《科学时报》：城市化影响北京冬季降水？（陆琦）

▲12月10日，北京市迎来了入冬以来的首场降雪。

“除冬季发生系统性显著变化以外，北京地区的降水分布在快速和慢速城市化之间，并未发生整体性的显著变化，即使个别站有变化，其显著性程度也不是很高。”王喜全表示，“这一方面说明，城市化进程对降水分布影响的季节性；另一方面也说明，城市化对降水的影响程度不可过分高估。”

日前，在中国气象局召开的新闻发布会上，北京市气象台台长郭虎宣布，北京今年的降水量较常年偏多，而此前北京已经连续9年降水偏少。到目前为止，北京今年的降水量为684.66毫米，比常年同期偏多两成，比近10年同期偏多四成，为1999年以来最多；今年以来北京气温较常年同期偏高0.7℃。

郭虎预测，今年冬季(12月到明年2月)，北京市大部分地区降水量将为8～10毫米，平均气温比常年偏高大约2℃左右，但不排除阶段性低温的可能性。

较常年偏多的降水对缓解北京水资源紧缺、增加水库蓄水、补充地下水非常有利的同时，人们不禁想问：除大尺度天气系统影响北京降水以外，还有哪些因素影响北京地区的降水？发表在《中国科学D辑:地球科学》2008年第11期上的《城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响》一文就部分回答了这个问题。对此，记者采访了该论文第一作者中国科学院大气物理研究所竺可桢—南森国际研究中心副研究员王喜全。

城市对降水影响的相反观点

通常认为，降水量受海陆位置、纬度位置、地形等因素的影响。但早在19世纪就有人提出城市化对降水的影响问题。1968年，美国科学家Changnon建议发起和实施了METROMEX计划(大城市气象观测试验计划)，其主旨是寻找城市化对降水影响的证据。随后，在对METROMEX计划观测资料分析和数值模拟的基础上，Changnon等进一步指出了城市对夏季中等以上强度的对流性降水的增雨效果尤其显著的结论，并提出了3种城市增强降水机制的假说。王喜全说：“虽然METROMEX计划关于城市对降水影响的结论还存在不确定因素，但仍不断有新的研究结果支持METROMEX计划的研究结论。”

2000年，Rosenfeld发表在《科学》上的研究结果指出：在工业区和城市群空气污染排放源的下风方向，由于大气污染物转化而带来的冰核和云凝结核的加入，层状云产生更多小云滴，云滴谱分布更加均匀，从而降低了云水向雨水的转化效率，使城市下风方向的降水受到抑制。“Givati等关于以色列和美国西海岸城市群下风方向多年降水变化趋势的研究结果，支持和印证了Rosenfeld的结论。”王喜全补充说。

目前，城市化对降水的可能影响问题，存在两种相反的观点：多数研究者认为城市的动力、热力作用使城区和城市下游地区降水增加；少数研究者认为城市大气污染物的微物理过程使城市下游地区的降水减少。

城市化影响北京冬季降水分布

主要从事城市空气质量数值预报和城市气候研究的王喜全开始通过气象资料来研究城市化对降水的影响，纯属巧合。“数值模拟固然是目前科学研究的一种重要手段，但资料分析仍然是发现自然现象的重要方法。”王喜全告诉记者，“我国科研人员对北京及其周边地区降水的研究，已经有许多从天气动力学的角度出发，研究降水形成的天气条件的工作；也有许多从城市作用的角度研究城市因素对降水影响的个例研究；但从城市气候学的角度，着眼于城市化进程所引起的环境条件变化，对北京及其周边地区降水的研究还没有充分开展。”

北京及其周边地区是我国快速发展的城市群之一。在上世纪80年代以前，北京城区集中在现在的二环路以内。1980年以来，北京城市化进程加快：1984年三环路通车，1990年四环路建设，2003年五环路全线通车，到现在的六环路建设，北京市中心城区从约60平方公里发展到目前的约300平方公里。最近几年，东起定福庄，西到石景山，北起清河，南到南苑，方圆1040平方公里内的城市化进程发展迅速。

“虽然已有许多关于北京城市热岛效应方面的研究，指出北京的城市热岛强度有随城市化进程增强的趋势，但城市化进程对北京地区降水影响的研究并不充分。”王喜全指出。

为探讨北京城市化进程对降水分布的影响，王喜全利用北京地区14个标准气象站1961～2000年的降水量资料，根据城市化程度，采用将城市化进程分期的办法，即城市化进程缓慢期(1961～1980)和城市化进程快速期(1981～2000)，研究两个时期降水量分布的变化。

王喜全认为，利用统计方法探究城市对降水的影响，需首先回答两个关键问题：一、如何排除地形对降水分布的影响；二、如何排除天气系统频率变化对降水分布的影响。

未有北京城时的降水分布已湮灭在历史中了，只能对比研究城市规模对降水分布的影响的差异。因此，王喜全说：“最可能、最现实的方法就是将长期降水资料根据城市化程度划分为前后两个时期，研究这两个时期降水分布的差异，揭示城市化对降水分布的影响。这可能是目前能够解决和回答上述两个问题的最佳方案。”

由于降水在空间分布上的随机性和弱相关性，王喜全认为，不能采用常用的等值线法表述和分析降水分布。与此同时，极端洪涝年和极端干旱年以及偶然性突发强降水，对降水量均值影响很大，因而王喜全认为直接比较台站的绝对降水量，也不是一个好的特征量。最终，他利用标准化相对降水量，研究城市化对北京降水分布的影响。所谓标准化相对降水量，即将降水资料相对于均值和标准差进行标准化后得到的量。

为了进一步消除单站偶然突发降水对显著性检验的影响，王喜全采用了无参数Mann-Whitney U假设检验方法，检验两个时期间降水分布差异的显著性。

他们的研究结果表明：北京地区冬季降水分布发生了显著的、系统性的变化，即城市化缓慢期(1961～1980)，北京地区南部为降水相对较多地区，北部为降水相对偏少地区；城市化快速期(1981～2000)，相对降水量的分布则正好相反,南部地区为降水相对较少地区，而北部变为降水相对偏多地区。

王喜全对1980年前后北京地区冬季降水分布的系统性显著变化给出了初步的解释。他说：“之所以发生这样的变化，一个重要原因是，随着城市规模的扩大，北京冬季城市热岛和城市干岛(气温高、湿度低)效应增强，特别是在城市化缓慢期冬季的城市湿岛转变为城市化快速期的城市干岛，这一转变加速了云下降水物的蒸发过程，使城区及南部地区的地面降水相对减少。”

国外已有一些利用TRMM卫星资料证明城市污染抑制降水的研究和报道，但由于北京地区没有TRMM卫星资料，不能直接验证统计分析的结果。“不能不说是一种遗憾”。

不可高估城市化对降水的影响

北京地区冬季降水多属于层状云降水。按照国外的研究结果，从动力学和热力学角度，城市对这类降水系统的影响可以忽略。但王喜全认为，从城市干岛和城市大气污染对降水微物理过程影响的角度考虑，城市对降水的影响可能会表现出不同的特征。

王喜全指出，云下蒸发过程对地面降水量的影响、人工影响天气中过量播撒对降水的抑制作用，这些都是显而易见的常识，但却是现有相关研究普遍忽略的因素。

“值得注意的是，20世纪80年代以来，华北地区也和全球一样，冬季气温有增加的趋势，再加上城市热岛和城市干岛的作用，势必增加云下蒸发过程和雨量器中降水物的蒸发；另外，随着城市的发展，北京的空气污染日趋严重,降水凝结核的过量效应也是一个不可忽略的因素。”

“除冬季发生系统性显著变化以外，北京地区的降水分布在快速和慢速城市化之间，并未发生整体性的显著变化，即使个别站有变化，其显著性程度也不是很高。”王喜全表示，“这一方面说明，城市化进程对降水分布影响的季节性；另一方面也说明，城市化对降水的影响程度不可过分高估。”

近年来北京城市供水及工农业用水逐年紧张，成为北京及其周边地区发展的制约因素。王喜全认为，很有必要进一步开展研究，特别应注意与其他城市的对比研究，如气候背景的差异、城市污染程度的差异、污染物成分的差异、主要天气系统的差异、城市下垫面状况的差异、地形地貌的差异等。