南京地區(qū)城市下墊面特征對(duì)雷暴過(guò)程影響的數(shù)值模擬

徐蓉苗峻峰談?wù)苊?/p>

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044

2南京大學(xué)中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210093

1 引言

隨著城市的發(fā)展，一個(gè)地區(qū)的人口向城市地區(qū)相對(duì)集中，城市化進(jìn)程的加劇改變了下墊面的特征，Leff et al.（2004）研究表明人為因素對(duì)地球表面土地覆蓋以及土地利用類(lèi)型造成了顯著的改變（如：農(nóng)田、牧場(chǎng)、都市化地區(qū)等）。城市化進(jìn)程最顯著的影響就是城市熱島效應(yīng)，即城區(qū)氣溫普遍高于周?chē)紖^(qū)，形成“高溫孤島”的現(xiàn)象。Manley（1958）提出了城市熱島（Urban Heat Island，UHI）的概念，此后，各國(guó)學(xué)者對(duì)不同緯度、不同類(lèi)型的城市作了城、郊?xì)鉁貙?duì)比觀測(cè)，也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象。城市化進(jìn)程不僅影響地表及上空大氣的熱力屬性，也使地氣間的動(dòng)力過(guò)程發(fā)生改變。研究也發(fā)現(xiàn)：城市區(qū)域的高大建筑物會(huì)影響近地層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)（Huff and Changnon, 1973; Bornstein and Lin, 2000;Shepherd and Burian, 2003; Dixon and Mote, 2003）。

雷暴是在發(fā)展強(qiáng)烈的積雨云中產(chǎn)生的，伴有雷電活動(dòng)和陣性降水的局地強(qiáng)對(duì)流天氣，是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。它的發(fā)生不僅與大氣背景有關(guān)，還與局地天氣氣候變化相聯(lián)系。當(dāng)城區(qū)原本植物覆蓋的自然下墊面被替代為磚石、水泥等堅(jiān)硬密實(shí)、干燥不透水的建筑材料后，影響了地表的能量交換，改變邊界層的大氣特性，進(jìn)而產(chǎn)生天氣現(xiàn)象（Cotton and Pielke, 2007），這種獨(dú)特性質(zhì)對(duì)雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣具有重要影響，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了分析和探討。Baik et al.（2001）應(yīng)用二維數(shù)值模式，證實(shí)熱島效應(yīng)可以改變對(duì)流邊界層結(jié)構(gòu)和局地環(huán)流, 從而影響對(duì)流發(fā)展。Gero and Pitman（2006）通過(guò)運(yùn)用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式，發(fā)現(xiàn)悉尼城區(qū)土地覆蓋類(lèi)型的改變促使了雷暴的生成。蒙偉光等（2007a）針對(duì)廣州地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)UHI引起局地氣流輻合并引發(fā)對(duì)流發(fā)展，對(duì)流降水易于在 UHI 發(fā)展較強(qiáng)的時(shí)段和位置上發(fā)生。Niyogi et al（.2011）使用MM5（Mesoscale Model 5）的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)城市被旱地、農(nóng)田或牧場(chǎng)替換后，區(qū)域上的輻合、模擬的基本反射率、表面能量平衡等發(fā)生改變，因此城市下墊面特征為其上空雷暴的發(fā)展帶來(lái)顯著影響。

南京是長(zhǎng)江三角洲的中心城市，近年來(lái)城市化進(jìn)程迅猛發(fā)展（王桂玲等，2007），2010年第六次全國(guó)人口普查顯示南京常住總?cè)丝谝淹黄?00萬(wàn)。江志紅和葉麗梅（2010）研究近十年南京熱島演變發(fā)現(xiàn)，高速增長(zhǎng)的GDP（Gross Domestic Product）導(dǎo)致 UHI現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。同時(shí)南京的年平均雷暴日為31.5 d，屬于雷災(zāi)高度脆弱區(qū)（張旭暉等，2007；朱飆等，2009），且夏季多發(fā)生局地雷暴。目前針對(duì)城市化進(jìn)程加劇對(duì)強(qiáng)對(duì)流的影響研究主要集中于上海、北京、珠三角等地，對(duì)南京的研究較少。本文選擇南京作為研究地區(qū)，運(yùn)用數(shù)值模式以及觀測(cè)資料綜合分析城市下墊面對(duì)雷暴的影響，本研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，也能為城市的發(fā)展規(guī)劃提供理論和科學(xué)依據(jù)。

2 研究個(gè)例描述

2011年7月23日下午南京主城區(qū)出現(xiàn)雷暴，降水過(guò)程發(fā)生在13:30～16:00（北京時(shí)，下同），給部分站點(diǎn)帶來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水。由當(dāng)天的天氣形勢(shì)可以看出（圖 1a、b），500 hPa西風(fēng)槽位置偏西，副熱帶高壓占據(jù)日本以南的西北太平洋到我國(guó)東部地區(qū)，588 dagpm等高線壓在江淮之間南部，南京位于高壓的頂后部，副高西北側(cè)的西南氣流向江淮地區(qū)輸送暖濕空氣，結(jié)合從東北地區(qū)延伸出的槽底后部弱的偏北氣流相互作用，為對(duì)流性天氣提供背景條件。850 hPa關(guān)鍵區(qū)處于高壓的西南氣流控制下，無(wú)明顯切變線系統(tǒng)。由08:00的探空實(shí)況（圖略）可知，700 hPa淮河以南大部分地區(qū)處于干區(qū)。

圖1 NCEP FNL 1°×1°資料2011年7月23日08:00的風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：dagpm）：(a) 500 hPa; (b) 850 hPa。★表示南京位置Fig.1 Winds (m/s) and geopotential height field (dagpm) at 0800 BT (Beijing Time) 23 July 2011 for NCEP FNL 1°×1° data: (a) 500 hPa, (b) 850 hPa.★represents the location of Nanjing

圖2 南京雷達(dá)觀測(cè)到的2011年7月23日的雷達(dá)回波（單位：dBZ）：(a) 13:30；(b) 13:54；(c) 14:36；(d) 15:54Fig.2 Radar reflectivity (dBZ) images based on Nanjing radar observation on 23 July 2011: (a) 1330 BT; (b) 1354 BT; (c) 1436 BT; (d) 1554 BT

由當(dāng)天南京的雷達(dá)圖可以看到，13:30左右有一雷暴單體于主城區(qū)（北極閣附近）局地生成（圖2a），隨后逐漸加強(qiáng)（圖2b），到14:36發(fā)展旺盛，1.5°仰角的反射率因子最高可達(dá) 50 dBZ以上（圖2c），該單體向東南移動(dòng)擴(kuò)散并漸漸削弱，到15:54完全消散（圖 2d），在此期間，主城區(qū)觀測(cè)得到的逐時(shí)最大降水超過(guò)40 mm。另外，當(dāng)天下午安徽滁州境內(nèi)生成一次對(duì)流過(guò)程，于15:00～16:00移經(jīng)南京長(zhǎng)江以北的六合附近加強(qiáng)發(fā)展并帶來(lái)降水，隨后向東北方向移出，本文對(duì)該過(guò)程未作討論。

綜合來(lái)看，在南京主城區(qū)上空的這次雷暴過(guò)程發(fā)生在偏弱的強(qiáng)迫天氣系統(tǒng)中，其發(fā)生發(fā)展突然、生命史短、影響范圍局地，同時(shí)帶來(lái)的降水強(qiáng)度較大，對(duì)流降水的形成發(fā)展都可能與城市的影響效應(yīng)有關(guān)。本文選擇該個(gè)例作為研究對(duì)象，分析城市下墊面特征對(duì)這次雷暴天氣的作用與影響。

3 數(shù)值模式與試驗(yàn)方案

3.1 模式定制

本文采用中尺度數(shù)值模式WRF（版本3.3）進(jìn)行數(shù)值模擬研究。Chen et al.（2011）研究表明WRF能應(yīng)用于城市氣象的相關(guān)影響研究。模式使用四重嵌套方案，水平格距與格點(diǎn)數(shù)分別為 27 km（110×110）、9 km（202×202）、3 km（190×190）、1 km（91×160），垂直方向按照σ位面分為不等距35層，其中2 km以下設(shè)置20層（Miao et al., 2008,2009）。模式的嵌套區(qū)域及最外層的地形高度分布如圖3a所示，最外層中心點(diǎn)為（32.50°N，118.21°E），范圍為我國(guó)中東大部地區(qū)，提供大的背景強(qiáng)迫。最內(nèi)層區(qū)域?yàn)槟暇┘捌渲苓叄▓D 3b）, 圖 3c為其土地利用類(lèi)型分布，其中主要類(lèi)型為：農(nóng)田（黃色），城市及建筑用地（紅色），水體（藍(lán)色）、針（闊）葉林（綠色）。

模式使用1°×1°每日4次的NCEP FNL全球分析場(chǎng)資料，從2011年7月22日08:00開(kāi)始積分，積分48小時(shí)。試驗(yàn)選用的物理參數(shù)化方案如表1所示，其中第3、4層因水平格距小于5 km，所以未使用積云方案。陸面方案中選取Noah耦合單層城市冠層模式（Urban Canopy Model，簡(jiǎn)稱(chēng)UCM），UCM 將城市街區(qū)視為二維，在地表能量平衡和風(fēng)切變計(jì)算中考慮城市幾何形狀的影響（Kusaka et al., 2001）。研究表明采用 WRF/Noah/UCM 耦合模式能較好的模擬城市大氣邊界層結(jié)構(gòu)，反映城市下墊面特征及城郊差異造成的UHI效應(yīng)（Miao et al., 2009）。

圖3 模擬區(qū)域示意圖：（a）模式地形（單位：m）及嵌套區(qū)域，（b）D4區(qū)域地形高度（單位：m，Xjc代表小校場(chǎng)站，Nj代表南京站，AB連線為文中所取剖面），（c）D4區(qū)域土地利用類(lèi)型（1城市，2水體，3農(nóng)田，4常綠針葉林，5常綠闊葉林，6落葉針葉林，7落葉闊葉林，8 混交林，9郁閉灌叢，10開(kāi)放灌叢，11草原，12冰雪，13裸地，14其他）Fig.3 Modeling domain settings of the simulation: (a) Model terrain (m) and domains 1, 2, 3, and 4 (denoted by D1, D2, D3, and D4), (b) model terrain (m) in D4,Xjc, Nj represent Xiaojiaochang, Nanjing station respectively, solid line AB indicates the location of the vertical cross section used in this study, (c) land use category in D4 (1 Urban and Built-Up, 2 Water, 3 Croplands, 4 Evergreen Needleleaf Forest, 5 Evergreen Broadleaf Forest, 6 Deciduous Needleleaf Forest, 7 Deciduous Broadleaf Forest, 8 Mixed Forest, 9 Closed Shrublands, 10 Open Shrublands, 11 Grasslands, 12 Snow and Ice, 13 Barren or Sparsely Vegetated, 14 Others)

圖4 敏感性試驗(yàn)?zāi)暇┑貐^(qū)下墊面的土地利用類(lèi)型分布：(a) CROP試驗(yàn)；(b) URBAN試驗(yàn)（1城市，2水體，3農(nóng)田，4常綠針葉林，5常綠闊葉林，6落葉針葉林，7落葉闊葉林，8混交林，9郁閉灌叢，10開(kāi)放灌叢，11草原，12冰雪，13裸地，14其他）Fig.4 Land use category in Nanjing for the sensitivity experiments: (a) Expt CROP; (b) Expt URBAN (1 Urban and Built-Up, 2 Water, 3 Croplands, 4 Evergreen Needleleaf Forest, 5 Evergreen Broadleaf Forest, 6 Deciduous Needleleaf Forest, 7 Deciduous Broadleaf Forest, 8 Mixed Forest, 9 Closed Shrublands, 10 Open Shrublands, 11 Grasslands, 12 Snow and Ice, 13 Barren or Sparsely Vegetated, 14 Others)

表1 模式參數(shù)設(shè)置Table 1 Settings of the simulation experiments

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了三種試驗(yàn)方案，均采用相同的物理參數(shù)配置，分別為：

（1）CNTL試驗(yàn)：控制試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用Boston University/NCEP提供的 MODIS 30″的下墊面格點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠相對(duì)準(zhǔn)確的體現(xiàn)近年來(lái)南京的土地使用情況。

（2）CROP試驗(yàn)：敏感性試驗(yàn) 1。該試驗(yàn)將最內(nèi)層的城市類(lèi)型下墊面全部替換為最內(nèi)層占土地利用率最大的類(lèi)型：農(nóng)田。與控制實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以反映當(dāng)前城市下墊面在雷暴發(fā)生發(fā)展過(guò)程的作用，圖4a為其下墊面土地利用類(lèi)型分布。

（3）URBAN試驗(yàn)：敏感性試驗(yàn) 2。該試驗(yàn)將最內(nèi)層的農(nóng)田類(lèi)型下墊面全部替換為城市，這是為了進(jìn)一步考慮城市下墊面極端擴(kuò)張后對(duì)雷暴的可能影響，圖4b為其下墊面土地利用類(lèi)型分布。

4 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

圖5 2011年7月23日12:00～16:00觀測(cè)（數(shù)字）與CNTL試驗(yàn)?zāi)M（陰影，H表示強(qiáng)降水中心）的累計(jì)降水（單位：mm）Fig.5 Accumulated precipitation (mm) between 1200 and 1600 BT on 23 July 2011 from the observation (numbers) and Expt CNTL (CONTROL)simulation (color shading, H represents the heavy rain center)

本次雷暴過(guò)程中，試驗(yàn)?zāi)M的降水較實(shí)際提前1～2小時(shí)左右。本文選取了南京市10個(gè)自動(dòng)站資料，給出2011年7月23日12:00～16:00累計(jì)降水量觀測(cè)值與模擬值的對(duì)比（圖5）。由圖可見(jiàn)，觀測(cè)站實(shí)際降水最大值達(dá)到46.8 mm，位于小校場(chǎng)自動(dòng)站（站號(hào)：M6800，經(jīng)度：118.81°E，緯度：32.00°N），CNTL試驗(yàn)?zāi)M的強(qiáng)降水中心值為46 mm，在降水強(qiáng)度上與實(shí)際觀測(cè)相近，中心位置略偏向小校場(chǎng)的東北部。江寧、溧水區(qū)域也模擬出降水過(guò)程，基本能反映出該主城區(qū)雷暴過(guò)程的強(qiáng)降水分布特征。

圖6a–c分別給出7月23日，控制試驗(yàn)CNTL的模擬結(jié)果與小校場(chǎng)站觀測(cè)結(jié)果逐小時(shí)的溫度、地面氣壓、相對(duì)濕度隨時(shí)間變化的對(duì)比情況。由圖可見(jiàn)，隨著雷暴系統(tǒng)逐漸移近，CNTL模擬的氣象要素場(chǎng)表現(xiàn)為溫度驟降，氣壓涌升，以及相對(duì)濕度明顯上升。在溫度場(chǎng)上，CNTL模擬的溫度下降時(shí)間比實(shí)際晚2小時(shí)，且最高溫度較實(shí)際偏低了1°C。在氣壓變化上，模擬的最低值較觀測(cè)偏低1 hPa，上升時(shí)間比實(shí)際推遲1小時(shí)。相對(duì)濕度的時(shí)間變化比較貼近，都是從13:00左右相對(duì)濕度迅速上升，但沒(méi)有體現(xiàn)出實(shí)際觀測(cè)在16:00左右出現(xiàn)的峰值。模擬誤差存在的原因可能與模式的參數(shù)設(shè)置相關(guān)。但總體而言，CNTL模擬結(jié)果與實(shí)況變化趨勢(shì)大體一致，能夠貼切的反映出此次雷暴過(guò)境的特征。

5 城市下墊面對(duì)雷暴過(guò)程的影響

5.1 雷暴前期UHI特征

UHI可以通過(guò)比較城市與郊區(qū)不同的站點(diǎn)資料粗略表示。選取小校場(chǎng)站為南京主城區(qū)的代表站，選取2008年移至城郊的南京站（站號(hào)：58238，經(jīng)度：118.90°E，緯度：31.93°N）作為郊區(qū)站，用實(shí)況氣溫差值反映熱島強(qiáng)度，由圖7可見(jiàn)上午06:00～12:00有正的熱島強(qiáng)度，最高達(dá)到1°C。隨后由于雷暴過(guò)程給小校場(chǎng)站造成強(qiáng)降水，逐時(shí)最大降水出現(xiàn)在14:00（圖7中三角表示），降低城區(qū)地表溫度，使熱島強(qiáng)度表現(xiàn)為負(fù)值。圖8給出了上午10:00雷暴發(fā)生前，CNTL模擬的模式第一層（約50 m）的溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的演變情況。可以看出，局地雷暴發(fā)生前期，以長(zhǎng)江為分界，江南的主城區(qū)以及江北的浦口一帶表現(xiàn)為明顯的暖中心，尤其是主城區(qū)，溫度最高達(dá)31°C以上，比鄰近郊區(qū)要高1～1.5°C左右，主城區(qū)上空由東南風(fēng)控制，風(fēng)速較小，城市上空的熱島效應(yīng)十分明顯。

圖6 CNTL試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的站點(diǎn)資料比較：(a) 溫度（單位：°C)；(b) 氣壓（單位：hPa)；(c) 相對(duì)濕度Fig.6 Comparisons between expt CNTL experiment and the observation (OBS): (a) Temperature (°C); (b) pressure (hPa); (c) relative humidity

圖7 2011年7月23日城市觀測(cè)站（小校場(chǎng)站，簡(jiǎn)稱(chēng)Xjc）與郊區(qū)觀測(cè)站（南京站，簡(jiǎn)稱(chēng)Nj）描述的熱島強(qiáng)度（Δ 表示小校場(chǎng)站出現(xiàn)逐時(shí)最大降水時(shí)刻）Fig.7 UHI intensity depicted by surface temperature differences between urban (Xiaojiaochang, Xjc) and rural (Nanjing, Nj) sites on 23 July 2011(Δ represents the occurrence time of hourly maximum precipitation at Xjc)

WRF能模擬各氣象要素場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)，可以清晰看出雷暴前期熱島環(huán)流三維結(jié)構(gòu)。圖9為10:00沿圖 3b中 AB 連線（32.00°N，118.55°～119.21°E）的位溫場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的剖面圖。由于垂直速度遠(yuǎn)小于水平風(fēng)速，在計(jì)算垂直風(fēng)矢量時(shí)選取緯向風(fēng)u與擴(kuò)大20倍的垂直風(fēng)w合成以便顯示，圖中的紅條代表城市，藍(lán)條代表長(zhǎng)江，灰條代表小山體。分析發(fā)現(xiàn)城市下墊面上空表現(xiàn)為相對(duì)的位溫高值中心，比周?chē)s高0.5～1 K左右。位溫高值區(qū)上對(duì)應(yīng)有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，118.85°E附近上空垂直速度可超過(guò) 10 cm s–1，到1.1～1.6 km高度上氣流向兩側(cè)輻散。流經(jīng)城區(qū)東側(cè)郊區(qū)上空（119.20°E附近）出現(xiàn)較強(qiáng)的下沉氣流，中心值達(dá)－15 cm s–1，低層則是一個(gè)由郊區(qū)吹向城市的風(fēng)。而在城區(qū)西側(cè)（118.70°E附近），結(jié)合長(zhǎng)江水體造成的水陸熱力差異作用，進(jìn)一步加強(qiáng)城市上空氣流的上升運(yùn)動(dòng)，最大速度達(dá)25 cm s?1，對(duì)應(yīng)水體上方也有較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)。此次雷暴發(fā)生前期，由城郊下墊面熱力差異導(dǎo)致的典型熱島環(huán)流可為雷暴的形成提供低空風(fēng)場(chǎng)輻合和較好的組織抬升機(jī)制，因此南京地區(qū)的這次雷暴過(guò)程與 UHI存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。

圖8 2011年7月23日10:00 CNTL試驗(yàn)?zāi)Ｊ降谝粚樱s50 m）溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)Fig.8 Temperature and wind fields at the first model level (about 50 m) at 1000 BT 23 July 2011 in expt CNTL

圖9 2011年7月23日10:00 CNTL試驗(yàn)沿圖3b中AB的位溫場(chǎng)（陰影，單位：K），東西向環(huán)流（箭頭矢量）和垂直速度w（等值線，單位：cm s?1）垂直剖面。紅條、藍(lán)條、灰條分別為CNTL中城市下墊面、長(zhǎng)江和小山體Fig.9 Vertical cross section (0–2 km) through line AB shown in Fig.3b at 1000 BT 23 July 2011 depicting potential temperature (color shades, K), wind field(vector), and vertical velocity (contour, cm s?1).The locations of urban areas, the Yangtze River, and the hill region in expt CNTL are outlined respectively in red, blue, and grey along the x–axis

5.2 城市下墊面對(duì)近地面2 m溫度、地表通量、邊界層高度的影響

城市特殊的下墊面特征使其上的溫度、熱通量等都區(qū)別于郊區(qū)。地表能夠通過(guò)感熱和潛熱通量不斷加熱，來(lái)影響邊界層的大氣結(jié)構(gòu)（萬(wàn)齊林，2000），進(jìn)而對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生作用。針對(duì)最能集中體現(xiàn)城市下墊面的影響的區(qū)域（圖3c中矩形區(qū)域所示，簡(jiǎn)稱(chēng)核心城區(qū)），分析影響效應(yīng)。

5.2.1 近地面2 m溫度

由圖10a可以看出，三個(gè)試驗(yàn)均為白天高于夜晚，峰值基本出現(xiàn)在正午12:00左右，但URBAN試驗(yàn)值更高，達(dá)到33°C左右，比控制實(shí)驗(yàn)高出1°C。在15:00～16:00，URBAN比CNTL試驗(yàn)低了0.6～1°C（圖10b），與URBAN在該時(shí)刻模擬出了較大的降水相關(guān)。從差值序列上可見(jiàn)，將城市變?yōu)檗r(nóng)田后，近地面溫度明顯降低，而城市極端擴(kuò)張后則明顯升高，體現(xiàn)了城市下墊面上高溫的特征。

5.2.2 感熱通量

感熱通量能夠反映大氣湍流熱交換的狀況。圖10c、d為感熱通量時(shí)序圖，將城市變?yōu)檗r(nóng)田后，白天的感熱通量明顯下降，差值在 13:00可達(dá) 85 W m?2，表明城市下墊面使白天時(shí)段的感熱交換增大。URBAN與CROP的差值場(chǎng)上也有同樣的變化特點(diǎn)。與郊區(qū)相比，城市下墊面多由堅(jiān)硬密實(shí)、熱容量小的建筑材料組成，受太陽(yáng)輻射加熱后地表升溫快，對(duì)低層大氣傳輸熱量相對(duì)較多，其感熱通量較大，迫使城區(qū)上方的空氣塊迅速地被加熱抬升，并且引發(fā)周?chē)諝獾难a(bǔ)償性輻合, 使大氣低層形成了輻合中心，且感熱的輸送也使得不穩(wěn)定能量易于釋放。

5.2.3 潛熱通量

潛熱通量呈現(xiàn)與感熱通量相反的特征（圖10e、f），在白天，CROP試驗(yàn)均值最高，而URBAN試驗(yàn)最低。城市表面水汽含量較少，地表蒸發(fā)、植被蒸騰作用被削弱，導(dǎo)致其上空潛熱通量較農(nóng)田下墊面小。但應(yīng)注意到，此時(shí)低層風(fēng)場(chǎng)以偏南氣流為主，利于將海上暖濕氣流輸送至南京，并且感熱通量加強(qiáng)有助于水汽輻合，使區(qū)域內(nèi)不穩(wěn)定能量積聚，所以仍有產(chǎn)生對(duì)流天氣的可能。

5.2.4 城市下墊面對(duì)邊界層高度的影響

邊界層高度（PBL height）常用于判斷邊界層的發(fā)展是否有利于云的形成。從變化趨勢(shì)上看（圖10g），白天受太陽(yáng)短波輻射加熱后，地表與邊界層之間熱交換增強(qiáng)，三組試驗(yàn)白天邊界層均比夜間高，峰值出現(xiàn)在11:00～12:00。由差值序列（圖10 h）可以看出，城市下墊面特征對(duì)邊界層高度的影響十分顯著，城區(qū)的擴(kuò)張使邊界層相應(yīng)升高，對(duì)流高度增加，水汽交換也會(huì)相應(yīng)加強(qiáng)。注意到URBAN與CROP的差值在15:00～16:00為負(fù)值，這也是由于URBAN試驗(yàn)在該時(shí)段模擬降水較強(qiáng)造成的。對(duì)比可見(jiàn)，城市下墊面更易增強(qiáng)垂直混合運(yùn)動(dòng)，當(dāng)邊界層高度超過(guò)抬升凝結(jié)高度時(shí)將有助于云的生成，經(jīng)過(guò)一系列的云微物理過(guò)程后利于雷暴等強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)在其上空發(fā)展。

5.3 城市下墊面對(duì)擾動(dòng)位溫的影響

圖11a為CNTL與CROP的擾動(dòng)位溫的差異，可以看出城市下墊面使低層擾動(dòng)位溫增強(qiáng)，城市上空出現(xiàn)凸出的正中心，可達(dá)到 0.6 K。從 URBAN與CNTL的差值場(chǎng)（圖11b）可見(jiàn)，當(dāng)極端城市化以后，熱島帶來(lái)的熱擾動(dòng)使大氣低層擾動(dòng)位溫普遍加大。城市下墊面處較大的擾動(dòng)位溫使位溫的垂直遞減率增強(qiáng)，降低大氣的靜力穩(wěn)定度。城區(qū)上空的穩(wěn)定性弱于郊區(qū)，這為對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供有利的層結(jié)條件，使底層水汽、能量能夠向上垂直輸送。在擾動(dòng)氣流相互作用下有助于對(duì)流云形成，從而促使短歷時(shí)對(duì)流降水天氣：雷暴的發(fā)生與發(fā)展。

5.4 城市下墊面對(duì)雨水條件的影響

為了分析城市下墊面對(duì)雷暴降水過(guò)程的動(dòng)力影響，圖12a–f給出CNTL、URBAN試驗(yàn)13:00～15:00分別沿著AB剖面的散度、東西向環(huán)流以及雨水混合比剖面圖。CNTL試驗(yàn)中 13時(shí)在城區(qū)東側(cè)雨水混合與上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，14:00降水系統(tǒng)輻合中心強(qiáng)度可達(dá)－30×10?4s?1，到 15:00該區(qū)域降水減弱消失。URBAN試驗(yàn)中，14:00與15:00都在原城市下墊面的偏東一側(cè)有較大的降水，15:00在119.10°E附近有強(qiáng)烈的降水，雨水混合比達(dá)到1 g kg?1以上，輻合強(qiáng)度增大到－40×10?4s?1。

兩試驗(yàn)比較可以看出，與 CNTL試驗(yàn)相比，URBAN試驗(yàn)在城市迎風(fēng)側(cè)的雨水混合比值較高，降水較多，并且輻合中心強(qiáng)度較大。蒙偉光等（2007b）認(rèn)為當(dāng)雷暴系統(tǒng)移經(jīng)城市時(shí)，低層的輻合增強(qiáng)與城市區(qū)粗糙度的增大有著直接聯(lián)系。低層

輻合中心的增大也能夠引起強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，并引發(fā)新的單體的發(fā)展。Simpson（2006）研究了城市表面粗糙度的作用發(fā)現(xiàn)：由于城市表面粗糙度大，增強(qiáng)了城市表面應(yīng)力，造成城市迎風(fēng)面的輻合增加，背風(fēng)面減小，從而造成迎風(fēng)一側(cè)的降水增多。因此，城市群中立體的建筑物，如高樓大廈，使其與農(nóng)田下墊面相比呈現(xiàn)較大的粗糙度，低層氣流通過(guò)上方時(shí)減速滯留，影響該區(qū)域上空系統(tǒng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。這種對(duì)低層風(fēng)場(chǎng)的阻滯效應(yīng)，使?jié)窨諝庠诔鞘猩戏蕉逊e，加上雷暴系統(tǒng)向外流出的氣流與城市下墊面上熱力環(huán)流的相互作用，造成氣流在城市迎風(fēng)一側(cè)產(chǎn)生輻合抬升，雨水混合比增強(qiáng)，從而導(dǎo)致該區(qū)域的降水增多，并使雷暴系統(tǒng)降水的落區(qū)與強(qiáng)度發(fā)生了改變。

圖10 2011年7月23日，（a）三組試驗(yàn)（CNTL、CROP、URBAN）模擬的圖3c中矩形區(qū)域平均的近地面2 m溫度（單位：°C）及(b)其試驗(yàn)差值（CNTL?CROP，URBAN?CNTL）的逐時(shí)變化；（c, d）同圖（a, b），但為地表向上感熱通量（單位：W m?2）；（e, f）同圖（a, b），但為地表向上潛熱通量（單位：W m?2）；（g, h）同圖（a, b），但為邊界層高度（單位：m）Fig.10 (a) Hourly area-averaged 2-m air temperature (°C) in three experiments (CNTL, CROP, URBAN) for the rectangle illustrated in Fig.3c on 23 July 2011 and (b) their differences (CNTL－CROP, URBAN－CNTL); (c, d) as in (a, b), but for surface sensible heat flux (W m?2); (e, f) as in (a, b), but for surface latent heat flux (W m?2); (g, h) as in (a, b), but for PBL height (m)

圖11 2011年7月23日10:00沿圖3b中AB的擾動(dòng)位溫差異（單位：K）的垂直剖面:（a）CNTL?CROP；（b）URBAN?CNTL。紅條、藍(lán)條、灰條分別為CNTL、URBAN中城市下墊面，長(zhǎng)江和小山體Fig.11 Cross sections (0?2 km) through line AB shown in Fig.3b at 1000 BT 23 July 2011 depicting the differences of perturbation potential temperature (K)between two experiments: (a) CNTL?CROP; (b) URBAN?CNTL.The locations of the urban areas, the Yangtze River, and the hill region in expts CNTL,URBAN are outlined respectively in red, blue, and grey along the x–axis

圖12 2011年7月23日沿圖3b中AB的散度（等值線，單位：10?4 s?1）、東西向環(huán)流（箭頭矢量）和雨水混合比（陰影，單位：g kg?1）的垂直剖面：（a）CNTL 13:00；（b）CNTL 14:00；（c）CNTL 15:00；（d）URBAN 13:00；（e）URBAN 14:00；（f）URBAN 15:00。紅條、藍(lán)條、灰條分別為CNTL、URBAN中城市下墊面、長(zhǎng)江和小山體Fig.12 Vertical cross sections (0?2 km) through line AB shown in Fig.3b on 23 July 2011 depicting divergence (contour, 10?4 s?1), wind field (vector), rain water mixing ratio (color shadings) in expts (a, b, c) CNTL and (d, e, f) URBAN: (a, d) 1300 BT, (b, e) 1400 BT, (c, f) 1500 BT.The locations of the urban areas, the Yangtze River, and the hill region in expts CNTL, URBAN are outlined respectively in red, blue, and grey along the x–axis

6 總結(jié)

本文利用WRF耦合Noah/UCM模式，對(duì)2011年7月23日的雷暴個(gè)例進(jìn)行模擬，分析了南京地區(qū)城市下墊面特征對(duì)其的影響。文中共設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)：CNTL控制試驗(yàn)，及CROP、URBAN敏感性試驗(yàn)，通過(guò)將三組試驗(yàn)的不同物理量場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比、分析與討論，得出以下主要結(jié)論為：

（1）南京城區(qū)上空的局地雷暴發(fā)生前期，其熱島效應(yīng)明顯，且熱力環(huán)流顯著，說(shuō)明UHI與這次雷暴過(guò)程存在較強(qiáng)的聯(lián)系。

（2）與草木植被不同，城市覆蓋的下墊面有著獨(dú)特的熱力性質(zhì)。隨著以城市為主的下墊面擴(kuò)張后，其上空與大氣的直接熱交換增強(qiáng)，近地面氣溫明顯提升，向上傳輸?shù)母袩嵬匡@著升高，能夠促使城市上空的暖空氣上升，引發(fā)周?chē)諝獾难a(bǔ)償性輻合，為雷暴的發(fā)生提供了抬升機(jī)制。由于蒸發(fā)作用減弱，潛熱通量呈現(xiàn)與感熱通量相反的特征。城市下墊面的擴(kuò)張使得邊界層高度相應(yīng)升高，加深對(duì)流高度，垂直混合運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于城區(qū)上空對(duì)流云的生成。

（3）城郊下墊面的熱力差異還會(huì)造成大氣低層的擾動(dòng)位溫增強(qiáng)，降低大氣的靜力穩(wěn)定度，有助于底層的水汽與能量能夠向上輸送，為雷暴的發(fā)生發(fā)展提供有利的層結(jié)條件。

（4）城市下墊面粗糙度較大，當(dāng)城市擴(kuò)張后，在其迎風(fēng)一側(cè)出現(xiàn)較強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，水汽垂直輸送增強(qiáng)，導(dǎo)致雷暴過(guò)程降水在城市迎風(fēng)區(qū)域增多，且強(qiáng)度較大。

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