城市化对全球城市降水格局的非对称性影响：从小时尺度揭示的降水强度分布变化

为解决城市化如何改变降水强度分布这一关键科学问题，Jinghua Xiong等研究人员利用高分辨率卫星降水数据（GPM IMERG），对全球741个城市开展了跨降水强度等级（drizzle至heavy precipitation）的系统研究。研究发现城市化导致降水分布呈现非对称变化：低强度降水（0.1-2.5 mm/h）普遍增加（68-77%城市），而高强度降水（≥2.5 mm/h）减少（58-62%城市），这种由降水频率主导的变化显著降低了城市降水变率（HLP指数下降）。研究首次揭示了城市化对小时尺度降水日变化的调控作用——清晨低强度降水增强而午后高强度降水减弱，为理解城市水文灾害形成机制提供了新视角。成果发表于《Nature Communications》，对优化城市雨洪管理策略具有重要指导意义。

　　

随着全球城市化进程加速，城市面积在过去30年扩张了三倍，超过55%人口居住在城市中。这种快速城市化不仅改变了地表景观，更通过热力、动力和化学过程深刻影响着大气降水过程。尽管城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）和干/湿岛现象已被广泛认知，但城市化对降水强度分布的改造机制——尤其是小时尺度的精细变化——仍存在显著知识空白。传统研究多关注日累计降水或极端事件，却忽视了降水强度谱系的整体偏移可能对城市水文系统产生的连锁反应。这种认知局限使得城市规划者难以准确预判暴雨内涝风险，也阻碍了气候适应性城市设计的科学决策。

针对这一关键问题，清华大学和河海大学的研究团队联合美国普林斯顿大学学者，利用2001-2023年高时空分辨率卫星降水数据（GPM IMERG V07B），首次在全球尺度系统评估了城市化对不同强度降水事件的影响。研究创新性地引入重轻降水比（Heavy-to-Light Precipitation ratio, HLP）作为量化指标，通过配对分析法对比741个城市（面积>100 km²）与周边乡村的降水特征差异。这项发表于《Nature Communications》的研究揭示：城市化正在重塑全球降水强度分布格局，这种非对称变化可能改变传统认知中的城市水文风险模式。

研究主要采用三项关键技术方法：（1）基于全球城市边界数据集（GUB）构建动态缓冲区（1r-3r半径）划分城乡区域；（2）运用0.1°分辨率GPM IMERG卫星数据提取小时尺度降水参数，按WMO标准划分drizzle（0.1-0.5 mm/h）、light（0.5-2.5 mm/h）、moderate（2.5-10 mm/h）和heavy（≥10 mm/h）四个强度等级；（3）通过对数分解法将降水总量变化拆分为频率（F_i）和强度（I_i）组分，结合UHI强度（基于GHA地表温度数据）进行机制解析。

Urbanization effects on precipitation regimes
研究发现63%的全球城市总降水量增加，但强度分布呈现显著非对称性：77%城市drizzle降水增加（+6%），68%城市light降水增加（+1%），而moderate和heavy降水分别有58%和62%城市减少（-1%和-3%）。这种变化导致67%城市HLP比值下降，反映城市化使降水分布趋于均衡。热带季风区（Am气候带）是少数呈现HLP增加的例外区域。

Characteristics of urbanization effects
城市化程度与HLP下降呈非线性关系：当城市面积>219-271 km²、建成区>48-62 km²或人口>90万时，HLP显著下降的城市比例骤增5-6倍。温带气候城市（特别是Cwb型）HLP降幅最大（墨西哥城达-56%），而热带雨林（Af）和草原（Aw）城市也普遍呈现HLP下降。国家尺度分析显示哥伦比亚（-20%）、澳大利亚（-19%）和尼日利亚（-16%）受城市化影响最显著。

Partition of urbanization effects
对数分解表明：低强度降水增加主要源于频率上升（71.6%城市频率增加+1%），而高强度降水减少则同时受频率（60%城市-3%）和强度（51.4%城市轻微下降）影响。但美国休斯顿、巴西福塔莱萨等沿海城市呈现高强度降水增加，暗示区域特异性风险。

Diurnal variability of urbanization effects
小时尺度分析揭示城市化对降水日变化的调控作用：低强度降水在清晨（0400-0800 LST）增幅最大，而高强度降水在午后（1500-1800 LST）降幅最显著，导致HLP呈现双峰衰减模式（清晨0600和傍晚1800两个低谷）。这种变化实质上是削弱了区域天气系统固有的降水日变化幅度。

这项研究通过多尺度分析揭示了城市化对降水系统的复杂影响机制。热力过程（UHI增强对流）、动力过程（建筑群改变气流场）和化学过程（气溶胶影响云物