城市化放大区域降水对比而不系统性放大城市核心极端降水：2000—2024年中国城市群次日尺度观测

《Earth's Future》：Urbanization Amplifies Regional Precipitation Contrasts but not Urban-Core Precipitation Extremes

　　

城市化常被认为会增强降水并将与洪涝相关的极端降水集中于城市中心，但清晰的观测证据仍有限。在此，研究人员分析2000—2024年中国20个城市群（UAs）和61个代表城市的暖季次日降水（sub-daily precipitation），依据不透水面比例（ISF）将建成区划分为三个城市强度带。总降水量在城市地区通常比邻近非城市参考区域增加更快，约75%的城市群表现出更快的城市湿润化（urban wetting）。然而，这种增强主要由弱至中等降水（light-to-moderate precipitation）驱动，其城市化效应从弱城市化带向高城市化带系统性增强。定量而言，非极端降水的城市强度敏感性（UIS）为正，ISF每增加10%，城市化效应约增加0.1–0.7 mm yr^?1；但极端降水的UIS转为负值，平均约下降0.5–1.1 mm yr^?1。因此，仅20%–25%的城市群在高城市化带表现出极端降水增强放大，而约三分之一城市群在这些带表现较弱或负的城市化效应。这些模式在城市尺度上一致，在小时尺度比日尺度更明显，并在湿润地区（humid regions）最强。研究结果显示，更强的城市化放大区域降水对比，但不会系统性放大城市核心（urban cores）的极端降水，这挑战了城市洪涝风险评估中的常见假设，并强调需要区分一般城市湿润化与短历时致灾降水（short-duration hazardous rainfall）变化。

研究背景方面，城市化是地球系统中最普遍的人为改造过程之一，会重塑陆—气相互作用和区域水文气候；城市降水变化既影响水资源可用性，也影响洪涝相关灾害。已有观测表明，城市化可改变日降水、极端降水、降水日变化和降水强度分布，但不同区域、气候背景、数据源和建模框架下，城市降水响应的方向与幅度并不一致。现有研究多采用城市—乡村或城市—下风向的二元对比，难以解析城市内部沿发展梯度形成的降水响应差异；而弱降水、中等降水和短历时极端降水可能受不同尺度过程控制，因此需要强度感知框架，检验城市化效应是否随城市强度从弱到高系统增强，以及该关系在小时/日尺度和不同气候背景下是否成立。中国快速且大规模的城市扩张为检验这些问题提供了自然实验场景。

研究人员基于2000—2024年暖季次日降水，在20个城市群（UAs）和61个代表城市中，将建成区按不透水面比例（ISF）划分为弱城市化带（Urban-1）、中等城市化带（Urban-2）和高城市化带（Urban-3），并以同尺度非城市参考区域为对照，计算各城市强度带降水趋势与非城市参考趋势之差作为城市化效应（UE）。研究得出，城市地区总降水增加总体快于邻近非城市参考区域，约75%的城市群呈正UE，但这种增强主要由弱至中等降水驱动；非极端降水的城市强度敏感性（UIS）为正，而极端降水的UIS转为负值，仅20%–25%的城市群在高城市化带表现出极端降水增强放大，约三分之一城市群呈较弱或负效应。该研究的重要意义在于，区分了一般城市湿润化与短历时致灾降水变化，指出更强的城市化放大区域降水对比，但并不系统性放大城市核心极端降水，从而挑战城市核心极端降水随城市化单调增强的常见假设，并为城市洪涝风险评估和适应策略提供观测依据。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员使用2000—2024年5—9月IMERG V07暖季降水（0.1°、30 min），并以MSWEP V2.8作独立稳健性检验，覆盖中国20个城市群和61个代表城市；采用全球城市边界（GUB）界定2020年建成区，以全球人工不透水面（GAIA）30 m产品计算ISF并聚合到分析网格，将城市网格按ISF分为Urban-1（0%–25%）、Urban-2（25%–50%）和Urban-3（>50%），分别以城市群内建成区外区域和城市等面积缓冲区作为非城市参考；按百分位阈值划分降水强度，计算各带降水趋势及UE，采用Sen斜率估计（Sen's slope estimator）与改进非参数Mann–Kendall检验（modified nonparametric Mann–Kendall test）判断趋势和UE显著性，以方向单调性（DM）检验城市强度梯度，以UIS量化ISF每增加10%的效应变化，并用替代阈值和城市尺度复验。

研究结果如下。3.1 城市—乡村与城市内部城市化效应对比（Urban–Rural and Intra-Urban Contrasts in Urban Effects on Precipitation）：通过比较20个城市群总降水趋势的UE及不同强度带UE，研究人员发现15个城市群（75%）为正UE，但仅9个（45%）显著为正；35%的城市群UE从弱到高城市化带方向增加。将年总降水分解为不同强度后，弱至中等降水的平均UE从Urban-1到Urban-3有序增加，DM比例约55%–60%；重降水降至约40%，极端降水降至25%–35%。约80%的城市群在高城市化带UE大于弱城市化带（当二者均为正时），约三分之二城市群UE₃至少为UE₁的两倍；但极端降水下仅约20%–25%的城市群在高城市化带保留更强增强，约三分之一表现为更强抑制，另约四分之一至三分之一出现UE₁与UE₃符号反转。UIS在弱至中等降水为正，从低于10^th百分位的约0.10增至60^th–80^th百分位的约0.70，且在湿润地区大于干旱地区；极端降水UIS明显减弱并转为负值，平均为?1.14（>90^th）和?0.46（>95^th）mm yr^?1，表明高城市化核心由放大转向抑制。3.2 从城市群到城市的跨尺度稳健性（Cross-Scale Robustness From Agglomerations to Cities）：通过61个代表城市的城市尺度复验，研究人员发现弱至中等降水有超过40%的城市满足DM条件，极端事件降至12%–20%；弱至中等降水有三分之一至近半数城市呈UE₃至少为UE₁两倍的放大，而重降水和极端降水中该放大罕见，强抑制或符号反转更常见，说明强度依赖结构跨空间尺度稳健。3.3 城市化诱导降水对比的时间敏感性（Temporal Sensitivity of Urbanization-Induced Precipitation Contrasts）：通过比较日、小时及昼夜尺度结果，研究人员发现弱至中等降水的城市强度梯度在小时尺度更清晰，日尺度仅20%–35%的城市群满足DM，小时尺度约55%–60%；小时尺度约三分之二城市群呈二倍放大，日尺度仅25%–45%。昼夜差异相对温和，弱至中等降水在昼、夜均保留梯度且夜间一致性略高；极端降水在各时间尺度梯度均崩塌，但日间响应出现更多UE₁与UE₃符号反转，显示日间对流信号更碎片化。3.4 气候制度调制与城市化效应反转（Climate-Regime Modulation and Reversal of Urbanization Effects）：通过比较不同气候区UE₁–UE₃，研究人员发现湿润地区弱至中等降水的城市强度梯度最强且最一致，大陆地区呈较弱且不稳定的正梯度，干旱地区增强小且梯度常断裂；极端降水梯度总体崩塌并常反转，湿润地区最明显，UE₁–UE₃随城市强度增加而更趋负值，表明最有利于非极端降水城市放大的湿润气候背景，也表现出最强的城市相关极端降水抑制。

讨论部分总结：讨论指出，城市化并不产生单一、单调的降水响应，而是联合依赖城市强度、降水强度、时间分辨率和气候背景；正UE较常见并不等于空间均匀或普遍显著，只有45%的城市群呈显著正效应，局地降水变率还受背景大气环流、水汽、地形、风暴尺度动力学和城市地表强迫共同影响。讨论认为，弱至中等降水从弱到高城市化带逐步增强，可能与高不透水面城市核心更强的热储存、人为热释放和粗糙度诱导低层辐合等热动力与空气动力扰动有关；极端降水缺乏一致的城市核心增强，则与风暴尺度组织、冷池、阵风锋、对流合并、后向传播以及降水向城市边缘或下风向再分配等有关。小时与日尺度的强对比说明城市降水信号本质上是次日现象，日聚合会平滑局地瞬变信号；气候制度分析显示湿润区最有效将城市地表扰动转化为非极端降水增强，但极端降水在高城市化核心反而更易崩塌或反转。讨论还指出局限：城市强度分类基于固定2020年ISF与建成区快照，部分2020年城市网格在研究早期可能城市化程度较低；卫星降水产品存在反演不确定性和空间分辨率限制；干旱区城市群样本仅3个，结果应视为指示性；分析为观测诊断而非完全过程解析，未来需结合更高分辨率雷达—雨量计数据、时间演变城市数据和含城市冠层方案的对流可分辨模拟。

研究结论部分翻译：基于2000—2024年中国20个城市群（UAs）和61个代表城市的暖季降水，本研究量化了降水趋势如何沿城市内部不透水面比例（ISF）梯度变化。通过超越传统城市—乡村二元框架并明确区分弱、中、高城市化带，研究人员提供了强度感知评估，说明城市化如何跨降水强度、时间尺度和气候制度重塑降水。研究结果显示，城市化总体上放大区域降水对比，多数城市群的城市地区比邻近非城市参考地区更快变湿。然而，这种放大主要由弱至中等降水驱动，其城市化效应从弱到高城市化带逐步增强。相反，更强的城市化并未在高城市化城市核心系统性增强极端降水。极端降水响应常常碎片化、反转甚至受抑制，表明向城市核心单调增强降水的常见假设主要适用于非极端降水，而非与洪涝相关的极端降水。这些对比在小时尺度比日尺度更清晰，说明城市降水响应本质上是次日现象。气候背景进一步调制这些模式：湿润地区对弱至中等降水表现出最强和最一致的放大，但也对极端降水表现出最清晰的城市强度梯度崩塌或反转。总体而言，研究结果显示，更强的城市化放大区域降水对比，但不会系统性放大城市核心极端降水。这挑战城市洪涝风险评估中的常见假设，并强调在快速城市化地区制定适应策略时需区分一般城市湿润化与短历时致灾降水变化。