尹金方，黃潔，史永強(qiáng)，王洪，梁旭東，謝衍新

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.克拉瑪依氣象局，新疆 克拉瑪依834000；3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641)

1 引 言

“城市(群)”的動(dòng)力、熱力、人類活動(dòng)的效應(yīng)(簡(jiǎn)稱“城市效應(yīng)”)對(duì)城市和周邊地區(qū)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展及強(qiáng)降水的形成有著重要的影響。早在1960年代后期，Changnon[1]指出城市地區(qū)對(duì)流強(qiáng)度和降水強(qiáng)度有所增強(qiáng)，總降水亦然。在不同的背景條件下，城市可通過(guò)多種方式影響對(duì)流活動(dòng)和降水[2]。城市熱島的加熱，在城市熱島的下風(fēng)方觸發(fā)對(duì)流，從而導(dǎo)致降水更多[3]。其次，城市建筑使得地表粗糙度變大，有利于近地層內(nèi)水平輻合，下墊面摩擦和阻擋形成的動(dòng)力作用可引起降水的時(shí)空變化[4]，甚至引起對(duì)流系統(tǒng)的分裂[5]。此外，城市人類活動(dòng)產(chǎn)生的人為氣溶膠粒子會(huì)直接(間接)影響城市地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)和降水[6]。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，人類活動(dòng)的增強(qiáng)以及城區(qū)不透水面的擴(kuò)張，城市系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和多樣化，城市熱島強(qiáng)度顯著上升[7]。京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角等地區(qū)城市(群)對(duì)降水的影響日趨明顯[8-10]。研究指出城市地區(qū)的強(qiáng)降水頻次較周邊地區(qū)增多，可達(dá)城市周邊鄉(xiāng)村地區(qū)的三倍[11]，且城市及其下游的平均降水強(qiáng)度分別增強(qiáng)了16%和18%[12]。

城市是人類活動(dòng)的主要區(qū)域，城市降水對(duì)人類活動(dòng)有著顯著的影響，尤其是顯著增加了城市局地的洪澇風(fēng)險(xiǎn)和防災(zāi)減災(zāi)難度。因此，世界各地開展了大量城市影響降水的研究，尤其是對(duì)極端降水變化的研究。城市效應(yīng)除了城市復(fù)雜下墊面本身的影響之外，還涉及到瞬息萬(wàn)變的人類排放活動(dòng)的影響。由于觀測(cè)技術(shù)和儀器的限制，加之人力和財(cái)力的限制，觀測(cè)資料遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足城市效應(yīng)的研究需求。因此，在數(shù)值模式中直接引入城市冠層模式來(lái)研究城市效應(yīng)是一種有效可行的手段，在過(guò)去的幾十年也取得了較大的進(jìn)展[13-16]。然而，城市冠層模式的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上城市的發(fā)展速度，城市冠層模式中對(duì)城市效應(yīng)的描述明顯不足，使得城市冠層模式的模擬結(jié)果未能達(dá)到預(yù)期的效果[14]。此外，城市冠層模式受到邊界層、陸面過(guò)程等方案的約束，一定程度上限制了城市冠層模式的應(yīng)用。

由于觀測(cè)的局限性，當(dāng)前對(duì)城市效應(yīng)在對(duì)流的發(fā)生發(fā)展、強(qiáng)降水的形成、降水的增幅等方面的物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然不足。為了改進(jìn)城市背景下對(duì)流及降水的模擬性能，本研究試圖采用Nudging地面加密觀測(cè)間接引入城市效應(yīng)的方法，在模式積分過(guò)程中一定程度上可逐步引入城市效應(yīng)。Nudging最早被用于資料同化[17]，通過(guò)在預(yù)報(bào)方程中增加預(yù)報(bào)和觀測(cè)差值的虛假傾向，使模式結(jié)果向觀測(cè)逐步逼近，達(dá)到模式要素場(chǎng)接近觀測(cè)的同時(shí)又滿足各要素之間相互協(xié)調(diào)的效果。WRF模式中包括觀測(cè)(Observation)Nudging和格點(diǎn)(Grid)Nudging兩類，后者包含了譜(Spectral)Nudging。觀測(cè)Nudging和格點(diǎn)Nudging均可用于不同層次的Nudging，但后者通常只用于邊界層之上的高層大氣。在WRF3.8及之后的版本，增加了地面格點(diǎn)Nudging的功能。Obsgrid除輸出觀測(cè)資料外，同時(shí)還利用模式要素和觀測(cè)值輸出地面格點(diǎn)場(chǎng)分析場(chǎng)。在模式積分過(guò)程中，地面格點(diǎn)Nudging利用地面格點(diǎn)場(chǎng)分析場(chǎng)中溫度和水汽的傾向約束地表感熱和潛熱通量，實(shí)現(xiàn)大氣和陸地之間的熱動(dòng)力匹配[18]。本研究中主要考慮地面加密觀測(cè)中包含的城市效應(yīng)，因此同時(shí)采用觀測(cè)Nudging和地面格點(diǎn)

Nudging。

本研究中提出的使用Nudging方法間接引入城市效應(yīng)的思路可用于與城市效應(yīng)相關(guān)天氣過(guò)程的模擬研究，尤其是對(duì)發(fā)生在邊界層內(nèi)的天氣過(guò)程效果更佳。此外，通過(guò)Nudging再現(xiàn)城市及周邊地區(qū)的各種現(xiàn)象，利用模式參量彌補(bǔ)觀測(cè)資料的不足，為城市冠層模式的改進(jìn)和發(fā)展提供參考。

2 個(gè)例介紹

2017年5月7日凌晨開始，廣州突發(fā)特大暴雨過(guò)程，在花都東部、增城西部等地形成了極端降水。圖1顯示的是2017年5月6日20時(shí)—7日04時(shí)(除特殊說(shuō)明，時(shí)間均為北京時(shí))累計(jì)降水空間分布。前8 h降水主要集中在花山地區(qū)，最大累計(jì)降水量為288 mm。前期研究表明，本次強(qiáng)降水發(fā)生在副熱帶高壓邊緣，無(wú)明顯天氣系統(tǒng)(如低空急流、鋒面等的強(qiáng)迫)，屬于弱強(qiáng)迫背景下的華南前汛期暴雨[19]，對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展與廣州城市熱島直接相關(guān)[20]。

圖1 2017年5月6日20時(shí)—7日04時(shí)(共8 h)累計(jì)降水空間分布 花山(HS)最大累計(jì)降水量288 mm，五角星(☆)表示廣州雷達(dá)站，PR表示珠江口。

2017年5月6日20時(shí)香港探空表明對(duì)流有效位能(CAPE)達(dá)到1 503 J/kg，對(duì)流抑制能僅為7 J/kg，抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度分別約為950 hPa和850 hPa(圖2)。低的抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度表明只需要較小的抬升即可觸發(fā)對(duì)流，較大的CAPE顯示出形成強(qiáng)對(duì)流的潛在可能。此外，整層可降水量達(dá)到53 mm，表明水汽條件有利于強(qiáng)降水的形成。

圖2 2017年5月6日20時(shí)香港探空溫度-壓力對(duì)數(shù)圖探空地理位置見(jiàn)圖3。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù) 據(jù)

以NCEP-FNL 0.25°×0.25°的分析資料作為模式的初邊界條件，邊界條件6 h更新一次。觀測(cè)數(shù)據(jù)源自國(guó)家氣象信息中心，其中廣州雷達(dá)觀測(cè)構(gòu)建的雷達(dá)三維產(chǎn)品用于對(duì)流系統(tǒng)的時(shí)空演變分析及模式評(píng)估；小時(shí)地面加密觀測(cè)資料用于模式積分過(guò)程中Nudging，以及模擬結(jié)果的檢驗(yàn)。

3.2 方 法

本文采用WRF3.9.1版本模式。模式采用單向三層嵌套方案，水平網(wǎng)格距分別為12 km、4 km和1.33 km，水平網(wǎng)格數(shù)分別為313×202、571×334和862×541。模式層頂氣壓設(shè)置為20 hPa，垂直層數(shù)共58層。模式采用蘭伯特投影，中心位置為110.0°E，23.0°N，模式區(qū)域和地形空間分布如圖3所示；模式地表屬性分類使用USGS默認(rèn)24類(圖3b)。模式物理過(guò)程設(shè)置為Thompson云微物理參數(shù)化方案，YSU邊界層參數(shù)化方案，MM5 Monin-Obukhov近地層方案，Noah陸面參數(shù)化方案，rrtm長(zhǎng)短波輻射方案。外層兩重區(qū)域采用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案，最內(nèi)層關(guān)閉積云對(duì)流參數(shù)化方案。模式啟動(dòng)時(shí)間為2017年5月6日20時(shí)，共積分12 h，輸出間隔為6分鐘。

圖3 a.模式區(qū)域設(shè)置，矩形框分別表示12 km、4 km、1.33 km分辨率模式區(qū)域，填色表示地形高度；b.最內(nèi)層區(qū)域下墊面植被類型(填色)和Nudging地面站點(diǎn)分布(白色點(diǎn))，五角星(☆)和帶叉圓圈(?)分別表示廣州雷達(dá)站和香港探空站；黑色實(shí)線表示廣州城區(qū)區(qū)域邊界。

基于WRF模式，可以使用城市冠層模式和Nudging地面加密觀測(cè)資料兩種方式引入城市效應(yīng)。在此選擇WRF模式中單層冠層模式(Noah-UCM)。Noah-UCM單層冠層模式簡(jiǎn)單考慮了城市建筑和道路的幾何屬性，主要考慮了城市冠層對(duì)長(zhǎng)短波輻射的吸收、反射作用，以及風(fēng)切變等因素，分別計(jì)算建筑物頂、墻體及道路面的熱量傳輸[13]。Nudging是一種連續(xù)的動(dòng)力約束方法，可分為格點(diǎn)分析場(chǎng)Nudging和觀測(cè)站點(diǎn)Nudging兩類[21-22]。數(shù)值模式積分過(guò)程中，在一個(gè)或多個(gè)預(yù)報(bào)方程中增加預(yù)報(bào)與觀測(cè)差值的約束項(xiàng)，使模式預(yù)報(bào)值向觀測(cè)值靠近，從而達(dá)到改善數(shù)值模式的模擬能力。

針對(duì)引入城市效應(yīng)的不同方法，本研究設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)：一組是采用Nudging地面加密觀測(cè)資料的方法間接引入城市熱島效應(yīng)(記為“Nudg”)，另一組開啟城市冠層模式直接引入城市熱島效應(yīng)，但關(guān)閉Nudging地面加密觀測(cè)資料(記為“Urba”)。為了盡可能合理地反映城市效應(yīng)，本試驗(yàn)中采用OBSGRID_FASDAS版本，除了提供觀測(cè)Nudging的觀測(cè)資料外，還生成地面格點(diǎn)Nudging要素場(chǎng)。在WRF模式積分過(guò)程中，同時(shí)開啟觀測(cè)站點(diǎn)Nudging和地面格點(diǎn)Nudging。關(guān)于Nudging參數(shù)化的配置，除對(duì)觀測(cè)Nudging的參數(shù)值放大了4倍外，其它參數(shù)值采用OBSGRID_FASDAS中使用說(shuō)明的配置。需要指出的是，本次模擬對(duì)觀測(cè)Nudging的參數(shù)的值不敏感，將觀測(cè)Nudging的參數(shù)的值放大2倍或4倍模擬的結(jié)果差異很小。在模擬過(guò)程中也開展了Nudging不同要素的敏感性試驗(yàn)。綜合而言，同時(shí)Nudging溫度、風(fēng)場(chǎng)和濕度場(chǎng)對(duì)本次天氣過(guò)程模擬的效果最好。Nudging地面溫度效果最顯著，直接決定對(duì)流的觸發(fā)。Nudging地面風(fēng)場(chǎng)在一定程度上影響著對(duì)流的位置。Nudging地面濕度場(chǎng)與否，模擬結(jié)果差異不大，這可能與該地區(qū)本身水汽的含量較大有關(guān)。在城市冠層模式中，城市下墊面一般被分為高、中、低密度三類。鑒于城市下墊面分類的復(fù)雜性，且不同方案的分類方法之間存在較大的差異。本研究中為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將城市下墊面統(tǒng)一歸為高密度城市分類。城市冠層模式的設(shè)置完全采用默認(rèn)值。

4 結(jié)果分析

4.1 城市熱島

圖4顯示的是觀測(cè)和模擬地面溫度和風(fēng)場(chǎng)的空間分布及時(shí)間演變。從觀測(cè)可看出，在模式初始時(shí)刻(圖4a)，在廣州城市區(qū)域的城市熱島非常明顯，熱島中心地面溫度超過(guò)30℃。隨著時(shí)間的推移，城市熱島的強(qiáng)度逐漸減弱，空間范圍逐漸縮小。Nudg試驗(yàn)基本上能夠再現(xiàn)出城市熱島的空間分布及時(shí)間演變，但Nudg試驗(yàn)中城市熱島減弱的速度明顯比觀測(cè)要快(圖4e～4h)。Urba試驗(yàn)中(圖4i～4l)，初始時(shí)刻城市熱島的空間分布與Nudg相同，但模式啟動(dòng)后，城市熱島快速減弱；模式積分3 h后城市熱島已幾乎消亡，未能夠再現(xiàn)城市熱島的時(shí)空演變。綜合而言，Nudg試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地再現(xiàn)城市熱島的時(shí)空演變，而Urba試驗(yàn)則未能夠維持城市熱島。采用城市冠層模式未能合理再現(xiàn)城市熱島的時(shí)空演變可能與城市模式中城市熱力的描述不足有關(guān)，尤其是人類活動(dòng)、城市空調(diào)、工廠排放等。

圖4 地面2m溫度(℃，填色)和10 m風(fēng)矢量(m/s)空間分布及時(shí)間演變 a～d為觀測(cè)，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測(cè)和開啟城市冠層模式模擬結(jié)果。

4.2 對(duì)流系統(tǒng)時(shí)空演變

觀測(cè)和模擬雷達(dá)組合反射率、地面溫度和風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空分布及演變?nèi)鐖D5所示。從觀測(cè)可看出，在廣州城市的下風(fēng)(西北)方出現(xiàn)了零星雷達(dá)回波(圖5a)。隨著對(duì)流的發(fā)生，在與地面溫度等值線梯度等值線密集的區(qū)域形成了有組織的對(duì)流系統(tǒng)，雷達(dá)回波超過(guò)50 dBZ(圖5b)。隨著降水的逐漸增強(qiáng)和范圍的擴(kuò)大，雨水蒸發(fā)降低了雨區(qū)的地面溫度，改變了地面溫度場(chǎng)的空間分布，地面出現(xiàn)了弱冷池(圖5c)。地面冷池的逐漸增強(qiáng)，在先前的對(duì)流系統(tǒng)入流區(qū)觸發(fā)新的對(duì)流單體，因而使先前的對(duì)流系統(tǒng)向南壓。此外，冷池的出流在其周邊觸發(fā)了新的對(duì)流系統(tǒng)，其西北方和北方的對(duì)流系統(tǒng)迅速發(fā)展，形成有組織結(jié)果的對(duì)流單體，雷達(dá)回波超過(guò)50 dBZ。冷池北部新生的兩個(gè)對(duì)流單體與原對(duì)流單體呈現(xiàn)三角形分布(圖5c)。由于冷池的作用，南部對(duì)流單體在向南壓的同時(shí)，逐漸演變成東-西向帶狀分布。相反，冷池北側(cè)新生的兩個(gè)對(duì)流單體則迅速減弱消亡，這可能與南部對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展成帶狀分布后阻止了水汽和能量向北輸送。

圖5 對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展階段組合反射率(dBZ，填色)，地面2 m溫度(℃，等值線)和10 m風(fēng)矢量(m/s)空間分布及時(shí)間演變a～d為觀測(cè)，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測(cè)和開啟城市冠層模式模擬結(jié)果。

Nudg試驗(yàn)基本再現(xiàn)了城市熱島及其觸發(fā)的對(duì)流發(fā)生發(fā)展，而Urba試驗(yàn)未能夠合理地反映相應(yīng)特征?？梢钥闯?圖5e～5h)，Nudg試驗(yàn)中在城市熱島的下風(fēng)方最先觸發(fā)了對(duì)流，隨著對(duì)流的發(fā)展，形成了與觀測(cè)一致的三個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體。需要指出的是Nudg試驗(yàn)?zāi)M的對(duì)流系統(tǒng)位置偏南，更靠近熱島中心。研究表明[23]，對(duì)流觸發(fā)的位置與城市熱島的強(qiáng)度相關(guān)。城市熱島越強(qiáng)，對(duì)流的位置越靠近熱島中心；反之亦然。然而，本次模擬中城市熱島較觀測(cè)偏弱，但對(duì)流的位置卻靠近熱島中心(即偏南)，這可能與數(shù)值模式中其它因素有關(guān)，尤其是云微物理過(guò)程。如前所述，Urba試驗(yàn)中城市熱島幾乎消失，因而未能夠合理地觸發(fā)對(duì)流(圖5i～5l)。盡管后期在城市下風(fēng)方邊緣及北部山區(qū)有零星雷達(dá)回波出現(xiàn)，但均未能夠發(fā)展形成有組織化的對(duì)流單體或系統(tǒng)。需要指出的是，Nudg試驗(yàn)中后期(圖5h)，城市中心區(qū)域降溫明顯偏快，城市下風(fēng)方溫度梯度大值區(qū)較觀測(cè)明顯減小。在冷池的強(qiáng)迫下，南側(cè)的對(duì)流核被南壓，導(dǎo)致了模擬后期南側(cè)對(duì)流核的空間位置上有較大移動(dòng)，且雷達(dá)回波相對(duì)零散，從而使該區(qū)域的累計(jì)降水較觀測(cè)偏弱。

研究指出[24]，城市除熱島的加熱觸發(fā)對(duì)流外，城市下墊面的摩擦(阻擋)同樣能夠引起近地層地面輻合觸發(fā)對(duì)流。就本個(gè)例而言，Urba試驗(yàn)在城市下風(fēng)方存在風(fēng)向和風(fēng)速的輻合，但輻合的強(qiáng)度不足以觸發(fā)出對(duì)流(圖5i～5l)，表明城市熱島的加熱作用在對(duì)流的觸發(fā)中更重要。眾所周知，城市熱島通常出現(xiàn)在水平風(fēng)速較弱的靜穩(wěn)天氣背景下，水平輻合也較弱，因而無(wú)法觸發(fā)對(duì)流，該結(jié)論與Baik等[23]的研究一致。

觀測(cè)和模擬不同時(shí)刻穿過(guò)對(duì)流核的雷達(dá)反射率垂直剖面如圖6所示。可以看出(圖6a)，對(duì)流初期形成了一個(gè)明顯的對(duì)流核，垂直高度可到達(dá)5 km，雷達(dá)反射率比較弱。隨著對(duì)流的發(fā)展(圖6b)，對(duì)流核頂延伸到約8 km高度，屬于中等強(qiáng)度的深對(duì)流。對(duì)流核中存在明顯的強(qiáng)的雷達(dá)反射率(超過(guò)50 dBZ)柱狀結(jié)構(gòu)，頂高達(dá)到6 km。后期(圖6c、6d)，強(qiáng)對(duì)流回波柱狀結(jié)構(gòu)水平范圍有所增大，但強(qiáng)反射率頂高逐漸降低，呈現(xiàn)出從強(qiáng)盛到消亡的演變過(guò)程。整體而言，本次降水過(guò)程的主體處于0℃以下，屬于典型的低質(zhì)心對(duì)流結(jié)構(gòu)，有利于強(qiáng)降水的形成[25-26]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Nudg試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬出本次強(qiáng)降水過(guò)程的雷達(dá)反射率的垂直結(jié)構(gòu)及時(shí)空演變，尤其是合理模擬出了強(qiáng)對(duì)流柱狀結(jié)構(gòu)的垂直結(jié)構(gòu)，而Urba試驗(yàn)未能夠再現(xiàn)出對(duì)流。Urba試驗(yàn)中，城市熱島未能夠合理地被再現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致了在城市下風(fēng)方?jīng)]有合理觸發(fā)對(duì)流。因此，暖濕氣流繼續(xù)北上，在地形的阻擋作用下抬升并觸發(fā)對(duì)流(圖6k、6l)，因而對(duì)流位置偏北。然而，Urba試驗(yàn)中城市熱島很快減弱，甚至消失，氣流在穿過(guò)廣州城市區(qū)域時(shí)受到加熱明顯不足。即使北部的地形抬升觸發(fā)出了對(duì)流，但對(duì)流卻未能夠進(jìn)一步發(fā)展，僅形成相對(duì)較弱的雷達(dá)回波。需要強(qiáng)調(diào)的是盡管Nudg試驗(yàn)整體上再現(xiàn)了降水過(guò)程的主要結(jié)構(gòu)特征，但還是有不足之處。比如，模擬的城市熱島在后期偏弱，導(dǎo)致了對(duì)流核相對(duì)零散的結(jié)構(gòu)(圖5h)。這可能與模式其它方面(如云微物理過(guò)程)有關(guān)，一定程度上說(shuō)明準(zhǔn)確精細(xì)的數(shù)值模擬需要從多個(gè)方面改進(jìn)。

圖6 穿過(guò)對(duì)流單體中心的雷達(dá)反射率(dBZ，填色)垂直剖面 a～d為觀測(cè)，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測(cè)和開啟城市冠層模式模擬結(jié)果。e～l中黑色等值線表示模擬位溫(K)，矢量表示風(fēng)場(chǎng)，其中垂直氣流擴(kuò)大2倍。剖面空間位置如圖5中紅色虛線所示，黑色陰影表示模式地形。

4.3 地面降水

圖7給出的是模擬的8 h累計(jì)降水空間分布。Nudg試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地再現(xiàn)此次降水過(guò)程的空間分布。降水主要集中在城市下風(fēng)方，最大累計(jì)降水量為188 mm(圖7a)。如前所述，Nudg試驗(yàn)中對(duì)流觸發(fā)的位置較觀測(cè)偏南，因此降水的空間分布也較觀測(cè)偏南。模擬的對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)降水維持的時(shí)間比觀測(cè)短是導(dǎo)致累計(jì)降水偏少的主要原因(圖5)。使用城市冠層模式的Urba模擬未能夠合理地觸發(fā)對(duì)流，因此不能模擬出本次降水(圖7b)。

圖7 同圖1但為模擬降水 a和b分別為Nudy和Nrba試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。

觀測(cè)和Nudg試驗(yàn)?zāi)M最大小時(shí)降水站點(diǎn)的小時(shí)降水率時(shí)間演變?nèi)鐖D8所示。從觀測(cè)可以看出，降水經(jīng)歷短暫的發(fā)展后快速發(fā)展，降水量從30 mm/h快速到達(dá)頂峰120 mm/h，略有減弱之后快速減弱。Nudg試驗(yàn)成功地再現(xiàn)本次強(qiáng)降水的時(shí)間演變，降水的時(shí)間演變與觀測(cè)幾乎一致。降水從19 mm/h增長(zhǎng)111 mm/h，然后快速減弱。Nudg試驗(yàn)?zāi)M的對(duì)流系統(tǒng)減弱明顯比觀測(cè)要快，未能夠使降水量在100 mm/h維持1 h，這正是Nudg試驗(yàn)?zāi)M總降水比觀測(cè)低100 mm的原因。據(jù)前所述，Nudg試驗(yàn)后期城市熱島減弱偏快，類似“地面鋒”的溫度梯度大值帶狀區(qū)域明顯減弱。這使得較弱的地面冷池也能迫使對(duì)流單體發(fā)生位移，從而導(dǎo)致了同一個(gè)站上持續(xù)強(qiáng)降水的時(shí)間縮短，累計(jì)降水總量減少。Urba試驗(yàn)未能夠合理地觸發(fā)對(duì)流，因此未能夠形成明顯的降水。圖8同樣能夠表明Nudg試驗(yàn)?zāi)M的對(duì)流觸發(fā)較觀測(cè)偏早，一定程度上說(shuō)明在華南暖濕的環(huán)境條件下云-降水微物理過(guò)程太容易被激發(fā)。今后可基于Nudg試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果開展云微物理過(guò)程的源匯項(xiàng)時(shí)間演變分析，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整微物理過(guò)程中，進(jìn)一步改進(jìn)Nudg試驗(yàn)的模擬結(jié)果。

圖8 觀測(cè)和Nudg模擬最大小時(shí)降水站點(diǎn)的小時(shí)降水率2017年5月6日20時(shí)—7日04時(shí)演變

4.4 對(duì)流觸發(fā)

如前所述，Nudg和Urba試驗(yàn)的差異主要表現(xiàn)為對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生與否，而對(duì)流的發(fā)生與否又與城市熱島強(qiáng)度密切相關(guān)。圖9顯示的是模式積分1.5 h后過(guò)城市熱島中心和對(duì)流核的垂直剖面。Nudg試驗(yàn)中，氣流經(jīng)過(guò)城市加熱后，在城市的下風(fēng)區(qū)抬升觸發(fā)對(duì)流。暖濕空氣抬升至凝結(jié)高度后，凝結(jié)釋放潛熱進(jìn)一步促進(jìn)上升運(yùn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力與微物理過(guò)程的相互作用進(jìn)一步形成有組織的對(duì)流系統(tǒng)[27]。值得指出的是，在有組織的對(duì)流形成之前，在城市熱島的下風(fēng)方區(qū)域不同位置上均有明顯的雷達(dá)回波出現(xiàn)，但并不是所有的回波均能夠繼續(xù)發(fā)展。一旦其中的某個(gè)對(duì)流核組織化后，在短時(shí)間內(nèi)便可發(fā)展成為明顯的深對(duì)流核，這可能與華南地區(qū)大氣中豐富的水汽有關(guān)。比較可以發(fā)現(xiàn)，Urba試驗(yàn)中在低層有較弱的上升運(yùn)動(dòng)，不足以將暖濕空氣抬升至自由對(duì)流高度，甚至抬升凝結(jié)高度，這正是Urba試驗(yàn)預(yù)報(bào)本次過(guò)程失敗的主要原因。就濕度場(chǎng)而言，Nudg和Urba試驗(yàn)試驗(yàn)中相對(duì)濕度場(chǎng)的分布相近，表明對(duì)流水汽含量不是導(dǎo)致對(duì)流觸發(fā)失敗的主要原因。

圖9 模式積分1.5 h(2017年5月6日22時(shí)30分)過(guò)城市熱島和對(duì)流核中心的垂直剖面 紅色粗等值線表示基于剖面計(jì)算的溫度偏差，綠色等值線為相對(duì)濕度，藍(lán)色等值線為相當(dāng)位溫，填色為云水含量，矢量為水平和垂直的合成風(fēng)(垂直速度放大5倍)。

5 結(jié)論及討論

本研究采用Nudging地面加密觀測(cè)間接引入城市效應(yīng)(Nudg)和城市冠層模式直接引入城市效應(yīng)(Urba)兩種方式模擬了2017年5月7日發(fā)生在廣東廣州的一次極端降水過(guò)程。結(jié)果表明Nudg試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У卦跀?shù)值模式中引入城市效應(yīng)，并合理地再現(xiàn)城市熱島及其觸發(fā)對(duì)流的時(shí)空演變，而使用城市冠層模式未能模擬出城市熱島及其觸發(fā)的對(duì)流。具體而言，Nudg試驗(yàn)基本上能夠使城市熱島維持，在城市的下風(fēng)方向最先觸發(fā)了對(duì)流，并形成了與觀測(cè)較一致的三個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體。然而，Urba試驗(yàn)中城市熱島迅速減弱消亡，未能在城市下風(fēng)方向觸發(fā)出對(duì)流。盡管后期在城市下風(fēng)方邊緣及北部山區(qū)有零星雷達(dá)反射率，但均未能發(fā)展形成組織化的對(duì)流單體或系統(tǒng)。比較而言，本次降水過(guò)程對(duì)流的觸發(fā)中，城市熱島的加熱作用較城市的摩擦更重要。

Nudging地面加密觀測(cè)作為一種間接有效地引入城市效應(yīng)的方法，可用于與城市下墊面相關(guān)的天氣模擬研究。然而，需要指出的是Nudging地面觀測(cè)只能用做后驗(yàn)研究，不能用于預(yù)報(bào)。城市冠層模式中涉及到城市系統(tǒng)的各個(gè)方面，由于人類活動(dòng)(如城市空調(diào)運(yùn)行，機(jī)動(dòng)車活動(dòng)，工廠排放等)變化多端，當(dāng)前還未能夠在城市冠層模式中實(shí)時(shí)地合理描述城市的熱源收支，因而無(wú)法在數(shù)值模式中準(zhǔn)確地引入城市熱島效應(yīng)。因此，通過(guò)Nudging地面觀測(cè)間接地將城市熱島效應(yīng)引入到數(shù)值模式中，能夠合理地再現(xiàn)城市熱島的發(fā)生發(fā)展及其對(duì)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的影響。因此，當(dāng)前可基于Nudging地面觀測(cè)的方法，深入理解城市熱島特征及其觸發(fā)對(duì)流的機(jī)制，并將研究成果應(yīng)用于城市冠層模式的改進(jìn)，從而研發(fā)出適用于不同城市的城市冠層模式。

除本研究中的天氣過(guò)程外，作者課題組利用Nudging地面觀測(cè)間接地將城市效應(yīng)模擬類似的天氣事件也取得了較好的模擬結(jié)果，此方法一定程度上可改善模式對(duì)城市效應(yīng)相關(guān)的天氣過(guò)程模擬。然而，Nudging模式中存在一系列的參數(shù)，參數(shù)的取值對(duì)Nudging的結(jié)果有一定的影響[28-29]。同樣地，城市冠層模式中涉及大量的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)的設(shè)置具有較大的地域差異，因此需要經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)才能夠掌握城市冠層模式的性能[30-31]。此外，城市冠層模式還與城市下墊面的地表屬性分類、建筑類型及高度等因素密切相關(guān)，模式中對(duì)這些因素的描述不準(zhǔn)確也嚴(yán)重影響城市冠層模式的模擬結(jié)果[32-33]。因此，在今后的研究中可針對(duì)多個(gè)城市效應(yīng)相關(guān)的天氣過(guò)程進(jìn)行模式，進(jìn)一步了解城市效應(yīng)在強(qiáng)天氣過(guò)程中的作用，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善城市冠層模式提供參考依據(jù)，從而改善數(shù)值模式對(duì)城市效應(yīng)的描述。