于楠,郭品文

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.河北省石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

大規(guī)模城市化對(duì)梅雨建立影響的數(shù)值試驗(yàn)

于楠1,2,郭品文1

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.河北省石家莊市氣象局,河北 石家莊 050081)

利用WRF V3.1.1中尺度數(shù)值模式,對(duì)2004年梅雨的建立過程進(jìn)行了模擬,詳細(xì)分析了6月14、15日梅雨建立過程中大規(guī)模城市化對(duì)降水及梅雨鋒垂直結(jié)構(gòu)的影響。研究表明:將城市改為農(nóng)田后,模擬的6月14日幾個(gè)降水中心的降水量明顯減小,西北方降水明顯增多,模擬的梅雨鋒與控制試驗(yàn)有相似的熱力結(jié)構(gòu)特征,但高θse舌區(qū)的強(qiáng)度比控制試驗(yàn)要弱,即上升運(yùn)動(dòng)變?nèi)?對(duì)流不穩(wěn)定度及濕度小于控制試驗(yàn),梅雨鋒鋒區(qū)的位置比控制試驗(yàn)略為偏北;模擬的6月15日安徽中部降水中心的降水量明顯減小,其以西的降水明顯增多,梅雨鋒結(jié)構(gòu)、鋒區(qū)位置與控制試驗(yàn)類似,但800 hPa上θse低值區(qū)(336 K)的范圍比控制試驗(yàn)大,幾乎覆蓋26～32°N,導(dǎo)致高θse舌區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定度偏小。

城市化;梅雨;數(shù)值模擬

0 引言

隨著城市化的發(fā)展,我國(guó)沿海地區(qū)目前已形成了多個(gè)城市群,如長(zhǎng)三角、珠三角等。由于城市人口膨脹所引發(fā)的城市大氣及局地氣候環(huán)境的變化,乃至對(duì)更大尺度天氣氣候環(huán)境的影響,受到廣泛的重視(Best,2006)。從氣候系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),陸面過程是全球大氣環(huán)流的一個(gè)影響因子,是氣候形成和變化的影響因子之一。因此,隨著人類越來越強(qiáng)烈地改變著地表下墊面的狀況,研究陸面生態(tài)系統(tǒng)的變化和對(duì)氣候的影響也就具有了非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

城市化進(jìn)程使得陸地表面發(fā)生了巨大的改變,這種改變足以影響區(qū)域氣候(Landsberg,1970;Changnon,1978)。作為人居活動(dòng)的基本舞臺(tái)和地氣交換的紐帶,大氣邊界層(約1 500 m高度范圍)處于十分關(guān)鍵的地位(蔣維楣等,2010)。沿海地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心和人口高度聚集區(qū),隨著城市化水平的提高,城市數(shù)量和城市規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。隨著城市的發(fā)展,城市地表熱力、動(dòng)力過程對(duì)區(qū)域大氣邊界層產(chǎn)生作用,對(duì)氣溫、風(fēng)場(chǎng)等邊界層結(jié)構(gòu)要素產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響低層大氣環(huán)流(倪敏莉等,2009;徐陽(yáng)陽(yáng)等,2009;司鵬等,2010)。

利用數(shù)值模式對(duì)城市化影響進(jìn)行模擬研究的工作已有很多(彭珍和胡非,2006;陳燕和蔣維楣,2007;解令運(yùn)等,2008;文偉俊等,2009;杜東升等,2010)。WRF模式自2.2版本開始加入了新的陸面方案(馬紅云等,2009)——城市冠層模式UCM(urban canopy model),并與NOAH方案耦合,從而為城市氣象研究提供了更為細(xì)致合理的陸面方案。本文將利用WRF耦合單層城市冠層模式,對(duì)典型梅雨年的梅雨爆發(fā)過程進(jìn)行模擬,并將110°E以東的城市改為農(nóng)田來進(jìn)行敏感性試驗(yàn),探討大規(guī)模城市化對(duì)梅雨爆發(fā)過程的影響。

1 個(gè)例選取及降水概況

按照楊靜和錢永甫(2009)劃分梅雨期及計(jì)算梅雨特征參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn),21世紀(jì)以來,江淮梅雨呈現(xiàn)出了非典型特征,只有2004年可看做典型年。2004年梅雨從6月14日開始,到7月12日結(jié)束。陰雨集中在兩個(gè)時(shí)段,第一段從6月14日到6月底,第二段從7月7日到12日。7月初受華東沿海臺(tái)風(fēng)“電母”環(huán)流影響,梅雨中斷近一周。圖1給出了2004年6、7月杭州日降水量變化,基本代表了長(zhǎng)江中下游梅雨期的降水情況。本文選取6月11—16日為研究對(duì)象,其中11—13日為梅雨建立前,城市群區(qū)域基本無降水。

2 模擬方案

運(yùn)用新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF V3.1.1,美國(guó)國(guó)家大氣研究中心NCEP/NCAR提供的1°×1°每日4次的全球最終分析資料FNL作為初始場(chǎng)。模式以(116.5°E,28.5°N)為中心;水平網(wǎng)格距設(shè)為10 km×10 km,格點(diǎn)數(shù)分別為201×201;垂直方向?yàn)?5層,其中15層在800 hPa以下;微物理過程采用Lin方案,積云對(duì)流采用Grell-Devenyi聯(lián)合方案;長(zhǎng)波輻射方案是RRTM方案,短波輻射方案是Dudhia方案;邊界層選用MYJ方案,近地面層采用MYJ方案,陸面過程為耦合NOAH與單層UCM方案(以下簡(jiǎn)稱UCM方案)(胡向軍等,2008;王詠薇等,2008)。積分時(shí)間從2004年6月10日12:00—17日00:00,時(shí)間步長(zhǎng)30 s,共積分156 h,每1 h輸出一次結(jié)果。另外,本次試驗(yàn)中WRF模式使用了美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA提供的2001年1 km分辨率的土地利用資料(MODIS_30s),可以較貼切地反映下墊面狀況(圖2a,其中12代表城市)。模式運(yùn)行結(jié)果作為控制試驗(yàn),前12 h作為spin-up時(shí)間,從6月11日00時(shí)開始分析模擬結(jié)果。另進(jìn)行了一組敏感性試驗(yàn),試驗(yàn)方案如下。

圖2 模擬區(qū)域及主要土地利用類型(1.常綠針葉林;2.常綠闊葉林;3.水體;4.落葉闊葉林;5.混合林;6.封閉灌叢;7.農(nóng)田;8.草原;9.草地;10.開放灌叢;11.農(nóng)田/自然植被;12.城市) a.控制試驗(yàn);b.敏感試驗(yàn)Fig.2 Simulated domain and major land use categories(1.evergreen needle-leaf forest;2.evergreen broadleaf forest;3.water;4.deciduous broadleaf forest;5.mixed forests;6.closed shrublands;7.croplands;8.savannas;9.grasslands;10.open shrublands;11.cropland/natural vegetation mosaic;12.urban and built-up area) a.control experiment;b.sensitive experiment

敏感性試驗(yàn):將110°E以東下墊面類型為城市(12)的改為農(nóng)田(7)(圖2b),作為城市化進(jìn)程之前的土地利用狀況。初始場(chǎng)及其他物理方案等與控制試驗(yàn)相同。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 控制試驗(yàn)與實(shí)況對(duì)比

圖3為控制試驗(yàn)與實(shí)況(文中所用常規(guī)觀測(cè)資料由南京信息工程大學(xué)氣象臺(tái)提供)在2004年梅雨建立前(6月11—13日)后(6月14—16日)的日平均降水量對(duì)比。由圖可見,梅雨建立前110°E以東地區(qū)降水量基本在5 mm以下(圖3a),相應(yīng)的控制試驗(yàn)(圖3c)較好地模擬了這一狀況;梅雨發(fā)生后(圖3b),主要雨帶位于長(zhǎng)江中下游流域,從圖中可以看到有四個(gè)主要降水中心分別位于湖南西北部、廣西北部、安徽中部以及長(zhǎng)江入海口,另外有一個(gè)次級(jí)降水中心位于江西中部,相應(yīng)的控制試驗(yàn)(圖3d)模擬出了雨帶的位置及走向,對(duì)除了長(zhǎng)江入?？谔幍膸讉€(gè)降水中心的位置及雨量大小都模擬得較好,但在湖北中部及廣西出現(xiàn)了虛假降水,可能與模式的水平分辨率或參數(shù)對(duì)降水過程的描述不夠全面有關(guān)。

3.2 城市化進(jìn)程對(duì)降水及梅雨鋒結(jié)構(gòu)的影響

從實(shí)況來看,長(zhǎng)江中下游流域梅雨鋒自建立以來逐漸東伸,與雨帶的推進(jìn)相一致,控制試驗(yàn)較好地體現(xiàn)了這一變化(圖略)。梅雨鋒主要表現(xiàn)為溫度鋒或θse鋒(趙玉春等,2011),而θse是包含了濕度和溫度的物理量,故本文用θse的垂直分布來表征梅雨鋒結(jié)構(gòu)。下面將對(duì)梅雨鋒建立以來每天的降水及鋒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,以探討城市化的影響。

由圖4可見,控制試驗(yàn)?zāi)M的6月14日降水中心主要位于湖南北部及湖北中部(圖4a),雨帶呈東北—西南走向。與控制試驗(yàn)相比,敏感試驗(yàn)?zāi)M的幾個(gè)降水中心的降水量明顯減小(圖4b),其西北方降水明顯增多。

6月14日降水中心位于(112～114°E,29～31°N)附近,由假相當(dāng)位溫沿112～114°E平均的緯度—高度剖面來對(duì)比兩試驗(yàn)梅雨鋒的垂直結(jié)構(gòu)(圖5)。圖5a顯示控制試驗(yàn)?zāi)苣M出θse的鞍形場(chǎng),高θse舌區(qū)向上伸展到800 hPa附近,隨高度向北傾斜。鋒區(qū)位于30～31°N附近。敏感試驗(yàn)也模擬出了相似的熱力結(jié)構(gòu)特征(圖5b),但高θse舌區(qū)的強(qiáng)度比控制試驗(yàn)要弱,即上升運(yùn)動(dòng)弱于、對(duì)流不穩(wěn)定度及濕度小于控制試驗(yàn);模擬的梅雨鋒鋒區(qū)的位置比控制試驗(yàn)略偏北。

圖3 2004年6月11—13日(a,c)、14—16日(b,d)的日平均降水量(a,b)與控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果(c,d)對(duì)比(單位:mm)Fig.3 Comparison of (a,b)daily average precipitation (a,c)from 11 to 13 and (b,d)from 14 to 16 June,2004 with(c,d) simulated results in control experiment(units:mm)

圖4 6月14日控制試驗(yàn)與敏感試驗(yàn)降水量對(duì)比(單位:mm) a.控制試驗(yàn);b.敏感試驗(yàn)減控制試驗(yàn)Fig.4 Comparison of precipitation between control experiment and sensitive experiment on 14 June(units:mm) a.control experiment;b.difference between sensitive experiment and control experiment

圖5 6月14日假相當(dāng)位溫沿112～114°E平均的緯度—高度剖面(單位:K) a.控制試驗(yàn);b.敏感試驗(yàn)Fig.5 Vertical-latitude cross section of 112—114°E averaged pseudo equivalent potential temperature on 14 June(units:K) a.control experiment;b.sensitive experiment

6月15日主要降水中心位于安徽中部及江西北部(圖6a)。敏感試驗(yàn)?zāi)M的安徽中部降水中心的降水量明顯減小(圖6b),降水中心以西的降水明顯增多。

沿117°E做假相當(dāng)位溫的緯度—高度剖面(圖7)?？刂圃囼?yàn)?zāi)M的高θse舌區(qū)向上伸展到800 hPa附近(圖7a),此高度上26～28°N、30～32°N分別有一θse低值區(qū)(336 K)。敏感試驗(yàn)?zāi)M的梅雨鋒結(jié)構(gòu)、鋒區(qū)位置與控制試驗(yàn)類似(圖7b),但800 hPa上θse低值區(qū)(336 K)的范圍擴(kuò)大,幾乎覆蓋26～32°N,導(dǎo)致高θse舌區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定度略偏小。

圖6 6月15日控制試驗(yàn)與敏感試驗(yàn)降水量對(duì)比(單位:mm) a.控制試驗(yàn);b.敏感試驗(yàn)減控制試驗(yàn)Fig.6 Comparison of precipitation between control experiment and sensitive experiment on 15 June(units:mm) a.control experiment;b.difference between sensitive experiment and control experiment

圖7 6月15日假相當(dāng)位溫沿117°E的緯度—高度剖面(單位:K) a.控制試驗(yàn);b.敏感試驗(yàn)Fig.7 Vertical-latitude cross section of 117°E averaged pseudo equivalent potential temperature on 15 June(units:K) a.control experiment;b.sensitive experiment

6月16日主要雨帶移至華南地區(qū)。梅雨鋒不位于長(zhǎng)江中下游地區(qū),故不作討論。

4 結(jié)論與討論

詳細(xì)分析了2004年6月14、15日梅雨建立過程中大規(guī)模城市化對(duì)降水及梅雨鋒垂直結(jié)構(gòu)的影響,得到如下結(jié)論:

1)下墊面有城市時(shí),模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了梅雨建立前后的降水過程。

2)將城市改為農(nóng)田后,模擬的6月14日幾個(gè)降水中心的降水量明顯減小,其西北方降水明顯增多;模擬的梅雨鋒與控制試驗(yàn)有相似的熱力結(jié)構(gòu)特征,但高θse舌區(qū)的強(qiáng)度比控制試驗(yàn)要弱,即上升運(yùn)動(dòng)弱于、對(duì)流不穩(wěn)定度及濕度小于控制試驗(yàn);模擬的梅雨鋒鋒區(qū)的位置比控制試驗(yàn)略為偏北。

3)將城市改為農(nóng)田后,模擬的6月15日安徽中部降水中心的降水量明顯減小,其以西的降水明顯增多;模擬的梅雨鋒結(jié)構(gòu)、鋒區(qū)位置與控制試驗(yàn)類似,但800 hPa上θse低值區(qū)(336 K)的范圍比控制試驗(yàn)大,幾乎覆蓋26～32°N,導(dǎo)致高θse舌區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定度偏小。

本文的結(jié)論只是初步的,在試驗(yàn)過程中,初始場(chǎng)只采用了NCEP再分析資料。如果加入非常規(guī)資料進(jìn)行同化,模擬結(jié)果將會(huì)更加接近實(shí)際,這些將在后期的工作中進(jìn)一步考慮。

陳燕,蔣維楣.2007.南京城市化進(jìn)程對(duì)大氣邊界層的影響研究[J].地球物理學(xué)報(bào),50(1):66-73.

杜東升,林文實(shí),蔣維楣,等.2010.珠江三角洲地區(qū)土地利用變化對(duì)夏季6月氣候的影響[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào),49(1):138-144.

胡向軍,陶健紅,鄭飛,等.2008.WRF模式物理過程參數(shù)化方案簡(jiǎn)介[J].甘肅科技,24(20):73-75.

蔣維楣,苗世光,張寧,等.2010.城市氣象與邊界層數(shù)值模擬研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,25(5):463-473.

馬紅云,郭品文,宋潔.2009.耦合不同陸面方案的WRF模式對(duì)2007年7月江淮強(qiáng)降水過程的模擬[J].大氣科學(xué),33 (3):557-567.

倪敏莉,申雙和,張佳華.2009.長(zhǎng)江三角洲城市群熱環(huán)境研究.大氣科學(xué)學(xué)報(bào),32(5):711-715.

彭珍,胡非.2006.北京城市化進(jìn)程對(duì)邊界層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響的研究[J].地球物理學(xué)報(bào),49(6):1608-1615.

司鵬,李慶祥,李偉,等.2010.城市化對(duì)深圳氣溫變化的貢獻(xiàn).大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(1):110-116.

王詠薇,蔣維楣,劉紅年.2008.大氣數(shù)值模式中城市效應(yīng)參數(shù)化方案研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,23(4):371-381.

文偉俊,沈桐立,丁治英,等.2009.城市化對(duì)廣西夏季海陸風(fēng)影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),25(3):350-356.

解令運(yùn),湯劍平,路屹雄,等.2008.城市化對(duì)江蘇氣候變化影響的數(shù)值模擬個(gè)例分析[J].氣象科學(xué),28(1):74-80.

徐陽(yáng)陽(yáng),劉樹華,胡非,等.2009.北京城市化發(fā)展對(duì)大氣邊界層特性的影響[J].大氣科學(xué),33 (4):859-867.

楊靜,錢永甫.2009.121 a梅雨序列及其時(shí)變特征分析[J].氣象科學(xué),29(3):285-290.

趙玉春,王葉紅,崔春光.2011.一次典型梅雨鋒暴雨過程的多尺度結(jié)構(gòu)特征.大氣科學(xué)學(xué)報(bào),34(1):14-27.

Best M J.2006.Progress towards better weather forecasts for city dwellers:From short range to climate change[J].Theor Appl Climatol,84:47-56.

Changnon S A Jr.1978.Urban effects on severe local storms at St.Louis[J].J Appl Meteor,17(5):578-586.

Landsberg H E.1970.Man-made climatic changes:Man's activities have altered the climate of urbanized areas and may affect global climate in the future[J].Science,170(3964):1265.

(責(zé)任編輯：劉菲)

Numericalsimulationoftheeffectoflarge-scaleurbanizationontheoccurrenceofMeiyu

YU Nan1,2,GUO Pin-wen1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Shijiazhuang Meteorological Bureau of Hebei,Shijiazhuang 050081,China)

The Weather Research and Forecasting model(WRF) was used to simulate the formation process of Meiyu in 2004 and the impact of urbanization on precipitation and the vertical structure of the Meiyu front was analyzed in detail.After changing urban to cropland,the simulated precipitation at rainfall centers on June 14 decreased obviously,while the precipitation over the area northwest to it increased.The thermal structure of Meiyu front was similar to that in the control experiment,but the intensity of the high value scope of the pseudo equivalent potential temperature,ascending motion,convective instability and moisture were weaker.The location of the frontal zone was slightly north than in the control test.On June 15,the simulated precipitation at the rainfall center in the middle of Anhui Province also decreased,and the precipitation over the area west to it increased.The structure of the Meiyu front and the location of frontal zone were similar to those in the control run,but the low value scope of the pseudo equivalent potential temperature(336 K) at 800 hPa was larger,almost covering 26—32°N,resulting in lower convective instability over the high value region of the pseudo equivalent potential temperature.

urbanization;Meiyu;numerical simulation

2012-12-05；改回日期2013-02-25

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB428500)

郭品文,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榧撅L(fēng)動(dòng)力學(xué)、海氣相互作用,guo@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121205006.

1674-7097(2014)05-0585-06

P435

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121205006

于楠,郭品文.2014.大規(guī)模城市化對(duì)梅雨建立影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(5):585-590.

Yu Nan,Guo Pin-wen.2014.Numerical simulation of the effect of large-scale urbanization on the occurrence of Meiyu[J].Trans Atmos Sci,37(5):585-590.(in Chinese)