本期观点:
■ 人口密度和复合型极端高温正相关,大城市群高温日数是农村的约两倍。
■ 快速城市化期间,各类高温事件日数显著增多,复合型极端高温天数每十年增长率达 103%。
■ 城市化造成我国南方城市极端高温的类型从独立型向复合型转变,相较于乡村,城市中复合型极端高温事件发生频率高,持续时间长、强度大、增长趋势明显。
本期嘉宾:
南京信息工程大学教授 罗亚丽
1月10日,欧盟气候监测机构哥白尼气候变化服务局发布新闻公告,2024年成为自1850年有相关记录以来最热的年份,多项关键气候指标破纪录。
在气候变暖影响下,过去几十年全球平均持续温度升高,在欧洲、东亚及中国等地区,极端高温事件持续时间延长、影响尺度扩大、强度增加,已成为全球气候变化的突出表现之一。
城市化对极端高温有何影响?我国大城市群出现极端高温有哪些背景特征?南京信息工程大学教授罗亚丽团队聚焦东南沿海城市群极端高温的特征及其驱动机制,探索高温事件在城市化背景下显著加剧的变化。
城市化与三类极端高温事件
极端高温事件由多种物理过程共同作用引发,包括气候变率、天气尺度系统等直接驱动力,以及由地理环境决定的局地效应,如地形和城市因素等。在我国,有研究表明长三角城市群地区夏季增温背后36%至68%可归因于城市热岛效应,城市化对极端高温强度的影响与温室气体相当。因此,理解长三角城市群和珠三角城市群地区极端高温事件的特征和驱动机制,提高对其模拟能力,对于提前高温预警和减缓不利影响具有重要意义。
针对此,罗亚丽团队聚焦东南沿海城市群极端高温的特征及其驱动机制,探讨三个科学问题:城市化对不同类型极端高温事件的影响、长三角城市群和珠三角城市群极端高温事件的驱动机制、先进的区域模式对热浪事件的模拟能力,以揭示中国南方地区三种类型高温事件与城市化的关系,对比长三角城市群和珠三角城市群地区热浪事件的特征和驱动机制,评估城市气象研究与预报模式 (WRF-urban)对长三角城市群地区热浪事件的模拟。
在研究中,高温事件通常被定义为三类,分别是复合型极端高温(同一天内既有高温日又有高温夜的复合极端事件),独立高温日(仅白天温度超过阈值的高温日),以及独立高温夜(仅夜间温度超过阈值的高温夜)。罗亚丽团队对1971年至2020年5月至8月的数据进行分析,利用人口密度数据表征城市化水平,分析极端高温事件的频次、强度和持续时间与城市化的关系。通过对复合型极端高温总日数、平均维持天数、平均累计强度等数据的剖析,发现复合型极端高温更集中于人口密集的城市群,且东部沿海城市强度最强,独立高温日和独立高温夜则在人口密度较低的地区发生更频繁。
通过对比人口密度与三类极端高温的关系,发现人口密度和复合型极端高温正相关,大城市群高温日数是农村的约两倍,而独立高温日和独立高温夜与人口密度呈负相关,随着人口密度增大,独立高温日总日数、维持天数倾向于减少,独立高温夜略有减幅、强度变化不大。
此外,通过对比1971年至1995年和1996年至2020年三类高温事件年总日数变化趋势发现,快速城市化期间,各类高温事件日数显著增多,复合型极端高温天数每十年增长率达103%。快速城市化期间,复合型极端高温增长速率远远大于独立高温日和独立高温夜,这跟它们与人口密度的关系是定性一致的,这意味着快速城市化使得高温事件倾向于朝着复合型转变。
区域热浪与天气尺度背景
罗亚丽团队进一步聚焦2008年至2017年5月至8月,分析长三角、珠三角城市群热浪事件的特征和驱动机制。
研究发现,热浪频次在内陆山地发生率最高,海岸最低。与周边平原上的非城市相比,长三角城市群热浪频次更高、强度更强;珠三角城市群内陆地区热浪频次高、强度大,甚至超过内陆山地。而在热浪事件中,城市经历了更多、更强的暖夜,城市的热浪事件绝大多数是复合型高温事件,而乡村(尤其山区)则以独立高温为主。
那天气系统是否对此也有一定影响?研究团队定义了“区域热浪”(当区域内至少一半站点同时发生热浪)以进一步解析背后驱动机制。
他们发现,长三角城市群共出现137天区域热浪,80%发生在7月15日至8月15日;珠三角城市群共出现102天区域热浪,33%发生在6月1日至7月14日,51%发生在7月15日至8月15日;7月15日至8月15日,长三角城市群发生区域热浪91天、珠三角城市群发生区域热浪37天,还有18天两地同时发生区域热浪。
在长三角城市群发生区域热浪时,主要受相对强盛的西太平洋副热带高压影响,使得大气下沉运动绝热增温,云量相对较少使地表吸收太阳辐射增多。而珠三角城市群发生区域热浪时的大气背景则稍显复杂多样,在受热带气旋的偏北气流影响时,珠三角三面环山的地形因素产生焚风效应,加上内陆地表感热通量的增温作用,再结合强的暖平流;有时受高压系统控制,造成大气下沉运动,绝热增温、少云、地表吸收太阳辐射增多。
而长三角城市群和珠三角城市群同时发生区域热浪时通常伴随两种天气形势,一种是增强的西太平洋副热带高压夏季直接影响长三角,同时台湾岛南侧有热带气旋同时影响珠三角,产生焚风效应和补偿性下沉气流;另一种则是西太平洋副热带高压夏季极端强盛,覆盖整个中国东南部。
模拟评估城市群热浪事件
在对城市化与三类极端高温事件、区域热浪与天气系统分析后,罗亚丽团队进一步对长三角地区热浪事件进行了模拟评估。
利用城市气象研究与预报模式对比不同陆面类型数据、城市冠层模型等开展5个试验,对2017年7月19日至28日长三角城市群地区13个城市的极端高温天气进行模拟,此次事件中长三角城市群北部的苏锡常都市圈和南部的南京、杭州等大城市连续多天的日最高气温都超过40℃。模拟结果表明,在使用LCZ陆面类型数据时,城市密集区升温0.5℃至2℃;当多层城市冠层模型和建筑能量模型(BEP+BEM)与LCZ结合时,增温更显著,能够明显改善对夜间高温的低估。
总之,研究显示,城市化造成我国南方城市极端高温的类型从独立型向复合型转变,相较于乡村,城市中复合型极端高温事件发生频率高,持续时间长、强度大、增长趋势明显;快速城市化以来,长三角城市群和珠三角城市群城市热浪事件几乎都是复合型高温。其中,长三角城市群地区热浪事件80%集中在盛夏(7月中旬至8月中旬),主要原因为副热带高压驱动,致使空气下沉绝热增温,加上水汽通量辐合减弱,以及少云地表太阳辐射增多。珠三角城市群地区热浪事件从6月初开始,约一半发生在盛夏,主要受热带气旋和华南高压系统的影响:当热带气旋在台湾岛附近时,我国东南陆地低层偏北风爬跃南岭,在背风坡产生焚风效应并叠加内陆地表感热加热,增暖的内陆空气被偏北风输送至该地区;当热带气旋远离台湾岛以东时,珠三角城市群地区受高压系统控制。
(作者:李悦 责任编辑:曹锐怡)