人为热增强华南强降水模拟研究

研究背景

近年来，全球城市地区人口占比已超过总人口50%，预计2050年将超过68%。在快速城市化的同时，城市土地覆盖范围从1985年至今扩大了约80%，城市通过下垫面和人为排放等路径深刻影响着区域能量平衡和水循环过程。气候变暖导致更多极端事件出现，伴随着人类活动影响空前活跃，城市化对于极端降水的影响特征和作用机理已成为科学和公众共同关注的焦点。

热岛效应是城市温度高于郊区温度的现象，传统研究关注下垫面等辐射过程造成的热岛效应。事实上，人类活动本身的热效应也可显著增强城市热岛效应，如交通、工业、空调等生产和消费行为。然而，作为热岛效应的重要组成部分，人为热在前人研究中常被忽略或与下垫面混为一谈。

强降水事件与模式设置

2016年5月15日，一条飑线与前侧对流单体合并后形成弓状回波，在城市地区造成严重的天气灾害。采用WRF模式以及GSI同化方法开展城市下垫面以及人为热影响研究，设置三个敏感性试验，没有城市下垫面（NO_UB）、仅加入城市下垫面（WT_UB）、同时加入城市下垫面与人为热（AH_UB）。三个敏感性试验均同化三部S波段雷达的径向速度，当对流系统即将经过城市时停止同化由其自由发展。该方法可以将对流组织过程放置在同一水平线，而随后系统发展阶段的差异即分别体现了城市下垫面和人为热的作用。

模式结果

总体而言，AH_UB模拟结果与观测最接近，很好再现了三角洲附近的风灾雨灾的量级和空间分布（图1c-d）。与之相比，前两组模式结果NO_UB和WT_UB均显著低估了城市地区的天气灾害（图1a-b）。

图1 总体模拟结果

机理分析

首先分析城市和人为热导致的环境的变化。下垫面的改变增加了城市地区的地表温度，但是水汽含量有所减小。这是因为城市下垫面粗糙度的增加减弱了海风环流，导致内陆城市地区水汽的减少（图2b）。加入人为热后，城市地区的地表温度和近地面水汽都有显著增强（图2c），这是因为城市热源增强了上升运动（图2e），并通过增强海风增加了输送的水汽含量（图2c）。

选取代表性点做探空廓线，下垫面的存在虽然增加了地表温度，但是由于水汽含量的减少，导致CAPE值略减少（图2f-g）。而加入人为热后，城市地区的温度和水汽都有所增强，因而CAPE值大幅增加，由913增加到1416 J kg^-1（图2g-h）。在这种有利的天气环境影响下，加入人为热后对流系统迅速发展，带来更强的天气灾害（图1）。

图2 中尺度环境特征变化

进一步分析三组实验的热岛效应，分别选取城市和郊区一定范围内的平均地表温度作差（图3a-c）。结果表明，加入人为热后热岛效应显著增强至约1.5℃（图3e），地表温度在量级和日变化上均与观测结果更接近（图3d）。量化城市下垫面和人为热对于热岛效应的相对贡献，结果表明人为热的存在可以提高城市热岛效应约1.1℃，是城市下垫面贡献的2倍多（图3f）。

图3 局地城市特征变化

在明显的城市热岛效应影响下，城市南侧（图4红框）水汽汇聚且动力辐合较强，因此触发一个对流单体并随时间发展，与相向而来的飑线合并后形成弓状回波，在三角洲地区导致天气灾害。与之对比，其他两组实验虽然也可以触发对流，但是该单体不可持续，短时间内迅速消散（图4），因而不会出现后续的对流合并及灾害天气。

图4 （左）人为热模式结果；（右）无下垫面与只有下垫面模式结果

敏感性试验

调整模式人为热参数的大小，发现随着人为热强度的增加，飑线前侧对流单体逐渐增强，伴随更强的对流合并与上升运动，导致更强和更持续的对流系统（图5）。

图5 不同人为热大小敏感性试验结果

结论与讨论

随着城市化进程孕育出更多的超大城市，城市对于局地环流的影响愈加明显。人为热作为热岛效应的重要组成和贡献部分，在前人研究中常被忽略或与下垫面混为一谈。本研究通过对华南地区典型强对流个例的同化与模拟研究，揭示人为热对于城市热岛效应的重要贡献，及其对于强对流发展和致灾天气的影响机理。

该研究成果《The Impact of Anthropogenic Heat Effect on the Evolution of a Merger-Formation Bow Echo in the Greater Bay Area of China》发表在AGU国际期刊《JGR-Atmospheres》。论文第一作者为周昂博士，通讯作者为赵坤教授，主要合作者为徐昕教授和陈仲良教授，南京大学为论文通讯单位。本论文研究受国家自然科学基金（42025607、42305006）、江苏省自然科学基金（BK20230800)等项目的联合资助。