研究背景

随着全球城市化加快，人口聚集，城市不仅改变地表形态，也在热量、水汽和动力过程等多个层面深刻影响局地天气与气候。尤其在台风背景下，城市群与强天气系统相互作用，往往会让降水的空间分布和强度变得更加复杂。过去的研究多将“城市效应”作为一个整体来讨论，但城市内更细致因素的相对贡献，一直缺乏清晰定量分解。

2023年9月7日，2311号台风“海葵”残余环流为珠江三角洲地区的超大城市群带来了百年一遇的极端强降水，全区29个站点打破当地历史纪录，香港天文台发布长达16.5小时黑色暴雨警告，单小时雨量158.1毫米刷新1884年以来的观测纪录。本研究以此次降水事件作为研究对象，试图回答：究竟是哪些城市要素，如何放大了这场极端降水？

实验设计

本研究使用WRF模式采用三维变分雷达资料同化，对台风“海葵”在珠三角的极端降水增强过程进行了高分辨率数值模拟，并设计了1组对照试验和5组敏感性试验，分别用于分离城市整体（URBAN）、城市冠层（UC）、人为感热（ASH）、人为潜热（ALH）和建筑高度（BH）的独立作用。

表1. 敏感性实验设计

模拟结果

结果显示，对照试验能够较好再现观测到的降水强度和空间分布（图1b–c），而去除城市相关影响后，模拟降水明显减弱（图1a），说明这次极端事件中城市效应并非“次要影响”，而是决定降水是否快速升级的重要因子。

图1. 观测与模拟降水的时空对比

城市因素降水贡献

进一步的定量分析表明：城市整体（URBAN）对降水增强的贡献达到40.6%；城市冠层（UC）18.0%；人为感热（ASH）17.5%；人为潜热（ALH）12.7%；建筑高度（BH）6.5%。其中，人为感热和人为潜热通过升高温度、增加湿度，主要增强了城市核心下游区域的降水（图2a–b）；而建筑高度带来的地表粗糙度增加，则通过减弱风速、促进低层辐合，更多影响了城市上游区域的降水分布（图2c）。研究还指出，城市冠层效应并不是各单项因素的简单叠加，而是多个过程耦合后的非线性结果（图2d）。

图2. 不同城市因素对累计降水及气象要素的贡献

物理机制

从物理机制上看，本研究把超大城市群放大台风暴雨的路径概括为三条主线：热力增强、水汽补给和动力调制。人为感热增强了近地面加热，促进了辐合上升运动（图3a）；人为潜热增加了近地面湿度，为降水发展提供了更多水汽（图3b）；建筑高度则通过加强粗糙度和阻滞作用，改变了低层风场和辐合位置（图3c）。三种效应共同作用，使台风残余环流经过珠三角时，降水在城市区域显著增强，最终形成这场突破历史纪录的极端暴雨。

图3. 不同城市因素对城市上空温压风湿的影响

讨论

本研究通过一场真实降水的数值模拟，发现珠三角超大城市群增强本次降水超40%，并且通过敏感性实验解释了城市中人类活动产生的热量、水汽和建筑物增强降水的过程与机制。在全球变暖与快速城市化的双重背景下，超大城市群已成为极端降水形成与增强的关键驱动因子。精细化表征人为热和城市形态将有效提升极端天气预报精度、增强防灾减灾能力。

图4. 超大城市增强海葵残涡降水机制图

论文发表

该研究成果《The Century-Record-Breaking Extreme Precipitation From Typhoon Haikui Enhanced by the Megacities in South China》发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》。论文第一作者为2025级博士研究生单子昕，通讯作者为周昂博士，主要合作者为陈海琴博士、赵坤教授、陈仲良教授、汪曙光教授，南京大学为论文通讯单位。研究得到国家自然科学基金（42230607、42025006）、江苏省自然科学基金（BK20230800）等项目的联合资助。