一 研究背景
城市人口的快速增长刺激了全球范围内城市的大规模扩张，导致超出城市边界的多部门环境变化。城市扩张的一个显著影响是陆地表面热力学(如反照率、比热容)和空气动力学(如表面粗糙度)特性的交替，以及云形成的微物理成分(如人为气溶胶)浓度的变化。这些变化在空间上和时间上都对降雨模式产生明显的影响，并随后对与水有关的灾害(如城市地区的洪水)产生潜在影响。对城市引起的降雨异常的预测理解，包括其大小和位置，仍然具有挑战性。这主要是由于城市的不同性质，包括大小、形状和地理环境，以及降雨变率对天气强迫、背景气候和城市气溶胶微物理性质的复杂依赖。
人们对不同城市发展模式在改变极端降雨和由此产生的洪水风险方面的作用知之甚少，特别是对不同发展水平的全球城市的代表。这可能会破坏一些旨在可持续城市发展的全球倡议，特别是考虑到城市区域在气候变化下特别容易受到极端降雨和洪水的影响。此外，城市在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。随着城市群的兴起，城市足迹的空间差异越来越明显，但在理解城市引起的降雨异常时却没有考虑到城市足迹的空间差异。
二 主要内容
本文揭示了2003-2018年期间全球1790个内陆城市暴露于极端降雨的差异，这可归因于各自的城市发展模式。紧凑型发展的城市，其市中心极端降雨频率的增加幅度往往大于其农村周边地区，而分散型发展的城市极端降雨频率的异常现象则会减少。允许对流的模拟进一步表明，紧凑的城市足迹导致更明显的城乡热对比和空气动力学干扰。这直接导致了降雨对城市发展模式的不同反应。我们的分析为城市层面减轻新出现的气候相关危害的优先事项和潜力提供了重要见解，特别是对于正在经历快速城市化的国家。
三 研究数据和方法
1. 本文基于30米分辨率的全球人工不透水区域(GAIA)数据集分析了全球城市发展模式。GAIA产品可在http://data.starcloud.pcl.ac.cn/zh上获得。根据每个领域内的两个景观指标来量化城市发展模式。这两个指标是总城市覆盖率(TA)和景观形状指数(LSI)。
式中，aj为城市网格单位面积;n为城市网格总数;ek是城市网格与其非城市邻居之间的边缘的总长度;m是每个城市域的补丁总数。城市比率由TA除以域大小表示。
2. 采用K-means聚类算法根据城市发展模式将1790个城市分为不同的组。
3. SRTM30+全球1公里数字高程模型可在https://catalog.data.gov/dataset/srtm30-global-1-km-digital-elevation-modeldem-version-11-land-surface上获得。
4. 全球人口稠密地区的名单可在https://www.naturalearthdata.com/downloads/10mcultural-vectors/10m-populated-places/上获得。
5. 本研究分别计算了2001-2005年和2016-2020年两个时期的极端降雨日数。IMERG(第06版)雨量产品可于https://gpm1.gesdisc.eosdis.nasa.gov/data/GPM_L3/GPM_3IMERGDF.06/上获得。两个不同时期的雨量统计数字的变化计算方法如下:
6. 为了检验三个城市群的降雨模式是否取决于背景气候，作者将每个城市(根据其位置)划分为不同的气候类型。采用了四种气候类型(即热带、干燥、温带、大陆性)，对应于Köppen气候分类的第一级。
7. NCEP最终业务全球分析产品可在 https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/上获得。
四 重要图表
五 重要结论
不同的城市发展模式进一步导致降雨异常的不同城市特征。综合分析表明，城市覆盖范围的扩大总体上增加了全球城市极端降雨的频率。在城市中心附近观测到极端降雨频率的最显著增加，随着向外移动逐渐减少。新开发的住宅或商业集群的建立可能导致附近极端降雨的频率增加。背景气候对不同城市发展模式的不同降雨响应的影响很小。
本文配置了五个城市场景，研究得出，不同情景下降雨积累的空间分布相似，表明城市冠层过程对天气强迫的干扰有限。在整个城市区域，明显的城市降雨特征变得明显。城市覆盖的存在导致城市区域的降雨积累减少，但这种减少的程度在不同的城市情景中有所不同，具体而言，在圆形城市和带状城市情景中，区域平均降雨量分别减少，圆形城市的城市网格上的总降雨量增加。对于卫星、边缘、和散点城市场景。这与三种城市场景中城市要素的空间组织方式一致。在两种紧凑型城市情景(即圆形和带状)中，更频繁的极端降雨直接导致城市网格上的降雨积累增加。
降雨异常中的不同城市特征与不同城市足迹引起的热力学和动力学扰动有着复杂的联系。这些扰动在降雨过程中起着关键作用。与两种紧凑型城市场景(即圆形和带状)相比，三种分散型城市情景(即卫星、边缘和散点)显示区域表面温度异常略大。这可能与从城市到邻近农村地区的感热平流增强有关，因为城市足迹在整个区域分布得更广泛。城市网格上极端降雨事件的异常表现出与热岛强度的相关性。
六 小编说
该文章题目为“Urban development pattern’s influence on extreme rainfall occurrences ”，于2024年发表在《Nature Communications》 期刊，JCR-Q1，IF=14.7。
引用: Long Yang, Yixin Yang, Ye Shen, Jiachuan Yang, Guang Zheng,James Smith & Dev Niyogi. Urban development pattern’s influence on extreme rainfall occurrences. Nature Communications | (2024) 15:3997.
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本期文案:王志新
本期编辑:王志新
