周莉 江志紅 李肇新 楊修群

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/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

2法國國家動(dòng)力氣象實(shí)驗(yàn)室，巴黎75252

3湖南省氣象臺，長沙410000

4南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210088

1 引言

近 30年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)入了空前發(fā)展的階段（Chen et al.，2013，2014），據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前城市化水平已達(dá)50%，特別是中國東部地區(qū)，城市化水平已超過55%，并逐步形成了以珠江三角洲（簡稱珠三角）、長江三角洲（簡稱長三角和北京、天津、河北（簡稱京津冀）三個(gè)特大規(guī)模城市群為代表的我國東部大規(guī)模沿海城市帶（Heilig，2012）。這種情況在可預(yù)測的未來還將繼續(xù)，研究結(jié)果表明，到2030年時(shí)，全球有587萬平方公里的土地有可能變?yōu)槌鞘?，特別在中國的沿海一帶，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模城市化的概率相當(dāng)高（Seto et al., 2012）。城市化伴隨的土地覆蓋與利用的變化，可以改變地氣系統(tǒng)的輻射強(qiáng)迫和通量交換，是導(dǎo)致區(qū)域氣候變化的重要原因之一（侯依玲等,2009；黎偉標(biāo)等，2009；陳鋒和謝正輝，2009；Zhang et al.，2009；華文劍和陳海山，2013）。

國內(nèi)外對城市下墊面氣候效應(yīng)的研究為時(shí)已久，很多學(xué)者利用高分辨率高質(zhì)量的觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)診斷分析（Kalnay and Cai，2003；Zhou et al.，2004；劉熙明等，2006；王喜全等，2008；徐陽陽等，2009；楊續(xù)超等，2009；謝志清等，2009；Lamptey，2010；段春鋒等，2012；王芳和葛全勝，2012；Cui and Shi，2012）。由于城市發(fā)展的不可逆性，單純利用觀測數(shù)據(jù)分析城市化效應(yīng)比較困難，特別是無法進(jìn)行相關(guān)機(jī)理研究。

近年來，隨著數(shù)值模式模擬能力的提高，國內(nèi)外很多學(xué)者使用區(qū)域氣候模式模擬研究城市化對氣候的影響，如Kusaka and Kimura（2004）通過二維中尺度氣候模式研究人為加熱、熱容量狀況和天空狀況對東京熱島效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)人為加熱會(huì)使大氣溫度上升，尤其是夜晚大氣溫度；墻體較大熱容量會(huì)使得白天的溫度下降，夜晚溫度上升。江曉燕等（2007）利用 GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）模式研究城市下墊面反照率的改變對北京城區(qū)熱島過程的影響，結(jié)果表明反照率減小后城區(qū)的長波輻射比郊區(qū)大，有利于熱島的形成，也有利于城區(qū)近地層的風(fēng)場輻合增加。使用WRF（Weather Research and Forecasting）區(qū)域模式，國內(nèi)不少學(xué)者用較為真實(shí)的城市化進(jìn)程數(shù)據(jù)來研究城市化的氣候效應(yīng)（Feng et al., 2012；Feng et al., 2013；Zhao et al.,2013），但在大多數(shù)情況下，氣候信號微弱，且數(shù)值試驗(yàn)長度較短，所以一般結(jié)果的顯著性不是很高。Zhan et al.（2013）研究了京津冀地區(qū)從2010到 2030年的氣候演變，包括了城市化引起的下墊面變化，結(jié)果顯示京津冀地區(qū)有一個(gè)較強(qiáng)的增溫和降水增多的趨勢，但這到底是由下墊面的變化所致，還是和全球變暖有關(guān)，作者未能明確區(qū)分。Zhang et al.（2010）也是用WRF模式來研究長三角城市化對局地氣候的影響，夏天升溫幅度可以達(dá)到1.9度，并且由于城市熱島作用，局地降水有增加的趨勢。

利用區(qū)域模式進(jìn)行的研究大多關(guān)注單一區(qū)域的城市化效應(yīng)，主要表現(xiàn)為局地氣候效應(yīng)，而對較大范圍，如城市群氣候效應(yīng)的研究相對較少，且由于積分時(shí)間不夠長，對氣候效應(yīng)模擬的可靠性也會(huì)有所影響。鑒于人類活動(dòng)改變了區(qū)域尺度的下墊面，近期一些研究開始利用全球模式探討人為土地變化帶來的氣候影響。Lawrence and Chase（2010）使用CCSM（Community Climate System Model）氣候系統(tǒng)模型進(jìn)行了一系列的土地覆被變化的實(shí)驗(yàn)，研究全球土地覆蓋變化對氣候的影響，發(fā)現(xiàn)用潛在植被代替當(dāng)前植被分布，會(huì)導(dǎo)致近地面大氣地區(qū)性的增暖和變冷，但對全球平均溫度影響不大；并且溫度的變化主要受地面蒸發(fā)作用的影響，輻射能量的變化占次要地位。Findell et al.（2007）對土地覆蓋變化的模擬研究表明植被和農(nóng)作物的減少可以造成明顯的地表增暖，且歐洲地區(qū)地表溫度升高最為明顯。可見，使用全球模式研究下墊面變化氣候效應(yīng)，主要側(cè)重分析對全球模態(tài)的影響，考慮城市群區(qū)域氣候效應(yīng)的研究也不多見。

最近，我們利用全球和區(qū)域模式相結(jié)合對長三角城市群下墊面變化的氣候效應(yīng)進(jìn)行了研究（花振飛等，2013），發(fā)現(xiàn)長三角城市群發(fā)展引起的下墊面變化對局地氣候有著顯著的影響，但該文僅考慮了長三角區(qū)域城市群的氣候效應(yīng)。眾所周知，珠三角、長三角和京津冀是我國目前城市化水平最高的三大城市群，各城市群發(fā)展對區(qū)域氣候的影響如何？其氣候效應(yīng)有無差異？機(jī)理如何？東部三大城市群下墊面變化的整體效應(yīng)如何？這些問題都缺乏系統(tǒng)研究。

本文利用法國動(dòng)力氣象實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的高分辨可變網(wǎng)格全球大氣環(huán)流模式（LMDZ），通過改變珠三角、長三角和京津冀地區(qū)下墊面類型，模擬不同區(qū)域城市群下墊面變化的氣候效應(yīng)，探討不同區(qū)域城市化氣候效應(yīng)及其可能機(jī)理?？紤]到篇幅有限，本文研究集中探討不同區(qū)域城市化的夏季氣候效應(yīng)。

2 模式簡介及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文利用法國動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（Laboratoire de Météorologie Dynamique）發(fā)展的全球大氣環(huán)流模式（LMDZ），進(jìn)行中國東部不同區(qū)域城市群下墊面變化的模擬試驗(yàn)，分辨率約為 3°×1.5°，垂直方向上模式采用了經(jīng)典的混合坐標(biāo)系，共 19層，LMDZ模式具有完整的物理參數(shù)化方案（Li，1999），本文使用的是LMDZ4，即模式的第四版本（Hourdin et al., 2006），大氣和陸面過程是互相耦合的，陸面模式是ORCHIDEE（Krinner et al., 2005），但本文里只使用了它的能量和水分平衡部分，而生物過程部分沒有打開，葉面積指數(shù)LAI是根據(jù)觀測資料給定的，隨著地理位置和季節(jié)的變化而變化。作為LMDZ模式下邊界的海溫（SST）場使用國際大氣環(huán)流模式比較計(jì)劃II（簡稱 AMIPⅡ）提供的逐月觀測資料，模擬時(shí)間為1989年1月～2009年12月，共計(jì)21年。

ORCHIDEE模式中的下墊面植被類型（Plant Functional Type）分為13類，分別為裸土、熱帶寬葉常青、熱帶寬葉雨林植被、溫帶針葉常青、溫帶寬葉常青、溫帶寬葉夏季植被、北方針葉常青、北方寬葉夏季植被、北方針葉夏季植被、C3植物草坪、C4植物草坪、C3農(nóng)作物和C4農(nóng)作物。模式的每個(gè)陸地格點(diǎn)可以同時(shí)有幾種植被類型并存，分別占據(jù)總格點(diǎn)面積的一定百分比。為模擬不同區(qū)域及中國東部主要城市群夏季氣候效應(yīng)，考慮到中國東部的城市化基本都是征用農(nóng)村土地，故設(shè)計(jì)了4個(gè)敏感性試驗(yàn)（表1），前3個(gè)敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為：分別將珠三角、長三角和京津冀地區(qū)下墊面植被類型中的C3、C4農(nóng)作物改為最接近城市物理特性的裸土（本文分別簡稱為珠三角試驗(yàn)、長三角試驗(yàn)和京津冀試驗(yàn)）；第 4個(gè)敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為：同時(shí)將珠三角、長三角和京津冀地區(qū)下墊面植被類型中的C3、C4農(nóng)作物改為裸土（本文簡稱為東部城市帶試驗(yàn)）。樸世龍和方精云（2001）研究顯示，20世紀(jì)最后20年里珠三角和長三角地區(qū)是植被覆蓋下降趨勢最明顯的地區(qū)，劉紀(jì)遠(yuǎn)等（2002）的研究也表明，京津冀、長三角地區(qū)城鎮(zhèn)居民建設(shè)用地的擴(kuò)張侵占了大面積的耕地，將下墊面農(nóng)作物改為裸土雖不能完全精確反應(yīng)城市發(fā)展?fàn)顩r，但基本可以體現(xiàn)出當(dāng)代中國東部區(qū)域陸面覆蓋變化的基本特征。為進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的顯著性，本文采用了集合試驗(yàn)的方案，即控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)均進(jìn)行7次不同初始值的模擬，得到7組21年（1989年1月～2009年12月）模擬結(jié)果，本文分析的是7次模擬的夏季集合平均結(jié)果。

表2為控制試驗(yàn)中三個(gè)城市群下墊面的一些基本參數(shù)，可以看到，各區(qū)域裸土所占比例均不超過5%，C3、C4農(nóng)作物所占比例之和大多接近 40%，敏感性試驗(yàn)中將控制試驗(yàn)中的C3、C4農(nóng)作物變?yōu)槁阃?，很大程度上增加了裸土面積。控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)的差異除了受C3、C4類農(nóng)作物所占比例影響外，C3、C4類農(nóng)作物在夏季的葉面積指數(shù) LAI（LAI=綠葉總面積/占地面積）也是重要的影響因子。C3、C4類農(nóng)作物在夏季LAI有著明顯的南北差異，長三角、珠三角地區(qū)夏季平均LAI高于京津唐地區(qū)，故長三角、珠三角地區(qū)植被的生長較京津冀地區(qū)更加茂盛，從而植被蒸騰作用的變化也較大。

表1 三個(gè)城市群下墊面變化區(qū)域一覽表Table 1 List of simulations with land-use change in three different metropolitan areas

表2 三個(gè)城市群控制試驗(yàn)下墊面類型Table 2 Surface properties of the three metropolitan areas in the control run

3 控制試驗(yàn)?zāi)M能力評估

為了驗(yàn)證模式模擬的效果，本文將模式模擬結(jié)果與 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）降水資料進(jìn)行對比，其中NCEP再分析資料和 GPCP降水資料的分辨率均為 2.5°×2.5°，觀測與模擬的對比時(shí)段為1989～2009年的夏季。

圖1為NCEP再分析資料與模式控制試驗(yàn)結(jié)果在東亞范圍內(nèi)夏季平均500 hPa位勢高度分布，對比圖1a和b，可以發(fā)現(xiàn)兩者在空間結(jié)構(gòu)上十分相似，但控制中國東部沿海地區(qū)的副高強(qiáng)度模擬存在 40 gpm負(fù)偏差。圖2等值線為NCEP再分析資料與模式控制試驗(yàn)結(jié)果在東亞范圍內(nèi)夏季平均2 m空氣溫度分布，可以看到，控制試驗(yàn)大體模擬出由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減的溫度分布，最大暖偏差出現(xiàn)在新疆東部以及甘肅西部地區(qū)，東部地區(qū)平均暖偏差大約為1°C。圖2陰影為GPCP資料與控制試驗(yàn)得到的東亞范圍內(nèi)夏季平均降水分布，發(fā)現(xiàn)控制試驗(yàn)?zāi)苣M出降水量南多北少的分布形勢，最大濕偏差出現(xiàn)在四川盆地地區(qū)，東部地區(qū)平均偏差大約為 1 mm d-1。

綜上結(jié)果表明，LMDZ全球模式能較好模擬東亞夏季平均500 hPa場結(jié)構(gòu)，中國東部沿海地區(qū)的副高模擬偏差低于40 gpm。對夏季中國東部氣候要素場的模擬在部分地區(qū)存在暖偏差、濕偏差，但大部分區(qū)域暖偏差低于2°C ，濕偏差小于2 mm d-1，且模擬出溫度由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減、降水量南多北少的分布形勢。可以認(rèn)為該模式對東亞地區(qū)環(huán)流形勢以及平均溫度和降水場有較好的模擬能力。

圖1 夏季（6～8月）平均500 hPa位勢高度分布（單位：gpm）：（a）NCEP再分析資料結(jié)果；（b）模式控制試驗(yàn)結(jié)果Fig. 1 Distribution of summer (June to August, JJA)mean 500-hPa geopotential height (gpm)in (a)NCEP re-analysis and (b)control run

4 各區(qū)域城市群下墊面變化的氣候效應(yīng)及其可能機(jī)理

根據(jù)表1試驗(yàn)方案，對比分析4組敏感性試驗(yàn)和控制試驗(yàn)的差別，研究城市群下墊面變化引起的夏季氣候效應(yīng)及其可能機(jī)理。

4.1 溫度響應(yīng)與地表能量平衡的變化

下墊面類型變化會(huì)改變地氣間的能量平衡關(guān)系，導(dǎo)致近地表溫度變化，并進(jìn)一步影響大氣的熱力狀況。圖3為各組敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季平均2 m氣溫差值場，可以看到，無論是三城市群分別變化的獨(dú)立試驗(yàn)，還是同時(shí)變化的東部城市帶試驗(yàn)，下墊面變化都引起了變化區(qū)域局地近地表溫度的顯著增加（通過了95% 的信度檢驗(yàn)），這與多數(shù)學(xué)者在研究城市化以及土地利用變化時(shí)所得到的結(jié)論相一致（鄭益群等，2002；Zhang and Gao，2009；Ma et al.，2013；Chen and Zhang，2013）。其中，長三角地區(qū)變化最明顯，尤其是其北側(cè)區(qū)域，最大變溫超過 2.2°C，珠三角地區(qū)次之，京津冀地區(qū)變化最小，最大變溫為 1.0°C，Lawrence and Chase（2010）研究發(fā)現(xiàn)陸面從潛在植被變化到當(dāng)前的實(shí)際植被狀態(tài)導(dǎo)致中國夏季平均增溫0.49°C，這與本文試驗(yàn)結(jié)果接近。并且和我們得到的物理機(jī)制類似，他們的增溫效應(yīng)也主要是由蒸騰的改變而引起的。值得注意的是，4組試驗(yàn)的增溫區(qū)域都基本集中于下墊面城市群變化區(qū)域，且東部城市帶試驗(yàn)的溫度變化基本是三個(gè)城市群單獨(dú)改變的線性疊加，表明中國東部區(qū)域各城市群下墊面變化的溫度響應(yīng)有顯著的局地性。Georgescu et al.（2014）最近使用WRF模式研究了北美地區(qū)21世紀(jì)城市化的可能演變進(jìn)程以及對區(qū)域氣候的影響，他們的結(jié)果顯示，21世紀(jì)末，大部分地區(qū)由于城市化帶來的增溫都可達(dá)1到2度，甚至更高，這也和我們在本文里得出的結(jié)果很接近。另外，Georgescu et al.（2014）還做了幾個(gè)很有意思的數(shù)值試驗(yàn)，來測試是否可以抵消城市化帶來的增溫，他們的測試包括把房頂涂成淺顏色以增加對短波輻射的反照率，或者在房頂種植綠色植物，增加蒸騰。這些措施都能有效地消弱增溫作用。

由于地表植被類型的變化，引起的地表反照率等物理性質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致下墊面改變區(qū)域接收的輻射量改變，從而引起地表能量平衡發(fā)生變化，包括地表接收的凈短波輻射、地表有效輻射以及潛熱、感熱通量的變化。圖4到圖7分別為各組敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季平均地表能量差值場。由圖 4到圖 7可以看到，珠三角、長三角和京津冀城市群下墊面分別變化后，其地表能量變化基本一致，均表現(xiàn)為地表接收的凈短波輻射增加、地表支出有效長波輻射也加大，地表向上的感熱通量增加、潛熱通量減少。但不同城市群的變化幅度存在一定差異。

地表接收的凈短波輻射（圖 4）的增加在長三角地區(qū)最強(qiáng)（集中在北側(cè)，南側(cè)幾乎無變化），最大變化超過12 W m-2，京津冀地區(qū)次之（集中在南側(cè)，北側(cè)幾乎無變化），珠三角地區(qū)變化最小，最大變化僅達(dá)到4 W m-2。凈短波輻射的改變既和下墊面反照率的變化有關(guān)，也和由于大氣水汽的變化而引起的到達(dá)輻射量的變化有關(guān)。在我們的試驗(yàn)里，是把農(nóng)作物改成裸土，由于農(nóng)作物的反照率較高，而潮濕的地面可以有較低的反照率，所以有些地區(qū)（如長三角北部，京津冀南部）凈短波輻射增加值較大。在我們的試驗(yàn)里，大氣含水量都減少，故有增加短波輻射的作用。地表有效長波輻射（圖5）在長三角地區(qū)的變化大于珠三角、京津冀地區(qū)，最大變化超過30 W m-2。潛熱通量（圖6）和感熱通量（圖 7）的變化在三個(gè)地區(qū)差異不大，京津冀地區(qū)的變化略小。類似于溫度變化，可以發(fā)現(xiàn)4組試驗(yàn)中各種地表能量變化都集中發(fā)生在下墊面改變的區(qū)域，且大部分區(qū)域都通過了 95%的信度檢驗(yàn)。進(jìn)一步分別對比圖4d到圖7d與圖4到圖7中的其他三幅圖，還可以看到，東部城市帶試驗(yàn)的地表能量變化基本是三個(gè)城市群單獨(dú)改變的線性疊加，顯然，這些都表明下墊面改變引起的地表能量變化也具有顯著的局地性。

根據(jù)地表熱量平衡方程，若不考慮和深層土壤的能量交換

式中，Q為地面接收的凈短波輻射，F(xiàn)為地面有效長波輻射，E為蒸發(fā)潛熱通量，H為感熱通量。當(dāng)局地下墊面變化時(shí)，可以得到，各通量的變化存在以下關(guān)系：

圖2 夏季（6～8月）平均2 m空氣溫度（單位：°C）和降水量（單位：mm d-1）分布（實(shí)線為溫度，陰影為降水）：（a）NCEP再分析資料結(jié)果；（b）模式控制試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Distribution of summer (JJA)mean precipitation (mm d-1)and 2-m surface air temperature (°C): (a)Observation; (b)simulation results. Contours:temperature; shading: precipitation

圖3 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季（6～8月）平均2 m空氣溫度差值場（單位：°C，方框內(nèi)為下墊面修改區(qū)域，黑點(diǎn)覆蓋區(qū)域的溫度變化通過了95%信度檢驗(yàn)）：（a）珠三角試驗(yàn)；（b）長三角試驗(yàn)；（c）京津冀試驗(yàn)；（d）東部城市帶試驗(yàn)Fig. 3 Differences of summer (JJA)mean 2-m air temperature between the control and sensitivity experiments (°C). Box is the area of land use change. Black spot covered areas denote zones exceeding the 95% confidence level. (a)Pearl River Delta; (b)Yangtze River Delta; (c)Beijing–Tianjin–Hebei agglomeration;(d)three-region combined simulation

考慮到地表能量變化存在顯著的局地性，進(jìn)一步計(jì)算4組試驗(yàn)中各城市群區(qū)域平均地表能量變化（見圖8），注意圖8中地面收入（支出）能量增加（減少）為正，地面支出（收入）能量增加（減少）為負(fù)，各區(qū)域左柱代表單一區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果，右柱代表東部城市帶試驗(yàn)結(jié)果。可以看到，各城市群改變下墊面后，地表熱量變化收入增加來自地面接收凈短波輻射增加、支出潛熱減少，而地表有效長波輻射和感熱通量增加，則是地表熱量變化支出項(xiàng)。但無論何城市群，地表熱量收支變化主要集中表現(xiàn)為潛熱減少（至少占地表熱量收入 80%）、感熱通量增加（占地表熱量支出 60%以上）。表明地表類型的變化，顯著減少了該區(qū)域潛熱蒸發(fā)，即顯著減弱了通過蒸發(fā)吸熱作用降低氣溫的過程，導(dǎo)致地面能量失衡，為平衡地面能量收支，地面溫度升高，進(jìn)而感熱通量、地表有效長波輻射增強(qiáng)，地表通過改變溫度對能量進(jìn)行再分配和再平衡。

圖4 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季（6～8月）平均地表接收的凈短波輻射差值場（單位：W m-2），方框內(nèi)為修改區(qū)域，黑點(diǎn)覆蓋區(qū)域通過95%信度檢驗(yàn)：（a）珠三角試驗(yàn)；（b）長三角試驗(yàn)；（c）京津冀試驗(yàn)；（d）東部城市帶試驗(yàn)Fig. 4 Difference of summer (JJA)mean surface net shortwave radiation between the control and sensitivity experiments (W m-2). Box is the area of land use change. Black spot covered areas denote zones exceeding the 95% confidence level. (a)Pearl River Delta; (b)Yangtze River Delta; (c)Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area; (d)three-region combined simulation

圖5 同圖4，但為地表支出的有效長波輻射Fig. 5 Same as in Figure 4, but for the surface effective net long-wave radiation

進(jìn)一步對比不同城市群能量和氣溫變化（圖9）大小，可以看到長三角和珠三角城市群總的能量變化較接近，各能量對熱量收支貢獻(xiàn)略有差異，珠三角城市群潛熱通量變化較大（占地表熱量收入94%），長三角地表有效長波輻射變化略大（接近熱量支出 40%）；京津冀城市群總的能量變化遠(yuǎn)低于長三角、珠三角城市群，僅為后者的 50%。相應(yīng)地，珠三角、長三角城市群的局地增溫在0.6°C左右，而京津冀城市群的局地增溫不足 0.3°C，可見各區(qū)域地表氣溫變化和能量變化有著較好的對應(yīng)關(guān)系。由于 C3、C4農(nóng)作物所占比例之和珠三角、長三角城市群接近45%，而在京津冀城市群只占 38%，且珠三角、長三角城市群夏季平均 LAI高于京津唐城市群，綜合兩者變化可以看出，珠三角、長三角城市群參加蒸騰作用的生物量變化要遠(yuǎn)大于京津冀城市群，從而能量變化和局地增溫也較大。此外，對比單一區(qū)域試驗(yàn)和東部城市帶試驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果十分接近，再次表明下墊面性質(zhì)的變化引起的氣候效應(yīng)具有顯著局地性。

圖6 同圖4，但為潛熱通量Fig. 6 Same as in Figure 4, but for the latent heat flux

圖7 同圖4，但為感熱通量Fig. 7 Same as in Figure 4, but for the sensible heat flux

由此可見，當(dāng)城市群改變下墊面后，地表潛熱蒸發(fā)顯著減少，即顯著減弱了通過蒸發(fā)吸熱作用降低氣溫的過程，為了平衡地面能量收支，地面溫度升高，進(jìn)而感熱通量、地表有效長波輻射增強(qiáng)，表明地表通過升溫對能量進(jìn)行再分配和再平衡。而無論單一城市群還是整個(gè)東部城市帶的試驗(yàn)，都表明下墊面改變引起的溫度響應(yīng)、地表能量變化具有顯著的局地性。各城市群能量變化與相應(yīng)氣溫響應(yīng)的對比表明，各區(qū)域地表氣溫變化和能量變化有著較好的對應(yīng)關(guān)系，長三角、珠三角城市群的總能量變化遠(yuǎn)高于京津冀城市群，其局地增溫也是京津冀城市群的一倍以上。

圖8 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)各城市群區(qū)域夏季平均地表能量差值（單位：W m-2），各區(qū)域左柱代表單一區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果，右柱代表東部城市帶試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Difference of summer mean surface heat fluxes between the control and sensitivity simulations in the three metropolitan areas (units: W m-2). Left columns denote single-zone simulations, and right columns the three-region combined simulation

圖9 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)各區(qū)域平均夏季2 m氣溫差值（單位：°C）Fig. 9 Differences of summer mean 2-m air temperature in the three metropolitan areas between the control and sensitivity simulations(units: °C)

4.2 降水變化及其可能機(jī)理

圖10為各組敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季平均降水差值場，可以看到，4組試驗(yàn)的下墊面變化都引起珠三角、長三角和京津冀城市群平均日降水量的顯著減少（通過了 95%的信度檢驗(yàn)）。單一區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果顯示，長三角、珠三角城市群日降水量變比較接近，長三角中心變化區(qū)域超過1.2 mm，珠三角次之，京津冀的變化最小，僅達(dá)到0.6 mm。東部城市帶試驗(yàn)中，各區(qū)域平均日降水量的減少較單一區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果都有所加強(qiáng)。此外，4組試驗(yàn)降水減少區(qū)域都沒有集中在局地，尤其是東部城市帶試驗(yàn)中，東部地區(qū)存在大范圍的降水偏少（圖10d），這可能是由于降水是局地?cái)_動(dòng)和大尺度環(huán)流相互作用的結(jié)果，故各地區(qū)平均日降水量減少并沒有限制在局地。另外在東南亞也出現(xiàn)大面積的降水減少區(qū)，從菲律賓以東的西太平洋經(jīng)南海到中南半島，降水都有所減少。相反的在我國內(nèi)陸地區(qū)有極微弱的降水增加信號。

值得一提的是Zhang et al.（2009）使用澳大利亞氣象局的氣候模式來研究觀測到的植被相對于潛在植被對中國氣候的影響。在夏季，植被蒸騰減弱，引起溫度升高，降水減少，這和我們獲取的結(jié)果很一致。其實(shí)早在上世紀(jì)70年代，Charney（1975）在他的植被和氣候相互作用的開創(chuàng)性工作里，已經(jīng)指出，植被退化可以引起局地降水減少，進(jìn)而導(dǎo)致沙漠化。于燕和謝正輝（2012）使用區(qū)域氣候模式來研究中國地區(qū)植被退化的氣候效應(yīng)，也發(fā)現(xiàn)蒸騰減少的地區(qū)有很強(qiáng)的降水減少趨勢。以上這些文獻(xiàn)結(jié)果都從某種程度上加強(qiáng)了本文結(jié)果的可信性。

圖10 同圖3，但為降水量（mm d-1）差值場Fig. 10 Same as in Fig. 3, but for precipitation (mm d-1)

圖11為夏季平均海平面氣壓場（MSLP）和不同層次位勢高度差值場，由圖11a–d可見，珠三角、長三角、京津冀地區(qū)均在局地出現(xiàn)負(fù)MSLP異常區(qū)，周圍有正 MSLP異常區(qū)，但珠三角、京津冀地區(qū)變化幅度均小于長三角地區(qū)，呈現(xiàn)微弱的熱低壓。表明當(dāng)局地下墊面改為城市下墊面后，地表的能量平衡發(fā)生變化，地表溫度增加，空氣受熱上升，在該區(qū)域低層形成熱低壓，四周空氣向熱低壓地區(qū)流入以補(bǔ)償該地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)，故周圍形成正MSLP異常區(qū)。

從 850 hPa（圖 11e–h）和 500 hPa（圖 11i–l）位勢高度差值場看來，長三角、珠三角地區(qū)無論是在單一區(qū)域試驗(yàn)還是東部城市帶試驗(yàn)，皆被正位勢高度異常所控制。京津冀地區(qū)在單一區(qū)域試驗(yàn)中，在850 hPa和500 hPa都被正異常所控制，中高層為正壓異常結(jié)構(gòu)；在東部城市帶試驗(yàn)中，850 hPa為正異常，500 hPa則為負(fù)異常，中高層為斜壓異常結(jié)構(gòu)。

結(jié)合 500 hPa（圖 11i–l）、200 hPa（圖 11m–p）位勢高度差值場不難發(fā)現(xiàn)整個(gè)中國東部高層在4個(gè)試驗(yàn)中都呈現(xiàn)一個(gè)南正北負(fù)的異常變化，這種異常變化形勢有利于500 hPa副高在大陸的部分得到增強(qiáng)，并且范圍擴(kuò)大至東部沿海地區(qū)，造成其控制區(qū)域內(nèi)降水減少，顯然4組試驗(yàn)降水減少區(qū)域沒有集中在局地，特別是東部城市帶試驗(yàn)的降水變化與上述大尺度場的變化有關(guān)。進(jìn)一步計(jì)算不同試驗(yàn)中位勢高度場間的相似系數(shù)，可得到850 hPa位勢高度場各試驗(yàn)間的平均相似系數(shù)為0.36，500 hPa、200 hPa位勢高度場各試驗(yàn)間的平均相似系數(shù)分別增加為0.46和0.67，可以看出，越到高層，4個(gè)試驗(yàn)的位勢高度場相似程度越高，下墊面擾動(dòng)的具體位置對其影響越小。這表明下墊面性質(zhì)變化產(chǎn)生的影響主要集中在近地面層，在高層可能存在大尺度本征模態(tài)（花振飛等，2013），這種本征模態(tài)不受下墊面性質(zhì)變化的位置影響。

圖11 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季（6～8月）平均海平面氣壓場（單位：hPa）和位勢高度差值場（單位：gpm）：（a–d）海平面氣壓場；（e–h）850 hPa；（i–l）500 hPa；（m–p）200 hPa。其中（a、e、i、m）為珠三角地區(qū)，（b、f、j、n）為長三角地區(qū)，（c、g、k、o）為京津冀地區(qū)，（d、h、l、p）東部城市帶Fig. 11 Differences of summer (JJA)mean sea level pressure (hPa)and geopotential height (gpm)between the control and sensitivity experiments. Box is the area of land use change. Dashed coverage area denotes anomalies exceeding 95% confidence level. (a–d)Sea level pressure ; (e–h)850 hPa; (i–l)500 hPa;(m–p)200 hPa, (a, e, i, m)Pearl River Delta; (b, f, j, n)Yangtze River Delta; (c, g, k, o)Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area; (d, h, l, p)three-region combined simulation

圖12為4組敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季平均溫度、比濕、垂直環(huán)流在110°～122°E上的平均垂直剖面（箭頭為經(jīng)向環(huán)流，等值線為比濕，陰影為溫度），可以看出，4組試驗(yàn)改變下墊面區(qū)域都呈現(xiàn)局地加熱升溫，低層有明顯的上升運(yùn)動(dòng)，一般而言，大氣上升運(yùn)動(dòng)有利于降水的產(chǎn)生，但值得注意的是，由于下墊面性質(zhì)的改變，模擬降水量的變化是減少的（圖 10），表明下墊面變化導(dǎo)致的局地動(dòng)力條件改變不是導(dǎo)致局地降水減少的原因。

圖12 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季（6～8月）平均差值的垂直剖面（110°～122°E平均），紅色箭頭代表經(jīng)向環(huán)流，等值線代表比濕（單位：g kg-1），陰影代表溫度（單位：°C）：（a）珠三角試驗(yàn)；（b）長三角試驗(yàn)；（c）京津冀試驗(yàn)；（d）東部城市帶試驗(yàn)Fig. 12 Vertical profile of differences of summer (JJA)mean variables between the control and sensitivity experiments (110°–122°E): (a)Pearl River Delta;(b)Yangtze River Delta; (c)Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area; (d)three-region combined simulation. Red arrows represent the meridional circulation,contour lines represent specific humidity (g kg-1), shading represents temperature (°C).

眾所周知，降雨的產(chǎn)生主要是由兩個(gè)因素決定的，除了在大氣動(dòng)力學(xué)條件外，大氣中的水分供應(yīng)也是另一個(gè)重要因素。4組試驗(yàn)都呈現(xiàn)改變下墊面區(qū)域比濕顯著減少，局地水汽明顯減少，呈現(xiàn)變暖變干的狀態(tài)，因此局地顯著變干可能是導(dǎo)致城市群局地降水減少的主要因素。

根據(jù)大氣中水分平衡方程，蒸發(fā)，降水和水汽輸送存在如下關(guān)系

式中，r為降水量，E為蒸發(fā)量，aQΔ為水汽凈輸送量。在一般區(qū)域范圍內(nèi)，E變化不大，那么r應(yīng)隨aQΔ而變化，兩者應(yīng)有很好的對應(yīng)關(guān)系。但在下墊面變化的局地地區(qū)，由于E變化很大，r和aQΔ就可能沒有很好的對應(yīng)關(guān)系。圖13為4組敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季平均整層水汽通量及其散度差值場（矢量代表整層水汽通量，陰影代表整層水汽通量散度，等值線代表降水），不難發(fā)現(xiàn)，珠三角、長三角和京津冀城市群區(qū)域降水和水汽通量散度無明顯對應(yīng)關(guān)系，降水變化主要和蒸發(fā)有關(guān)。而下墊面修改區(qū)域外，整層水汽輸送和降水的變化基本相對應(yīng)，整層水汽輻散區(qū)對應(yīng)降水減少區(qū)域，反之亦然，這也從另一方面再次證明，局地水汽變化是導(dǎo)致局地降水減少的主要因素。

可見，由于地表類型改變，導(dǎo)致地表溫度增加，在局地低層形成熱低壓，有明顯上升運(yùn)動(dòng)，但下墊面變化導(dǎo)致的局地蒸發(fā)減小使三個(gè)城市群水汽明顯減少，表明水汽條件改變是導(dǎo)致降水減少的主要因素。加上整個(gè)中國東部高層呈現(xiàn)南正北負(fù)的異常變化，西太平洋副高加強(qiáng)西伸，導(dǎo)致降水減少區(qū)域并沒有集中在局地，特別是東部城市帶試驗(yàn)中，出現(xiàn)東部地區(qū)大范圍的降水偏少。雖然也有研究表明，城市化可能會(huì)使所處區(qū)域的降水增加（黎偉標(biāo)等，2009；Zhang et al., 2010；Zhan et al., 2013），但主要是指對流性降水，且歸因于動(dòng)力因素和城市熱島效應(yīng)。

圖13 敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的夏季（6～8月）整層水汽通量（單位：kg m-1 d-1）及其散度（單位：kg m-2 d-1）差值場：（a）珠三角試驗(yàn)；（b）長三角試驗(yàn)；（c）京津冀試驗(yàn)；（d）東部城市帶試驗(yàn)。矢量代表水汽通量，陰影代表降水量，等值線代表水汽通量散度Fig. 13 Difference of summer (JJA)mean moisture flux (kg m-1 d-1)and its divergence (kg m-2 d-1)between the control and sensitivity experiments: (a)Pearl River Delta; (b)Yangtze River Delta; (c)Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area; (d)three-region combined simulation. Vectors represent moisture flux, shading represents precipitation, contour lines represent moisture flux divergence

5 結(jié)論

本文通過改變珠江三角洲、長江三角洲以及京津冀地區(qū)下墊面類型，模擬不同區(qū)域城市群下墊面變化的氣候效應(yīng)，探討不同區(qū)域城市化夏季氣候效應(yīng)及其可能機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）各區(qū)域城市群下墊面變化的夏季氣候效應(yīng)及其機(jī)理基本一致。當(dāng)各城市群下墊面中農(nóng)作物改為裸土后，地表潛熱蒸發(fā)顯著減少，即顯著減弱了通過蒸發(fā)吸熱作用降低氣溫的過程，為了平衡地面能量收支，地面溫度升高，進(jìn)而感熱通量、地表有效長波輻射增強(qiáng)，地表通過升溫對能量進(jìn)行再分配和再平衡。而局地溫度增加，雖有利于低層形成熱低壓，出現(xiàn)明顯上升運(yùn)動(dòng)，但蒸發(fā)減弱使局地水汽明顯減少，最終導(dǎo)致降水減少，表明水汽條件改變是降水減少的主要因素。

（2）無論單一城市群還是整個(gè)東部城市帶的試驗(yàn)，都表明三個(gè)城市群下墊面改變引起的溫度響應(yīng)、地表能量變化具有顯著的局地性，三城市群下墊面同時(shí)改變時(shí)，各區(qū)域溫度變化基本是三個(gè)城市群單獨(dú)改變的線性疊加。但由于中國東部高層呈現(xiàn)南正北負(fù)的異常變化，西太平洋副高加強(qiáng)西伸，導(dǎo)致降水減少區(qū)域并沒有集中在局地，特別是東部城市帶試驗(yàn)中，出現(xiàn)東部地區(qū)大范圍的降水偏少。同時(shí)東南亞地區(qū)降水也減少，而我國內(nèi)陸卻有微弱的降水增加信號。

（3）不同地區(qū)城市化影響氣候的強(qiáng)弱存在差異，各區(qū)域地表氣溫變化和能量變化有著較好的對應(yīng)關(guān)系，珠三角、長三角城市群的總能量變化遠(yuǎn)高于京津冀城市群，其局地增溫也是京津冀城市群的一倍以上。京津冀城市群降水的變化也明顯弱于珠三角、長三角城市群。

必須指出的是，由于LMDZ模式中目前沒有獨(dú)立的城市冠層模塊，其城市群效應(yīng)的敏感性試驗(yàn)在本文中是將下墊面農(nóng)作物所占份額改為裸土，過于理想化，這有可能影響本文中城市群氣候效應(yīng)的模擬結(jié)果。未來需要用其它模式來交叉驗(yàn)證，特別是和降水有關(guān)的部分，自然變率大，不確定性較強(qiáng)。

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