《Atmospheric Research》：Impacts of diverse urbanization scenarios on typhoon precipitation patterns in the Pearl River Delta: A case study of Typhoon Mangkhut
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城市化对台风降水的影响机制研究——以珠江三角洲为例，通过WRF-ARW模型模拟对比不城市化、紧凑式和分散式扩张情景，发现紧凑式扩张显著增强城市内极端降水，其动力机制表现为近地面风速降低与风场辐合增强，促进水汽垂直输送；而分散式扩张因热岛效应更明显但风场辐合较弱，导致降水空间分布更广但强度较低。研究揭示了城市空间结构通过动力与热力耦合作用调控台风降水的关键路径。
何永伟|高仲明|马玉龙|周平|姚京宇|杨曦曦|李蕾
中山大学大气科学学院，南方海洋科学与工程广东实验室（珠海），中国广东省珠海市
摘要
本研究利用先进研究版本的天气研究与预报模型（WRF-ARW），以台风芒古特为例，探讨了城市化对珠江三角洲（PRD）地区台风引发的降水的影响。与以往仅关注城市扩张对台风降水影响的研究不同，本研究明确量化了城市空间布局的影响。为此，我们设计了一系列数值实验，包括一个对照实验（CTR）和三种不同的城市化情景：无城市化（NU）、紧凑型城市扩张（UEC）和分散型城市扩张（UED）。结果表明，城市地表的变化对台风芒古特的路径和强度影响微乎其微，但显著改变了台风引发的降水的强度和空间分布。具体而言，UEC情景导致城市区域内的极端降水显著增强，从而增加了强降雨事件及其相关洪水的可能性；而UED情景则更倾向于在较大范围内引发中等到强降水，而非局部极端事件。对潜在物理机制的详细分析进一步表明，UEC情景的特点是近地面风速降低，但风场辐合增强。这些动态过程有效地促进了湿润空气的上升输送和极端降水的形成。在UED情景中，虽然热扰动更为明显，但相关的风场辐合较弱，导致降水量相对较低。这种对比突显了动态过程在增强研究区域台风降水中的主导作用。这些发现强调了城市空间结构在调节此类降水事件的强度和空间分布方面的关键作用，从而填补了关于不同城市布局如何调节台风降雨及其相关物理机制的关键研究空白。因此，在PRD和其他沿海地区，城市规划应明确考虑台风降水对城市化的响应机制，这对于平衡社会经济发展与提高城市抗灾能力至关重要，特别是在未来城市扩张和气候变化的背景下。
引言
台风（或热带气旋）是全球最具破坏性的天气系统之一，对沿海地区构成严重威胁。与台风相关的极端降水常常引发次生灾害，如城市洪水、河流淹没和山体滑坡，对城市基础设施造成严重破坏，并对人类生命和财产构成重大风险（Huang等人，2022；Xu等人，2006）。尽管目前尚无充分证据表明近几十年来热带气旋的全球频率显著增加（Masson-Delmotte等人，2021），但相关极端降水的强度和破坏潜力确实在最近几十年显著增强（Bhatia等人，2023；Bower和Reed，2024；Kossin，2018）。这种增强主要是由风暴寿命延长和风暴强度增加所驱动的，而这些与海表温度上升和全球变暖趋势密切相关（Emanuel，2005）。此外，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）强调，快速城市化和气候变化的协同效应加剧了极端降水的区域风险（Masson-Delmotte等人，2021）。然而，在预测台风降水模式方面仍存在很大不确定性。一方面，数值模型在表示热带气旋内核动态方面存在局限性，并且在预测的环境场中存在偏差（Wang等人，2017；Yang等人，2024a；Zhao等人，2021）；另一方面，虽然已经记录了城市化如何通过动态和热力学机制改变降水（Niyogi等人，2011；Yue等人，2021），但它们在城市尺度上的相对贡献、空间异质性和可预测性尚未完全量化。因此，阐明城市化影响台风降水的特征和潜在机制对于减轻未来极端天气事件带来的危害至关重要。
城市化通过改变地表生物物理特性和扰动局部气象条件来调节降水的时空分布和强度（Ahmad等人，2025；Hu等人，2018；Wang等人，2023）。前者主要涉及建筑布局（如密度和排列）的变化以及人造结构导致的地表粗糙度增加，后者包括城市热岛（UHI）效应的增强、地表能量分配的变化以及人为气溶胶排放的增加。这些变化共同重塑了降水形成的物理过程。大量研究表明，地表粗糙度的增加增强了低层风的摩擦阻力，从而加强了水汽辐合，进而改变了降水的空间分布（Miao等人，2011；Wu等人，2024；Zhang等人，2018）。同时，城市热扰动加剧了大气不稳定性，进一步促进了城市及其下风地区的对流活动，导致异常降水（Baik等人，2007；He等人，2023；Hu等人，2023）。然而，一些研究表明，城市聚集区的持续扩张显著取代了自然景观，形成了不透水表面，破坏了蒸散过程，降低了近地面湿度和潜热通量，从而抑制了降水形成（Guo等人，2006；Ma，2014；Wang等人，2015）。这种促进和抑制作用的对比清楚地表明了城市化对降水的复杂影响。此外，不同的城市扩张模式（如紧凑型与分散型）对水文气象过程有不同的影响（Yang等人，2024b）。然而，大多数研究集中在长期气候尺度的降水或天气尺度上的局部对流；很少有研究定量描述台风引发的极端降水如何响应城市扩张强度和空间布局的变化。这一关键研究空白激发了本研究的开展。
中国的沿海地区受到台风的严重影响，平均每年有八次台风登陆（Liu等人，2020；Shi和Fang，2015）。在这些沿海地区中，珠江三角洲（PRD）在过去几十年经历了快速城市化，现已发展成为中国南部的一个重要大都市区，城市化率超过80%。因此，本研究的目标是：1）量化不同城市化情景（无城市化、紧凑型城市扩张和分散型城市扩张）对台风芒古特在PRD地区引发的降水强度和空间分布的影响；2）揭示城市化调节台风降水的潜在物理机制（如动态风场辐合、热力学UHI效应）。为了实现这些目标，我们使用先进研究版本的天气研究与预报模型（WRF-ARW）对这三种城市化情景进行了高分辨率数值模拟。第2节描述了台风芒古特案例及模拟中使用的数据。第3节概述了方法论，包括模型配置和实验设计。第4节展示了模拟结果，并进行了讨论，第5节总结了主要结论和意义。
章节摘录
台风案例
台风芒古特（1822）于2018年9月7日12:00 UTC在西北太平洋形成，随后向西移动并逐渐增强。9月15日01:00 UTC，它以超级台风的形式在菲律宾吕宋岛登陆，造成广泛破坏，随后进入南海，强度略有减弱。之后，台风芒古特于9月9日09:00 UTC在中国广东省台山市海岸再次登陆
模型和实验设计
本研究使用WRF模型（版本4.5.2；Skamarock等人，2019）来探讨PRD城市聚集区的城市布局和空间范围对台风引发的降水的影响机制。作为先进的中尺度模型，WRF适用于包括天气尺度和气候尺度模拟在内的广泛应用（Takahashi等人，2024；Tsiringakis等人，2022；Yu，2022；Zhang等人，2024）。在本研究中，WRF模型进行了相应配置
模拟结果评估
图3将四个数值实验（CTR、NU、UEC和UED）模拟的台风芒古特路径与CMA最佳路径数据进行了3小时间隔的比较。为了识别路径，模型输出中的台风中心被定义为每个时间步长中海平面压力最低的网格点（Yu等人，2020）。模拟路径与观测结果基本一致，显示出向西北方向的移动轨迹。在接近广东省沿海地区之前
结论
本研究建立了四种城市化情景——对照情景（无城市化，NU）、密集型城市扩张（UEC）和分散型城市扩张（UED）——以研究热带气旋登陆期间珠江三角洲地区降水的差异。结果表明，WRF模型有效地再现了台风芒古特的路径、强度演变和降水结构。敏感性实验的比较分析揭示了城市变化的影响
CRediT作者贡献声明
何永伟：撰写——原始稿件、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理。高仲明：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资金获取、正式分析、概念化。马玉龙：撰写——审稿与编辑、资源获取、调查、正式分析。周平：撰写——审稿与编辑、调查、正式分析。姚京宇：撰写——审稿与编辑、资源获取、调查、正式分析。杨曦曦：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3008002）、国家自然科学基金（项目编号42475087、42475077和42375160）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515011736）以及深圳市基础研究计划（JCYJ20220530164400001）的支持。我们感谢三位匿名审稿人的建设性意见。
