名士观点 | 城市粗糙地表可影响城市降水再分布

任劲伟

近日，《中国气象报》邀请窦晶晶和张亦洲两位研究人员参加名士观点访谈，并以“城市粗糙地表可影响城市降水再分布”为题，报道城市院科研进展。

本期观点：当城市热岛效应较弱时，城市降水主要受到城市动力作用影响，即城市粗糙的下垫面通过改变风向和风速等近地面气象要素，促使降水发生变化。





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近年来，我国城市化进程迅猛推进，北京 地 区 城 市 化 程 度 越 来 越 高 。然 而，北 京复杂的城市下垫面、环形的城市规划、广阔的 城 市 空 间 等 因 素，极 大 增 加 了 城 市 降 水预报的难度和不确定性。

中心城区降水与城市边缘地区降水为何差异显著？城市粗糙地表如何引起风的变 化，促 使 城 市 降 水 时 空 再 分 布 ？北 京 城市 气 象 研 究 院 的 一 项 研 究 显 示，当 城 市 热岛 效 应 较 弱 时，城 市 降 水 主 要 受 到 城 市 动力 作 用 影 响，即 城 市 粗 糙 的 下 垫 面 通 过 改变 风 向 和 风 速 等 近 地 面 气 象 要 素，促 使 降水发生变化。

城 市 化 为 影 响 城 市 降 水 再 分 布重要因素

随 着 城 市 化 进 一 步 发 展，城 市 化 对 气候、环 境 的 影 响 也 更 加 凸 显 。城 市 化 主 要通 过 热 力、动 力 作 用 及 气 溶 胶 等 物 质 的 释放 ，对 大 气 的 温 度 、湿 度 、运 动 等 产 生 影响，最 终 导 致 城 市 降 水 在 时 空 分 布 上 发 生变 化。

以北京为例，近年来，城市化对天气气候 的 影 响 越 发 显 著 。北 京 夏 季 午 后，城 市局 地 发 生 对 流 天 气 的 案 例 不 在 少 数 。目前，城 市 天 气 预 报 技 术 在 大 尺 度 天 气 系 统引 起 的 降 水 方 面 有 较 好 的 预 报 能 力，但 对局地对流性降水的预报预警能力仍需要进一步提高。梳理清楚北京地区城市化对降水的影响，有助于提高天气预报的精准度，为公众的生产生活和防灾减灾提供更高质量的气象服务。

城市下垫面对降水的影响主要分为两个 方 面：热 力 作 用 和 动 力 作 用 。城 市 热 岛对降水的影响是城市下垫面热力作用的主要 表 现 形 式 之 一 。而 当 热 力 作 用 较 弱 时，城市下垫面对降水的影响主要体现在动力作 用 上，即 城 市 粗 糙 地 表 对 经 过 城 市 上 空的天气系统产生影响。

城市地表粗糙度相较周边地区显著增大，使 得 城 市 下 垫 面 对 降 水 有 较 强 的 动力作用。这种作用主要通过引起风向和风速的变化，改变城市降水的时空分布，减少中心城区的降水，同时增加城市两侧的降水。

地 表 粗 糙 度 对 城 市 不 同 区 域 降水影响有差异

高 楼 林 立 的 中 心 城 区 地 表 更 加 粗 糙，能 够 产 生 强 大 的 拖 曳 力，使 近 地 面 风 向 发生 改 变，气 流 有 绕 过 城 区 及 向 周 围 辐 散 的趋势，因此较难深入到城市中心区，不利于中心城区降水系统的发生发展。

同 时，中 心 城 区 的 粗 糙 地 表 在 一 定 程度 上 会 减 弱 风 速 。一 方 面，过 小 的 风 速 不利 于 触 发 和 发 展 对 流 系 统 ，因 此 会 减 小城 区 降 水 发 生 的 概 率 。另 一 方 面 ，当 气流 到 达 中 心 城 区 时 ，粗 糙 的 下 垫 面 降 低了 风 速 ，而 其 上 风 向 气 流 的 风 速 变 化 较小 ，气 流 会 在 城 市 的 上 风 向 地 区 或 者 城市 边 缘 形 成 辐 合 ，产 生 上 升 运 动 ，形 成 降水 ，同 时 进 一步降低中心城区发生降水的概率。

研 究 显 示 ，城 市 上 风 向 和 下 风 向 地区 以 及 边 缘 两 侧 地 区 的 建 筑 物 与 中 心 城区 相 比 相 对 较 少 ，地 表 粗 糙 度 低 ，气 流 在经 过 中 心 城 区 上 空 时 会 选 择“ 绕 开 ”城区 ，向 两 侧 及 边 缘 地 带 发 生 偏 移 。城 市两 侧 及 边 缘 地 区 地 表 粗 糙 度 较 低 ，对 风速 的 减 弱 作 用 较 小 。当 经 过 中 心 城 区 的气 流 速 度 因 粗 糙 地 表 而 显 著 减 小 时 ，城市 边 缘 及 上 风 向 地 带 的 风 速 相 对 来 说 变化 较 小 ，这 样 就 会 导 致 气 流 更 容 易 在 城市 上 风 向 、边 缘 地 区 发 生“ 碰 撞 ”“ 追 尾 ”，进 而 产 生 上 升 运 动 ，发 展 出 有 利 于 降 水的 天 气 系 统 ，从 而 有 助 于 城 市 边 缘 、两 侧降 水 的 发 生 发 展 ，最 终 导 致 这 些 区 域 降水 增 多 。

城 市 粗 糙 的 下 垫 面 对 降 水 产 生 的 影响 不 可 忽 视 。研 究 指 出 ，城 市 粗 糙 地 表是 城 市 对 降 水 影 响 的 重 要 因 子 之 一 。研究 成 果 为 提 高 局 地 对 流 性 降 水 的 预 报 预警 能 力 奠 定 了 基 础 ，但 城 市 降 水 预 报 仍存 在 很 多 需 要 攻 克 的 技 术 难 关 ，城 市 化对 降 水 的 影 响 非 常 复 杂 ，诸 多 因 素 在 此过 程 中 相 互 作 用 ，这 背 后 的 机 理 仍 然 需要 不 断 研 究 探 索 ，以 进 一 步 提 高 城 市 降水 预 报 的 准 确 率 。（刘蕊）