城市化对印度海得拉巴城市扩张地区降水系统及降雨微物理过程的影响

《Atmospheric Research》：Impact of urbanization on precipitating systems and rain microphysics across the Hyderabad Urban Sprawl, India

　　

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  在城市影响下，小云滴会经历更多的湍流，并在城市区域内形成较大的雨滴。
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  在印度夏季季风期间，海得拉巴城市扩张区域的降水系统具有大陆性降雨的特征。
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  上游和市中心的降水系统比下游和农村地区更为深厚。

引言

由于气候变化，印度夏季季风（ISM）地区的短时极端水文天气现象正在增加（Saikranthi等人，2024年）。这些事件难以预测，增加了印度城市地区的脆弱性。快速的城市扩张由于人口密度高、不透水材料的广泛使用、土地利用和土地覆盖变化（LULCC）以及人为排放，进一步加剧了前所未有的灾害风险。这些因素共同显著影响了当地天气、降水和气候（Baklanov等人，2018年）。作为世界上人口最多的国家之一，印度也是城市化速度最快的国家之一，其极端水文天气现象也在增加（Saikranthi等人，2024年），尤其是在大城市中（Niyogi等人，2018年）。印度的城市化与短时强降雨事件的增加有关（Kishtawal等人，2010年；Ghosh等人，2012年；Saikranthi等人，2024年），并且洪水风险也在增加（Gupta和Nair，2010年）。与城市扩张相关的LULCC改变了地表粗糙度和辐射特性，从而改变了温度、湿度以及低层大气汇聚等中尺度大气条件（Pielke等人，2011年）。这些局部气象变化影响了城市及其周边地区的降水模式（Yang等人，2021年；Sui等人，2024年）、降雨开始时间和峰值出现时间（Li等人，2020年；Niyogi等人，2020年），以及降雨微物理过程（Smith等人，2009年；Pu等人，2020年；Han等人，2021年；Lee等人，2022年；Luo等人，2020年；Zhang等人，2023年）。

城市热岛（UHI）、气溶胶和城市引起的湍流会影响城市地区的降水系统。UHI在城市中心与周边农村地区之间产生了空间温度差异，形成了局部环流并扰乱了主导的大气流动。多样的城市天际线增加了地表阻力，降低了近地面风速并导致了水平空气汇聚。这种动态上升进一步加强了UHI引起的气温对流，促进了深对流云的发展和增强（Lin等人，2021年）。城市地区中超细的人为气溶胶可以在对流云的干燥空气层下形成临时中性层，最初抑制了对流。随着云的发展，增强的混合相过程加剧了对流，导致城市降水增加（Moraglia和Crippa，2025年）。关于城市化对印度城市地区降水影响的研究有限（Kishtawal等人，2010年；Vittal等人，2013年；Shastri等人，2015年；Paul等人，2018年；Niyogi等人，2018年，Niyogi等人，2020年）。这些研究表明，在印度夏季季风季节，城市效应改变了印度多个大都市的极端降雨气候特征。它们还报告称，城市地区的降雨强度通常高于相邻的农村地区。虽然有一些研究调查了其他地区的城市降雨微物理过程，但没有研究专注于印度。

为了研究城市化对降水的影响，首次在印度海得拉巴大都市部署了一套气象仪器。过去二十年海得拉巴快速的、无限制的城市化（增长了16.5%）导致因极端水文天气事件造成的经济损失增加了三倍（Rangari等人，2021年）。近年来，海得拉巴经历了严重的洪水；例如，2020年10月12日至13日的暴雨导致了324毫米的降雨（Rangari等人，2021年）。特伦甘纳邦政府的报告显示，有超过100人丧生，经济损失约为12.3亿美元。海得拉巴的地形海拔范围从460米到640米不等。1971年至1990年期间，海得拉巴的年平均降雨量为796毫米，而在1991年至2020年的快速城市化阶段增加到了840毫米。海得拉巴年平均降水量和极端事件数量的增加表明了城市化对大气驱动因素的影响，进而影响了降水模式（Niyogi等人，2018年）。进行了一次野外调查，以研究城市化对海得拉巴地区云层和降水的影响。数据在核心站点收集（图1a），包括半干旱热带国际作物研究所（ICRISAT）、海得拉巴的印度气象部门（IMD）气象中心、Anurag大学农业科学学院以及Shadnagar的国家遥感中心（NRSC）。印度夏季季风期间（ISM）850 hPa层的气流情况（图1b）显示，ICRISAT代表上游地区，IMD代表城市中心（市中心），Anurag代表下游地区，NRSC作为参考（农村）地区。

基于科学的对局部降水变化的理解对工业和公众都有重要意义。然而，缺乏可靠的高分辨率观测数据集限制了以往在城市次级尺度上的研究（Soderholm等人，2016年；Yang等人，2016年）。城市化可以在局部和区域尺度上改变降水模式；然而，其影响仍然复杂，尚未完全理解，以往的研究结果各不相同（Song等人，2015年）。印度的降雨微物理观测有限，因此需要提高对城市环境中降水系统特性的理解。这是印度首个此类研究，调查了印度夏季季风季节海得拉巴上游、市中心和下游地区以及附近农村参考站的降水系统和降雨微物理特性。

章节摘录

数据和方法

为了了解城市化对降水的影响，使用了多种数据集。2023年至2025年印度夏季季风期间（6月至9月）收集的Thies CLIMA激光降水监测仪（LPM）的数据用于研究降雨微物理过程。LPM使用波长为780纳米、宽度为20毫米、长度为228毫米、厚度为0.75毫米的激光束来测量下落雨滴的尺寸和下落速度。采样区域（45.6平方厘米）有所不同

研究区域的降水系统特征和大气驱动因素

城市结构和树冠特征的差异导致了降水的空间变化（Paul等人，2018年）。从INSAT-3D在降雨事件期间观测到的出射长波辐射（OLR）的空间分布（通过LPM获得）显示了海得拉巴核心地区的降水系统特征。四个核心站点的时空匹配OLR概率分布函数（PDF）显示，低OLR值的发生率较高

降雨微物理

海得拉巴核心站点之间的降水系统和大气驱动因素的差异导致了雨滴尺寸分布（DSD）的变化。这些变化通过对对流性和层状降雨期间的降雨积分参数进行分析来研究。采用了Testud等人（2001年）提出的高效分类算法：如果至少在连续五个1分钟样本中的某个样本中，降雨率（R）≥10毫米/小时，则将1分钟的降雨样本分类为对流性降雨

讨论

大气成分和城市驱动因素的空间变化影响了云和降水的微物理过程和动力学，进而影响了云滴和雨滴。使用GPM-DPR测量在层状降雨期间研究了降水颗粒的成长和衰减。风暴顶部高度的Z和Dm的中值如下：上游为16.25 dBZ和1.03毫米；市中心为16.49 dBZ和1.04毫米；下游为16.46 dBZ和1.11毫米；农村地区为16.5 dBZ和

总结

通过将海得拉巴的城市扩张区域划分为上游、市中心、下游和农村地区，阐明了城市化对ISM期间降水系统宏观特征和降雨微物理过程的影响。

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  在ISM期间，上游和市中心地区的降水系统比下游和农村地区更为深厚。低层大气中的汇聚、高TCWV和 moderate 垂直风切变为对流灾害的初始形成了有利条件

CRediT作者贡献声明

Basivi Radhakrishna:写作 - 审稿与编辑，撰写 - 原初草稿，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Thota Narayana Rao:写作 - 审稿与编辑，撰写 - 原初草稿，项目管理。Kadiri Saikranthi:写作 - 审稿与编辑，撰写 - 原初草稿，正式分析。Roshan Kadbhane:正式分析，数据管理。

未引用的参考文献

Changnon等人，1971

Choi等人，2013

Ellrod和Knapp，1992

Joe等人，2018

Lee等人，2023

Liang等人，2018

Masson等人，2008

Nakatani等人，2015

Oke等人，1990

Rotach等人，2005

Seto等人，2013

Song等人，2014

利益冲突声明

无。

致谢

作者感谢气象和海洋卫星数据存档中心提供INSAT-3D OLR数据，感谢GPM团队、MODIS团队和哥白尼气候变化服务（C3S）提供ERA5再分析数据，以及印度气象部门（IMD）提供的降雨数据。我们还要感谢三位匿名审稿人的关键性和建设性评论，同时感谢主编Juan Fang博士。

Basivi Radhakrishna|Thota Narayana Rao|Kadiri Saikranthi|Roshan Kadbhane