气候变化和快速城市化背景下，城市地区暴雨洪涝灾害频发。传统城市水文研究关注地表硬化、河湖水系连通减弱等对产汇流过程的影响。复杂城市下垫面通过陆气相互作用改变降雨的强度、频次和位置，从而影响洪涝特征和规律。作为重要的城市化水文效应，城市对降雨的影响机制仍然是探索性较强的科学问题，主要是针对不同地区的研究发现城市对降雨的影响信号有显著差异。最新研究成果表明，城市形态以及城市扩张方式可以解释城市对降雨影响的差异。
杨龙教授团队对全球1790个内陆城市过去20年间的形态和扩张方式进行聚类，归纳了不同城市形态的城市地区极端降雨频次的变化特征（图1）。研究发现，紧凑型城市扩张（即城区高度聚集分布或单中心城市）过程，城市中心极端降雨频次增加更为显著，而离散型城市扩张方式（即多个中心同步扩张）使得极端降雨主要发生在城市周围的郊区。利用高分辨率气象数值模型，对圆形、条带状、卫星状、边缘带状、散点状五种典型城市形态，开展集合模拟。结果表明，圆形和条带状两种城市形态（即紧凑型城市）中，城市及其城郊交界地区强降雨频次明显增加，主要是由于这些地区城乡热力差异更为显著，并且城市冠层对低层大气的动力扰动更强。这种影响与卫星状、边缘带状和散点状城市（即离散型城市）有明显差异（图2）。
研究强调了城市形态对区域极端水文事件的重要影响，突显了城市规划在防洪减灾、洪涝共治方面的潜力。对于非洲、南美洲、南亚等中低收入国家或地区，离散型城市扩张会导致防洪能力较弱的郊区面临更严峻的洪水风险。未来应根据不同国家和地区城市特征及其扩张方式确定合理有效的防洪减灾措施。
该成果以“Urban development pattern’s influence on extreme rainfall occurrences”为题于2024年5月11日在线发表在《Nature Communications》（https://doi.org/10.1038/s41467-024-48533-5）。论文第一作者和通讯作者为bwin杨龙教授，课题组两位博士研究生杨依欣和沈烨为主要参与者。论文其他合作者来自bwin国际地球系统科学研究所、香港科技大学、普林斯顿大学和德克萨斯大学奥斯汀分校。研究得到关键地球物质循环前沿科学中心和江苏省自然科学基金优秀青年基金资助。
该研究为杨龙教授课题组城市化水文效应领域的最新成果。过去五年中，课题组围绕“复杂城市下垫面对降雨的影响机制”这一关键科学问题持续开展研究，揭示了城市下垫面与复杂自然地理环境的耦合机制及其对降雨和洪水响应的影响（Yang et al., 2019），发现城市下垫面对降雨的影响信号与降雨前期天气背景相关，更新了上世纪70年代以来美国主导的大城市气象观测实验计划对城市降雨特征的传统认识（Yang et al., 2021; Shen & Yang, 2023）。本研究为城市下垫面对降雨的影响提供了全球证据，并为不同发展程度的国家和地区应对未来极端暴雨和洪涝灾害提供了理论依据。
参考文献：
Yang L., Smith J., and Niyogi D. (2019). Urban impacts on extreme monsoon rainfall and flooding in complex terrain, Geophysical Research Letters, 46(11), 5918-5927. https://doi.org/10.1029/2019GL083363.
Yang L., Li Q., Yuan H., Niu Z., and Wang L. (2021). Impacts of urban canopy on two convective storms with contrasting synoptic conditions over Nanjing, China, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126(9), e2020JD034509. https://doi.org/10.1029/2020JD034509.
Shen Y., and Yang L. (2023). Divergent urban signatures in rainfall anomalies explained by pre‐storm environment contrast, Geophysical Research Letters, 50(5), e2022GL101658. https://doi.org/10.1029/2022GL101658.
图1 （a）三种城市扩张方式：类型I：城市覆盖度低、城市化速率低、城市布局离散；类型II：城市覆盖度高、城市化速率低、城市布局紧凑；类型III：城市覆盖度低、城市化速率快、城市布局离散。（b-d）降雨异常空间分布。第二种紧凑型城市扩张在城区及附近地区产生了较大的降雨增加；而另外两种增加不明显，其中第三种离散型的快速城市扩张，降雨增加主要集中在郊区。
图2 不同城市扩张方式影响降雨的概念模型。（a）紧凑型，在市中心及下风向产生降雨（b）离散型，在郊区产生降雨。阴影颜色表示城乡热力差异，暖色表示更高的地表温度，冷色反之。箭头表示气流的速度和方向。