界層內(nèi)的垂直風(fēng)切變的強弱主要是由邊界層水平溫度梯度方向、強弱變化決定的。在晴空背景下，郊區(qū)的加熱率和冷卻率大于城市，如果郊區(qū)為山區(qū)，郊區(qū)與城區(qū)之間的加熱率/冷卻率差異更大，晝夜間城區(qū)與郊區(qū)之間容易形成更強的水平溫度梯度，其方向在白天由山坡指向城區(qū)、午夜則由城區(qū)指向山坡。當夜間的這種溫度梯度足夠強時，中尺度邊界層急流就會出現(xiàn)，白天則相反。因此，夜間更有利于邊界層急流的形成，白天邊界層急流趨于消失。中尺度邊界層急流的出現(xiàn)不僅為邊界層與對流層之間的熱量、動量和水汽交換起到了重要作用，而且為某些對流活動的啟動提供了動力強迫源[25]。在存在局地強降水的背景下，邊界層急流與局地降水之間還可能形成明顯的正反饋，造成城市下游β中尺度的暴雨中心的出現(xiàn)[24]。

城市熱島環(huán)流與地形熱力環(huán)流之間的相互作用還有可能對局地中尺度對流系統(tǒng)的強度、性質(zhì)產(chǎn)生影響。有研究[26]表明，在弱下沉氣流大尺度背景下，在中午前后，地形與平原之間容易形成很強的、由山坡指向平原的溫度梯度，如果平原地區(qū)下游是城區(qū)，由于城區(qū)的溫度高于郊區(qū)，因此城區(qū)與山區(qū)之間的平原地區(qū)就有可能出現(xiàn)一個“冷楔”。 近地面層的“冷楔”不僅削弱了對流層低層的熱力不穩(wěn)定，而且“冷楔”形成了邊界層內(nèi)的輻散氣流，它們對來自于上游地區(qū)（山區(qū)）的強對流單體都起到了減弱作用，使得山坡上形成的冰雹云下山后對流高度降低，對流活動減弱，降水性質(zhì)由冰雹轉(zhuǎn)為降雨。當對流系統(tǒng)隨環(huán)境風(fēng)場移到城區(qū)時，在城市熱島的作用下，對流可能再次被加強。

孫繼松等[27]最近討論了地形與城市熱島共同作用下的β中尺度暴雨的一系列理論特征，并利用北京地區(qū)稠密的地面觀測資料以及分布于距離暴雨中心區(qū)不同距離的風(fēng)廓線儀觀測資料進行了證實：由于城市與山區(qū)之間的溫度梯度量級不同，引發(fā)對流性β中尺度暴雨的垂直切變的響應(yīng)時間差異較大，一般從十幾分鐘到幾個小時不等；地形坡度的大小對中尺度暴雨系統(tǒng)的水平尺度起到了決定性影響；一般情況下，地形與城市熱力過程相互作用造成的中尺度暴雨多發(fā)于傍晚前后或凌晨前后。地形與城市熱島效應(yīng)造成的局地對流性暴雨的物理概念模型如圖2。

城市熱島效應(yīng)與地形相互作用形成山前暴雨的物理機制如下。

（1）由于山體阻滯了城市熱島的水平擴散效應(yīng)，在山前地區(qū)形成了最強的水平溫度梯度。水平溫度梯度不僅造成山坡下滑冷氣流與城市暖空氣流出氣流之間形成了山前水平輻合氣流，形成抬升運動，而且強的水平溫度梯度將強迫風(fēng)的垂直切變增強，形成邊界層頂?shù)臍饬骷訌?，出現(xiàn)邊界層急流的雛形；邊界層急流的高度一般低于山體的高度[24]。

（2）山前水平輻合氣流形成的抬升運動、吹向山體的邊界層急流形成的強迫抬升運動，在垂直風(fēng)切變環(huán)境中，觸發(fā)對流發(fā)生。

（3）初生對流形成降水后，地面氣溫迅速下降，造成山前與城區(qū)間的水平溫度梯度進一步加強，邊界層急流加速，抬升運動也在加速，造成山前對流進一步加強，形成了溫度梯度與對流強度之間的正反饋過程，山前對流不斷發(fā)展且位置少動，形成暴雨甚至特大暴雨。

圖2 城市熱島效應(yīng)與地形相互作用形成山前暴雨的物理機制

4.2 城市環(huán)流與水陸環(huán)流的相互作用

與地形環(huán)流和城市環(huán)流相互作用一樣，對于海（湖）濱城市來說，海（湖）陸風(fēng)環(huán)流與城市環(huán)流的相互作用，往往會影響到中尺度對流系統(tǒng)的演變。海風(fēng)與環(huán)境風(fēng)場相互作用可以產(chǎn)生低空輻合線，形成海風(fēng)鋒，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放而形成中尺度局地強對流，因此對于海濱城市來說，研究海陸風(fēng)環(huán)流與城市環(huán)流之間相互作用問題顯得尤為重要。這種相互作用表現(xiàn)在兩個方面，即海陸風(fēng)對城市熱島的影響和城市對局地海陸風(fēng)環(huán)流的影響。

Wu等[28]對青島海陸風(fēng)的研究表明，由于膠州灣、嶗山和浮山的存在，青島近海岸存在多支海陸風(fēng)，風(fēng)場復(fù)雜多變，低空風(fēng)場在地形作用下，在山前（城區(qū)一側(cè)）產(chǎn)生爬坡運動，在山后產(chǎn)生背風(fēng)波，這兩種波動產(chǎn)生的波動能量都可以上傳到4km以上。這一高度足以觸發(fā)對流層中層存在的對流不穩(wěn)定能量，產(chǎn)生局地強降水天氣過程。張立風(fēng)等[29]和王衛(wèi)國等[30]的數(shù)值試驗表明，在沒有地形影響時，海風(fēng)的強度減弱、向陸地伸展的范圍減小，陸風(fēng)也會減弱。海陸風(fēng)強度與地形的這種關(guān)系可能主要是由于地形的熱力作用造成的：與平原相較而言，當有地形存在時，陸地氣溫在白天上升和夜間下降都更快，造成海陸氣溫梯度加大。苗曼倩等[31]和張雷鳴等[32]的數(shù)值試驗表明：在白天，東海海風(fēng)和太湖風(fēng)環(huán)流與上海城市群的熱島效應(yīng)存在正反饋現(xiàn)象；而在夜間，陸風(fēng)環(huán)流趨于減弱，出現(xiàn)了海陸溫差減小的現(xiàn)象——由于海溫日變化很小，局地海陸溫差減小實質(zhì)上表現(xiàn)為城鄉(xiāng)之間的溫差加大，即夜間的城市熱島效應(yīng)被強化。

城市環(huán)流與海陸風(fēng)環(huán)流之間存在的這些相互作用關(guān)系，對城市及其周邊地區(qū)的降水分布產(chǎn)生了明顯的影響。梁釗明等[33,34]的數(shù)值試驗表明：（1）城市下墊面較大的向上感熱通量和較小的向上水汽通量以及高粗糙度對冷濕海風(fēng)有削弱作用，造成城市區(qū)域與郊區(qū)相比而言，低層大氣形成較高的溫度和較低的濕度。另外，城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流的共同作用使得海風(fēng)在城市上空有所抬升，從而使得海風(fēng)對低層大氣降溫和增濕的垂直范圍擴大。（2）中心城區(qū)的高粗糙度對海風(fēng)風(fēng)速有明顯削弱作用，因此海風(fēng)鋒在城區(qū)往內(nèi)陸推進距離稍減，低層輻合和上升運動減弱。海風(fēng)與熱島環(huán)流相互作用對層結(jié)不穩(wěn)定造成的影響如圖3：與郊區(qū)相比，城區(qū)內(nèi)的自由對流高度和平衡高度都有所降低，因此，在海風(fēng)作用下的城區(qū)內(nèi)，對流有效位能（CAPE）比沒有城市影響的海岸地區(qū)要小。另一方面，城市粗糙度進一步削弱了海風(fēng)的輻合作用，因此，相對郊區(qū)而言，城市并不利于海風(fēng)環(huán)流觸發(fā)的對流發(fā)展。但是，相對于沒有海風(fēng)影響的地區(qū)而言，海濱地區(qū)的對流有效位能都有明顯增加，其中起主導(dǎo)作用的因子是海風(fēng)帶來的水汽影響。

4.3 城市群的發(fā)展對大霧分布的影響

城市或城市群的發(fā)展對大霧分布的影響日益顯現(xiàn)。最近，我們的研究表明①引自“國家科技支撐計劃項目：城市群高影響天氣的特征和成因分析（2008BAC37B01）”技術(shù)報告，pp:50-64，城區(qū)大霧日數(shù)的相對減少和輕霧或霾的相對增加，除了空氣污染的因素以外，城市環(huán)流的熱動力學(xué)過程起到了重要作用：增強的城市熱島效應(yīng)，減小了城區(qū)的晝夜溫差，增加暖濕空氣冷卻凝結(jié)飽和的難度；另一方面，熱島效應(yīng)導(dǎo)致的熱力差異會在城市和郊區(qū)幾十千米的范圍形成次級環(huán)流圈，該次級環(huán)流圈能夠有效阻止低層水汽進入城區(qū)，減小了大霧形成的概率；城市膨脹的速度越快，年平均霧日減少也越快。

城市的發(fā)展是一個動態(tài)過程，利用京津冀地區(qū)所有站點（98個人工觀測站）每10年平均霧日與同期18個基本代表站的每10年平均霧日插值到同一網(wǎng)格再相減，得到的京津冀地區(qū)最近20年中每10年平均霧日分布圖，這樣可以過濾掉氣候波動變化和地形對大霧分布的影響，結(jié)果表明：1989—2008年，北京、天津均進入城市化發(fā)展的高峰期，北京、天津城區(qū)的大霧日數(shù)減少速度明顯加快，且相對減少區(qū)域已經(jīng)連成一片，并不斷向城市南北兩面擴展，大霧日數(shù)相對增多的區(qū)域主要集中在緊鄰北京南部的河北地區(qū)及北京、天津以北的河北地區(qū)。這是由于城市范圍逐漸擴大，

城市熱島的范圍也逐漸擴大，熱島環(huán)流圈的半徑向南擴展，致使大霧易發(fā)區(qū)域南移。從40年來的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，京津城市群大霧減少的范圍在逐步擴大，而南北兩側(cè)大霧發(fā)生頻率相對增加的趨勢在逐漸加強，說明由于城市化的發(fā)展，京津冀地區(qū)大霧發(fā)生頻率及范圍背離氣候態(tài)特征越來越強，即極端事件發(fā)生的概率也在逐漸增強。

圖3 海風(fēng)穿過城區(qū)和郊區(qū)造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定變化的示意圖[34]

5 城市精細天氣預(yù)報面臨的科學(xué)技術(shù)問題

城市天氣的客觀精細預(yù)報技術(shù)的進步，在一定程度上取決于中尺度數(shù)值模式能力的提高幅度，而中尺度模式是否能夠科學(xué)地描述一系列表征城市特征的邊界層與天氣系統(tǒng)的相互作用過程，將直接影響到預(yù)報員對中尺度模式產(chǎn)品的評價和應(yīng)用。

近幾年來，應(yīng)用中尺度模式或云模式對城市效應(yīng)引起的中尺度對流系統(tǒng)的演變開展了一系列數(shù)值模擬研究工作[35-40]。概括而言，模式研究方法主要有兩種：一種是通過改變模式現(xiàn)有過程中有關(guān)城區(qū)的反射率、粗糙度、土壤熱力性質(zhì)和蒸發(fā)率等來反映城市熱動力學(xué)作用。這種辦法比較簡單，僅僅是改變了模式陸面過程中有關(guān)城市土地類型的相關(guān)參數(shù)。盡管如此，在研究城市化與對流發(fā)展的關(guān)系上，還是取得了一些令人鼓舞的成果，說明了城市陸面過程對局地對流的形成和發(fā)展產(chǎn)生了顯著影響。另一種方法是，在中尺度數(shù)值模式中耦合城市冠層模式和城市陸面模式，不僅考慮城市建筑、道路的幾何分布對熱量和機械湍流的影響，還描述了城市冠層截取的輻射量、引起的風(fēng)切變、邊界層高度變化以及人為熱源等。

盡管有關(guān)城市中尺度天氣動力學(xué)研究已經(jīng)取得了不少進展，但是，仍然存在大量的科學(xué)問題和技術(shù)難題有待進一步研究，目前還很少有真正建立針對城市環(huán)境的中尺度數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)模式，城市精細化預(yù)報業(yè)務(wù)還主要依賴于對不同分辨率數(shù)值模式產(chǎn)品的天氣學(xué)解釋應(yīng)用和統(tǒng)計釋用。而事實證明，目前的業(yè)務(wù)中尺度模式對相對孤立的β中尺度以下天氣系統(tǒng)（即不是由更大尺度系統(tǒng)激發(fā)的、具備關(guān)聯(lián)性的中小尺度系統(tǒng)）的模擬能力本身就非常有限，如果不能在模式中有效地耦合能夠真實反映城市陸面過程、城市大氣物理過程和動力過程的邊界層模式和冠層模式，城市精細化數(shù)值模式預(yù)報技術(shù)可能很難取得實質(zhì)性進展。為了解決這些科學(xué)技術(shù)問題，需要氣象科技工作者在以下三個方面共同努力：

（1）不同地理環(huán)境、不同天氣背景下城市邊界層的溫濕垂直分布、湍流交換特征的連續(xù)變化及其與自由大氣的相互作用過程的觀測研究。目前有關(guān)城市大氣環(huán)流變化的觀測和數(shù)值模擬研究結(jié)果大多基于穩(wěn)定天氣背景下或氣候平均態(tài)，據(jù)此得到的研究結(jié)果很可能造成無法真實地描述發(fā)生在城市的中尺度演變過程中的邊界層物理過程，因為絕大多數(shù)局地天氣過程、尤其是夏季中尺度對流系統(tǒng)往往發(fā)生在局地不穩(wěn)定條件或穩(wěn)定度劇烈變化的背景下。

（2）目前，有關(guān)城市大氣環(huán)流的研究主要集中在城市大氣本身，例如城市大氣能量平衡、湍流交換、城市局地環(huán)流等，而針對城市熱力作用、動力作用與大氣環(huán)流的相互作用研究比較薄弱。許多研究表明，地面熱通量對局地強風(fēng)暴和降水系統(tǒng)的影響并不只來源于當?shù)亍敃r的通量變化[41，42]。因此，城市熱量分布與低層環(huán)境流場的配置關(guān)系十分重要，因為城市地面熱通量提供的感熱能和潛熱能可能通過大氣流場在更大的范圍內(nèi)進行重新分布，對于城市群來說，它可能對更大范圍內(nèi)的天氣系統(tǒng)演變產(chǎn)生了顯著影響。

圖4 京津冀地區(qū)10年平均霧日中尺度分布特征（98個觀測站和18個基準站）（a）1989—1998年；（b）1999—2008年

（3）以稠密的城市氣象觀測資料（地面和風(fēng)廓線觀測網(wǎng)、微波等）為手段，研究造成城市高影響天

氣系統(tǒng)的中尺度精細結(jié)構(gòu)特征以及城市效應(yīng)是如何影響這些天氣系統(tǒng)的醞釀、發(fā)生、發(fā)展和消亡的物理過程等，還有待進一步破解。

6 結(jié)語與討論

高影響天氣發(fā)生發(fā)展對特大城市的物理響應(yīng)過程，是城市中尺度天氣動力學(xué)的核心問題，如何利用數(shù)值模式科學(xué)地描述這種過程是城市精細預(yù)報的發(fā)展方向。本文主要對最近二十多年來，城市中尺度天氣學(xué)和精細預(yù)報技術(shù)研究進展進行了回顧，包括以下幾個方面：（1）城市環(huán)流對中尺度降水系統(tǒng)的影響；（2）城市環(huán)流與山地環(huán)流相互作用的物理過程及其對中尺度系統(tǒng)的影響過程；（3）城市環(huán)流與海（湖）風(fēng)環(huán)流的相互作用對中尺度天氣系統(tǒng)的影響過程；（4）城市或城市群對大霧形成與分布的影響。

研究已經(jīng)表明，發(fā)展能夠反映城市建筑、街區(qū)幾何分布對熱量和機械湍流的影響，同時能夠客觀描述城市冠層輻射、垂直風(fēng)切變、邊界層高度變化以及人為熱源等物理過程的城市冠層模式，并與中尺度天氣模式進行耦合，并不斷改進城市陸面物理過程等，能夠有效地提高數(shù)值模式對地面要素的預(yù)報準確性，同時也有利于提高城市中尺度系統(tǒng)的預(yù)報能力。為了實現(xiàn)這一目標，針對特大城市的精細化觀測研究，并將研究成果應(yīng)用于模式物理過程的改進之中，是提高模式精細化預(yù)報的首要任務(wù)。

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The Essential Theory and Technology on Accurate Urban Weather Forecast

Sun Jisong
(Beijing Meteorological Observatory, Beijing 100089)

This paper reviews the advances in urban meso-scale synoptic meteorology and accurate urban weather forecast technology in the last two decades. It embodies following aspects: (1) The researches on inf l uence of urban circulation on mesoscale precipitation system; (2) The advances in physical process of interaction between urban circulation and topography, and inf l uence of the interaction on meso-scale synoptic system; (3) The progress in the interaction between urban circulation and sealand breeze, and its effect on meso-scale synoptic system; (4) The investigation on distribution and development of a big fog caused by urban or urban-group effect. Finally, the paper indicates the direction on accurate urban weather forecast technology, and fi gures that it is possibly an effectual technique to enhance the capability of accurate urban weather forecast so as to carry out an accurate observation research on typical metropolis. By using the above achievements, we may promote the physical process of meso-scale numerical mode and improve urban canopy mode (UCM).

urban, meso-scale synoptic meteorology, accurate forecast

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.002

2013年6月3日；

2013年9月9日

作者：孫繼松（1965—），Email：sunjs_0314@sina.com

資助信息：北京市科技計劃項目“極端天氣事件對城市安全運行的影響評估系統(tǒng)研究”；中國氣象局“全國強對流預(yù)報創(chuàng)新團隊”項目