成都城市化發展對局地氣候的影響

趙 旋 ,吳 遙 ,馮 勇 ,舒建川

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,成都 610072；2.重慶市氣候中心,重慶 401147）

引言

城市化發展對區域及全球氣候變化的影響是人們廣泛關注的問題。經濟的快速發展和城市化進程加快，使得大量農田、自然植被被混泥土、城市人為建筑所替代，城區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氣溫，產生熱力差異，進而影響環流[1]。隨著城市規模的發展、城市面積的擴大和城市人口的增加，在城市下墊面的熱力、動力作用和溫室效應的影響下，城市化對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以及、降水、風場、氣溫和濕度等方面的變化[2]，從而形成了城市區域氣候。

隨著城市化進程深入而快速發展，城市面積不斷擴大，近年來國內外許多學者針對城市化對區域氣候的影響開展了一系列的研究。趙娜等[3]分析了近48年城市化發展對北京區域氣候的影響，結果表明：降水有減弱的趨勢，尤其是夏季的降水減弱最為明顯；城區的風速和濕度都呈減小的趨勢，這與城市化的加劇，尤其是下墊面的變化有密切的關系。馬新野[4]指出長三角城市群擴張改變了原有自然植被格局，導致近地層大氣濕度減小，進而使夏季降水減少。Baik 等[5]發現城市熱島會誘發重力波，該波動在城市下風向地區存在上升運動，可誘發和強化濕對流運動，這解釋了一些城市降水異常出現在下風向地區。同時，城市熱島還通過與海陸風、地形等相互作用影響降水，如長三角海陸風、湖陸風、城市熱島的相互增強過程與局地降水量增加有直接關系[6]。曹廣真等[7]分析京津唐地區下墊面變化對局地氣溫和降水的研究指出，城市化改變對溫度有明顯影響，尤其是下墊面覆蓋類型改變區，且降水的局地性變化很大。李景林等[8]分析烏魯木齊-昌吉地區城市化對溫度的影響，得出氣溫隨年代遞增率城市大于農村，城市和郊區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的輻射、湍流過程以及物質交換等；同時，由工業生產、交通以及人類生活排放出大量的人為熱量，使城市比郊區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了城市熱島效應，而敏感性試驗表明，下墊面改變引起的城市地區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，經濟發達、城市化進程快、人口密度高，是高原大地形和中國東部平原的過渡區，地處區域天氣、氣候系統復雜地區，城市化對城市區域降水、氣溫的影響具有較強的局地性特征。因此，研究成都城市化對區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 個區縣氣象站觀測資料，研究了城市化進程對成都市氣候變化的影響，結果表明城市化對降水分布的影響為干島效應特征，且年平均降水量有緩慢減少趨勢。姚豫奇等[12]利用耦合單層城市冠層模型的WRF 模式對成都夏季城市化效應進行了模擬研究，結果表明城市化使成都地區日平均降水量在城區的迎風區和下風區均有所增加。肖宇昕等[13]研究城市化對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成都地區夏季降水、氣溫變化有顯著影響，但這些工作只是對夏季氣溫或降水單一氣象要素或某一天氣實況進行研究，并沒有考慮在不同的環流背景下，城市化進程對成都局地氣候是否存在影響。為此，本文以數值模擬為手段，在分析不同環流背景的基礎上，重點探討土地利用類型變化較大的2001～2018 年城市化對成都地區夏季、冬季局地氣候的影響，為天氣預報、氣候預測及城市規劃等提供科學依據。

1 資料和數值試驗方案設計

1.1 模式及資料簡介

本文研究使用中尺度模式WRF（v4.2）進行模擬試驗，模擬試驗垂直方向40 層，最頂層氣壓為50hPa。初始場資料為NCEP（National centers for Environmental Prediction）提供，每日四次(00:00，06:00，12:00，18:00，世界時，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、邊界條件和檢驗后期環流場的模擬結果，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迫場。

1.2 參數化方案及模式區域

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

表1 參數化方案設定

為更好的研究城市化對局地氣候的影響，本次試驗分別采用 2001 年和2018 年成都地區城建土地利用類型資料數據進行兩組試驗（圖1）。第1 組試驗采用2001 年成都市下墊面條件作為控制試驗（圖1a，簡稱：CLT），該時期成都地區城建土地利用區域較小，反映了成都市在城市化快速發展前的特征。第2 組試驗采用2018年成都市下墊面條件作為敏感性試驗（圖1b，簡稱：SEN），2018 年城市下墊面區域有明顯的擴張，反映了成都市在城市化快速發展后的特征。

圖1 成都地區模擬區域及土地利用類型（a.CLT，b.SEN）

由于特殊的地理位置和地形條件使得成都地區的氣候既受東亞季風和印度季風的影響，同時又受高原大氣環流系統的影響[14]，不同的環流背景對成都地區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]。為了更好的對比不同環流背景下城市化進程對成都地區氣候的影響，本次試驗選擇成都市溫江國家級氣象觀測站降水較多的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 月的大尺度環流數據，將SEN 試驗減去CTL 試驗的結果作為城市化的影響，通過比較SEN試驗與CTL 試驗的結果，對比分析在典型季節內城市擴張對區域氣候的影響。兩組試驗除下墊面數據不同以外，其余參數化方案等模式結構均相同。模式積分時段為2014 年1 月1 日00 時～2 月1 日00 時；2019 年1 月1 日00 時～2 月1 日00 時；2007 年7 月1日00 時～8 月1 日00 時；2014年7 月1 日00 時～8 月1日00 時。

2 模擬試驗結果

2.1 成都地區下墊面變化對夏季局地氣候影響

2.1.1 城市化對溫度的影響

通過模擬可知，對應2007 年7 月的背景環流場，CTL 試驗和SEN 試驗得到的月平均2m 氣溫總體分布較為一致（圖略），成都市城區氣溫普遍較高。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、熱傳導率以及熱容量發生顯著改變[16]，在太陽直接輻射下，城市地面溫度升溫比郊區快，下墊面溫度較高加強了對邊界層大氣的向上感熱輸送，導致2m 氣溫相對偏高[17?20]。隨著城市的發展擴張，28℃以上區域擴大，擴大范圍主要集中在溫江區、郫都區、新都區、青白江區、雙流區等區域。如圖2a 所示，成都市城區及其東北和西南部分地區2m 氣溫明顯升高，中心城區、溫江區、新都區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 月為背景環流場得到的模擬結果(圖2b)與以降水偏少的2007 年7 月為背景環流場的結果(圖2a) 作對比，CTL 試驗和SEN試驗氣溫的總體分布特征類似，氣溫在中心城區偏高，隨著城市發展，28℃以上的高溫區域同樣擴大并主要向東北和西南擴張，原本就屬于城區的中心城區地表氣溫進一步升高，且城區的外擴導致以往不屬于城區的區域氣溫升高。

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 城市化對降水和暴雨日數的影響

對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）為背景環流場的CTL 試驗，月累計降水總體呈現出西部山區和城區西南部偏多的特征，降水變化的局地性特征明顯。2007 年7 月兩組試驗模擬的10m 風速，在成都市地區以東北風為主（圖略）。由圖4 可見，城市化使成都市中心主城區上空降水明顯減少，而降水增多的區域主要位于溫江區、雙流區和新津縣一帶（下風區）。同時，在西部山區，由CTL 試驗模擬的降水主要集中在都江堰市和崇州市中部地區，而SEN 試驗模擬的降水主要集中在大邑縣北部和崇州市西部地區，城市化使西部山區降水高值中心不斷向西南方向發展（下風區）。由圖4 差值(SEN-CTL)模擬結果可知，降水高值中心主要集中在簡陽市、溫江區、崇州市和汶川縣東南部地區，2014 年7 月成都市地區以東南風為主（圖略），使得降水高值中心向城市的西北方向發展（下風區）。對比2007 年7 月和2014 年7 月的模擬結果表明，城市化對城市區域降水有顯著的影響，由于城區面積擴大導致自然植被減少，潛熱通量變小，進而減少地表蒸發以及局地大氣水分的供給，從而使得城區上空降水減少[21]，并且城市化對降水量的影響與風場關系密切，城區上風向區域降水量以減少為主，降水量增多區域通常位于城市下風區。

以2007 年7 月和2014 年7 月為環流背景場的暴雨日數CTL 試驗和SEN 試驗的結果（圖略）表明，暴雨日數與其對應的7 月累計降水量（圖3～4）總體分布基本一致。由圖5 可以看出，城市下風區暴雨日數明顯增多，城市下墊面變化使得發生強降水的概率增加，并且強降水在空間分布上更為集中在城市下風向區。

圖3 2007 年7 月控制試驗和敏感性試驗月累計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）暴雨日數差值（SEN-CTL）分布（單位：d）

2.2 成都地區下墊面變化對冬季局地氣候影響

2.2.1 城市化對溫度的影響

為進一步了解下墊面改變對氣候產生影響的時間變化特征，通過數值模擬分析了對成都地區冬季氣溫的影響（圖6～7），可以看出，以2014年1月為環流背景的CTL試驗和SEN 試驗的氣溫明顯要高于2019 年1 月的試驗結果，表明2019 年1 月的環流背景有可能導致更多的冷空氣進入成都，有利于市區污染空氣的擴散，這也與2019 年1 月觀測的空氣質量指數偏好一致。在兩個不同年份的環流背景下，隨著城市的發展，SEN 試驗中的城區氣溫都明顯升高，由于2019 年1月氣溫偏低，SEN 試驗的氣溫相對于CTL 試驗增加的幅度比2014 年1 月環流背景下兩個試驗的變化幅度要偏小一些。相比夏季的模擬結果，冬季氣溫變化特征與夏季氣溫變化總體一致，隨著城市化發展的不斷擴張而升高。對比冬夏兩季差值（SEN-CTL）模擬試驗結果（圖略）發現，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展，這可能是由于成都地區冬季多云，能到達地面的太陽輻射較夏季大大減小，使得城市化導致的升溫作用沒有夏季顯著。

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

2.2.2 城市化對降水的影響

對比以冬季污染較重的2014 年1 月（圖8）和空氣質量較好的2019 年1 月（圖9）為環流背景場的兩組試驗，由于地形的抬升作用，月累計降水在西部山區和龍泉山脈附近較多，以2019 年1 月為環流背景場的CTL 試驗和SEN 試驗的降水明顯偏多，相反在2014 年1 月環流背景下成都市城區降水普遍較少，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系。2014 年1 月兩組試驗模擬的10m 風速，在成都市地區以東北風為主（圖略）。如圖8 所示，降水增多的區域主要集中在邛崍市、浦江縣，還有部分降水增多區域在都江堰市、溫江區一帶；降水的高值中心和低值中心都位于邛崍市西北部，而該區域為偏北風（圖略），說明城市化使降水在上風區明顯減少，降水增多的區域主要位于下風區。如圖9 所示，2019 年1 月兩組試驗模擬的10m 風速，成都市中心城區以東南風為主（圖略），降水增多的高值中心位于溫江區、雙流區一帶，中心城區降水明顯減少；成都市北部郫縣、新都區和彭州市以東北風為主（圖略），成都市北部大部分地區降水明顯減少(上風區)，而降水高值中心主要位于都江堰市（下風區）。對比夏季和冬季的模擬結果可知，城市化對城市區域降水有顯著的影響，城區上風向區域降水量以減少為主，降水量增多區域通常位于城市下風區。

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 試驗和SEN 試驗的模擬條件，通過兩組試驗對比分析，重點研究城市化對成都地區溫度、降水的影響，得出以下結論：

（1）隨著城市的發展和擴張，夏季氣溫在中心城區偏高，28℃以上的高溫區域擴大并主要向東北和西南擴張，擴大范圍主要集中在溫江區、郫都區、新都區、青白江區、雙流區等區域，中心城區的地表氣溫進一步升高，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的覆蓋范圍附近，夏季和冬季城區氣溫升高的區域分布總體一致，中心城區的地表氣溫升高明顯，且城區的外擴導致周邊區域地表氣溫升高。成都地區冬季常為多云天氣，能到達地面的太陽輻射較夏季大大減小，城市化導致的升溫作用沒有夏季顯著。在2019 年冬季環流背景下，更多的冷空氣進入成都，導致氣溫偏低，有利于市區污染空氣的擴散，城區地表氣溫明顯低于污染較重的2014 年。

（2）2007 年夏季，成都市以東北風為主，降水增多的區域主要位于溫江區、雙流區和新津縣一帶（下風區）。2014 年夏季，成都市以東南風為主，降水高值中心由東南部地區向城市西北方向發展（下風區）。2014 年冬季，降水高低值中心都位于邛崍市西北部，而該區域為偏北風，上風區為低值中心，下風區為高值中心。2019 年冬季，成都市中心城區以東南風為主，降水增多的高值中心位于溫江區、雙流區一帶。成都市北部以東北風為主，北部大部分地區降水明顯減少(上風區)，高值中心主要位于都江堰市（下風區）。城市化對城市區域降水有顯著的影響，且對降水量的影響與風場關系密切，城市上風區降水量以減少為主，下風區降水量以增多為主，城市化使得發生強降水的概率增加，并且強降水在空間分布上更為集中在城市下風區。