在全球变暖的背景下，不同等级降水的变化趋势呈现不对称性特征。虽然中国东部降水量呈现出的小雨减少和暴雨增加的不对称变化已经得到了广泛的研究和证实，但是城市化在降水的这种不对称性变化的发挥作用并不明晰。
近日，中国地质大学（武汉）环境学院大气科学系顾西辉教授课题组利用1980-2015年逐年土地利用数据，对中国东部长三角地区27个城市范围内经过严格质量控制的126个气象站点进行了动态分类，最终得到108个城市站和18个乡村站（图1b）。在此基础上，利用1961-2019年的日观测数据、PML_V2蒸发数据、ERA5再分析数据以及WRF模式模拟量化了雨季（5-9月）城市化对降水不对称性变化的影响，并探究了背后的物理机制。
图1 长江三角洲地区城市化及降水趋势变化空间分布图
自1980年以来，长三角地区城市面积以973km2每年的速度增加，城市化程度逐渐加深（图1a）。利用10%、20%、…、90%和95%分位数作为定义降水强度的阈值，计算1961-2019年雨季各站点降水强度类别的年总降水量趋势。结果表明，低等级降水量呈减少趋势，中间等级降水量趋势变化不大，高等级降水量呈增加趋势，降水量呈不对称的变化，且这种不对称性变化在城市站比乡村站更明显（城市化的放大作用）（图2）。从空间分布上看，长三角地区各站点小雨（≤ 20th）呈现出减少的趋势，而暴雨（≥ 90th）则呈现出增加趋势，小雨减少和暴雨增加的趋势在城市扩张率高的站点（如上海及周边地区的站点）最为突出，城市化速度越快，小雨减少和暴雨增加的趋势都更强烈（图1c-d）。而WRF数值模拟的结果也进一步证明了这种不对称性的变化（图1e-f）。
图2 不同等级分位数值及降水量趋势箱线图
因此，长三角地区雨季降水量呈现暴雨量增加、小雨量在减少的不对称性变化，而城市化放大了这种不对称性变化特征。对长三角地区城市站和乡村站小雨和暴雨的变化趋势及城市化的贡献进行了定量分析。结果表明：城市地区小雨减少的趋势为: -0.22mm/decade， 农村地区小雨减少的趋势为 -0.12mm/decade，城市化对小雨减少的贡献为 44.4%；城市地区暴雨增加趋势为 +20.1mm/decade， 农村地区暴雨增加的趋势为 +14.8mm/decade，城市化对暴雨增加的贡献为 26.4%（图3）。
图3 小雨和暴雨降水量趋势及城市化的贡献
这种城市化对降水不对称性的放大作用可以通过如下的机制来解释。在无雨或小雨期间，城市热岛效应使近地面气温比农村高 0.14 ℃/decade，导致相对湿度比农村低 0.87 %/decade，饱和水汽压差比农村高 0.36 hpa/decade。同时，潜在蒸散发比农村高 8.29 mm/decade，表示城市蒸发需求更大，但不透水地表抑制了实际蒸散发，比农村低7.56 mm/decade。两者相互影响，一方面使大气更干燥，形成降水需要更多水汽；另一方面导致由蒸散发提供的水汽量明显减少，降低了降水的可能性。此外，当水汽不变时，气溶胶会增加云滴数浓度，减小云滴粒子和云滴有效半径，从而抑制降水（图4a）。
在暴雨期间，城市热岛效应使近地面气温比农村高 0.02 ℃/decade，导致饱和水汽压比农村高0.11 hpa/decade，K-index 比农村高 0.25 K/decade。这意味着城市地区大气能够容纳更多水汽，同时变得更不稳定，从而更容易形成更多的对流降水。城市地区的风场辐合也会降低大气稳定性，促进对流降水的形成。此外，气溶胶的影响也是一个重要的因素，当水汽充足时，气溶胶会增加云滴滞留时间，促进云滴凝聚生长，增强降水（图4b）。
图4 城市化对降水不对称性的影响机制
由于城市化加剧了雨季降水量的这种不对称变化，可能会增加中国城市地区发生“干旱”和“洪涝”的风险同步增加。所以应考虑采取措施，以缓解这种不对称变化相关的潜在不利影响。
上述成果发表在国际地学领域期刊《Geophysical Research Letters》，研究工作得到国家自然科学基金项目（U1911205、41901041）等资助。环境学院2019级硕士研究生余晓洁为第一作者。
文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL097046
