城市化对广东省登陆台风降水的影响研究

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登陆台风降水往往会给沿岸城市带来严重的人员伤亡和经济财产损失,广东省地处沿海,下垫面复杂,存在珠三角超大城市群,研究城市化对广东省登陆台风降水的作用有利于加深对城市效应影响降水的理解,提高台风降水在城市地区的预报水平。本文利用1981-2015年中国广东省的76个自动观测站资料、地面雷达观测资料和卫星融合降水数据集(CMORPH),分析了广东省的降水特征变化,包括年降水量、降水频次、强降水(小时降雨量≥20 mm)、弱降水(小时降水量≤2.5mm)和极端降水(总降水样本中降水强度最大的0.1%)频次随城市化的变化。在此基础上,利用高分辨率数值模式进行模拟,探讨了城市下垫面改变对广东登陆台风降水的影响机制。主要研究结果如下:(1)地面降水观测分析显示,近35年来,广东省城市区域的降水量和强降水频次呈增加趋势,而降水频次和弱降水频次呈减少趋势。这种降水变化趋势在暖季(5-10月)和华南前汛期(4-6月)最显著。在城市化最强的珠三角区域,强降水和极端降水均明显增强。同城市区相比,郊区的年降水量呈下降趋势。尽管郊区的强降水和极端降水也呈增加趋势,但不如珠三角城市区域显著。在台风登陆华南沿海期间,城市区域的降水量持续多于郊区。随着1995年后城市化进程加快,在城市区及其西边的台风降水也呈增加趋势。这些结果表明城市化对广东省的降水特征有重要的影响。(2)9个登陆广东省的台风雷达资料和CMORPH降水资料分析显示,登陆前后所有台风降水样本的累积3 km等高面回波反射率因子以及反射率因子大于20 d BZ的累积频次的大值中心均集中在珠三角城市区域。同时,基于主成分分析的第一模态结果也呈现同样的空间分布特征,表明台风降水的分布虽然主要受环境风的影响,但城市群的存在也会导致降水的强度和分布出现一定的变化,多数台风个例的降水在城市区的强度高于郊区。(3)基于台风Nida(2016)的数值模拟和下垫面敏感性试验,比较了有城市和无城市实验中台风降水的变化,发现有城市的实验能较好地模拟出降水的特征,与卫星融合地面站降水的强度和分布基本一致,而无城市的实验中降水量存在明显低估,强降水范围偏小。造成此降水主要差异的主要物理机制是城市效应:城市下垫面具有更高的地面温度和地表热通量,增强了城市区大气的对流不稳定度。同时,城市下垫面的摩擦速度更大,增强了低层的辐合,促进了对流和降水的发生。而台风环流的平流作用将雨区带到下游,增强了城市下游的降水。本文结合长时间的地面观测资料、高分辨率的雷达观测数据和WRF数值模式揭示了广东省登陆台风的降水分布特征,探讨了城市化对广东省登陆台风降水的影响机制,加深了城市化对台风降水影响的认识。
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