研究速递丨城市发展模式对极端降雨发生的影响

不断增长的城市人口和为容纳这些人口而采取的不同策略导致了全球范围内城市发展模式的多样化。虽然当地的证据表明降雨异常中存在城市特征，但人们对降雨如何响应全球不同城市发展模式的了解却很有限。在此，我们揭示了全球 1790 个内陆城市因各自的城市发展模式而在极端降雨暴露方面存在的差异。与周边的农村地区相比，发展紧凑的城市市区极端降雨频率的增加幅度更大，而发展分散的城市极端降雨频率的异常现象则有所减弱。对流允许模拟进一步表明，紧凑的城市足迹会导致更明显的城乡热对比和空气动力干扰。这直接导致了降雨对城市发展模式的不同反应。我们的分析为城市一级减轻新出现的气候灾害的工作重点和潜力提供了重要启示，特别是对于经历快速城市化的国家。

城市人口的快速增长刺激了全球范围内城市的大幅扩张，导致多领域的环境变化延伸到城市边界之外。城市扩张的突出影响之一是陆地表面热力学（如反照率、比热容）和空气动力学（如表面粗糙度）特性的交替变化，以及云形成的微物理成分（如人为气溶胶）浓度的变化。这些变化在空间和时间上对降雨模式产生了明显的影响，进而影响了城市地区发生洪水等与水有关的灾害的可能性。

对城市诱发的降雨异常的预测性理解，包括其幅度和位置，仍然具有挑战性。这主要是由于城市的性质各不相同，包括大小、形状和地理环境（如陆地/水域边界附近和复杂的地形），以及降雨变化与同步影响、背景气候和城市气溶胶的微物理特性之间错综复杂的关系。此外，城市中的建筑和道路等城市元素在水平维度上的空间组织方式也各不相同，这被称为城市足迹。由于全球新兴城市群的出现，城市足迹的空间差异已变得十分显著，但在理解城市诱发的降雨异常时却没有考虑到这一点。

该研究揭示了1790个全球内陆城市在不同城市发展模式下对极端降雨的暴露差异。该研究为城市规划者和决策者提供了重要证据，帮助他们优先考虑可持续城市发展的措施，特别是对于快速城市化的国家。

利用30米分辨率的全球人工不透水面积（GAIA）数据集，对1790个全球内陆城市的城市发展模式进行量化。使用K-均值聚类算法，基于城市发展的空间和时间数据（2003至2018年），将城市划分为紧凑型、分散型等不同发展模式的组别。通过景观形状指数（LSI）等指标，量化城市元素的空间聚集程度，以及城市面积的变化。

使用对流允许的气候模型（如WRF模型），模拟不同城市发展模式对城乡热力和动力学差异的影响。通过模拟城市不同的空间布局（如紧凑型、分散型），分析这些差异如何影响城市内部及其周边区域的极端降雨频率和降雨量。通过多个城市场景的案例分析，验证模型的准确性和适用性。

分析城市发展模式和极端降雨频率的分布特征，检查数据的正态性和同质性。使用Pearson或Spearman相关系数，分析城市发展模式与极端降雨之间的相关性，以初步判断变量间的关系。构建多元线性回归或逻辑回归模型，定量评估不同城市发展模式对极端降雨频率和强度的影响力度。通过调整模型参数和采用交叉验证等方法，优化模型性能，确保分析结果的稳定性和可靠性。如果数据包括时间维度，应用时间序列分析技术，如ARIMA模型，分析城市发展与降雨事件的时间动态关系。

研究发现全球内陆城市在2003至2018年间显示出显著的城市发展模式差异。这些城市根据其发展特征被分为紧凑型和分散型两大类。紧凑型城市发展（如高收入国家城市）倾向于在已有城市范围内进一步集中发展，而分散型发展（如低收入国家城市）则表现为城市边界的扩展和低密度扩散。这种全球范围内城市发展的差异揭示了不同国家和地区在城市规划和土地利用政策上的不同选择。

不同的城市发展模式以及与之相关的空间降雨模式异常。a 具有三种不同发展模式的城市的空间分布；（b-d）2000-2005 年至 2016-2020 年期间具有不同发展模式的不同城市群的极端降雨频率（即超过 99 百分位数的阴雨天日降雨量，用阴影表示）的综合平均变化率。b 第一组（包括城市覆盖率低的城市），城市面积增幅较低，景观形状指数略有上升，即 "低-低-分散 "群；（c）第二组（包括城市覆盖率高的城市），城市面积增幅较低，景观形状指数略有下降，即 "高-低-紧凑 "群、 "c) 第二组（包括城市覆盖率高的城市），城市面积增幅较低，景观形状指数略有下降，即 "高-低-紧凑 "组；d) 第三组（包括城市覆盖率低的城市，城市面积增幅较高，景观形状指数显著上升，即 "低-高-分散 "组）。等高线显示的是城市像素的归一化数量（即通过将域内的最大值下潜，以百分比表示），提供了城市边界的近似值。

研究通过对比不同城市发展模式下的降雨数据，发现紧凑型城市在市中心区域极端降雨的频率和强度较高，这可能与城市化导致的热岛效应和局部气流动态有关。相反，分散型城市的极端降雨频率增幅较小，且在城市和乡村地区间的差异较小，表明城市扩散对局部气候的影响相对较平缓。这些发现突出了城市发展模式如何塑造其降雨异常的空间分布，尤其是在极端气候事件中。

不同城市发展模式对不同降雨反应的概念模型。a. 紧凑型城市情景，(b) 分散型城市情景。地面上的阴影代表城乡热对比，暖色（冷色）表示地表温度高（低）。矢量表示同步气流的大小和方向。

通过气候模拟，研究表明城市的空间布局直接影响了城市与周边地区的热力和动力学差异，这种差异是造成城市中心极端降雨增加的主要原因。紧凑型城市由于其高度集中的城市结构，增强了城市与周边地区的温度和气流对比，从而在城市中心引发了更多的极端降雨事件。分散型城市则表现出较广泛的影响范围，但影响程度较轻，反映出城市空间结构对降雨模式的控制作用。

每种城市情景与 "无城市 "情景之间极端降雨发生率（以降雨率超过 10 毫米/小时的小时数表示）差异的空间模式。a 圆形，(b) 带状，(c) 卫星，(d) 边缘，(e) 散点。城市边界及其缓冲区域内的平均变化率（即用（城市-乡村-城市）/（城市+乡村-城市）表示）见 (f)。(a)-(e)中的等值线突出显示了每种情景下的城市足迹。

城市边界内极端降雨发生率的变化（∆RainFreq，小时）与相关变量之间的关系。a 暴雨前平均 2 米气温（\(\Delta T\), 单位：℃）；（b）暴雨期间平均 850 hPa 垂直速度（\(\Delta {Conv}\),单位：m/s）。每个圆圈代表相应城市情景中的一个集合成员。交叉线表示每个城市场景的标准误差。各变量之间的皮尔逊相关系数及其相应的统计意义见各子图标题。

● 尽管使用了高分辨率的全球数据集，但数据的质量、更新频率和可获取性可能限制了分析的准确性。研究可能没有充分考虑不同地区的具体地理和文化差异，这些因素对城市发展模式和降雨的影响也很重要。

本文编辑 | 詹鹏 浙大城市学院国土空间规划学院科研助理

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