城市化氣候效應(yīng)研究的新進(jìn)展

馮錦明王君,嚴(yán)中偉

（1 中國科學(xué)院東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

城市化氣候效應(yīng)研究的新進(jìn)展

馮錦明1王君1,2嚴(yán)中偉1

（1 中國科學(xué)院東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,世界各地特別是中國城市化進(jìn)程十分迅速。城市化的氣候效應(yīng)已成為一個(gè)具有重大現(xiàn)實(shí)與科學(xué)意義的問題,不少科技工作者已經(jīng)利用觀測資料和數(shù)值模式對城市化的氣候效應(yīng)進(jìn)行了一系列的研究。首先從觀測資料的角度介紹城市化氣候效應(yīng)的具體表現(xiàn),然后根據(jù)城市化進(jìn)程影響區(qū)域氣候的三類主要途徑,即城市土地利用變化、人為熱釋放和人為氣溶膠排放,對國內(nèi)外城市化氣候效應(yīng)的研究,特別是數(shù)值模擬研究,進(jìn)行了綜合回顧與分析。結(jié)合作者近幾年所做的工作,系統(tǒng)總結(jié)了城市化氣候效應(yīng)研究的新進(jìn)展以及所面臨的問題,并提出了城市化氣候效應(yīng)的應(yīng)對策略和未來研究展望。目前的城市化氣候效應(yīng)模擬研究結(jié)果還具有較大的不確定性,隨著模式物理過程的改進(jìn)完善和高性能計(jì)算能力的迅速提升,進(jìn)行高分辨率和長時(shí)間的城市化區(qū)域氣候效應(yīng)集合模擬研究將成為解決這一領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題的有效途徑。

城市化,氣候效應(yīng),人為熱釋放,數(shù)值模擬,高分辨率

1 引言

近百年全球變化已成為各方關(guān)注的科學(xué)問題[1]。地表氣溫上升和極端天氣氣候事件頻發(fā)使得人們意識到人類活動(dòng)正在深刻改變著全球氣候系統(tǒng)。二氧化碳、甲烷等溫室氣體和氣溶膠排放，土地利用方式改變被認(rèn)為是人類活動(dòng)影響氣候系統(tǒng)的典型方式。然而，具體到某些區(qū)域或是局地尺度，城市化等其他類型的人類活動(dòng)對氣候的影響同樣是不可忽略的。城市化改變陸面物理屬性（如反照率、發(fā)射率和熱傳導(dǎo)率等）和形態(tài)特征，使得城市區(qū)域具有更大的熱容量、波文比以及粗糙度[2-3]。城市陸表的不透水性使得水汽蒸發(fā)減少，地表感熱增加。加之，輻射在城市冠層內(nèi)部的多次反射和吸收使得白天城市吸收的能量在夜晚更難以長波輻射的形式散失。這些陸面特征的變化顯著影響地表能量收支、邊界層高度和熱力結(jié)構(gòu)以及局地/區(qū)域大氣環(huán)流，從而改變城市及其周邊的區(qū)域氣候[4-6]。同時(shí)，城市地區(qū)的能源消耗所帶來的人為

熱釋放顯著改變地表能量平衡，導(dǎo)致城市邊界層結(jié)構(gòu)變異，從而影響城市區(qū)域環(huán)境[7-15]。此外，城市地區(qū)也是人為氣溶膠排放最劇烈的地區(qū)，氣溶膠的直接、半直接和間接效應(yīng)會對城市區(qū)域氣候產(chǎn)生一定的影響[16-19]。這些因素的綜合效應(yīng)使得城市區(qū)域氣候與周邊其他地區(qū)顯著不同，最典型的表現(xiàn)就是城市與鄉(xiāng)村之間的溫度差異以及城市地區(qū)的降水異常分布。

在氣候變暖背景下，快速城市化進(jìn)程已然造成了許多氣候環(huán)境問題，如持續(xù)的高溫?zé)崂颂鞖鈁20-21]和空氣污染事件[22]?？紤]到城市地區(qū)人口密集，預(yù)期未來會有更多的人口生活在城市，認(rèn)識城市化的氣候效應(yīng)對提高人們生活舒適度、幫助城市決策者提高應(yīng)對極端天氣的能力以及減少城市地區(qū)的能源消耗具有現(xiàn)實(shí)的意義。例如，Stone[23]指出在城市區(qū)域，相比單獨(dú)的溫室氣體減排，輔以改善城市土地利用方式對緩解氣候變化可能會更有效。

當(dāng)下中國的城市化進(jìn)程十分迅速，已有的城市化規(guī)模巨大，不僅沿海地區(qū)三大城市群的城市地域密集連片，中國內(nèi)陸也呈現(xiàn)大中城市星羅棋布、迅速擴(kuò)張的面貌。這些不同規(guī)模等級廣泛分布的城市群實(shí)際上會在更大范圍的時(shí)空尺度對區(qū)域氣候產(chǎn)生影響，加之城市間密集的道路網(wǎng)，使城市的人為熱釋放、氣溶膠排放延伸至城市外圍的大范圍區(qū)域。2012年冬季中國東部持續(xù)長時(shí)間和大范圍的霧霾天氣就是這一現(xiàn)象最好的例證。城市區(qū)域尤其是密集的城市群區(qū)域?qū)夂蜃兓挠绊懠染哂谐鞘芯植康牡赜蛱卣?，也具有更大范圍的區(qū)域特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得常規(guī)觀測手段難以獲得全面的觀測信息，也難以反映不同尺度上存在的氣候特征，更不能用以預(yù)測未來中國在更加高度城市化情形下的區(qū)域氣候演變狀況。數(shù)值天氣氣候模式正是解決這些問題的重要手段。其中，區(qū)域氣候模式可以描述不同時(shí)空尺度上氣候系統(tǒng)、系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的復(fù)雜相互作用，通過借助各種參數(shù)化模型表達(dá)陸面及大氣的各種物理過程，因而能夠綜合反映下墊面改變以及人類活動(dòng)對氣候產(chǎn)生的影響，有助于揭示城市化效應(yīng)對區(qū)域氣候的影響機(jī)理，尋求改善城市氣候環(huán)境的途徑并對未來的區(qū)域氣候變化進(jìn)行科學(xué)的預(yù)估。

為全面了解城市化氣候效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，本文將首先從觀測資料的角度介紹城市化氣候效應(yīng)的具體表現(xiàn)，然后重點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究成果，從城市土地利用、人為熱釋放和氣溶膠等方面來闡述城市化氣候效應(yīng)的成因與機(jī)理，最后對相應(yīng)的應(yīng)對策略進(jìn)行適當(dāng)討論。

2 城市化氣候效應(yīng)

城市化氣候效應(yīng)的最直接表現(xiàn)是城市地面氣溫的變化，即所謂的“熱島效應(yīng)”。早在19世紀(jì)，英國學(xué)者霍華德就從臺站溫度記錄中發(fā)現(xiàn)倫敦市內(nèi)的氣溫比周邊郊區(qū)要高[24]，這一工作被認(rèn)為是城市化氣候效應(yīng)研究的開端。此后，不斷有研究者通過資料分析發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)的存在，范圍遍及各個(gè)緯度帶以及氣候區(qū)[25]。然而，由于傳統(tǒng)氣象觀測臺站數(shù)量有限、空間分布離散，過去工作在定量研究城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度和范圍時(shí)得出的結(jié)論往往存在差異。近些年越來越多自動(dòng)觀測站被用來檢測城市氣象要素，這將大大提高城市熱島效應(yīng)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性[26]。隨著現(xiàn)代觀測技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者也開始使用衛(wèi)星遙感資料反演城市地表溫度，從更細(xì)微的尺度來分析研究城市熱島效應(yīng)的時(shí)空演變規(guī)律[27]。

由于城市化發(fā)展、能源消耗的增加，城市熱島的強(qiáng)度和范圍不斷擴(kuò)大，從而影響局地氣溫上升趨勢[28-30]和極端溫度事件的發(fā)生頻次[31]。過去研究對城市化效應(yīng)對增溫趨勢貢獻(xiàn)大小的結(jié)論不統(tǒng)一，主要原因在于所用觀測資料的質(zhì)量和分析方法的不同。為評估溫度趨勢中的城市化效應(yīng)，局地氣溫觀測序列的前后一致性（或稱均一性）是需要重點(diǎn)考慮的問題。由于站點(diǎn)遷移、觀測儀器和規(guī)范更改等因素，很多站點(diǎn)觀測序列存在非均一性，即某段或某幾段時(shí)期的觀測數(shù)值存在系統(tǒng)性的偏差。另一個(gè)關(guān)鍵問題如何科學(xué)地劃分不同類型的站點(diǎn)（如城市站和鄉(xiāng)村站）。過去的研究大都采用人口或經(jīng)濟(jì)規(guī)模[32]、夜晚燈光指數(shù)[33]以及遙感觀測的土地覆蓋信息[34]進(jìn)行城鄉(xiāng)站點(diǎn)劃分。不同方法得到的分類結(jié)果很不一致，導(dǎo)致城市化效應(yīng)結(jié)論也不一致。此外，城市化氣候效應(yīng)對極端溫度事件發(fā)生頻次也存在一定的影響。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)近30年快速城市化對極端暖夜（冷夜）的增加（減少）趨勢貢獻(xiàn)為12.7%或2.07d/10a（29.0%或5.06d/10a），對于持續(xù)（3d）的極端冷夜事件，城市化效應(yīng)顯著加強(qiáng)了其減少趨勢，貢獻(xiàn)達(dá)34%。

城市化氣候效應(yīng)的另一個(gè)重要方面體現(xiàn)在城市降水格局的改變。早期大多數(shù)研究側(cè)重于利用地面氣象站點(diǎn)、雷達(dá)和遙感觀測等獲得的降水資料揭示城市的存在對區(qū)域降水多少和空間分布的影響。一些研究很早就發(fā)現(xiàn)城市下風(fēng)向暖季的降水相比其他地方增多9%～17%[35-37]。Bornstein等[4]通過分析亞特蘭大地面氣象站點(diǎn)資料發(fā)現(xiàn)城市熱島能引起近地面的大氣輻合上升并誘發(fā)暴雨。Shepherd等[38]發(fā)現(xiàn)城市下風(fēng)向30～60km處的月平均降水比其他地方多出28%。

Chen等[39]指出城市化使得臺北地區(qū)下午雷暴頻次增加67%，由此引發(fā)的降水增加77%。Hand等[40]利用探空和再分析資料分析揭示奧克拉荷馬市下風(fēng)向地區(qū)比其他地方顯著濕潤，從而印證了城市化效應(yīng)對降水的影響比起農(nóng)業(yè)活動(dòng)和地形等因素更占主導(dǎo)地位。Kishtawal等[41]指出印度季風(fēng)區(qū)強(qiáng)降水的增多與城市化效應(yīng)引起的降水異常信號有關(guān)聯(lián)。通過分析雷達(dá)資料，Niyogi等[42]發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴會在城市上風(fēng)向分裂，再在下風(fēng)向聚合。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)城市化發(fā)展會導(dǎo)致城市區(qū)域降水減少。例如，Kaufmann等[43]利用遙感觀測以及氣象臺站資料分析了中國珠三角地區(qū)降水減少和城市土地利用的時(shí)空關(guān)系，發(fā)現(xiàn)城市化對當(dāng)?shù)亟邓疁p少起著至關(guān)重要的作用，這種效應(yīng)很可能是由陸面水循環(huán)改變所引起的。Zhang等[44]發(fā)現(xiàn)北京東北部地區(qū)夏季降水的減少和城市面積快速擴(kuò)張之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而夏季氣溶膠光學(xué)厚度并沒有明顯的長期變化趨勢，因此氣溶膠變化和降水減少不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的關(guān)系?？傊?，城市化氣候效應(yīng)對降水的影響結(jié)論還不統(tǒng)一，這可能與城市所處的區(qū)域氣候類型（內(nèi)陸或是沿海）、城市的規(guī)模大小以及其他因素（如氣溶膠）影響有關(guān)。未來研究需要更長時(shí)間、更高密度的城市氣象觀測網(wǎng)絡(luò)，輔以其他先進(jìn)觀測手段（如衛(wèi)星遙感），定量出不同地區(qū)、不同類型、不同規(guī)模的城市對該地區(qū)降水的作用。

城市高大的建筑物和城市熱島的加強(qiáng)使得地表粗糙度增加，進(jìn)而導(dǎo)致城市近地面風(fēng)場特性的改變。Bornstein等[45]通過分析紐約地區(qū)地面風(fēng)速資料發(fā)現(xiàn)城市和鄉(xiāng)村的風(fēng)速存在差異，差異具有明顯的日變化，大小與風(fēng)向和上游風(fēng)速大小有關(guān)。Li等[46]通過對比市區(qū)和區(qū)域平均的風(fēng)速觀測資料發(fā)現(xiàn)，近幾十年北京城市化發(fā)展加劇了市區(qū)的風(fēng)速減弱趨勢，其貢獻(xiàn)可達(dá)區(qū)域平均趨勢的20%。

3 城市化氣候效應(yīng)的成因

3.1 城市土地利用變化

城市土地利用方式改變是城市化發(fā)展影響區(qū)域氣候最直接的途徑。然而，現(xiàn)今用來研究氣候變化的全球氣候模式因其空間分辨率過粗，不能細(xì)致刻畫只占地球表面很小部分的城市區(qū)域的土地利用狀況。因而，我們需要通過分辨率更高的區(qū)域氣候模式進(jìn)行更高精度的區(qū)域氣候模擬，對城市化氣候效應(yīng)給出科學(xué)的評估。過去研究為了將城市和其他土地利用類型區(qū)分開，簡單地改變城市所在區(qū)域下墊面的某些物理屬性。但是，由于城市建筑物的三維結(jié)構(gòu)對地表反照率、熱容量和粗糙度等存在一定的影響，這種簡單的處理方式不足以準(zhǔn)確描述城市下墊面和區(qū)域大氣之間的相互作用。近些年，城市冠層模型被成功引入到區(qū)域氣候模式中，其對城市區(qū)域氣候模擬的改進(jìn)已被很多研究所證實(shí)[47-49]。例如，Jin等[50]指出為了將未來氣候變化預(yù)估結(jié)果準(zhǔn)確降尺度到一些重要的城市區(qū)域，非常有必要將城市冠層參數(shù)化方案引入到氣候模式中。

城市土地利用方式改變引起的區(qū)域氣候效應(yīng)首先體現(xiàn)在地表氣溫上。Trusilova等[51]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)城市土地覆蓋導(dǎo)致城市區(qū)域夏季氣溫日較差下降（1.26±0.71）℃，冬季下降（0.73±0.54）℃。Hamdi等[52]通過長時(shí)間模擬發(fā)現(xiàn)城市化使得布魯塞爾地區(qū)的最高和最低氣溫上升速率分別增加0.05℃/10a和0.14℃/10a，城市土地利用改變導(dǎo)致的增暖效應(yīng)占區(qū)域整體增暖的45%。Zhang等[53]通過敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)城市化效應(yīng)引起城市地區(qū)冬季平均地表氣溫上升（0.45±0.43）℃，夏季上升（1.9±0.55）℃。Feng等[14]發(fā)現(xiàn)城市下墊面改變使得中國區(qū)域全年增溫0.13℃，部分城市化顯著的地區(qū)（如長三角地區(qū)）增溫可達(dá)0.84℃。通過對中國三大城市群高分辨率嵌套模擬，Wang等[54]發(fā)現(xiàn)城市土地利用使得城市地區(qū)地表氣溫上升1℃左右，此效應(yīng)在夏季體現(xiàn)最為明顯。城市土地利用方式改變引起區(qū)域增溫是絕大多數(shù)研究所認(rèn)同的結(jié)論，但定量化的增溫結(jié)果仍需未來更高質(zhì)量的土地利用數(shù)據(jù)、更完善的氣候模式，以及更準(zhǔn)確的城市參數(shù)和高分辨率的長期氣候模擬。

城市土地利用導(dǎo)致的氣候效應(yīng)的另一個(gè)體現(xiàn)是對降水發(fā)生和分布的改變。近些年，隨著數(shù)值模式的發(fā)展，越來越多的工作試圖從數(shù)值模擬的角度證實(shí)并且解釋城市化效應(yīng)對降水的影響。例如， Shem等[55]通過WRF模式模擬發(fā)現(xiàn)亞特蘭大下風(fēng)向降水有明顯增多，這點(diǎn)與之前很多研究結(jié)論相符合。Shepherd等[56]通過模擬一個(gè)降水個(gè)例發(fā)現(xiàn)，在不考慮城市的情況下，休斯敦西北地區(qū)的對流性降水相對于考慮城市的情況會變少。Lin等[57]發(fā)現(xiàn)引入正確的土地利用信息對城市降水模擬至關(guān)重要，城市化效應(yīng)能顯著影響邊界層中大氣的熱力和動(dòng)力過程。Miao等[58]通過不同城市土地利用情景的敏感性數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)城市對于風(fēng)暴移動(dòng)路徑和降水量起著重要的作用，城市化效應(yīng)使得城市區(qū)域的颮線破裂成對流單體，最終降水量的變化幅度取決于城市化的程度。與之前大多數(shù)觀測資料分析得到的結(jié)果不同的是，近些年有些模擬研究發(fā)現(xiàn)城市土地利用可能會使城市地區(qū)的降水減少。通過對北京地區(qū)兩個(gè)典型的夏季降水過程進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，Zhang等[44]發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張很可能是北京近幾十年降水

減少的重要原因，增加植被覆蓋有利于降水增加，從而緩解該地區(qū)的缺水狀況。Wang等[54]通過高分辨率嵌套模擬同樣發(fā)現(xiàn)，城市土地利用會使中國長三角和珠三角地區(qū)夏季降水顯著減少（圖1）。降水減少的原因可能是城市土地利用導(dǎo)致自然植被和土壤被不透水層替代，區(qū)域蒸發(fā)顯著減少，水汽供應(yīng)不足，加之邊界層變厚使得水汽在其中混合得更加均勻，導(dǎo)致對流有效位能降低，對流抑制能量增加，從而不利于區(qū)域降水的發(fā)生（圖2）。城市化對降水的影響還具有較大的不確定性，原因在于過去多數(shù)研究選取的是個(gè)別天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬，部分區(qū)域氣候模擬的時(shí)間跨度也不夠長。未來更長時(shí)間、更多來源的觀測資料和長時(shí)間高分辨率的氣候模擬可為我們提供更為可靠的研究結(jié)論。

此外，Hou等[59]通過敏感性數(shù)值模擬試驗(yàn)得出，北京近50年的城市化造成區(qū)域平均風(fēng)速減少0.4m/s，其貢獻(xiàn)占整體風(fēng)速減弱的35%。Lo等[6]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確的城市土地利用數(shù)據(jù)和參數(shù)化方案對于模擬中國珠三角地區(qū)城市化對海陸風(fēng)環(huán)流的影響至關(guān)重要，結(jié)果表明城市土地利用使得城市地區(qū)和周邊海域的溫差加強(qiáng)，造成夜晚海風(fēng)能夠深入到更加內(nèi)陸的地區(qū)。Chen等[60]通過敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)城市的存在有利于近地面風(fēng)的停滯，城市土地利用造成的氣溫變化顯著影響休斯敦地區(qū)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

城市土地利用還對城市地區(qū)某些污染物濃度存在一定的影響。Jiang等[61]發(fā)現(xiàn)未來氣候變化將導(dǎo)致休斯敦地區(qū)日最高臭氧濃度上升2.6ppb，而城市土地利用卻能使得日最高臭氧濃度上升3.6ppb，兩者對臭氧濃度的作用因地區(qū)不同而不同，未來氣候變化將使得八月極端臭氧污染日增加1～2天，而城市土地利用卻能使其增加2～3天。

3.2 城市人為熱釋放

所謂的“城市化效應(yīng)”不單由上述因素所引起，城市區(qū)域的人類活動(dòng)導(dǎo)致的熱釋放也是一個(gè)重要的氣候因子。工業(yè)能源消耗、商業(yè)及居民住宅的熱排放、車輛的油料燃燒以及人體新陳代謝是人為熱釋放的重要來源[62]。通過能源消耗數(shù)據(jù)的分析，Ichinose等[7]發(fā)現(xiàn)東京市中心的人為熱白天超過400W/m2，冬天最高值可達(dá)1590W/m2。Offerle等[8]發(fā)現(xiàn)歐洲地區(qū)城市中心的人為熱強(qiáng)度可以達(dá)到32W/m2。Quah等[9]發(fā)現(xiàn)新加坡的商業(yè)區(qū)逐時(shí)人為熱釋放最高可達(dá)113W/m2，高密度住宅區(qū)達(dá)17W/m2，低密度住宅區(qū)達(dá)13W/m2。由于相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏，人為熱釋放的氣候效應(yīng)研究的難點(diǎn)在于很難準(zhǔn)確描述人為熱的時(shí)空分布?，F(xiàn)階段研究普遍采用基于能源消耗清單和地面能量守恒的方法對人為熱釋放進(jìn)行估算，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)研

究對象的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

圖1 城市土地利用變化導(dǎo)致珠三角、長三角和京津冀地區(qū)全年（a，b，c）和夏季（d， e，f）降水變化（單位：mm/d）[54]

前人對于人為熱釋放的研究工作大多集中于使用各種數(shù)據(jù)精確描述人為熱的時(shí)空分布特點(diǎn)。近些年隨著數(shù)值模式的發(fā)展，越來越多的研究開始關(guān)注人為熱釋放對城市區(qū)域氣候的影響。Ichinose等[7]發(fā)現(xiàn)減少城市能源消耗可以使得地表氣溫下降0.5℃。Ohashi等[10]指出東京商業(yè)區(qū)內(nèi)1～2℃的氣溫上升是由空調(diào)的廢熱排放造成的。de Munck等[11]認(rèn)為可將巴黎市區(qū)0.5℃的氣溫上升歸結(jié)于人為熱釋放，并且指出空調(diào)的使用在地表氣溫上升中的重要性。Block等[12]首次進(jìn)行了人為熱釋放對區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)2W/m2的人為熱釋放能使地表氣溫上升0.15℃，在個(gè)別地區(qū)（德國魯爾地區(qū)），額外20W/m2的人為熱釋放能導(dǎo)致0.5℃的增溫，但人為熱釋放對區(qū)域降水影響并不顯著。然而，此工作僅是對冬季進(jìn)行了模擬，人為熱釋放的氣候效應(yīng)在其他季節(jié)的情況仍是未知。利用現(xiàn)今和未來人為熱釋放預(yù)估清單，F(xiàn)lanner[13]指出2100年人為熱釋放將會使全球地表氣溫上升0.4～0.9℃。Zhang等[63]發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的氣候模式模擬的20世紀(jì)后半期氣候變化趨勢相較于觀測存在一定偏差，人類能源消耗導(dǎo)致的熱釋放對大氣環(huán)流和區(qū)域氣候造成的影響與這種偏差十分相似，尤其是在冬季和秋季，從而顯示人類能源消耗作為一種沒有加入氣候系統(tǒng)的外部強(qiáng)迫很可能是造成當(dāng)前的氣候模式存在偏差的原因。Feng等[14]發(fā)現(xiàn)人為熱釋放導(dǎo)致中國區(qū)域氣溫上升0.15℃，在個(gè)別城市化明顯地區(qū)（如長三角地區(qū)）增溫將達(dá)到0.89℃。通過使用更加接近實(shí)際的人為熱釋放數(shù)據(jù)和高分辨率嵌套模擬，F(xiàn)eng等[15]發(fā)現(xiàn)人為熱釋放使得中國三大城市群城市地區(qū)氣溫上升0.5～1.0℃，降水分布格局發(fā)生變化。圖3給出了人為熱釋放引起的區(qū)域降水季節(jié)內(nèi)變化，可以看出，珠三角和長三角地區(qū)夏季降水有所增加，在城市區(qū)域，這種增加會更加顯著，原因是城市地區(qū)風(fēng)場和水汽發(fā)生輻合，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，對流有效位能增加，從而導(dǎo)致夏季降水顯著增多（圖4和圖5）。京津冀地區(qū)的夏季降水變化不太顯著，原因可能是與該地區(qū)處于季風(fēng)氣候區(qū)邊緣、地形比較復(fù)雜、中高緯度的天氣過程頻繁、局地對流活動(dòng)弱等因素有關(guān)。

3.3 城市人為氣溶膠排放

圖2 城市土地利用變化導(dǎo)致夏季對流有效位能（a，b，c）和對流抑制能（d， e，f）的變化（單位：J/kg）[54]

除城市土地利用變化和人為熱釋放外，人為氣溶膠排放也是引起城市化氣候效應(yīng)的重要因素。人為氣溶膠對大氣輻射的改變可能會減弱以上兩個(gè)因素對城市區(qū)域增溫的影響，人為氣溶膠的直接、半直接和間接效應(yīng)可能對該地區(qū)的降水變化（強(qiáng)度和分布格局）存在一定的作用。關(guān)于人為氣溶膠的直接、半直接和間接效應(yīng)的研究有很多，但是真正關(guān)注人為氣溶膠對城市區(qū)域氣候影響的研究卻相對較少。過去由于模式對氣溶膠氣候效應(yīng)的參數(shù)化不夠完善，多數(shù)工作采用

觀測資料來研究氣溶膠與城市降水的關(guān)系。例如，Jin等[16]通過分析紐約和休斯敦各個(gè)時(shí)間尺度的MODIS云量觀測、AERONET氣溶膠觀測、PM2.5站點(diǎn)觀測和TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，城市云量和氣溶膠存在反位相關(guān)系，而氣溶膠對降水變化不存在顯著的影響。Jin等[17]再次通過遙感觀測資料發(fā)現(xiàn)，氣溶膠對水云粒子大小存在顯著影響，除小于2.5mm/d的小雨外，氣溶膠對其他類型的降水沒有影響。近些年也有研究試圖通過數(shù)值模式探索氣溶膠對城市地區(qū)降水的影響，如Heever 等[18]通過中尺度模式模擬發(fā)現(xiàn)，城市下風(fēng)向的暴雨大多是由城市熱島引起的輻合所致，而與氣溶膠的增加沒有顯著關(guān)系。Carrio等[19]發(fā)現(xiàn)城市降水量隨著城市化進(jìn)程呈現(xiàn)單調(diào)增長，原因在于城市土地利用對海陸風(fēng)環(huán)流的加強(qiáng)作用，然而城市降水并不隨著氣溶膠濃度的增加呈現(xiàn)線性的變化。

以上研究大多是基于遙感觀測分析和針對個(gè)別天氣過程的模擬，要想真正揭示氣溶膠對城市區(qū)域氣候的影響，需要高分辨率的長期的氣候模擬。隨著人們對氣溶膠氣候效應(yīng)認(rèn)識的加深，模式對氣溶膠在氣候系統(tǒng)中所起的作用將描述得更加清晰，這將幫助我們了解人為氣溶膠對城市區(qū)域氣候的影響。

圖3 人為熱釋放引起的模擬區(qū)域平均（a，c）和城市地區(qū)平均（b，d）的月降水變化百分比[15]

4 城市化氣候效應(yīng)的適應(yīng)對策

城市化氣候效應(yīng)研究的意義在于它能使人們更清晰地認(rèn)識其發(fā)生的特點(diǎn)及原因，從而制定科學(xué)的對策減緩和適應(yīng)城市化發(fā)展帶來的不利影響。隨著人們對周圍環(huán)境和生活質(zhì)量要求的提高，越來越多的學(xué)者

開始考慮如何在城市區(qū)域尺度改善氣候變化和城市化效應(yīng)帶來的負(fù)面影響。Akbari等[64]認(rèn)為增加城市反照率可以降低夏季氣溫，進(jìn)而使得空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好、空調(diào)使用量下降。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，增加城市屋頂和不透水鋪砌表面的反照率所導(dǎo)致的負(fù)輻射強(qiáng)迫效應(yīng)相當(dāng)于44Gt二氧化碳的減排所產(chǎn)生的效果。Oleson等[65]使用耦合城市冠層模型的全球氣候模式模擬研究發(fā)現(xiàn)，如果將全球城市的房屋屋頂變成白色，全球平均的城市熱島強(qiáng)度將下降33%，城市日最高氣溫將下降0.6℃、日最低氣溫將下降0.3℃。由于高緯度地區(qū)冬季太陽輻射較弱，白色屋頂對該地區(qū)熱島效應(yīng)的減緩效果不太明顯。Auer[66]建議用綠地將城市中的工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)分隔開，可以緩解城市化氣候效應(yīng)。Zhang等[44]通過數(shù)值模擬試驗(yàn)認(rèn)為增加植被覆蓋能夠緩解北京地區(qū)夏季降水減少的趨勢，相比種植樹木而言，種草的改善效果更明顯。Zhang等[67]發(fā)現(xiàn)在西南盛行風(fēng)條件下，巴爾的摩市相比華盛頓市存在更高的地表氣溫和更差的空氣質(zhì)量，其原因在于上風(fēng)向地區(qū)衛(wèi)星城的城市化發(fā)展對下風(fēng)向地區(qū)區(qū)域氣候存在影響，合理設(shè)計(jì)衛(wèi)星城市的位置對于減少城市化氣候效應(yīng)引起的負(fù)面影響具有一定的作用。

圖4 人為熱引起的沿珠三角（a）、長三角（b）、京津冀（c）西南-東北方向垂直剖面上水汽混合比和風(fēng)場（v、w）變化[15]（水汽混合比單位：g/kg，垂直風(fēng)速單位：dm/s，水平風(fēng)速單位：m/s）

圖5 人為熱釋放引起的夏季對流有效位能變化空間分布[15]（單位：J/kg）

5 未來研究展望

本文回顧了觀測記錄中城市化氣候效應(yīng)的綜合表現(xiàn)，并從三方面總結(jié)了城市化氣候效應(yīng)模擬研究方面的成果，概述了與城市化氣候效應(yīng)有關(guān)的研究方法、結(jié)論不確定性以及存在的不足。從現(xiàn)有的研究來看，城市化氣候效應(yīng)研究還有很長的路要走，特別是考慮到中國現(xiàn)階段快速的城市化進(jìn)程，國內(nèi)對城市化氣候效應(yīng)模擬研究的工作還相對較少，與國際的相關(guān)研究還存在一定差距，具備廣闊的研究空間。過去研究對城市土地利用變化、人為熱釋放的溫度效應(yīng)研究較多，結(jié)論也比較明確，但它們對區(qū)域降水的影響還遠(yuǎn)沒有完全認(rèn)識清楚，更精細(xì)的能源利用數(shù)據(jù)以及更合理的參數(shù)化方案是解決這個(gè)問題的基礎(chǔ)。將來研究可以從以下幾方面提高對城市化氣候效應(yīng)的認(rèn)識：首先，發(fā)展更加精確描述城市下墊面土地利用類型的遙感資料集，這對模擬城市土地利用方式改變影響區(qū)域氣候至關(guān)重要。其次，著重改善現(xiàn)有城市冠層模型的模擬性能，針對區(qū)域城市特點(diǎn)，改進(jìn)并完善各類城市參數(shù)，包括熱力參數(shù)與形態(tài)參數(shù)等，并對城市下墊面與區(qū)域大氣相互作用的相關(guān)過程進(jìn)行更合理的參數(shù)化。再次，收集更多、更精細(xì)的能源消耗數(shù)據(jù)以及借助自動(dòng)站、遙感觀測數(shù)據(jù)對人為熱釋放的時(shí)空分布進(jìn)

行準(zhǔn)確描述，并將人為熱釋放更合理地引入到城市冠層模型中。最后，應(yīng)該加強(qiáng)城市人為氣溶膠對城市區(qū)域氣候影響的相關(guān)研究。

可以看出，目前的模擬研究結(jié)果還具有較大的不確定性。隨著模式物理過程的改進(jìn)完善和高性能計(jì)算能力的迅速提升，進(jìn)行高分辨率和長時(shí)間的城市化區(qū)域氣候效應(yīng)的集合模擬研究將成為解決這一領(lǐng)域科學(xué)問題的有效途徑。

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New Advances in the Research of Climatic Effect of Urbanization

Feng Jinming1, Wang Jun1,2, Yan Zhongwei1
(1 Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia (RCE-TEA), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

With the development of human society and the acceleration of urbanization in the world, especially in China, climatic effect of urbanization has become a realistic issue with important scientif i c signif i cance. Many scientists have conducted a series of studies on the climatic effect of urbanization using observation data and the numerical simulation. In the paper, fi rstly, based on the analysis of observation data, the climatic effect of urbanization is introduced, and then, according to the three main ways (the urban land use change, anthropogenic heat release and artif i cial aerosol emissions), there is a comprehensive review and analysis of the studies on climatic effect of urbanization both in China and abroad, especially in the numerical simulation. Combined with the work of the author in recent years, the new progress in the study on climate effect of urbanization as well its the problems is summarized. The adaptation strategies for climate effect of urbanization and the future research prospects are proposed. There is a large uncertainty in the present simulation results for climate effect of urbanization. Along with the improved physical processes in model and rapid development in high-performance computing technology, the high resolution and long-period ensemble simulation is sure to become an effective way to resolve the key scientif i c issues in urbanization.

urbanization, climatic effect, anthropogenic heat release, numerical simulation, high resolution

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.05.002

2013年6月6日；

2013年7月18日

馮錦明（1971—），Email: fengjm@tea.ac.cn

資助信息：中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA05090000）；中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目（KZCX2-EW-202）