基于城市关键参数优化的京津冀城市化降水效应模拟研究

Urbanization has become a crucial factor changing the regional climate and environment. Conducting numerical simulations with regional climate model is a powerful method for the research of urbanization impacts on regional climate. However, it faces many problems with the regional applicability of urban key physical and morphologic parameters in current models. Meanwhile, some uncertainties still exist in the simulation of urbanization impacts on precipitation. With the advancement of coordinated development of Jing-Jin-Ji region and the establishment of Xiong'an New District, optimizing the urban key parameters and conducting the study of numerical simulation for the uncertainty of urban precipitation effects have significant scientific and practical values. Based on the existing satellite remote sensing data, our project aims to estimate and optimize the urban key physical and morphologic parameters in Jing-Jin-Ji urban agglomeration in China. These key parameters will be applied to the regional climate model and its corresponding urban canopy model to carry out the numerical experiments with high resolution. Impacts of these parameters on regional climate simulation and the uncertainty of urban impacts on precipitation will be evaluated scientifically. The full physical processes and mechanisms in the regional climate change and effects of precipitation due to urbanization will be deeply explored.

城市化已成为影响区域气候和环境不可忽视的重要因素。利用区域气候模式进行数值模拟是开展城市化区域气候效应研究的重要手段，然而现有模式中城市关键物理参数和形态参数在中国区域的适用性存在很大问题，城市化对降水影响的模拟结果还具有很大的不确定性。随着京津冀协同发展的推进和雄安新区的建立，开展针对中国区域特别是京津冀城市群区域的城市关键参数优化，并进一步深入模拟研究城市化的降水效应，具有重要的科学意义和实用价值。本项目拟针对京津冀城市群，以城市关键物理和形态学参数优化作为突破口，利用耦合有城市冠层模块的区域气候模式，开展公里级高分辨率区域气候模拟试验，系统评估城市关键参数对京津冀城市群区域气候模拟的影响，重点关注城市化降水效应的不确定性，从而深入揭示城市关键参数对京津冀城市化降水效应模拟结果影响的物理机理。

城市化已成为影响区域气候变化的重要因素。利用区域气候模式进行数值模拟是开展城市化区域气候效应研究的重要手段，然而现有模式中城市关键参数在中国区域的适用性存在很大问题，城市化对降水影响的模拟结果还具有很大的不确定性。. 本项目主要针对京津冀城市群，首先通过观测资料及卫星资料收集，开展了京津冀高分辨率城市关键参数集的研制工作，所研制的数据集包括网格城市面积百分比、加权平均楼高、楼高标准差、道路宽度等主要城市形态参数。具有空间分布的城市关键参数能够很好地反映京津冀特别是北京地区的城市结构特点。将该关键参数集引入耦合有城市冠层模型的区域气候模式后，能够改善模式对北京城市地区地面气温和相对湿度的模拟能力，使得模式对地面气温的高估偏差和地面相对湿度的低估偏差显著减小。.通过开展公里-百米级高分辨率区域气候模拟试验，研究了城市关键参数及不同城市模块对京津冀城市群区域气候模拟的影响，特别是对城市降水的影响、不确定性及其机制。不同城市模块和关键城市参数，模拟的热岛强度不同，水汽条件、热力条件和动力条件的改变使得城市降水效应的模拟结果具有较大的不确定性。使用具有空间分布关键城市参数和耦合多层城市冠层模块的WRF-BEP-BEM模式，对城市降水具有较好的模拟效果。针对北京一部分极端降水事件的特征，研究了城市化及二维城市冠层参数引入对北京下山对流过程模拟的影响及其机制。另外，还利用观测资料分析了城市化对北京地区增温的贡献。. 本研究对适用于中国区域气候模拟的区域气候模式及城市冠层模块发展改进具有重要的参考意义和引领作用。针对北京地区下山对流过程增强的暴雨个例的模拟研究结果，对城市极端降水预报具有重要的科学和指导意义。