1.2　城市化对降水的影响机制

随着城市化效应研究的逐步深入，人们对城市热岛的认识已日趋成熟，但是城市化对降水的影响较为复杂，目前仍然存在一定的不确定性。在全球变暖的气候背景下，城市地区暴雨、洪涝等极端灾害天气频繁发生，使得人们开始逐渐关注城市化效应对降水的影响。近年来，国内外的学者们开始针对城市化效应的可能机理进行研究。数值模式的发展也为研究城市降水提供了新的途径，学者们通过开展不同的数值试验，模拟城市降水中的物理过程，从而探究城市化影响城区及周边地区降水的可能机制。根据前人的研究结果，可以总结出城市影响降水和对流的可能机制，城市化会通过城市冠层以及气溶胶的作用影响降水，其中城市冠层对于降水的影响主要包括以下几个方面。

（1）城市的热岛环流对于降水的影响。根据第一部分的论述，城市可以通过高大建筑物的拦截效应、反照率的减小、人为热的排放等增加城乡温度差异，形成热岛环流。城市热力扰动增加了边界层的不稳定性，有利于对流云的形成，导致城区的降水增多。Baik等（2001）认为，城市的热岛环流在下风向地区的上升运动可以产生湿对流，诱发该地区的对流性降水，并且热岛强度越大，云水或雨水的形成时间越短。Shepherd和Burian（2003）基于卫星的降水资料分析了休斯敦城市的扩张对于降水的影响，发现城市的扩张增加了城区以及下风向的全年和暖季降水，并且城市热岛效应是导致降水异常最为重要的原因。Inoue和Kimura（2004）同样利用卫星图像发现，由于城市的混合层中存在较强的感热，午后在东京低层云量明显增加。Lin等（2011）对中国台湾的降水个例进行分析，发现热岛的存在改变了暴雨发生的位置。Wan等（2013）利用WRF模式对长三角地区的一次夏季降水过程进行模拟，结果表明，城市化使得大气不稳定性增加，城市下风向扩散的热岛效应改变了大气热力结构和水汽交换过程，使得下风向地区降水增加。

（2）城市水汽含量的改变对于降水的影响。一方面，城市下垫面蒸发和蒸腾量减小，导致大气中水汽含量减少，潜热也较郊区减少，不利于城区的降水。Zhang等（2009）利用数值模式模拟了北京的城市化进程对于两次夏季强降水过程的影响，结果表明城市的扩张减少了边界层水汽含量，导致市区降水减少。此外，对长三角地区近5年来夏季气候特征的模拟结果同样显示，在上午时段城市低层大气变干，使得该地区中午前后的小雨减少。而在14：00—17：00，城市化导致的城市干岛效应较弱，而城市化显著地增加了大气对流运动，导致此后的17：00—20：00时段特大暴雨降雨量增加。另一方面，城市的灌溉作用使得地表和大气之间的水汽输送增加，导致水汽含量增加，使得城市及下风向的降水增多。另外，Shepherd（2005）利用卫星资料研究了季风时期菲尼克斯夏季风暴的发展并指出，在城市动力环流与城市灌溉输送的水汽共同作用下，为对流的发展提供了有利的条件。

（3）城市地表辐合辐散对于降水的影响。城市粗糙度的增加使得风速减小，导致城区出现较强的辐合，使得稳定性减弱（Rozoff et al.，2003）。Bornstein和Lin（2000）通过分析亚特兰大（Atlanta）地面气象站点资料研究城市对于六次风暴过程的影响，结果发现城区地表辐合增强，影响风暴的形成和发展，并对其中三次风暴起到了触发作用。Thielen等（2000）利用一个二维中尺度γ模式进行敏感性试验，发现城市下垫面上感热、潜热、粗糙度的改变对于对流性降水都起到重要的作用，粗糙度的增加使得湍流增强，影响了城市下风向地区的降水空间分布。Fujibe（2003）针对日本的一些重要城市对于降水的影响进行了研究，发现东京等城市地表辐合的增加导致对流明显增强。Shepherd（2005）对比了有无城市的试验中地表温度和风速的差异，结果显示，城市化使得地表温度增加、辐合增强，并且云水量和雨水量也明显增加，有利于城区的降水。

（4）城市建筑物对降水的影响。城市高大的建筑物也会影响降水系统，使得降水分散。例如：Loose和Bornstein（1977）研究了纽约市对一次锋面系统的移动以及位置的影响，结果表明在城市高大建筑物的影响下，地表摩擦拖曳作用加强，使得锋面移动途经城市的过程中速度明显减慢。Bornstein和Lin（2000）也指出城市建筑物的阻拦作用使得降水中心分散，对降水的空间分布有重要的影响。Miao等（2010）的研究指出，京津冀地区城市群建筑物的阻拦作用导致飑线分裂成多个对流单体，最终增加了城区的降水总量。

以上是城市冠层对于降水的影响机制，除此之外，城市的工业废气中气溶胶颗粒也会对降水产生重要的影响：首先，气溶胶可以通过直接效应减少到达地面的太阳辐射，通过降低大气温度影响降水。研究表明，气溶胶的增加使得全球平均净辐射减少了5W/m2，减少了热带地区的对流性降水（Ramanathan et al.，2001）。其次，气溶胶还可以通过间接效应，即充当云凝结核改变云的物理特征和辐射特征，同样会影响城市及其周边地区的降水（Rosenfeld，2000）。城市污染排放到大气中，导致城区上空的云凝结核（CNN）增加为郊区的两倍以上。人为排放形成的CNN内有更多更小的水滴，使得云滴密度增加，有效半径减小，影响云滴的碰并过程，对降水起到抑制作用（King，et al.，1993；Rosenfeld，2000）。气溶胶浓度增加造成云滴有效半径减小，而云顶温度升高，不利于形成降水。与没有污染的区域相比，污染严重的区域降水明显减少。Zhao等（2006）发现，我国中部和东部地区气溶胶的增加直接导致了近40年来大气稳定性的增加以及降水的明显减少。但是污染产生的超大云凝结核（GCNN）又会增强降水过程，造成城市的降水增加。再次，气溶胶还可以通过半直接效应，即对云层的加热作用改变大气稳定度以及云的蒸发，进而影响降水。黑碳气溶胶（BC）可以加热大气，减弱大气的稳定度并且增强对流，最终导致我国南部地区夏季降水增加。综上所述，气溶胶可能增加或减少城区的降水，但是还存在一些不确定性。

此外，对于沿海城市而言，还会通过复杂的海-陆-气相互作用而影响降水。Lin等（2011）利用WRF-Noah-UCM模式研究了台湾岛北部UHI对于边界层和海陆风的影响，发现UHI对海陆风有重要的作用，在白天加强海风，夜间减弱陆风；Shepherd和Burian（2003）发现，休斯敦UHI与海陆风的相互作用为城市及其下风向对流发展提供了有利条件，导致降水量和降水范围明显增加；Simpson等（2008）利用MM5模式解释了印度金奈城（Chennai）UHI与海陆风相互作用的机理，认为城市热岛增加了海陆热力差异，加强海风，从而改变了海风锋带来的辐合与上升运动，使得西部地区降水大范围增加。Holt等（2009）利用集合模拟分析了东京城市化对于海风锋的影响，指出在锋前城市热岛与海风锋的作用不明显，而在锋后，城市化对其影响较大，使得海风锋增强并伸向内陆。