气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究

利用中尺度气象模式WRF中一个含有云凝结核CCN活化过程的双参数云微物理方案（NSSL 2-mom+ccn）,研究不同气溶胶导致的初始CCN浓度对云物理和降水过程的影响。完整地模拟了北京市2015年7月16-17日一次典型的从小雨到暴雨连续降水过程,包括降水主要集中的时间段,雨带的西北—东南走向,降水初期普降小雨、后期转变为中到大雨甚至局部地区出现暴雨,24小时最大累积降水量可以达到65 mm,模拟结果与实测符合较好。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与其他研究根据地面降水与能见度资料统计分析的结论相一致。比较详细地给出了气溶胶对云的微物理结构、水成物时空分布以及微物理过程的转化率的影响。     

城市暴雨积涝灾害风险突增效应研究进展

城市暴雨积涝风险突增效应研究对揭示此类风险与人类活动所导致的城市化过程的关系,及用于城市地区灾害风险识别及风险预警均有重要价值。本文从城市因素(地表粗糙度、气溶胶及城市热岛等)影响城市地区降水过程,以及城市地区土地利用和土地覆盖变化(LUCC)影响城市地表水文反应过程2个方面综合论述风险突增效应研究的进展及主要结论。在研究方法上,总结了现有文献所用的暴雨危险性的主要评估模型,认为暴雨危险性计算需要结合雨强及暴雨持续时间。城市地表对暴雨积涝的敏感性分析需借助城市水文模型;在模型分析过程中,应注重雨量数据的有效性,以及城市排水管网、土地利用和土地覆盖等资料的可获取性及概化。为定量评估城市暴雨积涝风险突增效应,需要使用更高时空分辨率的数据资料分析暴雨危险性特征,通过细化及发展城市水文模型,完成敏感性实验分析;在此基础上,综合危险性及敏感性特征,评估城市地区暴雨积涝风险,揭示暴雨积涝风险在城市地区的空间分布差异及风险突增效应。相关成果可用于城市暴雨积涝的风险识别、评估、预警及风险管理。     

中国年代际暴雨时空变化格局

采用1951~2010年中国659个气象站点的日值降水数据,以中国气象局颁布的降水强度等级划分标准为依据,分别计算1951~1960、1961~1970、1971~1980、1981~1990、1991~2000、2001~2010年的年代际暴雨雨量、雨日和雨强,并统计了其相应的站点数目变化。结果表明,在时间上,中国年代际暴雨雨量和雨日显著增加,暴雨雨强也呈现增加趋势;在空间上,中国年代际暴雨雨量和雨日呈现出从东南沿海地区向华中和西南及环渤海地区逐渐扩张的梯度增加趋势,年代际暴雨雨强远不如暴雨雨量和暴雨雨日梯变明显。中国暴雨1951~2010年年代际时空变化格局很可能是在全球变暖大背景下中国地势与城市化共同作用的结果。     

气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究北大核心CSCDCSSCI

利用中尺度气象模式WRF中一个含有云凝结核CCN活化过程的双参数云微物理方案(NSSL 2-mom+ccn),研究不同气溶胶导致的初始CCN浓度对云物理和降水过程的影响。完整地模拟了北京市2015年7月16-17日一次典型的从小雨到暴雨连续降水过程,包括降水主要集中的时间段,雨带的西北—东南走向,降水初期普降小雨、后期转变为中到大雨甚至局部地区出现暴雨,24小时最大累积降水量可以达到65 mm,模拟结果与实测符合较好。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与其他研究根据地面降水与能见度资料统计分析的结论相一致。比较详细地给出了气溶胶对云的微物理结构、水成物时空分布以及微物理过程的转化率的影响。     

基于DLS模型的城市土地政策生态效应研究——以深圳市为例

以快速城市化典型地区——深圳市为例,结合土地利用变化与生态质量评价模型对城市土地利用的数量控制和空间控制两类生态政策的生态效应进行了评估。结果表明：(1) 在城市化发展过程中,由于城市用地扩张,城市生境面临破碎化增加、连通性降低、生境质量下降等生态风险,生态政策的实施可以在一定程度上缓解上述生态风险。(2) 数量控制的生态政策可以提高土地利用的集约性,遏制景观破碎化和生境质量下降趋势和增强景观连通性,但可能造成城市开发强度上升,对城市用地周边生态环境产生影响。(3) 空间控制的生态政策可以维护生态用地格局,遏制景观破碎化和生境质量下降趋势,但在维护景观连通性方面作用有限。(4) 两种政策同时使用会产生协同效应,其效果优于单独使用两种政策。     

1957—2019年山西省暴雨时空分布特征与暴雨灾害风险评估

利用1957—2019年山西省27个气象站点逐日降水数据,使用小波分析等方法对山西省暴雨时空分布特征进行分析,并基于自然灾害理论使用决策分析法（AHP）进行暴雨灾害风险评估。结果表明：（1）从时间尺度上看,山西省暴雨发生时间呈现周期性和季节性;暴雨年际变化存在4 a、9 a、14～15 a和27～28 a 4个时间尺度震荡,且震荡周期在缩短,暴雨发生的频次呈增加趋势;暴雨季节分配不均匀,多集中在夏季且形成暴雨灾害的几率较大,每年6—8月期间累积暴雨日数占全年比重高达85.23%,其中7月占比最大,达到45.18%。（2）从空间尺度上看,暴雨多发生在山西省中南部和海拔较高的山区,整体呈现出由东南向西北递减的规律,地区差异明显;以恒山为界,以南区域强降水发生的概率以及暴雨量普遍要高于北部区域,其中垣曲、五台山、阳城年平均暴雨量在65 mm以上,累积暴雨日数超过60 d。（3）通过对山西省暴雨灾害风险进行评估,发现山西省暴雨灾害综合风险等级空间上呈现出由南向北逐渐递减的趋势,运城盆地东北部属于高风险区,而山西省东北、西北地区则属于低风险区,其余大部分地区属于中风险区和次高风险区。     

山区流域暴雨洪水的数值模拟

基于中尺度天气研究预报模式WRF和流域水文模型对我国夏季山区的暴雨洪水进行模拟研究。首先,结合新安江水文模型和TOPMODEL自主研发了一个动态结合地面地下产流计算的新水文模型XXT,并选取成熟的天气研究预报模式(WRF)的模拟结果作为XXT的输入进行洪水模拟。其中WRF模拟采取3重区域嵌套模拟再现了2007和2008年夏季山东南部沂沭泗河流域的3次暴雨过程。模拟结果表明,WRF对暴雨的时空分布有较好的模拟与预测能力,模拟结果与观测一致性较好,逐时降水过程较观测更为连续,峰值有一定差异,总量略有偏大。WRF模拟的逐时站点表层土壤湿度与自动站观测的变化趋势一致,峰值偏大,空间分布与降水有着较好的响应关系。总格点径流深的计算结果同样与降水对应得较好,基本能重现出暴雨-径流过程的时空变化特征。其后,利用收集的实测降水资料率定XXT的模型参数,进而将WRF模拟的降水和潜在蒸散发输入到XXT进行流域出口洪水流量的模拟,其中2008年的模拟结果取得了0.91的效率系数,而2007年2次个例由于偏高的降水,使得洪峰流量较观测有偏大,但与观测的时间相关系数高达为0.89和0.91。研究对于山区暴雨洪水的预报预警和防汛决策具有一定的参考价值。     

黄河流域城市群扩张的时空格局演化及情景模拟——以呼包鄂榆城市群为例

黄河流域城镇扩张对区域景观格局影响显著,城市群人口聚集与增长引发了流域“人-地”矛盾和“空间冲突”等一系列生态环境问题。基于土地利用数据和FLUS模型对2025年和2035年呼包鄂榆城市群城镇化与土地利用时空演化特征进行多情景模拟预测。结果表明：① 1990—2018年呼包鄂榆城市群整体发展水平较低,建设用地面积经历了“平稳增加-缓慢增加-急剧增加”的变化过程,区域总体以草地为主,其占土地总面积的50%以上,其次是未利用土地和耕地,林地和建设用地次之。② 城市群扩张最剧烈地区在空间上主要发生在呼和浩特市、包头市等城市主城区,且扩张模式以外延式扩张为主,扩张来源主要是耕地、草地等生态用地。③ 三种情景模拟发现,2025年和2035年区域土地利用变化的空间结构和特征差异明显。自然发展情景下,城市扩张不受约束,高速增长占据了大量生态用地;加入生态约束条件很好的控制了对草地和林地的占用;经济发展情景下,城市扩张将进一步占据更多的未利用土地和耕地。本研究通过城市群扩张时空格局演化及情景模拟分析,尝试为区域规划、城市空间规划和区域生态空间保护提供多角度、多情景和可选择的政策决策参考。     

地表温度“源—汇”景观贡献度的影响因素分析

在中国快速城市化进程中,城市热岛是严重的环境问题之一。探究城市热岛的影响因素,建立与自然因子、社会经济因子、景观形态因子的关联,对解决中国“城市病”,实现可持续发展具有重要的意义。本文首先在全国尺度上基于地表温度“源—汇”景观指数识别地表温度的“源”景观/“汇”景观,在此基础上计算“源—汇”景观贡献度及其效应,分析其时空演变规律;其次,基于空间杜宾模型分析自然因子、社会经济因子和景观形态因子对“源—汇”景观贡献度的影响,结果发现：① 2005—2015年间,可缓解热岛效应的省份冬季较夏季多,冬季“强”和“较弱”景观贡献度比值区域集中分布在中国北部和南部;夏季“强”的“汇”与“源”景观贡献度比值区域集中分布在中国北部地区。② 对于本地因子,景观形态对“源”或“汇”景观贡献度的影响较大,缓解热岛效应将附近小“汇”斑块结合来降低地表温度“汇”景观的离散度;其次,夏季适当在“源”景观里增加相对湿度、并增加其植被覆盖率,严格控制“源”景观和“汇”景观的建筑密度及建筑高度,可达到最佳降温效果。③ 邻域因子中相对湿度和建筑密度的影响更大,景观形态中增加“源”景观的离散度及其边缘密度,或增加“汇”景观集聚度,简化其形状均有利于缓解邻域的热岛效应。     

从网络描述走向网络绩效——“城市网络外部性”专辑序言

近年来,网络分析被广泛应用至理解城市与区域组织模式及其空间效应中。单个城市在城际协同关系中借助“网络化”的规模经济而受益,一些城市或地区也因更便捷地连接其他城市从而导致资源或要素的流失。传统强调集聚经济的城市内生增长理论不再适宜用来单独解释“流动空间”塑造下的城市与区域组织,而城市网络的外部性成为影响城市增长、区域一体化的另一重要动因。目前,已有的研究（特别在国内）相对匮乏,多集中在网络的空间格局、过程等方面,针对网络联系的效应（外部性）较为忽视,比如城市网络外部性与集聚经济如何相互作用,哪些类型的城市将从城市网络外部性中获益或受损,城市网络外部性的产生条件如何等问题亟需探讨。为呼吁学术同行将更多对网络研究的关注移向探究城市网络对城市与区域发展有何作用、如何作用、怎样优化的科学探索,本专辑精心遴选了15篇相关论文,针对“城市网络外部性”开展系统的理论探讨与实证研究,勾勒城市网络外部性的研究议程与中国经验,并以此为起点推动城市网络研究从格局描述走向网络绩效的研究深化。     

基于FloodArea模型新疆山洪淹没模拟及致灾临界雨量阈值的研究——以皮里青河流域为例

以皮里青河流域为研究区,运用小时降水、土地利用类型、数字高程（DEM）、实测淹没深度等数据,基于FloodArea模型对研究区2010年5月2日、2012年6月3日、2016年5月9日、2016年6月17日洪水过程进行再现模拟,通过精度验证并建立了降水－淹没深度的关系,在此基础上确定了4个淹没等级对应的致灾临界雨量。相关分析得出喀拉亚尕奇乡累计8 h降雨量与模拟洪水淹没深度的相关性最好,达到了0.96,潘津乡降雨累计5 h的相关性最好,为0.99;通过实测数据对模拟淹没深度进行精度检验得出,喀拉亚尕奇乡和潘津乡两个考察点相对误差分别为0.47 m和0.1 m,误差率分别为31.33%和7.69%,FloodArea模型对研究区洪水过程模拟的效果较好,可以反映出该区域的洪水淹没情况,能为无水文资料的山区流域的山洪过程进行较为精准的模拟;按照山洪灾害等级划分标准和降水-淹没深度的关系得出,预警点累计5 h降水得到对应4个等级的致灾临界雨量阈值分别为：四级17.84 mm、三级32.39 mm、二级54.21 mm、一级76.04 mm。     

中国次雨量特征及其区域分异

基于统计方法的降雨随机模拟已成为目前许多地表过程模型的重要组成部分,但多以日降雨模拟为主.为了进行次降雨随机模拟.必须揭示次降雨的统计特征.本文利用中国62个气象站1954-2001年5-9月逐日小时降水资料,整理出能够刻画次降雨特性的基本指标,分析了我国次降雨的基本特征,并利用卡方检验方法,验证了我国次雨量主要服从两参数Γ分布,个别未通过检验的站点主要是由于对次雨量极值模拟效果不好所致.进一步选择Γ分布两参数和90%、95%、99%次雨量百分位共5个指标.采用K均值动态聚类法将我国次降雨特征划分为5个类型区域,由东南向西北呈带状分布,各区次雨量的偏态性、非均匀性和分散度依次减弱.利用5个区Γ分布两参数的区域化参数值,可生成任一站点次雨量随机模拟序列,对于地表过程定量研究具有重要意义.     

杭嘉湖地区城市发展对降水影响的分析

利用杭嘉湖地区长系列逐日降水资料,采用统计分析、线性回归、R/S分析、集中度和集中期等方法,探讨城市化发展条件下的降水变化规律。结果表明:随着城市化的快速发展,在年雨量、汛期雨量、大雨和暴雨日数上,杭嘉湖地区城区降水的增多趋势较郊区明显,城郊降水差距在增大,城市"增雨效应"显著;城郊年雨量的集中度均具有减少的趋势,但郊区递减速度稍大于城区;而冬季雨量则呈现出区域性特征,且城市化对小雨和中雨日数的影响仍具有一定的不确定性,反映出城市化对降雨影响的复杂性。     

基于多重现期的京津冀小时极端降雨特征分析及致灾因子危险性评估

为了探究京津冀小时极端降雨特征,本文基于地区线性矩法计算多种重现期下的小时极端降雨值,并分析小时极端降雨的特征与变化趋势,同时探究小时极端降雨致灾因子危险性并得到以下结果。① 研究得到适合计算京津冀小时极端降雨频率估计值的分布线型及不同重现期的频率估计值;② 京津冀大于50年一遇的小时极端降雨的强度虽高（>70 mm/h）但其出现的次数（1~2次）相对较少,且多数站点的频次与强度无显著变化趋势;③ 小时极端降雨致灾因子危险性较高的区域位于北京、保定、廊坊交界地带及唐山、衡水、邢台部分地区。本研究在考虑空间差异的基础上探究小时极端降雨并分析其特征和致灾因子危险性,对于京津冀极端降雨灾害的管理与风险规避有一定的意义。     

区域尺度城市增长时空动态模型及其在京津唐都市圈应用

Dynamic urban expansion simulation at regional scale is one of the important re-search methodologies in Land Use/Cover Change (LUCC) and global environmental change influenced by urbanization.However,previous studies indicate that the single urban expan-sion simulation for future scenarios at local scale cannot meet the requirements for charac-terizing and interpreting the interactive mechanisms of regional urbanization and global en-vironmental change.This study constructed a regional Dynamic Urban Expansion Model (Reg-DUEM) suitable for different scenarios by integrating the Artificial Neural Network (ANN) and Cellular Automaton (CA) model.Firstly we analyzed the temporal and spatial character-istics of urban expansion and acquired a prior knowledge rules using land use/cover change datasets of Beijing-Tianjin-Tangshan metropolitan area.The future urban expansion under different scenarios is then simulated based on a baseline model,economic models,policy models and the structural adjustment model.The results indicate that Reg-DUEM has good reliability for a non-linear expansion simulation at regional scale influenced by macro-policies.The simulating results show that future urban expansion patterns from different scenarios of the metropolitan area have the tremendous spatio-temporal differences.Future urban ex-pansion will shift quickly from Beijing metropolis to the periphery of Tianjin and Tangshan city along coastal belt.     

云南高原城市发展对降雨的影响——以楚雄市为例

分析了楚雄市1965-2010年的降雨特点,采用同时期城区(楚雄站)与郊区(南华站、双柏站)雨量横向对比和城市化发展不同时期同一站雨量纵向对比的方法,研究了城市化对年降雨量、季节雨量和不同类型降雨发生次数等的影响.通过研究发现:城市化发展对城市年雨量、汛期雨量有不同程度的增加作用;受城市化发展的影响,降雨年内分配集中雨季的趋势更加明显;城市化发展使不同类型降雨发生次数有增加或减少,对大雨和暴雨有增加作用,小雨和中雨有所减少.城市化发展使城市大雨和暴雨增多,所以要加强城市洪涝、滑坡和泥石流灾害的防治工作.     

Revisit of event-based rainfall characteristics at Shapotou area in northern China

Distribution of rainfall event sizes and interval lengths between events are important characteristics of arid and semi-arid climates. Understanding their importance will contribute to our ability to understand ecosystem dynamics in these regions. Rainfall event timing and magnitude are important drivers of ecosystem processes and are instrumental in creating landscape heterogeneity in arid and semi-arid regions. Rainfall event characteristics were analyzed using an automatic tipping-bucket rain-gauge record across the entire summer monsoon season from 2008 to 2015 at the arid desert area of Shapotou in the Tengger Desert, China. Changing the minimum inter-event time (MIT) from 30 min to 24 h alters the number of rainfall events from 64 to 25 for the event depth larger than 0.1 mm. The mean rainfall intensity declined from 0.95 mm/h to 0.53 mm/h, and the geometric mean event duration rose from 0.55 h to 4.4 h. The number of rainfall events, mean rainfall intensity, and geometric mean event duration differed under different criteria of individual rainfall depths, except that for an individual rainfall depth of 0.5, 1.0, and 5.0 mm. The aforementioned features differed only at the lowest range of the mean rainfall intensity and depth for MIT=3 and 6 h. These findings suggest that identification of event-based rainfall in this specific arid region can be better achieved by setting the MIT at six hours. The wide variation in rainfall event properties indicate the need for paying more attention to the proper selection and reporting of event criteria in studies that adopt event-based data analysis. This is especially true in quantifying effective rainfall for soil water replenishment in terms of rainfall depth and intensity with infrequent rainfall events.     

Urbanization alters spatiotemporal patterns of ecosystem primary production: A case study of the Phoenix metropolitan region,USA

Previous studies have found that urbanization often decreases net primary production (NPP), an important integrative measure of ecosystem functioning. In arid environments, however, urbanization may boost productivity by introducing highly productive plant communities and weakening the coupling of plant growth to naturally occurring cycles of water and nutrients. We tested these ideas by comparing NPP estimated for natural and anthropogenic land covers in the Phoenix metropolitan region of USA using MODIS NDVI data and a simplified parametric NPP model. Most anthropogenic land covers exhibited higher production than the natural desert. Consequently, the combined urban and agricultural areas contributed more to the regional primary production than the natural desert did in normal and dry years, whereas this pattern was reversed in wet years. Primary production of this urban landscape was only weakly correlated with rainfall, but strongly with socio-economic variables. Our productivity estimates agreed well with NPP predicted by a process-based ecosystem model for the area. Significant uncertainties, however, remain due to extremely high heterogeneity of urban vegetation. Nevertheless, our results clearly show that urbanization may not only increase regional NPP and disrupt the coupling between vegetation and precipitation, but also increase spatial heterogeneity of NPP in this arid region.     

北京地区汛期降雨时空演变特征及城市化影响研究

近年来伴随着城市化的快速发展,世界各大城市汛期极端降雨事件频发,洪涝造成的社会经济损失日益严重,在此背景下,分析中国首都北京各城市化阶段汛期降雨变化显得非常有必要。论文基于30个雨量站1963—2012年汛期降雨资料,运用线性回归、滑动平均以及ArcGIS空间分析等方法对北京汛期降雨时空特征进行分析,通过对比城区和近郊区汛期降雨之间的差异来研究城市化对汛期降雨特征的影响,同时利用北京不同城市化阶段土地利用数据分析了城市下垫面变化对降雨的影响,得出以下主要结论：① 北京各区域汛期降雨时间上整体呈现下降趋势,空间上整体表现为由东向西呈逐渐减小的趋势。② 北京山区最容易发生小雨和中雨;城区则更容易发生中雨以上等级降雨事件,特别是暴雨和大暴雨;近郊区发生小雨和中雨概率与城区接近,但大雨以上等级降雨事件发生可能性小于城区;远郊发生各等级降雨事件的可能性均较大。③ 相对于北部近郊而言,在不同城市化发展阶段,城区降雨比南部近郊更大,但城市化增雨效应在城区与北部近郊之间也有所体现。④ 随着城市化的发展,北京城区和郊区城镇建设用地面积持续增长,原有下垫面条件被改变;由于城区城市化进程比近郊区更快,下垫面条件的改变使得城区汛期降雨量大于近郊区,且更易发生大雨以上等级降雨事件。     

A SYNOPTIC WEATHER TYPE ANALYSIS OF JANUARY HOURLY PRECIPITATION AT LAKE CHARLES,LOUISIANA

Each measurable hourly precipitation event during January at Lake Charles, Louisiana, over the 1951–80 period has been classified by associated synoptic weather type. Using Muller's synoptic classification, four types were found to produce rainfall over the study period. Frontal Overrunning accounted for 71% of the hourly events with an average hourly intensity of 1.78 mm. Frontal Gulf Return accounted for the greatest hourly intensity of the four types (3.05 mm) and accounted for 24% of the observations. The Gulf Return and Coastal Return types produced few hours of precipitation at this time of year owing to both the cooler surface temperatures which limit convection and the dominance of the frontal activity. The frequency of the events associated with these types varied significantly over the study period. The frontal-related weather types increased dramatically during the colder months, and also increased in association with El Nino events and related cyclogenesis in the western Gulf of Mexico. Non-frontal events were most common in the 1950s. This approach could be applied to hourly precipitation studies elsewhere so that processes underlying monthly and inter-annual climate fluctuations may be better understood. [Key words: Hourly Precipitation, Synoptic weather Types, Climate Fluctuations.]