（气象学专业论文）下垫面变化对成都气候及暴雨影响的诊断和数值研究.pdf

两要 基于成都市及其所辖1 3 个区( 市) 县气象站近5 0 年( 1 9 6 0 - 2 0 0 8 年) 气温、降水、相对 湿度等气象要素资料和成都市城市环境变化相关资料，分析研究了近5 0 年来城市化进程中 成都市气候变化特征。研究结果表明：( 1 ) 在2 0 世纪9 0 年代初，成都市气候发生了转折性 的变化，出现明显的热岛效应和干旱岛效应：( 2 ) 9 0 年代中后期至2 0 0 8 年年降雨量呈明显 减少趋势，市区降雨减少量明显大于郊区降雨减少量。( 3 ) 在主汛期( 6 - 9 月) 市区降雨量 略大于郊区，暴雨和大暴雨个数均有所减少。分析表明以上变化的可能原因有：城区人类活 动频繁，向大气中排放了大量的气溶胶颗粒物，增加了降水的凝结核，也加剧了成都市区的 热岛效应。在夏季，水汽条件充沛，市区上空增多的降水凝结核以及相对较高的下垫面温度， 更有利于形成降水。 利用n c a r n c e p 全球再分析场资料对发生在成都地区的两次区域性暴雨过程做了诊断 分析，并利用新资料g p sp w v 对暴雨过程作了特征分析，分析表明：( 1 ) 当g p sp w v 由谷底 缓慢上升或由峰顶缓慢下降时，分别对应实际降水的开始和结束；( 2 ) g p sp w v 上升的急剧 程度与实际降水强度有较好的对应关系；( 3 ) 用p w v 小时变量或三小时变量来分析降雨的开 始时间、强度和落区等取得了很好的效果。这对于提高成都地区预报暴雨天气的能力有积极 的作用。 利用中尺度数值模式w r f 对上述两次区域性暴雨过程进行数值模拟及敏感性试验，以期 研究城市化过程对成都地区中尺度暴雨过程的影响。模拟结果表明：w r f 模式能够较好地模 拟出成都地区的这两次暴雨降水过程，降水强度和落区均与实况接近。将最新的城市化后的 下垫面资料引入后，两次暴雨过程中降雨量和落区与控制试验相比较变化较小，降雨的初期 与控制实验相比提前，降雨点有所增加；盆地东部到西部的温度增加较为明显。分析其可能 的原因是：成都地区周边的地形环境是成都中尺度降水总雨量和落区的关键影响因素。将成 都地区下垫面全部改为城镇地面，改变了日辐射通量，对成都地区的温度影响较大；并且下 垫面资料的改变能够影响陆气之间的相互作用，改变大气的能量平衡。城市化效应白天对边 界层大气的增温作用还会影响低层大气的层结结构，使之在午后产生弱的上升运动，容易在 市区产生局地降水。 关键词：城市气候，暴雨，g p s ，数值模拟，敏感性试验 a b s t r a c t b a s e do nt h em e t e o r o l o g i c a ld a t ai n v o l v i n gi nt h er e c e n t5 0y e a r sa n dt h ec i t ye n v i r o n m e n t c h a n g ed a t aa n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l i m a t ec h a n g eo fc h e n g d uc i t y t h er e s u l t ss h o w ：( 11a t t h et h en i n e t yo ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , t h eh e a ti s l a n de f f e c ta n dt h ed r yi s l a n de f f e c t sw e r e o b v i o u s l ya p p e a r e d ( 2 ) t h ep r e c i p i t a t i o na tt h ee n do ft h en i n e t y st o2 0 0 8h a v eas i g n i f i c a n t d e c r e a s e ( 3 ) a tt h em a i nf l o o ds e a s o nt h er a i n f a l li nu r b a nd i s t r i c ti sal i t t l eb i g g e rt h a ni nt h e s u b u r b t h ep o s s i b l er e a s o n ：f r e q u e n th u m a na c t i v i t i e si nu r b a nd i s t r i c tr e s u l tt ol a r g ea m o u n to f a e r o s o lp a r t i c l e s ，w h i c hi n c r e a s et h ec o n d e n s a t i o nn u c l e u sa r eb e n e f i c i a lt om o r ep r e c i p i t a t i o n u s i n gn c a r n c e pg l o b a lr e a n a l y s i sg r i dd a t aa n a l y s e dt w or e g i o n a lh e a v yr a i np r o c e s si n c h e n g d uc i t y , a n dn e wd a t ao fg p sp w vw a su s e dt oc h a r a c t e r i s t i c l ya n a l y s et h eh e a v yr a i n p r o c e s s t h ea n a l y s i ss h o w s ：( 1 ) g p sp w va s c e n d ss l o w l yf r o mt h eb o t t o mo ft h ev a l l e ya n d d e s c e n d ss l o w l yf r o mt h et o po ft h ep e a ka r ec o r r e s p o n d i n g t o t h e b e g i n n i n g a n dt h ee n do ft h e a c t u a lp r e c i p i t a t i o n , r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h es h a r pi n c r e a s ed e g r e eo fg p sp w vi sc o r r e s p o n d i n gt ot h e a c t u a lp r e c i p i t a t i o ns t r e n g h t h f 3 ) t h ep w vh o u rv a r i a b l eo rt h r e e - h o u rv a r i a b l ec a nw e l lb e i n t r o d u c e dt oa n a l y s et h es t a r tt i m e ，i n t e n s ea n dt h ef a l l i n g a r e ao ft h ep r e c i p i t a t i o n t h en u m e r i c a le x p e r i m e n tb yw r fa n ds e n s i t i v i t ye x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e dt or e p r o d u c e t h et w or e g i o n a lh e a v yr a i np r o c e s s 。t h em o d e le x p e r i m e n ts h o w s 纺a u s i n gt h el a t e s td a t ao f u n d e r l y i n gs u r f a c e ，t h e r ea r el i t t l ev a r i e t i e si nt h er a i n f a l la n df a l l i n g a r e ab e t w e e nt h et w op r o c e s s ， t h eb e g i n n i n go ft h ep r e c i p i t a t i o na h e a do ft h et e s ta n dt h ef a l l i n gp o i n t sa r ei n c r e a s e ；t h e t e m e r a t u r ef r o mt h ee a s tt ot h ew e s to ft h eb a s i ni si n c r e a s e do b v i o u s l y a n a l y s i st h ep r o b a b l e r e a s o ni st h a t c h a n g i n gt h eu n d e r l y i n gs u r f a c eo fc h e n g d ut ot o t a l l yu r b a ns u r f a c ec h a n g e dt h e d a i l yr a d i a t i o nf l u xa n dt h ec h a n g i n go fu n d e r l y i n gs u r f a c ed a t ac o u l di n f l u e n c et h ei n t e r a c t i o no f l a n d a t m o s p h e r e ，a n dc h a n g et h ee n e r g yb a l a n c eo ft h ea t m o s p h e r e ，i tw i l lf o r ma s c e n d i n g m o t i o n ，w h i c hm a yl e a d st ol o c a lp r e c i p i t a t i o n si nt h eu r b a nd i s t r i c t k e yw o r d s ：u r b a nc l i m a t e ，r a i n s t o r m ，g p s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s e n s i t i v i t yt e s t i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日 期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库 进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 作者签名： 日期：a 皑 第一章引言 1 1 城市化进程对城市气候影响的研究 城市化发展对区域及全球气候变化的影响是人们广泛关注的问题。i p c c 第四次评估报 告研究表明：人类活动“很可能”是气候变暖的主要原因( 9 0 以上可能性【m 】) 。而人类活 动包括了土地利用的变化、城市化发展和温室气体排放等方面。随着城市化的加快，森林、 耕地面积大量减少，城市地面大部分为混凝土或沥青构成的不透水的路面和建筑物。随着城 市规模的发展、城市面积的扩大和城市人口的增加，大量的生活、交通、工业等人为热及温 室气体排放，在城市下垫面的热力、动力作用和温室效应的共同影响下，形成了城市区域气 候【3 】o 所谓城市区域气候，就是在区域气候的背景上，由城市这一特殊下垫面的强烈影响，所 形成的局地气候【铀】。随着城市环境和城市建设规划发展以及气候变化研究的需要，城市气 候已日益成为国内外学者关注和研究的课题。8 0 年代以来，随着城市的不断扩建和新建，由 城市化引起的气候变化日益受到人们的关注，城市气候研究工作大量开展并取得了较大的成 绩。丁一汇等人【7 】在研究中国近百年来的温度变化后指出，我国绝大多数城市的增温幅度明 显大于同期全国平均气温的增加幅度。赵宗慈【8 1 研究过近3 9 年中国的气温变化以及城市化的 影响后指出在东北地区，城市热岛现象普遍存在，城市规模越大，则热岛越强；邸瑞琦等【9 j 分析呼和浩特城市气候特征，结果表明城市上空存在较强逆温层，城区与郊区相比，气温偏 高、湿度偏小、风速小、日照时数短。车慧正等【l0 】研究了近5 0 年西安气候演变趋势和城市化 对西安局地气候影响。林学椿掣1 1 d3 】在分析了我国近4 0 年的气候变化趋势的基础上，研究 了北京地区温度的年代际变化和热岛效应及北京城市化与热岛强度的关系。 众多学者不仅研究了城市化进程对城市热岛、干旱岛效应的影响，也分析了城市化对降 雨的影响，并得出了很多有意义的结论。城市“熟岛效应”使城市上空空气对流发展旺盛， 容易产生强对流天气 1 4 1 王喜全，郭虎掣1 5 】研究了城市化对北京地区降水分布的可能影响， 并得出由于城市化影响了冬季北京南北部地区降水的差异，李娜等【1 6 】人发现苏州在城市化的 发展过程中对年雨量、汛期雨量和最大日雨量都有不同程度的增加作用，其中对最大日雨量 的影响最显著：受城市化影响，降雨年内分配有集中的趋势；城市化使不同类型降雨发生次 数均增加，其中对暴雨发生次数的影响最大。孙继松等1 l j 7 例研究了北京城市热岛效应对冬夏 季降水的影响得出由于北京城市化速度快速，从而使夏季强降水增多，而冬季则相反。 城市化进程直接导致城区的扩大以及建筑楼群的快速增多，使得城市土壤类型和下垫面 性质发生了根本的变化【2 们。城市气候不可避免地受到城市化的影响，所以对此进行研究有着 重要的作用和意义。 1 2 城市化进程对于成都地区气候影响的研究 成都位于四川盆地西部，是中国西南地区科技、商贸、金融、教育中心和交通、通信枢 纽。近1 0 年来，成都市经济快速增长。成都城市化的发展对区域气候的影响越来越受到人 们的关注，它对于成都的招商引资，创建“中国易居城市”有很重要的意义。特别是近几十 年来在全球气候变化的背景下，成都从2 0 世纪6 0 年代到近几年，经过了国民经济困难、 改革开放和快速发展的时期。不同时期成都的气候特征是怎样的? 成都城市化发展对区域气 候及降水的影响如何? 很多科研工作者在这方面做了大量的研究工作。郝丽萍，方之芝1 2 卜2 2 】 分析得出成都市区近十多年来的持续快速升温与成都市9 0 年代以来越来越显著的城市热岛 效应密切相关，并且城市干旱岛效应也相当突出。成都市区的热岛效应、干旱岛效应与成都 市9 0 年代以来的城市规模的快速扩大密切相关；且春、夏季起始时间较之提前，秋、冬季 相对滞后；夏季持续时间延长，冬季持续时间缩短。胡毅，朱克云【2 3 】等人发现1 9 9 0 年以来 大部分地区存在降水减少，气温升高，日照减少的现象。邵远坤，沈桐立【2 4 】发现盆地西部近 4 0 年来降水的长期变化有明显减少的趋势。盆地内降水异常的一个显著特征就是盆地西部 与东部的反位相分布。以上的研究都系统的分析了近4 0 年成都地区气温和降水的变化情况， 得出的基本结论是成都和其他大城市一样出现了热岛和干旱岛效应，年降雨量有减少的趋 势。但是最近1 0 年特别是最近5 年是成都飞速发展的时期，也是城市化进程最快的时期， 在这个背景下，成都的气候有没有发生比较明显的变化，特别是强降水的雨量和落区有怎样 的变化? 这是本论文所要分析的一个方面，为了解释这些人们普遍关注的问题，本文利用成 都市区和郊区1 9 6 0 2 0 0 8 年的气象资料，进行分析研究。 1 3 应用数值模式对城市化的研究 城市化进程对于大城市小气候的影响已是不容质疑的事实，很多科研工作者从动力学角 度揭示了由于城市化进程加快造成城市的温度增高，湿度减小，并且随着建筑群增多、增密、 增高，导致下垫面粗糙度增大，其阻障效应消耗了空气水平运动的动能，使城区的平均风速 减小，静止的空气使得湿空气在城市上空堆积，强降水事件易发生【2 5 2 6 1 。随着模式发展日益 成熟，很多人尝试用数值模拟来客观的分析对比由于城市化进程改变了下垫面性质，对城市 温度、降水有多大的影响。张朝林，苗世光 2 7 - 2 8 将北京精细下垫面信息引入对暴雨模拟的影 2 响，研究表明下垫面特征的精细化引入和城市发展引起的属性改变会通过模拟系统中耦合的 大气与陆面间的相互物理过程，对短期降水天气系统的发生发展产生重要、深远的非线性影 响和作用。董喜春【2 州等对长江中下游地区城市化进程中土地利用的变化引起的地气能量交换 和水份收支改变的气候效应进行模拟研究。结果表明：下垫面由田地变为城市后近地层大气 水汽含量减小，气温升高。卢萍，陈章p o 】在引入成都市精细化下垫面资料后将g r a p e s 与城市 冠层方案相耦合，并在此基础上进行数值试验。结果表明：城市冠层参数化方案及精细化下垫 面资料的引入能够影响陆气之间的相互作用，改变大气的能量平衡，致使向上长波辐射增强， 感热通量增加，潜热通量减少。大量的数值试验都说明了城市化进程对城市的地气能量交换 有显著的影响，从而影响城市的温度和降水。 本文将利用w r f 模式对成都地区两次区域性暴雨过程进行数值模拟，并改变下垫面性 质做地形敏感性试验，分析城市化发展对成都地区强降雨的影响。虽然利用w r f 模式对暴 雨过程的模拟的分析都比较多，但是将w r f 模式引用到城市化的研究中，特别是对于成都 这样的地形环境比较复杂的地区，还不多见。这是本文另一个创新点。 1 4 本研究的意义及可行性 在以往研究城市化的模式模拟中，模拟的区域基本上是在华北地区或长江中下游地区， 地势比较平坦，地形比较简单。而整个成都地区地形复杂，气候多变，研究在这样复杂地形 背景下城市化进程对成都市区局地小气候的影响，不仅对于成都地区的气候变化有重要的研 究意义，而且对于模式的研究也是重要的补充。 成都作为中国西南地区最大的城市，也是科技、商贸、金融、教育中心和交通、通信枢 纽，研究城市化对成都地区小气候的影响对于市政规划等方面都有重要的意义。 本研究分为两部分，第一部分是用统计方法分析近5 0 年( 1 9 6 0 年- 2 0 0 8 年) 成都地区 和市区城市化进程中的气候变化情况，主要是温度、湿度和降水的变化情况。第二部分是利 用w r f 模式，修改成都地区下垫面性质，对成都地区相同的暴雨过程做地形敏感性实验，分 析城市化对成都的降雨量和落区的影响。w r f 模式系统采用高度模块化、并行化和分层设计 技术，集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果。它允许修改下垫面性质，这样为成都地区 暴雨过程的敏感性实验提供了技术保障。 本文除了模拟了两次暴雨过程并做了敏感性试验外，还分析应用了g p s 可降水资料在暴 雨过程中的演变情况，并得到了有意义的结论，这对于以后成都地区的暴雨预报有积极的作 用。下一步的工作是希望将g p s 可降水资料( g p sp w v ) 同化进模式中，提高模式的初始湿 度场的精确度，提高模式预报能力。 3 1 5 本文结构说明 本文在第一章引言部分介绍了城市化研究的进展及在成都地区的应用。在第二章将利用 成都市及其所辖1 3 个区( 市) 县气象站近5 0 年( 1 9 6 0 2 0 0 8 年) 的气象要素资料和成都市城 市环境变化相关资料用统计方法分析研究成都市近5 0 年来城市化进程中的气候变化特征。 第三章将对成都地区比较典型的两次区域性暴雨过程做诊断分析。第四章将运用新的水汽探 测资料g p sp w v 对上述两次暴雨过程做特征分析，并总结在暴雨过程中g p sp w v 的演变情况。 第五章将利用w r f 模式模拟分析这两次区域性暴雨过程，并通过改变成都地区下垫面性质做 地形敏感性试验，分析城市化进程对暴雨过程的影响，并分析其影响机制及物理过程。第六 部分为文章结论部分，讨论了文章取得的成绩及意义，说明了不足及以后改进的方法。 4 第二章城市化进程中成都地区的气候变化特征 2 1 资料来源 本文应用成都市及其所辖1 3 个区( 市) 县气象站的1 9 6 0 - 2 0 0 8 年的气象常规观测资料 ( 资料包括温度、降水、相对湿度) 做气候变化分析。成都站( 5 6 2 9 4 ) 2 0 0 4 年迁移到温江 区，故2 0 0 4 2 0 0 8 年的资料采取聚类法和相似法补齐。 图2 1 1成都地区行政区划图 成都市城市规模变化资料来自成都市统计局2 0 0 8 年统计年鉴，成都市城市建成区面积、 成都市工业废气排放总量及成都市人口变化均为1 9 8 0 年到2 0 0 8 年；以上资料均为年代际资料。 2 2 成都市热岛效应情况 二二：二二二二二二二二二 图2 2 1成都市区与成都地区年平均气温比较( 单位： 1 2 ) 从图2 2 1 可以看出，成都市区和成都地区从6 0 年代到现在的变化总趋势是一致的。从 6 0 年代到8 0 年代中期是缓慢下降过程，为一个相对低温期，这与陈隆勋，任国玉等 3 1 - 3 2 】 发现相对应：即自5 0 年代以来我国存在一个以四j l i b 地为中心的变冷带，四川盆地的气温 在4 0 年代出现高值中心以后不断下降，直至8 0 年代达最低值。9 0 年代以前成都市区温度 和成都地区温度差别不大，年平均温度差最大值为0 2 。c 。9 0 年代后期开始，成都市区温度 明显高于整个成都地区年平均气温，尤其是2 0 0 0 以后年平均温度差最大值达到0 7 。c 。出现 这样大的温度差可能的原因有两个：一是与全球气候变暖的大背景有关，二是由于城市中建 筑面积的不断扩大以及生产生活中排放的废气、废液、废渣和燃烧时发出的热等，人为改变 了城市的下垫面环境，影响了下垫面的热量平衡过程，对气候产生较大的影响，形成了城区 不同于郊区的特有气候特征，出现热岛，干旱岛等现象。丁一汇【7 1 等在研究中国近百年来的 温度变化后指出，我国绝大多数城市的增温幅度明显大于同期全国平均气温的增加幅度。城 市规模越大，则热岛、干旱岛效应就越强。 图2 2 2 成都市区与成都郊县( 彭州、蒲江) 年平均气温比较( 单位： 1 2 ) 5 图2 2 3 成都市区与郊县平均气温温差比较( 单位：) 从成都、蒲江和彭州的年平均温度曲线分析( 图2 2 2 ) ，在9 0 年代以前，三条温度曲线 变化趋势不大，彭州为1 5 6 c ，成都为1 6 ，蒲江1 6 3 c ，蒲江较成都温度偏高，前3 0 年年 温度差接近，最大差值在o 5 以内。进入9 0 9 代，特别是n 9 0 年代后期，成都和蒲江、彭 州的温度差开始明显增大，特别是与蒲江的差别尤其大，在9 0 年代以前蒲江的年平均温度高 于成都，从1 9 9 3 年后蒲江的年平均温度较成都显著偏低，近1 5 年成都的年平均温度为1 7 o ，蒲江为1 6 5 ，远远超过了气候变化的正常范围。 蒲江和彭州在成都地区的西南部，与成都市区的直线距离为6 8 公里，由于相对较远， 城市发展与成都市区相比相对缓慢，较成都地区其他区( 市) 县相比也较慢。可以假设未受 到城市热岛效应影响。由图2 2 3 可以看出：蒲江与彭州9 0 年代以来的温度差值维持在0 5 1 之间，而成都市与彭州的温度差值从1 9 9 3 年开始突然增大，2 0 0 2 年到2 0 0 4 年问猛增至 1 1 。成都市的城市面积从9 0 年代初开始增加，城市热岛效应从1 9 9 3 年开始凸显出来。 1 9 8 7 年开始全球气候变暖，成都与彭州的年平均温度的平均差值1 9 8 7 年到1 9 9 2 年为 o 4 5 ，1 9 9 3 年到2 0 0 3 年的平均差值为0 8 3 ，如果将后期的温度差值的增加作为城市热 岛效应的贡献，则贡献率为( o 8 3 - 0 4 5 ) o 8 3 = 0 4 6 。 表2 2 1 热岛效应贡献率 6 计算成都市区气象站、郊县的彭州和蒲江气象站1 9 6 0 2 0 0 8 年的年和四季平均、最高、 最低气温倾向率、城市热岛贡献率。结果表明：( 1 ) 成都的平均气温、最高、最低气温的倾 向率为正，最低气温的增幅最大，年平均气温次之，最高气温增幅最小，其中年平均气温和 最高气温秋季的增幅最快，最低气温则是冬季的增幅最快。郊县的蒲江、彭州各年、季温度 以增温趋势为主，但是春季增幅均为下降趋势。( 2 ) 成都站平均气温的年、季平均增温速率 为o 1 1 - 0 2 6 1 0 a ，显著高于郊县的增温速率。成都年平均气温在1 9 6 0 - 2 0 0 8 年间增加了 0 7 3 1 ；最高气温升高了0 2 5 8 ；最低气温升高了1 0 7 5 ，以最低气温的升高最为显著。 ( 3 ) 成都市年平均气温、最高、最低气温的热岛效应贡献率分别达到4 6 、9 9 6 、3 3 。( 4 ) 4 4 年来的增温主要是1 9 8 7 年以来全球变暖的快速增温所致，成都市的熟岛效应是在1 9 9 3 年开始凸显出来，进入本世纪增温进一步加剧。 图2 2 4 成都城区人口与建成区面积( 人口单位：百万，建成面积：平方公里) 如图2 2 4 ，从1 9 9 0 年到2 0 0 8 年间，成都市区的建成区面积增加了五倍以上，人口 增加一倍以上，工业废气的排放总量增加一倍以上。成都市9 0 年代以后城市规模的快速扩 大带来的城市热岛效应，对成都市气温持续上升有着相当重要的贡献，也是9 0 年代以后成 都市城市气候特征愈加显著的重要影响因素。 2 3 成都市干旱岛效应情况 图2 3 1成都市区与成都地区相对湿度差值比较图( 单位：) 从图2 3 1 分析，1 9 6 0 年到2 0 0 8 年成都市区年平均相对湿度略低于成都地区年平均相 7 对湿度，成都市区多年相对湿度平均值为8 1 4 ，成都地区多年相对湿度平均值为8 2 4 。 6 0 - 7 0 年代中期，成都市区和成都地区相对湿度基本一致，为弱震荡期间，从7 0 年代中期 到9 0 年代中期市区年平均湿度基本低于成都地区年平均湿度值，但差值较小，基本维持在 1 - 2 之间。从1 9 9 3 年开始，市区湿度迅速下降，总体差值较成都地区平均值少3 左右，2 0 0 3 年差值达到最大为5 4 。 6 0 - 8 0 年代成都平均每年房屋及道路竣工面积相差不大，年平均相对湿度差值，即年平 均干、湿岛强度变化不明显，进入9 0 年代由于房屋及高级公路竣工面积猛增，所以城区干 旱岛强度明显增大。为了证明城市发展因子与城区年平均干、湿岛强度的相关关系，选择了 三种主要的子序列( 总入口、房屋及道路竣工面积和工业废气排放量) 与城区年平均干、湿 岛强度序列求相关系数，并进行了0 0 1 ，0 0 5 和0 2 的置信水平的t 检验，结果表明他们 之间的反相关关系是稳定的。 2 4 降水的变化情况 2 4 1 雨量的变化 二二二二二二二二二二二： l 图2 4 1 1 成都市区和成都地区年均雨量比较( 单位：l m ) 由图2 4 1 1 分析得出，成都地区平均年降雨量为9 7 5 毫米，成都市区的平均年雨量为8 8 0 毫米。6 0 年代前期雨量较多，成都地区年雨量维持在1 0 0 0 毫米以上，7 0 - 8 0 年代震荡期间维 持在平均值附近，9 0 年代中后期至2 0 0 8 年降雨量呈明显减少趋势，成都地区减少量为 3 9 m m l o a ，成都市区降雨减少量为4 8 m m l o a ，市区降雨减少量明显大于郊区降雨减少量。 图2 4 1 2 成都市区与郊县( 蒲江、彭州) 雨量差i t ；较( 单位：砌) ( a 、年雨量，b 、汛期雨量) 成都市区与郊县( 蒲江、彭州) 的年雨量差比较，得出蒲江和彭州与成都市区的年均雨 量差趋势是基本保持一致的。蒲江、彭州与成都市区的年雨量差值变化较剧烈，由图2 4 1 2 ( a ) 分析，并没有出现明显的上升或下降的趋势。 由图2 4 1 2 ( b ) 分析得出，蒲江与成都市城区6 9 月( 主汛期) 降雨量基本持平，没 有明显的增加或减少，彭州与成都市城区6 9 月降雨量差是明显减少的，即在6 9 月城区降雨 量略大于郊县。成都属温带季风性气候，每年的夏秋季，西南季风为成都上空带来丰沛水汽。 由于城区人类活动频繁，向大气中排放了大量的温室气体、气溶胶及其他颗粒物，这几类物 8 质一方面增加了降水的凝结核，另一方面也加剧了成都市的热岛效应。在水汽充沛的条件下， 城区上空增多的凝结核以及相对较高的下垫面温度，有利于形成较郊区更多的降水，减缓城 区年平均降水量的下降趋势。而成都周边郊县，由于发展速度较慢，工业化程度较低，向大 气中排放的温室气体、气溶胶及其他颗粒物也大大低于成都市区，由于凝结核较少，所以在 夏季形成的降水也低于城区。在上图可以明显看出彭州与成都市区的雨量差是减小的。 2 4 2 雨日的变化 图2 4 2 1 成都地区暴雨日数趋势( 单位：天) 图2 4 2 2 成都地区大暴雨日数趋势( 单位：天) 近5 0 年来，成都地区的暴雨日数有减少的趋势，5 0 年代后期n 6 0 年代后期，年暴雨日数 偏多，7 0 年代初期n 8 0 年代后期，暴雨日数维持在平均值附近，从9 0 年代初到现在，暴雨和 大暴雨日数偏少。由以上的分析得出，成都市从9 0 年代中后期开始，年平均温度上升，相对 湿度减少，成都市的热岛和干旱岛效应开始凸现，成都市年均雨量逐渐减少，暴雨和大暴雨 日数也是减少趋势，说明局地强降水或暴雨过程的降雨量有所增加。 2 5 本章小结 由以上分析得出，成都市区城市化进程是非常迅速的，它对成都地区的气候有巨大的影 响。以气温、相对湿度和雨量资料分析了成都市近5 0 年来的城市气候年代际的变化特征发现： ( 1 ) 成都气候逐渐增暖特征明显，从9 0 年代中后期开始，年平均气温呈现出显著的持续上 升的态势，年相对湿度则呈现出显著的持续下降的态势。成都市城市气候在8 0 年代中后期开 始发生了显著性变化，这种变化在进入9 0 年代愈加突出。成都市区近十多年来的持续快速升 温与成都市9 0 年代以来越来越显著的城市热岛效应密切相关。( 2 ) 与成都市城市热岛效应 相对应，成都站的年平均相对湿度出现了持续明显的下降趋势，成为全市最小值中心，城市 干早岛效应相当突出。成都市热岛效应、干旱岛效应与成都市9 0 年代以来的城市规模的快速 扩大密切相关。( 3 ) 9 0 年代中后期至2 0 0 8 年降雨量呈明显减少趋势，市区降雨减少量明显 大于郊区降雨减少量。暴雨和大暴雨个数有所减少。郊县与成都市城区6 - 9 月降雨量差是明 显减少的，即在6 9 月城区降雨量略大于郊县。究其可能原因，是由于城区人类活动频繁， 9 向大气中排放了大量的温室气体、气溶胶及其他颗粒物，这几类物质一方面增加了降水的凝 结核，另一方面也加剧了成都市的热岛效应。在水汽充沛的条件下，城区上空增多的凝结核 以及相对较高的下垫面温度，有利于形成较郊区更多的降水。 l o 第三章成都地区两次典型的中尺度暴雨过程的诊断分析 3 1 2 0 0 8 年9 月2 2 日一2 6 日持续性暴雨过程分析 3 1 1 降雨实况 2 0 0 8 年9 月2 2 日2 0 时至1 j 2 6 日2 0 时，成都地区出现了一次持续性区域暴雨过程。此次降水 过程可分为三个阶段，首先是出现在2 2 日2 0 时至1 2 3 日2 0 时的暴雨过程，暴雨中心在西北部， 最大雨量为1 3 7 2 毫米( 都江堰蒲阳) ，小时最大降雨量达5 0 9 毫米。其次是2 3 日2 0 时到2 4 日2 0 时的暴雨，暴雨中心出现在市区到新都，最大雨量达到1 7 4 2 毫米( 成都市委) ，小时 最大降雨量达4 5 1 毫米。这两场暴雨雨量分布不均匀，伴有强雷暴，具有明显的对流性降雨 特征。第三场区域性暴雨出现在2 5 日2 0 时到2 6 日2 0 时，暴雨中心出现在西南部的蒲江，降雨 量为1 1 4 8 毫米( 蒲江长滩水库) ，小时最大降雨量达1 8 8 毫米，降雨持续时间长，雨量分布 比较均匀，具有连续性的稳定降雨特征。这场连续性暴雨天气出现时间之晚、强度之大、范 围之广，这在我市历史同期极为少见f 3 3 】。 图3 1 1 1 9 月2 2 1 3 0 8 2 6 1 日2 0 时5 0 0 h p a 平均场( 单位：g p m ) 分析9 月2 2 日到2 6 日的5 0 0 百帕日平均高度场，如图3 1 1 1 ，北半球中高纬度表现为“两槽 一脊”的形势，成都及盆地西部一直处于副热带高压边缘，青藏高原南支槽明显。2 3 日前，副 高控制成都地区具备了强不稳定层结，河套到四川北部堆积的冷空气不断分裂南下，巴湖冷槽 不断分裂小槽东移，触发了副高边缘强不稳定能量释放，形成了一次暴雨过程。台风“黑格比” 中心位置位于海南以东洋面，并逐渐沿副高边缘向西北方向移动。2 3 日以后台风“黑格比”从 广西一越南一带登陆后西进北上，其后部的偏南气流结合副高边缘偏南气流有风速的叠加，给 盆地带来大量水汽。高原南支槽在成都及盆地谣部地区不断诱生低涡系统，造成持续降水天气。 所以，9 月2 2 日至a j 2 6 日的降水可以分成两部分，第一部分是副高外围偏南气流结合冷平流造成 的不稳定性降水。第二部分为台风西北上带来丰富水汽结合副高维持使暴雨持续。 3 1 2 流场和垂直速度分析 图3 1 2 1 5 0 0 h p a 流场和垂直速度分析( a 、9 月2 3 日0 2 时，b 、9 月2 4 日0 8 时) ( 粗实箭头为流场， 等值线为垂直速度，单位：1 0 一h p a s d ) ：二：二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二：i 图3 1 2 29 月2 6 日0 8 时5 0 0 h p a 流场分析 要形成一场持续性的暴雨天气过程，充沛的水汽和强上升运动是必备条件。分析得出， 这三场区域暴雨过程的水汽来源和强度有所不同。2 2 日晚副高西脊点达到1 0 5 。e ，整个盆地 都为副高外围西南气流控制，水汽沿副高边缘进入盆地。2 3 日晚到2 4 日白天，台风在广东 登陆后西进北抬，副高向北收缩，副高外围的偏南气流和台风外围的东南气流叠加形成了极 强的水汽通道，给成都地区带来充足的水汽。青藏高原东部还有一支西北气流到达盆地西部， 所以这次过程有三支气流在盆地西部汇合，有利于对流发展。2 5 日晚，随着台风西移减弱， 其后部东南气流与副高外围西南气流仍有叠加，但水汽输送减弱，雨强较2 3 日晚减弱。 图3 1 2 39 月2 2e t2 0 时5 0 0 h p a 垂直速度( 单位：1 0 3 1 1 p a s 1 ) 垂直运动分析显示( 图3 1 2 3 ) ，2 2 日2 0 时，强上升气流中心位于盆地西部，其最大上升 气流中心位于5 0 0 h p a ，达1 2 x 1 0 一h p a s ，这支上升气流的东西侧均有一支2 x 1 0 。h p a s 。1 下沉气 流相伴。随着降雨的产生，不稳定能量的释放，上升气流明显减弱，到2 3 日0 8 时转为下沉气 流。2 3 日2 0 时，盆地大部从低层至1 5 0 h p a 都为强上升气流，其最大上升气流中心在盆地西部 达至l j - 2 0 1 0 刁h p a s 一，重庆到两湖一带为气流下沉区。台风外围的水汽通过东南气流进入盆地中 低层，通过强上升运动形成降水，盆地西部的上升气流到重庆一带的下沉气流形成一个次级环 流圈，源源不断的水汽被抽吸到盆地，使盆地强降水持续。2 4 日2 0 时，盆地西部上升气流减 弱至1 1 0 h p a s ，降雨结束。垂直运动分析表明，2 3 日晚台风登陆北上之后盆地中高层 7 0 0 5 0 0 h p a 上升运动明显得到加强，强烈的上升运动使降水强度得到加强。 3 1 3 水汽通量散度分析 进一步分析这次暴雨过程的水汽通量和水汽通量散度。9 月2 2 日2 0 时- 2 3 日0 2 时 8 5 0 h p a 、7 0 0 h p a 水汽通量散度场上，副热带高压外围有一圈水汽辐合带，盆地东部为辐散 区，中心值为5 7 9 c m - 2 h p a - 1 s ，辐合中心在盆地西部到北部，中心值为- 2 8 9 c m - 2 1 1 p a i s 。 5 0 0 h p a 以上盆地均为辐散区，到2 3 日0 8 时，整个盆地均为辐散区。分析表明此次过程水 汽来源于副高外围的偏南气流，水汽辐合高度较低，维持时间较短，虽然成都地区水汽通量 值较小，但水汽通量散度值较大，即参与辐合的水汽较多，有利于成都地区出现区域性暴雨， 暴雨中心与辐合中心对应。9 月2 4 日0 2 时水汽通量大值区在湖南一广西和四川盆地东部一 1 2 带，表明水汽主要是台风外围的东南气流带来的。在7 0 0 h p a 水汽通量散度场上，四川盆地 西部有1 5 9 c m - 1 h p a - i s - 1 的辐合中心，到2 3 日0 8 时增大到5 6g c m - 2 h p a a s 。5 0 0 h p a 盆地 西部有2g e m - 2 h p a - 1 s 。弱辐合，辐合中心在盆地东部为3 8g c m - 2 h p a - 1 s ，到2 3 日0 8 时， 盆地西部仍为弱辐合区，但盆地东部和川西高原转为弱辐散区，这样盒地北部较冷的温度场 结构配合强烈的东南偏南水汽输送使环流外部斜压性加强，大量的水汽汇聚到盆地西部，造 成低层辐合加强、对流不稳定能量及潜热能的释放，使上升运动迅速增强，使暴雨过程持续。 通过这两个过程可以看出，水汽通量和水汽通量散度对于分析水汽来源及确定降雨中心有很 好的指示意义。 3 1 4 不稳定能量分析 表3 1 4 1k 指数时序表 各种天气的发生、发展和消亡都伴随着大气能量的转换过程，能量分析有助于揭示大气 运动的内在规律。我国夏季的暴雨，多数出现在强对流的活动时期。强对流的发生需要有不 稳定的层结，一旦强对流发生后，大气中的不稳定能量就迅速释放，层结趋于中性，使对流 不能进一步发展，要使暴雨持久，就要求在暴雨区有位势不稳定层结的不断重建机制【34 i 。强 对流天气出现在高温高湿区域，对暴雨来说，还要求湿层很厚，o s e 是个同时表征温度和湿 度的参数，o s e 5 0 0 - 8 5 0 是衡量一个站不稳定能量的重要指标。从表3 4 1 可以看出，从2 1 日 2 0 时开始到2 2 日2 0 时中低层能量一直呈现上升趋势，为暴雨天气出现了充足的能量条件。 在2 2 日2 0 时，成都为位势不稳定的中心。从温度场分析得出：成都南面为一暖脊，北面为 冷气团控制。2 2 日2 0 时冷空气到达盆地北部，造成这一地区的雷雨。2 3 日0 2 时冷空气到 1 3 达成都，激发了成都的不稳定能量，使对流发展，产生暴雨天气。2 3 日0 8 时成都本地能量 略下降后又快速增加，2 3 日2 0 时k = 4 2 ，沙氏指数一2 2 ，a 0 s e = 8 3 ，三项指数一致显示了 2 3 日2 0 时的成都具有很强的不稳定能量。2 3 日晚到2 5 日晚成都降了两场区域性暴雨，后 k 指数明显降低，成都转为稳定性降水。 3 22 0 0 9 年8 月2 5 日一2 6 日暴雨过程分析 3 2 1 降雨实况 2 0 0 9 年8 月2 5 日晚，成都市出现2 0 0 9 年第二场区域性暴雨，有5 个大监站出现暴雨或大暴 雨，暴雨主要分布在成都北部和中部地区，大暴雨出现在双流县，并伴随发生强雷暴天气。 从2 5 日2 0 时到2 6 日0 8 时，双流的金桥和彭镇出现大暴雨，雨量分别为1 2 1 9 毫米和1 1 6 6 毫米； 都江堰、彭州、新都、新津、郫县、大邑的部分地方出现暴雨，雨量为5 0 5 8 0 9 毫米；其余 地方为中雨天气。成都市区为大雨到暴雨，雨量普遍在2 5 7 0 毫米之间。全市共发生雷电云 地闪击7 0 7 7 次，出现在成都市区、双流县、金堂县、新津县、新都县、邛崃县、蒲江县等地 区，雷电最大强度为1 6 9 k a 。 3 2 2 环流分析 图3 2 2 1 2 0 日0 8 时一2 5 日0 8 时5 0 0 h p a 高度平均场( 单位：g p m ) 从图3 2 2 1 分析，亚洲大陆4 0 。n 以北为稳定的两槽一脊环流形势，4 0 。n 以南我国 大陆呈经向环流，6 5 - 1 0 5 。e 地区为副热带高压和青藏高压之间的宽广的槽区。副高位置较 多年平均值偏北偏西，西脊点维持在1 0 5 。e 附近。青藏高原西部有低槽发展并维持，后部 有冷空气堆积。2 2 日到2 4 日副热带高压一直控制了盆地大部，成都5 0 0 h p a 的位势维持在 5 8 8 位势什米以上，成都地区为副高外围偏南气流控制。2 5 日0 8 时副高北侧略东退南压， 高原低值系统发展并东移，7 0 0 h p a 水汽通道逐渐建立。2 5 日2 0 时副高主要势力范围在贵州 到两湖一带，成都虽然位势高度仍在5 8 8 位势什米，但是其影响风场已由副高外围的偏南风 转为高原低值系统前的偏南风。2 5 日0 8 时7 0 0 h p a 孟湾水汽通道打开，水汽出口在青甘南 部。分析得出，这次暴雨过程发生的环流背