成都城市化發(fā)展對(duì)局地氣候的影響

趙 旋 ,吳 遙 ,馮 勇 ,舒建川

（1.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610072；2.重慶市氣候中心,重慶 401147）

引言

城市化發(fā)展對(duì)區(qū)域及全球氣候變化的影響是人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，使得大量農(nóng)田、自然植被被混泥土、城市人為建筑所替代，城區(qū)陸面的變化造成下墊面以及大氣成分的顯著變化，下墊面熱容量增加使城市氣溫高于其附近的郊區(qū)氣溫，產(chǎn)生熱力差異，進(jìn)而影響環(huán)流[1]。隨著城市規(guī)模的發(fā)展、城市面積的擴(kuò)大和城市人口的增加，在城市下墊面的熱力、動(dòng)力作用和溫室效應(yīng)的影響下，城市化對(duì)地面氣象要素造成多方面的影響，包括最顯著的城市熱島效應(yīng)以及、降水、風(fēng)場(chǎng)、氣溫和濕度等方面的變化[2]，從而形成了城市區(qū)域氣候。

隨著城市化進(jìn)程深入而快速發(fā)展，城市面積不斷擴(kuò)大，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)城市化對(duì)區(qū)域氣候的影響開展了一系列的研究。趙娜等[3]分析了近48年城市化發(fā)展對(duì)北京區(qū)域氣候的影響，結(jié)果表明：降水有減弱的趨勢(shì)，尤其是夏季的降水減弱最為明顯；城區(qū)的風(fēng)速和濕度都呈減小的趨勢(shì)，這與城市化的加劇，尤其是下墊面的變化有密切的關(guān)系。馬新野[4]指出長(zhǎng)三角城市群擴(kuò)張改變了原有自然植被格局，導(dǎo)致近地層大氣濕度減小，進(jìn)而使夏季降水減少。Baik 等[5]發(fā)現(xiàn)城市熱島會(huì)誘發(fā)重力波，該波動(dòng)在城市下風(fēng)向地區(qū)存在上升運(yùn)動(dòng)，可誘發(fā)和強(qiáng)化濕對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這解釋了一些城市降水異常出現(xiàn)在下風(fēng)向地區(qū)。同時(shí)，城市熱島還通過(guò)與海陸風(fēng)、地形等相互作用影響降水，如長(zhǎng)三角海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)、城市熱島的相互增強(qiáng)過(guò)程與局地降水量增加有直接關(guān)系[6]。曹廣真等[7]分析京津唐地區(qū)下墊面變化對(duì)局地氣溫和降水的研究指出，城市化改變對(duì)溫度有明顯影響，尤其是下墊面覆蓋類型改變區(qū)，且降水的局地性變化很大。李景林等[8]分析烏魯木齊-昌吉地區(qū)城市化對(duì)溫度的影響，得出氣溫隨年代遞增率城市大于農(nóng)村，城市和郊區(qū)年平均氣溫遞增率分別為0.79 和 0.38℃/10a。城市與城郊最大的差別是下墊面的不同，下墊面的改變極大影響了城市地區(qū)的輻射、湍流過(guò)程以及物質(zhì)交換等；同時(shí)，由工業(yè)生產(chǎn)、交通以及人類生活排放出大量的人為熱量，使城市比郊區(qū)增加了很多額外的熱量收入[9]。麥健華等[10]研究指出，城市下墊面以及人為熱排放均加強(qiáng)了城市熱島效應(yīng)，而敏感性試驗(yàn)表明，下墊面改變引起的城市地區(qū)增溫幅度比引入人為熱源的增溫幅度大。

成都市位于四川盆地西部，川西高原東側(cè)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化進(jìn)程快、人口密度高，是高原大地形和中國(guó)東部平原的過(guò)渡區(qū)，地處區(qū)域天氣、氣候系統(tǒng)復(fù)雜地區(qū)，城市化對(duì)城市區(qū)域降水、氣溫的影響具有較強(qiáng)的局地性特征。因此，研究成都城市化對(duì)區(qū)域天氣和氣候的影響就顯得尤為重要。郝麗萍等[11]利用成都市及其所轄13 個(gè)區(qū)縣氣象站觀測(cè)資料，研究了城市化進(jìn)程對(duì)成都市氣候變化的影響，結(jié)果表明城市化對(duì)降水分布的影響為干島效應(yīng)特征，且年平均降水量有緩慢減少趨勢(shì)。姚豫奇等[12]利用耦合單層城市冠層模型的WRF 模式對(duì)成都夏季城市化效應(yīng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明城市化使成都地區(qū)日平均降水量在城區(qū)的迎風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)均有所增加。肖宇昕等[13]研究城市化對(duì)四川盆地夏季氣溫變化的影響指出，成都的城市下墊面改變對(duì)夏季地面2m 溫度的升高具有顯著影響。以上研究表明城市化對(duì)成都地區(qū)夏季降水、氣溫變化有顯著影響，但這些工作只是對(duì)夏季氣溫或降水單一氣象要素或某一天氣實(shí)況進(jìn)行研究，并沒有考慮在不同的環(huán)流背景下，城市化進(jìn)程對(duì)成都局地氣候是否存在影響。為此，本文以數(shù)值模擬為手段，在分析不同環(huán)流背景的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討土地利用類型變化較大的2001～2018 年城市化對(duì)成都地區(qū)夏季、冬季局地氣候的影響，為天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)及城市規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 模式及資料簡(jiǎn)介

本文研究使用中尺度模式WRF（v4.2）進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)垂直方向40 層，最頂層氣壓為50hPa。初始場(chǎng)資料為NCEP（National centers for Environmental Prediction）提供，每日四次(00:00，06:00，12:00，18:00，世界時(shí)，下同) 空間分辨率為0.5°×0.5°的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）資料用于模式初、邊界條件和檢驗(yàn)后期環(huán)流場(chǎng)的模擬結(jié)果，每日四次空間分辨率為0.312°×0.312°的海溫資料作為模式的海表溫度強(qiáng)迫場(chǎng)。

1.2 參數(shù)化方案及模式區(qū)域

采用數(shù)值模式WRF（v4.2）作為研究城市化對(duì)局地氣候的影響的工具，模擬研究區(qū)域以成都市中心（102.9°～105°E，30°～31.5°N）為模擬中心，模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四層嵌套區(qū)域(圖略)；第一層嵌套區(qū)域（D01）包括東亞大部分區(qū)域、青藏高原和南亞部分區(qū)域；第二層嵌套區(qū)域（D02）主要包括四川省和重慶市；第三層嵌套區(qū)域（D03）為四川中西部和東部區(qū)域；模擬研究的核心區(qū)域（D04）主要包括成都市行政區(qū)域及部分成都市東北的平原區(qū)域和西北的高山峽谷區(qū)域。用于模式的物理參數(shù)化方案及網(wǎng)格設(shè)置參見表1。

表1 參數(shù)化方案設(shè)定

為更好的研究城市化對(duì)局地氣候的影響，本次試驗(yàn)分別采用 2001 年和2018 年成都地區(qū)城建土地利用類型資料數(shù)據(jù)進(jìn)行兩組試驗(yàn)（圖1）。第1 組試驗(yàn)采用2001 年成都市下墊面條件作為控制試驗(yàn)（圖1a，簡(jiǎn)稱：CLT），該時(shí)期成都地區(qū)城建土地利用區(qū)域較小，反映了成都市在城市化快速發(fā)展前的特征。第2 組試驗(yàn)采用2018年成都市下墊面條件作為敏感性試驗(yàn)（圖1b，簡(jiǎn)稱：SEN），2018 年城市下墊面區(qū)域有明顯的擴(kuò)張，反映了成都市在城市化快速發(fā)展后的特征。

圖1 成都地區(qū)模擬區(qū)域及土地利用類型（a.CLT，b.SEN）

由于特殊的地理位置和地形條件使得成都地區(qū)的氣候既受東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)的影響，同時(shí)又受高原大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響[14]，不同的環(huán)流背景對(duì)成都地區(qū)夏季降水的多少和冬季重污染天氣有直接影響，而冬季降水少是造成空氣污染的重要因素[15]。為了更好的對(duì)比不同環(huán)流背景下城市化進(jìn)程對(duì)成都地區(qū)氣候的影響，本次試驗(yàn)選擇成都市溫江國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站降水較多的2014 年7 月（夏季）及降水較少的2007年7 月，以及污染較重的2014 年1 月（冬季）及較輕的2019 年1 月的大尺度環(huán)流數(shù)據(jù)，將SEN 試驗(yàn)減去CTL 試驗(yàn)的結(jié)果作為城市化的影響，通過(guò)比較SEN試驗(yàn)與CTL 試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)比分析在典型季節(jié)內(nèi)城市擴(kuò)張對(duì)區(qū)域氣候的影響。兩組試驗(yàn)除下墊面數(shù)據(jù)不同以外，其余參數(shù)化方案等模式結(jié)構(gòu)均相同。模式積分時(shí)段為2014 年1 月1 日00 時(shí)～2 月1 日00 時(shí)；2019 年1 月1 日00 時(shí)～2 月1 日00 時(shí)；2007 年7 月1日00 時(shí)～8 月1 日00 時(shí)；2014年7 月1 日00 時(shí)～8 月1日00 時(shí)。

2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.1 成都地區(qū)下墊面變化對(duì)夏季局地氣候影響

2.1.1 城市化對(duì)溫度的影響

通過(guò)模擬可知，對(duì)應(yīng)2007 年7 月的背景環(huán)流場(chǎng)，CTL 試驗(yàn)和SEN 試驗(yàn)得到的月平均2m 氣溫總體分布較為一致（圖略），成都市城區(qū)氣溫普遍較高。這是由于城市下墊面主要為混凝土建筑物及柏油路面，城市化使城市下墊面的地表反照率、熱傳導(dǎo)率以及熱容量發(fā)生顯著改變[16]，在太陽(yáng)直接輻射下，城市地面溫度升溫比郊區(qū)快，下墊面溫度較高加強(qiáng)了對(duì)邊界層大氣的向上感熱輸送，導(dǎo)致2m 氣溫相對(duì)偏高[17?20]。隨著城市的發(fā)展擴(kuò)張，28℃以上區(qū)域擴(kuò)大，擴(kuò)大范圍主要集中在溫江區(qū)、郫都區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)、雙流區(qū)等區(qū)域。如圖2a 所示，成都市城區(qū)及其東北和西南部分地區(qū)2m 氣溫明顯升高，中心城區(qū)、溫江區(qū)、新都區(qū)均存在明顯的正值中心，溫差普遍在1℃以上，溫度升高最明顯。

以夏季降水偏多的2014 年7 月為背景環(huán)流場(chǎng)得到的模擬結(jié)果(圖2b)與以降水偏少的2007 年7 月為背景環(huán)流場(chǎng)的結(jié)果(圖2a) 作對(duì)比，CTL 試驗(yàn)和SEN試驗(yàn)氣溫的總體分布特征類似，氣溫在中心城區(qū)偏高，隨著城市發(fā)展，28℃以上的高溫區(qū)域同樣擴(kuò)大并主要向東北和西南擴(kuò)張，原本就屬于城區(qū)的中心城區(qū)地表氣溫進(jìn)一步升高，且城區(qū)的外擴(kuò)導(dǎo)致以往不屬于城區(qū)的區(qū)域氣溫升高。

圖2 2007 年7 月（a）和2014 年7 月（b）2m 氣溫差值（SEN-CTL）空間分布（單位：°C）

2.1.2 城市化對(duì)降水和暴雨日數(shù)的影響

對(duì)比以夏季降水偏少的2007 年7 月（圖3）和以夏季降水偏多的2014 年7 月（圖4）為背景環(huán)流場(chǎng)的CTL 試驗(yàn)，月累計(jì)降水總體呈現(xiàn)出西部山區(qū)和城區(qū)西南部偏多的特征，降水變化的局地性特征明顯。2007 年7 月兩組試驗(yàn)?zāi)M的10m 風(fēng)速，在成都市地區(qū)以東北風(fēng)為主（圖略）。由圖4 可見，城市化使成都市中心主城區(qū)上空降水明顯減少，而降水增多的區(qū)域主要位于溫江區(qū)、雙流區(qū)和新津縣一帶（下風(fēng)區(qū)）。同時(shí)，在西部山區(qū)，由CTL 試驗(yàn)?zāi)M的降水主要集中在都江堰市和崇州市中部地區(qū)，而SEN 試驗(yàn)?zāi)M的降水主要集中在大邑縣北部和崇州市西部地區(qū)，城市化使西部山區(qū)降水高值中心不斷向西南方向發(fā)展（下風(fēng)區(qū)）。由圖4 差值(SEN-CTL)模擬結(jié)果可知，降水高值中心主要集中在簡(jiǎn)陽(yáng)市、溫江區(qū)、崇州市和汶川縣東南部地區(qū)，2014 年7 月成都市地區(qū)以東南風(fēng)為主（圖略），使得降水高值中心向城市的西北方向發(fā)展（下風(fēng)區(qū)）。對(duì)比2007 年7 月和2014 年7 月的模擬結(jié)果表明，城市化對(duì)城市區(qū)域降水有顯著的影響，由于城區(qū)面積擴(kuò)大導(dǎo)致自然植被減少，潛熱通量變小，進(jìn)而減少地表蒸發(fā)以及局地大氣水分的供給，從而使得城區(qū)上空降水減少[21]，并且城市化對(duì)降水量的影響與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切，城區(qū)上風(fēng)向區(qū)域降水量以減少為主，降水量增多區(qū)域通常位于城市下風(fēng)區(qū)。

以2007 年7 月和2014 年7 月為環(huán)流背景場(chǎng)的暴雨日數(shù)CTL 試驗(yàn)和SEN 試驗(yàn)的結(jié)果（圖略）表明，暴雨日數(shù)與其對(duì)應(yīng)的7 月累計(jì)降水量（圖3～4）總體分布基本一致。由圖5 可以看出，城市下風(fēng)區(qū)暴雨日數(shù)明顯增多，城市下墊面變化使得發(fā)生強(qiáng)降水的概率增加，并且強(qiáng)降水在空間分布上更為集中在城市下風(fēng)向區(qū)。

圖3 2007 年7 月控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)月累計(jì)降水和差值空間分布（a.CTL，b.SEN，c.SEN-CTL，單位：mm）

圖4 同圖3，但為2014 年7 月

圖5 2007 年7 月（a）和2014 年7 月（b）暴雨日數(shù)差值（SEN-CTL）分布（單位：d）

2.2 成都地區(qū)下墊面變化對(duì)冬季局地氣候影響

2.2.1 城市化對(duì)溫度的影響

為進(jìn)一步了解下墊面改變對(duì)氣候產(chǎn)生影響的時(shí)間變化特征，通過(guò)數(shù)值模擬分析了對(duì)成都地區(qū)冬季氣溫的影響（圖6～7），可以看出，以2014年1月為環(huán)流背景的CTL試驗(yàn)和SEN 試驗(yàn)的氣溫明顯要高于2019 年1 月的試驗(yàn)結(jié)果，表明2019 年1 月的環(huán)流背景有可能導(dǎo)致更多的冷空氣進(jìn)入成都，有利于市區(qū)污染空氣的擴(kuò)散，這也與2019 年1 月觀測(cè)的空氣質(zhì)量指數(shù)偏好一致。在兩個(gè)不同年份的環(huán)流背景下，隨著城市的發(fā)展，SEN 試驗(yàn)中的城區(qū)氣溫都明顯升高，由于2019 年1月氣溫偏低，SEN 試驗(yàn)的氣溫相對(duì)于CTL 試驗(yàn)增加的幅度比2014 年1 月環(huán)流背景下兩個(gè)試驗(yàn)的變化幅度要偏小一些。相比夏季的模擬結(jié)果，冬季氣溫變化特征與夏季氣溫變化總體一致，隨著城市化發(fā)展的不斷擴(kuò)張而升高。對(duì)比冬夏兩季差值（SEN-CTL）模擬試驗(yàn)結(jié)果（圖略）發(fā)現(xiàn)，冬季溫度雖有升高，但覆蓋范圍較小，主要集中在下墊面改變區(qū)的覆蓋范圍附近，而夏季溫度升高的涉及范圍更廣，沿城市東北和西南方向延伸發(fā)展，這可能是由于成都地區(qū)冬季多云，能到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射較夏季大大減小，使得城市化導(dǎo)致的升溫作用沒有夏季顯著。

圖6 2014 年1 月控制試驗(yàn)（a.CTL）和敏感性試驗(yàn)（b.SEN）2m 氣溫空間分布（單位：°C）

2.2.2 城市化對(duì)降水的影響

對(duì)比以冬季污染較重的2014 年1 月（圖8）和空氣質(zhì)量較好的2019 年1 月（圖9）為環(huán)流背景場(chǎng)的兩組試驗(yàn)，由于地形的抬升作用，月累計(jì)降水在西部山區(qū)和龍泉山脈附近較多，以2019 年1 月為環(huán)流背景場(chǎng)的CTL 試驗(yàn)和SEN 試驗(yàn)的降水明顯偏多，相反在2014 年1 月環(huán)流背景下成都市城區(qū)降水普遍較少，而降水是清除空氣污染物的有效方式，這與2014 年冬季污染較重有直接關(guān)系。2014 年1 月兩組試驗(yàn)?zāi)M的10m 風(fēng)速，在成都市地區(qū)以東北風(fēng)為主（圖略）。如圖8 所示，降水增多的區(qū)域主要集中在邛崍市、浦江縣，還有部分降水增多區(qū)域在都江堰市、溫江區(qū)一帶；降水的高值中心和低值中心都位于邛崍市西北部，而該區(qū)域?yàn)槠憋L(fēng)（圖略），說(shuō)明城市化使降水在上風(fēng)區(qū)明顯減少，降水增多的區(qū)域主要位于下風(fēng)區(qū)。如圖9 所示，2019 年1 月兩組試驗(yàn)?zāi)M的10m 風(fēng)速，成都市中心城區(qū)以東南風(fēng)為主（圖略），降水增多的高值中心位于溫江區(qū)、雙流區(qū)一帶，中心城區(qū)降水明顯減少；成都市北部郫縣、新都區(qū)和彭州市以東北風(fēng)為主（圖略），成都市北部大部分地區(qū)降水明顯減少(上風(fēng)區(qū))，而降水高值中心主要位于都江堰市（下風(fēng)區(qū)）。對(duì)比夏季和冬季的模擬結(jié)果可知，城市化對(duì)城市區(qū)域降水有顯著的影響，城區(qū)上風(fēng)向區(qū)域降水量以減少為主，降水量增多區(qū)域通常位于城市下風(fēng)區(qū)。

圖8 同圖3，但為2014 年1 月

圖9 同圖3，但為2019 年1 月

圖7 同圖6，但為2019 年1 月

3 結(jié)論

利用中尺度模式WRF（v4.2），分別將2001 年和2018 年下墊面條件作為CTL 試驗(yàn)和SEN 試驗(yàn)的模擬條件，通過(guò)兩組試驗(yàn)對(duì)比分析，重點(diǎn)研究城市化對(duì)成都地區(qū)溫度、降水的影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，夏季氣溫在中心城區(qū)偏高，28℃以上的高溫區(qū)域擴(kuò)大并主要向東北和西南擴(kuò)張，擴(kuò)大范圍主要集中在溫江區(qū)、郫都區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)、雙流區(qū)等區(qū)域，中心城區(qū)的地表氣溫進(jìn)一步升高，溫差普遍在1℃以上，溫度升高明顯。冬季溫度雖有升高，但覆蓋范圍較小，主要集中在下墊面改變區(qū)的覆蓋范圍附近，夏季和冬季城區(qū)氣溫升高的區(qū)域分布總體一致，中心城區(qū)的地表氣溫升高明顯，且城區(qū)的外擴(kuò)導(dǎo)致周邊區(qū)域地表氣溫升高。成都地區(qū)冬季常為多云天氣，能到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射較夏季大大減小，城市化導(dǎo)致的升溫作用沒有夏季顯著。在2019 年冬季環(huán)流背景下，更多的冷空氣進(jìn)入成都，導(dǎo)致氣溫偏低，有利于市區(qū)污染空氣的擴(kuò)散，城區(qū)地表氣溫明顯低于污染較重的2014 年。

（2）2007 年夏季，成都市以東北風(fēng)為主，降水增多的區(qū)域主要位于溫江區(qū)、雙流區(qū)和新津縣一帶（下風(fēng)區(qū)）。2014 年夏季，成都市以東南風(fēng)為主，降水高值中心由東南部地區(qū)向城市西北方向發(fā)展（下風(fēng)區(qū)）。2014 年冬季，降水高低值中心都位于邛崍市西北部，而該區(qū)域?yàn)槠憋L(fēng)，上風(fēng)區(qū)為低值中心，下風(fēng)區(qū)為高值中心。2019 年冬季，成都市中心城區(qū)以東南風(fēng)為主，降水增多的高值中心位于溫江區(qū)、雙流區(qū)一帶。成都市北部以東北風(fēng)為主，北部大部分地區(qū)降水明顯減少(上風(fēng)區(qū))，高值中心主要位于都江堰市（下風(fēng)區(qū)）。城市化對(duì)城市區(qū)域降水有顯著的影響，且對(duì)降水量的影響與風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切，城市上風(fēng)區(qū)降水量以減少為主，下風(fēng)區(qū)降水量以增多為主，城市化使得發(fā)生強(qiáng)降水的概率增加，并且強(qiáng)降水在空間分布上更為集中在城市下風(fēng)區(qū)。