长江三角洲地区城市化效应高分辨率模拟研究

【摘要】：城市化对局地天气、区域气候的影响越来越受到关注。长江三角洲地区季风气候特征独特、城市化高度发展,作为世界六大城市群之一,其城市化效应研究具有重大的科学和实际意义。本文利用区域气候模式WRF(v3.1.1)对长江三角洲地区夏季暴雨、极端降水年份以及气候态区域气候特征进行了模拟,探讨区域气候模式在长江三角洲地区夏季降水、气温等模拟中的适用性,并研究城市化对该地区暴雨、区域气候变化的影响。 首先利用数值模式WRF(v3.1.1),日本气象厅JRA 20km分析资料、GMS-5卫星云图资料、NCEP 1°×1°FNL资料以及自动站观测数据等模拟了2008年8月25日上海一次特大暴雨过程,设计了三组不同陆面特征的数值试验来研究城市化对该次暴雨过程的影响。结果表明：WRF模式能较好地模拟出上海“0825”暴雨的主要分布特征、强降水中心以及暴雨随时间变化趋势；上海城市化使得该次暴雨过程在城市中心区域和迎风区降水增强,背风区降水减少；而城市化引起的陆面粗糙度等变化的动力作用对城市地区低层风场产生阻挡,使得城市迎风区垂直上升运动增强、水汽增多,是造成城市迎风区降水增强的主要原因。 随后,利用区域气候模式对极端降水年份进行了高分辨率模拟,结果表明模式较合理地模拟出2003年江淮流域夏季降水的主要分布特征,模拟的夏季各月平均降水量和强降水中心位置以及降水强度都与实况很接近；模式也较合理地模拟出江淮流域梅雨期出现多次强降水的时间演变特征,模拟和观测的区域平均逐日降水序列的相关系数较高；同时,模式较好地模拟出了三类不同等级降水概率特征,对暴雨的模拟最接近实况；此外,模式很合理地模拟出了江淮流域梅雨期的多次暴雨事件的暴雨发生时间和发生区域以及雨带南移、北跳,与实况都很接近；最后,模式还较好地模拟出了2003年夏季6月30日至7月1日、7月6日至7月7日的两次中尺度强降水事件,与GMS-5卫星云图反演的暴雨强度和发展过程很接近。 模式合理地模拟出了2003年夏季高温天气较多以及受江淮流域梅雨期多次暴雨过程冷却效应引起长江以南、以北地区温差较大的区域气候特征,模拟的最低、最高气温空间分布以及极大值中心与站点观测都较接近,模拟的最低气温更接近观测值。模拟的逐日最高、最低气温时间演变特征,比降水更接近站点观测,并具有更高的时间相关系数。 最后,将模拟年份扩展至2001～2007年夏季,探讨区域气候模式对气候态区域气候特征高分辨率模拟的适用性。结果表明,模式能较合理地模拟出长江三角洲地区夏季气候态降水的主要分布特征,模拟的7年夏季各月平均降水量和强降水中心位置以及降水强度都与实况较接近；模式合理地模拟出了三类不同等级降水概率空间分布特征和降水概率值,中雨和暴雨的模拟结果更接近实况；模式也较好地模拟出三个子区域内梅雨期多次强降水的时间演变特征,模拟和观测的区域平均逐日降水序列的相关系数较高；模式还较合理地再现了三个子区域内夏季日平均降水年际变化,以及年际降水异常,与站点观测资料很接近。 模式很好地模拟出了7年气候态夏季各月平均气温的空间分布特征,以及江淮流域持续性降水引起气温显著降低的变化趋势；模式很合理地模拟出了三个子区域内日平均气温随时间变化的特征,模拟和观测的区域平均气温具有高于降水的相关系数；模拟的区域平均气温的年际变化和年际异常特征,与观测都很接近,并特别好地模拟出了2003年江淮流域强降水引起的该区域气温异常偏低,以及2003年浙江高温天气较多引起该年气温异常偏高的趋势。 城市化显著增强2003年夏季两次暴雨在城市中心区域的降水,使得城市迎风区垂直环流增强、雨水混和比增大。城市化使得长江流域城市区域的气候态的日平均、白天时段平均降水减小,夜间时段平均降水增强；城市化显著增强日平均、白天和夜间时段平均气温,夜间时段的城市热岛效应比白天时段强,气候态气温日变化也表明夜间热岛强度更强；城市化还使得日最高和最低气温升高、气温日较差减小,最低气温升高更明显；城市化发展引起陆面土地利用类型的变化,使得白天时段的城区地面潜热通量显著减小、感热通量显著增强、行星边界层增高。