不同气象环境条件下城市下垫面对降水的影响研究——以北京夏季降水为例

Urban heavy thunderstorms cause huge losses in recent years. However, the fact that a city has different impacts on precipitation under different conditions brings great challenge to improving accuracy of the urban precipitation forecast. Previous studies have indicated that the influence of the urban underlying surface on the precipitation has great uncertainty. This uncertainty has close relationship with the meteorological environment and urban conditions. So it has profound scientific and practice significance to carry out research on urban influence on precipitation under different circumstances. Beijing urban underlying surface notably impacts local thunderstorms. This project is based on data of encryption automatic stations of last 10 years (2007-2016) and other boundary layer observations in Beijing. A great number of rainfall events will be studied using rational statics and empirical orthogonal function (EOF) methods, studying the impact of urban underlying surface on precipitation under different meteorology (such as wind, moisture, stratification and boundary layer characters) and urban environment (the intensity of urban heat island and roughness length). Finally, the diagnosis and model will be used to study the mechanism of urban underlying affection on precipitation. This project is planned to find the key factors and thresholds which determine the distribution of urban precipitation, establish a Beijing suited, developed, quantitative frame of urban underlying affection on precipitation. It can raise new perspectives for research on urban precipitation.

近年来城市强降水给居民的生命、财产造成了巨大损失，严重阻碍了城市的可持续发展。已有研究表明,同一城市在不同条件下对降水可产生完全不同的影响，城市下垫面对降水的影响具有很大的不确定性,为城市降水预报带来了严峻的挑战。该不确定性与降水发生的气象环境、城市条件密切相关。因此，开展不同条件下城市下垫面对降水的影响具有重要的科学意义和实际应用价值。北京作为超大城市，其对降水的影响显著且具代表性。本项目拟基于北京最近10年夏季多种类高时空分辨率边界层气象观测数据，采用对大量降水事件聚类和正交经验函数分析相结合的方法，探究不同气象环境因子和城市因子作用下城市下垫面对降水的影响，确定影响城市降水的关键因子及其阈值，建立较为完善、定量化的城市下垫面对降水影响模型；并对典型降水个例进行诊断和数值模拟分析，揭示不同热动力条件下城市对降水的影响机理，为改进城市气象数值模式、城市规划方案的制定和优化提供科学依据。

本项目针对城市化对降水影响研究中的不确定性问题，采用大数据观测分析与数值模拟相结合的方法，探究不同城市热环境下城市对降水的影响及其机理，开展如下3个方面的研究工作：1、城市复杂热环境特征研究；2、对大量降水事件采用聚类分析、正交经验函数分析（EOF）等方法进行观测统计分析；3、不同季节、不同类型以及不同热岛强度下降水事件的数值模拟研究。主要成果如下：.1、建立了北京2008-2016年夏季降水库，基于北京夏季降水大数据，对降水事件基于城市环境进行归类，提出了城市热岛强度可作为区分城市对降水影响类型的重要因子； .2、采用对大量降水事件聚类分析与EOF分析相结合的方法，分离出城市化对降水的影响，归纳出城市对降水的影响有：城区增强、城区触发、分叉、偏移等；.3、开展了气象条件以及人类行为对城市热环境的影响研究，揭示了夏季热浪与城市热岛的协同机制以及人口迁移对城市热岛的显著影响；.4、基于数值模式，分析了不同热岛条件下城市对夏季降水的不同影响，概括出较为完善的城市对对降水影响框架；.5、深入揭示了较弱热岛条件下城市分叉降水的发生过程及影响机制，降水到达城市之前，较弱的背景风场经过城区时有向城区两侧偏移的趋势；降水系统出流到达城区时，较强的系统出流和较弱的背景风场均发生了分叉现象。针对城市热环境开展敏感性试验，城市热岛增强可导致降水分叉现象消失；.6、揭示了北京城市化对冬季降雪的影响，城市效应对低层大气温度和云微物理过程产生影响，而云微物理过程的非绝热过程反过来又影响低层大气温度和大气层结，影响能量和水汽输送，进而对云和地面降水降雪产生影响；.7、项目研究过程中，积极将研究成果应用于城市规划气候可行性论证、城市大气环境应急响应工作中。.本项目增加了对城市降水这一复杂领域的认识，推动了城市效应研究领域的发展，提高城市气象预报准确率、城市规划方案的制定和优化提供科学依据和研究基础。