目前，无论是数值模式还是世界各个机构的主观预报对登陆热带气旋的风雨预报能力仍较低，热带气旋精细化风雨预报能力尚不能满足国家防台减灾的实际需求^[1]，影响热带气旋降水的研究不是热门话题^[2-7]。多年来，中外学者从多方面对热带气旋降水影响机理进行研究，初步结果表明：热带气旋降水不仅受到大尺度环境场因子和内部因素影响，与局地地形及城市下垫面状况也有一定关系^[8-11]。城市面积不断扩大以及城市区域建筑物变化会影响地表能量交换，进而影响近地层的大气变化。近年来，随着城市化进程快速发展，城市地表环境受人类活动影响改变，形成了自然界原本并不存在的冠层类型——城市冠层。城市冠层(urban canopy layer)的概念由Oke^[12]首次提出，是指城市中最接近地表面的大气层, 高度向上伸展到城市建筑物的平均高度。城市冠层的出现会引起土地覆被类型以及比例改变，进而影响反射率、热传导率、热容量以及粗糙度等参数发生改变。本文将研究城市效应对登陆热带气旋降水的影响。

早在1921年，Horton^[13]观察到一些雷暴容易发生在城市附近，城区相比非城市区域更容易产生暴雨。Vukovich^[14-15]和Hjelmfelt^[16]对于美国圣路易斯的模拟研究也发现城市下垫面从动力作用和热力作用两个方面影响近地面大气环流，城市热岛效应的产生以及边界层扰动会增强对流。吴风波等^[17]在上海一次特大暴雨个例模拟研究中发现，城市化所引起的地表粗糙度等变化的动力强迫使城市迎风区的降水增强。Niyogi等^[18]通过研究美国印第安纳波利斯城市化对2005年6月13日一次对流雷暴过程中降雨的影响，结果表明：由于城市化影响的存在，最大降水量出现在该城市东北部或者下风区，而在无城市化影响(城区土地利用土地覆盖被郊区土地利用土地覆盖取代)的敏感性试验中，城市下风区的对流降水量和累积降水量均显著减少。但研究结果存在较大差异，如Givati等^[19]提出城市空气污染和工业空气污染对雨雪有抑制作用，表明城市气溶胶效应可使降水减少。Guo等^[20]对北京一次强对流天气过程进行模拟表明：城市下垫面改变后，表面感热通量增加和集中，而表面潜热通量由于城市下垫面的不可渗透性致使局地蒸发减少引起累积降水量的减少。Wang^[21]研究了不同程度城市化对北京—天津—河北城市群降水的影响，表明城市降水的变化对城市土地利用状况有显著的敏感性。由于早期城市化的影响，城市产生的热岛效应起主导作用，有助于增强城市区域及其下游方向降水；然而在城市扩张到一定程度，发展到城市群之后，地气水汽交换急剧减少，城市规模较大“干岛”效应起主导作用，不利于区域降水。可见地域性的差异、天气个例分析的不确定性对降水的影响存在很大的不确定性，因此，城市化对降水的影响过程复杂具有不确定性。

近年来，利用城市冠层模式(urban canopy model, UCM)与中尺度模式耦合进行城市与天气相互作用影响的研究也取得明显进展。目前较为成熟是单层冠层方案UCM^[22-25]，即考虑建筑物以城市街渠为单元，假设每个城市下垫面的网格内建筑物具有相同的形态，建筑物高度和宽度相同。根据城市冠层建筑物的几何特征细致地考虑了建筑物辐射传输过程，如对短波辐射的阴影遮蔽效应及辐射多重反射效应。而冠层内不同高度的温度、湿度和风由冠层顶的相关量通过经验公式诊断得到。研究表明：将城市冠层模式引入到数值模式中，可以有效地提高数值模拟精度^[26-29]。蒙伟光等^[26]耦合UCM更好地模拟出了城区2 m高度温度的演变特征，与实况更接近，利用WRF耦合UCM可以成功再现夜间热岛的形成及分布。

以上分析多从气候角度考虑城市化对降水的影响，在天气尺度上也以考虑局地强对流发展为主。热带气旋所伴随的强风在遇到城市下垫面时摩擦增强，这对热带气旋降水影响值得进一步研究。近几十年来，珠江三角洲(简称珠三角)地区城市群发展迅速。本文选取在广东深圳登陆的热带气旋妮妲(1604)为例，研究珠三角地区城市效应对热带气旋妮妲降水的影响，加深理解其影响的物理机制。

热带气旋妮妲(1604)于2016年7月30日00：00(世界时，下同)在菲律宾以东洋面生成，之后向西北方向移动，8月1日19:35在广东深圳大鹏半岛登陆，登陆时中心附近最大风力为33 m·s^-1，中心最低气压为975 hPa。妮妲先后影响台湾、广东、福建、海南、广西、贵州和云南等地，影响范围广，并造成多地大范围风雨天气。8月1日06：00—4日00：00广东中西部和东部沿海、福建东南部、广西中东部、贵州东南部和云南西部等地的部分地区累积降水量为100~230 mm，广东珠三角地区和上川岛局地达250~319 mm，广东西部和珠三角地区、广西南部等局部地区最大小时雨强为80~107 mm。妮妲于3日凌晨在广西河池罗成仫佬族自治县停止编号。

热带气旋路径与强度取自中国气象局整编的热带气旋最佳路径数据。模式初始条件和边界条件使用美国NCEP FNL(National Centers forEnvironmental Prediction, Final Operational Global Analysis data)分析资料，其水平分辨率为1°×1°。为了更加准确地描述城市下垫面状况的特征，模拟采用国家地球系统科学数据共享平台提供的高分辨率中国地区土地覆盖综合数据WESTDC(http://westdc.westgis.ac.cn)作为城市的下垫面类型数据，其空间分辨率1 km×1 km^[30]。选用国家气象科学数据共享服务平台高时空分辨率(0.1°×0.1°)的中国气象局自动气象站与CMORPH(CPC MORPHing technique)降水产品融合的逐时降水资料作为热带气旋降水实测资料。

本文所用模式为WRF3.6.1 (兰伯特投影方式)，针对研究区域珠江口城市群区域，采用四重双向嵌套网格，水平分辨率分别为36 km，12 km，4 km，1.33 km，记为d01，d02，d03和d04(图 1)，格点数分别为140×90，202×115，370×223，493×412，以得到高分辨率精细模拟结果。数值模式结果主要针对d04区域进行讨论。垂直坐标采用地形追随坐标，模式顶高为10 hPa，垂直方向共50层。模拟所用的参数化方案如表 1所示，不同模拟区域所选择不同的方案。

图1

图1 模拟试验网格区域设置 Fig.1 Domain configuration of simulations

表 1

表 1 模式参数化方案选择 Table 1 Description of model configuration 物理过程 参数化方案名称 积云对流参数化方案 Grell-3[31](仅用于d01和d02区域) 云微物理方案 Morrison 2-mom[32] 边界层方案 YSU[33] 短波辐射方案 RRTMG[34] 长波辐射方案 RRTMG[34] 陆面过程方案 Noah[35]

表 1 模式参数化方案选择 Table 1 Description of model configuration

模式中下垫面的土地利用类型可以直接影响地表热通量、粗糙度、反照率等参量，WRF中默认的下垫面数据是美国地质勘测局在1992年发布分辨率2~6 km的USGS(US geological survey)数据以及MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)卫星遥感数据，存在分辨率低、信息老化等问题。因此，利用重建高分辨率陆面特征参数的WESTDC新土地利用资料代表实际城市下垫面变化特征，数据来源于寒区旱区科学数据中心2013年分辨率1 km中国地区土地覆盖综合数据集(http://westdc.westgis.ac.cn)。由图 2a WESTDC数据可见，红色代表城市区域与实际广东省下垫面能够较好吻合，图 2b USGS数据只代表 1992年广东省的城市规模。

图2

图2 珠江口地区下垫面的土地利用类型图(红框是珠三角城市区域) (a)新土地利用资料(WESTDC, 2013), (b)旧土地利用资料(USGS, 1992) Fig.2 The land use for new land use data(WESTDC in 2013)(a) and old land use data(USGS in 1992)(b) (the urban region of Pearl River Delta is shown in red frame)

数值试验设计方案共3组：控制试验(UB，2013年版土地利用资料耦合城市冠层模式)、敏感性试验1(NUC，2013年版土地利用资料不耦合城市冠层模式)及敏感性试验2(NUB，1992年版土地利用资料不耦合城市冠层模式)，3组试验设计方案使用美国1°×1°的NCEP FNL全球预报系统最终分析资料形成模式初始条件和边界条件，起报时间为2016年8月1日00：00，结束时间为2日18：00，模拟时长为42 h。建立初值扰动的方式很多，可扰动的变量也很多，因本文主要考虑降水，针对高分辨率的模拟，为了减少初始条件和模式物理量不确定性产生的误差^[36-38]，保证模式结果的可靠性，所以使用模式所有积分区域最底层湿度扰动7个集合成员进行集合平均，将控制试验和敏感性试验初始水汽混合比分别增加3‰，2‰，1‰和减少3‰，2‰，1‰，集合平均结果作为控制试验和敏感性试验最终结果。

3组试验均较好地模拟出热带气旋妮妲的移动路径(图 3a)，只是均在热带气旋登陆时间上比实况滞后3~4 h，图 4是3组试验模拟的热带气旋路径和强度误差，可见下垫面的更新和城市冠层模式的耦合对路径的影响较小。研究表明：登陆时大地形的强迫抬升以及地面摩擦等作用造成了大尺度环流演变，进而直接或间接地影响热带气旋运动^[39]。而本文研究的是珠三角地区下垫面土地利用类型的作用，显而易见，土地类型的改变对路径的影响较小。

图3

图3 2016年8月1日00：00—2日18：00热带气旋妮妲路径及强度随时间演变(a)模式模拟路径与最佳路径，(b)近中心最大风速 Fig.3 Storm tracks from simulations and the best track(a) and maximum wind speed(b) of tropical cyclone Nida(2016) from 0000 UTC 1 Aug to 1800 UTC 2 Aug in 2016

图4

图4 2018年8月1日00：00—2日18：00模式模拟路径与最佳路径误差(a)及强度误差(b) Fig.4 Track errors(a) and intensity errors(b) in simulations of tropical cyclone Nida(2016) from 0000 UTC 1 Aug to 1800 UTC 2 Aug in 2016

结合图 3b和图 4可知，3组试验模拟的最大风速随时间的变化趋势与实况基本吻合，较好地模拟出热带气旋妮妲登陆过程的强度减弱变化，登陆后的最大风速减弱滞后于实况，是由于模拟热带气旋登陆比实况滞后约3~4 h造成的。登陆之后3组试验模拟的最大风速比观测高约3 m·s^-1。控制试验与敏感性试验模拟的热带气旋强度在登陆前基本一致，但登陆后存在一定差异。试验UB和试验NUC的最大风速小于试验NUB(图 3b)，这可能与下垫面土地利用类型差异有关。但从试验UB与试验NUC比较看，城市冠层模式对于热带气旋妮妲模拟也有一定影响，考虑城市冠层使近中心最大风速增加。与已有研究结果^[40-42]的结论有所不同，这是因为本文研究的热带气旋是一个强风天气系统，其所伴随的强风在遇到城市冠层时与局地对流形势下近地层风速遇到城市冠层时所起作用不一致。

为了验证模式对此次热带气旋过程的降水模拟能力，选取热带气旋妮妲登陆后6 h累积降水量与CMORPH融合1 h及0.1°×0.1°水平分辨率下的6 h累积降水量观测进行对比。由于模式模拟的热带气旋登陆时刻比实况滞后约3~4 h，所以降水比较选取时段滞后4 h进行对比。通过CMORPH资料(图 5a所示)发现，热带气旋妮妲本体6 h累积降水量超过50 mm，其外围雨带的降水分布在热带气旋路径的右侧，6 h降水量都超过25 mm。控制试验UB(图 5b)较好地模拟出热带气旋妮妲整体降水分布，尤其是位于珠江口附近这个强降水中心和广东省东部沿海强降水50~100 mm中心。与CMORPH资料相比，试验UB模拟强降水(6 h累积降水量大于50 mm)中心面积在珠江口北部偏小，强降水在东部沿海中心面积偏大，这可能与海陆交界面降水增加和路径等的模拟偏差有关。

图5

图5 热带气旋妮妲登陆后6 h累积降水量分布(a)CMORPH资料(2016年8月1日18：00—2日00：00)，(b)试验UB 2016年8月1日22：00—2日04：00累积降水量及降水时段终止时刻10 m高度风场 Fig.5 6 h accumulated precipitation from 1800 UTC 1 Aug to 0000 UTC 2 Aug in 2016 from CMORPH observations(unit:mm)(a), 6 h accumulated precipitation from 2200 UTC 1 Aug to 0400 UTC 2 Aug in 2016 from test UB simulated experiment superposed on 10 m wind vector at the end moment of precipitation period(b)

图 6给出试验NB，NUC和NUB模拟热带气旋登陆后6 h累积降水量以及各试验累积降水的差值场。控制试验UB与试验NUC 6 h累积降水量及其差值(图 6a，6b和6d)可以明显地看到，珠江口附近一带城市区域6 h累积降水达50~100 mm(图 6a，6b)，图 6d降水差值场表明珠江口附近一带城市区域累积降水的减少量约为15~20 mm，表明耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少。对比试验NUC与试验NUB累积降水量及其差值(图 6b，6c和6e)发现，在未耦合城市冠层，城市下垫面土地利用条件下，城市范围内降水增加，尤其在珠江口附近一带，累积降水增加量最大超过20 mm以上，相当于总降水量的20%。而在城市冠层和城市下垫面共同作用下，降水增加明显受到抑制(图 6f)，降水增加的区域位于珠江口北部城市区域，降水减少的区域位于珠江口东西两侧城市区域。即在高分辨率模拟中城市冠层和城市下垫面的作用相反，单纯城市化下垫面条件会造成登陆热带气旋降水增加，而耦合了城市冠层后登陆热带气旋降水减少。

图6

图6 2016年8月1日22：00—2日04：00各组试验模拟得到的累积降水量和降水量差值(红框是珠三角城市区域) (a)试验UB, (b)试验NUC, (c)试验NUB, (d)试验UB与试验NUC差值, (e)试验NUC与试验NUB差值, (f)试验UB与试验NUB差值 Fig.6 6 h accumulated precipitation and difference from 2200 UTC 1 Aug to 0400 UTC 2 Aug in 2016 (the urban region of Pearl River Delta is shown in red frame) (a)test UB, (b)test NUC, (c)test NUB, (d)difference between test UB and test NUC, (e)difference between test NUC and test NUB, (f)difference between test UB and test NUB

城市化影响热带气旋降水的可能机理可以从动力作用和热力作用两个方面分析，动力作用的一个表现是城市化增加了表面粗糙度，从而改变了城市区域风速分布^[43-46]。

为了探讨3组试验中，表面粗糙度变化影响风速大小进而影响热带气旋妮妲降水变化的程度，选取热带气旋登陆后6 h降水时段内(2016年8月1日22：00—2日04：00)不同试验10 m风速差值场(图 7)。计算城市范围内(图中红色虚线框)的平均散度差值随时间演变，散度值可以用来表示辐合或辐散(图 8)。通过对比图 6和图 7，可以发现散度的差值与累积降水差值场之间在城市区域内存在关联性。图 7a中试验UB比试验NUC风速偏大3~5 m·s^-1，说明耦合城市冠层使风速变大。图 8中辐散增加，辐合逐渐减弱对应累积降水减少的区域(图 6a)。图 7b中试验NUC与试验NUB相比在城市区域风速偏小5 m·s^-1以上。由图 8中试验NUC与试验NUB平均散度差可知，辐散减弱，辐合加强，说明下垫面改变后，城市的存在使该区域地表粗糙度增加风速减小，下垫面的作用导致风场的辐合更为强烈，辐合加强区域对应降水增加的区域(图 6b)。图 7c得到的是城市冠层以及城市下垫面的叠加效应，可以发现城市下垫面在其中起主要作用，试验UB风速减小，水平风场的辐合辐散对应着降水的变化。

图7

图7 2016年8月1日22：00—2日04：00 3组试验平均10 m风速差值(a)试验UB与试验NUC, (b)试验NUC与试验NUB, (c)试验UB与试验NUB Fig.7 Difference distribution for test UB and test NUC(a), test NUC and test NUB(b), test UB and test NUB(c) of 10 m wind speed for the precipitation period from 2200 UTC 1 Aug to 0400 UTC 2 Aug in 2016

图8

图8 3组试验平均散度差随时间演变 Fig.8 Time series of averaged divergence difference from 3 tests

城市化影响热带气旋降水的热力作用体现在城市的出现可能影响地表热通量、感热通量、潜热通量、地表蒸发进而影响降水。为进一步分析城市冠层和城市下垫面从热力方面对热带气旋降水的影响, 图 9给出不同试验模拟得到的地表气象要素时间序列，气象要素值为城市格点(图 2中的红框所示)的面积平均值，选取研究时间段为8月1日22：00—8月2日04：00 (图 9中红色虚线对应的22：00为热带气旋登陆时刻)。可以看到，3组试验模拟得到的地表温度(图 9a)之间的差别和2 m气温(图 9b)的差别较一致；试验UB与试验NUC模拟得到的地表温度、2 m气温差异较小，说明城市冠层对地表温度和2 m气温几乎无影响。试验NUB的地表温度、2 m气温最低，说明城市化以后，城市效应使地表温度和2 m温度上升1~2℃。

图9

图9 3组试验城区面积平均气象要素的时间序列图(a)地表温度, (b)2 m气温, (c)感热通量, (d)潜热通量, (e)2 m比湿 Fig.9 Time series of surface meteorological variables for 3 tests (a)surface temperture, (b)temperature at 2 m, (c)sensible heat, (d)latent heat, (e)specific humidity at 2 m

在热带气旋登陆后，3组试验模拟的感热通量(图 9c)之间的差异也较小，这可能与热带气旋登陆后带来的大范围降水有关，但仍可以看到试验UB得到的感热通量最大，试验NUB最小，与地表温度的模拟结果一致。与感热通量不同，各试验模拟得到的潜热通量(图 9d)在城区有明显差别，城市下垫面更新后，潜热通量相应减小。在试验NUB中，潜热通量增加约50 W·m^-2。2 m比湿(图 9e)变化与潜热一致，试验NUB模拟的比湿最大，试验UB与试验NUC模拟值差异不大，均小于试验NUB。由图 9可以看到，城市冠层所起的作用不大，城市下垫面的变化对城区地面要素的影响主要体现在潜热通量、2 m比湿，这种热源以及位势不稳定源会影响降水的分布。这与已有的关于城市化对强降水过程影响的结论一致^[47-49]。

为了从热源以及位势不稳定源分析不同试验对降水差异产生的原因，选取2016年8月1日22：00—2日04：00内3组试验东北—西南向剖面的相对湿度、垂直速度差值(图 10)以及对流有效位能差值(图 11)，东北—西南走向剖面经过降水差异较大的区域(具体位置如图 6d所示)。

图10

图10 2016年8月1日22：00—2日04：00东北—西南向剖面平均相对湿度(等值线，单位：%)、垂直速度(填色)差值(a)试验UB与试验NUC，(b)试验NUC与试验NUB，(c)试验UB与试验NUB Fig.10 Cross-section of difference of relative humidity (the contour, unit:%) superposed with vertical velocity (the shaded) from 2200 UTC 1 Aug to 0400 UTC 2 in 2016 (a)test UB and test NUC, (b)test NUC and test NUB, (c)test UB and test NUB

图11

图11 3组试验对流有效位能时间序列 Fig.11 Time series of convective available potential energy from 3 tests

由图 10a可以看到，城市冠层的出现使对流运动减弱，从城市地表到城区上空4 km处垂直速度减少约1 m·s^-1，同时水汽与相对湿度较小，通过图 11中对流有效位能时间序列图可以发现，城市冠层作用使对流有效位能减少，总体上城市区范围内降水减少，对应图 6a珠江口附近一带城市区域累积降水量减少。由图 10b和图 11可以看到，当城市下垫面改变后，城市上空垂直速度和相对湿度以及对应城区上空对流有效位能均有所增加，因此，得到应用新土地利用资料模拟城市下垫面城区降水量增加，对应图 6b城市范围内降水增加，尤其在珠江口附近一带，累积降水增加量最大可超过20 mm。由图 10c和图 11可知，城市冠层和城市下垫面改变共同影响结果使降水在不同区域有所不同，对应图 6c降水增加的区域位于珠江口北部城市区域，降水减少的区域位于珠江口东西两侧城市区域。

本文利用中尺度气象模式WRF耦合城市冠层模块及最新下垫面土地利用类型资料WESTDC(2013年版)，对2016年登陆深圳市的热带气旋妮妲(1604)设计敏感性试验进行高分辨率数值模拟研究，对比耦合城市冠层模块对热带气旋妮妲路径、强度、降水的模拟效果的差异，分析更改土地利用资料后对热带气旋降水分布的影响。得到以下主要结论：

1) 应用新土地利用资料耦合城市冠层模式的控制试验、应用新土地利用资料不耦合城市冠层模式的敏感性试验和应用旧土地利用资料不耦合城市冠层模式的敏感性试验均能较好模拟出热带气旋妮妲的移动路径及热带气旋登陆后累积6 h降水分布，但热带气旋登陆时间比实况滞后3~4 h，模拟的系统强度在登陆前无影响，登陆后存在差异。

2) 利用耦合城市冠层模式的敏感性试验结果表明：热带气旋强度偏弱，城市范围内热带气旋降水减少，珠江口附近一带城市区域6 h累积降水量减少约15~20 mm。表明在新土地利用资料的基础上耦合城市冠层模式，城市冠层模块的作用使对流运动减弱，从城市地表至城区上空4 km处垂直速度减少约1 m·s^-1，同时水汽与相对湿度较小，对流有效位能减少，总体使珠江口附近一带城市区域热带气旋降水减少。

3) 应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明：热带气旋模拟强度偏弱，由于城市下垫面粗糙度的增加，造成登陆地面风的减速，强度减弱。但城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加，有利于降水的增强，尤其在城市化下垫面处，热带气旋登陆后6 h累积降水量最大超过20 mm，相当于总降水量的20%。

需要说明的是，本研究仅针对热带气旋妮妲个例进行分析，要得到具有普遍意义的结论将进行更多热带气旋个例的模拟试验，对城市冠层及热岛效应及城市建筑物分别进行敏感性试验，更细致深入分析城市对热带气旋降水的影响。