城市环境位于社会、文化和经济活动的结合点，城市化是人类活动改变土地利用/覆盖的最典型例子之一，城市与自然下垫面生物物理特征的巨大差异显著影响区域气候和极端天气。全球气象观测网迅速扩张、物理气候学基础理论研究的进展、卫星遥感和高性能计算技术的应用，都极大推进了城市区域气候和极端天气的研究进程。另一方面，全球变暖影响极端天气事件发生频率和变率增大，而城市化进程随着经济发展加快，城市环境极易受到极端水文气象事件影响，例如2021年郑州市和纽约都遭受数百人死亡的毁灭性城市洪水。因此，理解和预测城市化对区域气候和极端天气的影响，既重要又紧迫。

　　美国能源部西北太平洋国家实验室Lab Fellow钱云博士带领国际合作团队撰写的这篇综述，从过去100多年500多篇文献中，详细总结研究现状，列出在城市化影响的物理机制、综合观测、数值模拟以及分析工具诸方面仍存在的很多未知和挑战，并就未来的研究重点和方向提出建议。

大气所主办SCI期刊《大气科学进展》2022年第6期封面：城市下垫面具有特殊的生物物理和热力学特征，也是人为热源和污染物排放比较集中的地方。城市化不仅影响温度产生城市热岛效应，也影响大气湿度，风场，边界层结构，云的形成，污染物扩散，暴雨和降水。

　　综述首先介绍基于观测和数值模拟检验城市化影响的数据集和方法。

　　观测：对城市地区及其周边地区的观测的比较分析，能够得到城市对当地气候影响的观测数据集。城市化影响的最古老也是最广泛的研究是城市热岛（UHI）效应，即城市比周围环境更温暖，这是人类活动导致气候变化的最明显例子之一，有多方面影响，比如城市地区植物开花更早、采暖需求更低、制冷需求更高、光化学反应速率的增加导致城市中更易出现烟雾等。以UHI的观测为例：UHI效应可通过直接观测（温度传感器）和遥感观测（雷达、卫星、飞机等传感器）获得环境空气温度数据集。除了UHI效应，城市地区湿度或水汽含量的变化也会造成城市干岛（UDI）效应。它的观测，类似也有直接观测（雨量计）和遥感。受目前用于监测降水的卫星时空分辨率不够精细的影响，资料无法精准分离城市密度及非均匀性，但仍有助于区分城市上风和下风区域的降水分布。此外，城市热岛可分为冠层城市热岛（CUHI）、地表城市热岛（SUHI）、边界层城市热岛和地下城市热岛这四类。对应其各自不同的空间特征和物理特性，依靠地面气象观测（自动气象站等）、雷达气象观测（天气雷达）、城市边界层观测（风廓线雷达、铁塔气象站等）、环境气象观测（大气成分站等）、移动气象观测（应急监测车、飞机和无人机等）、个人手机和社交媒体，卫星遥感等获得温度、湿度、空气质量等数据。

　　数值模拟：城市影响的空间尺度很广，从几米的城市街谷的湍流涡旋、到几十千米的整个城市热岛环流，时间尺度也可以从几分钟到数小时，这样的多尺度特点，对城市气象中的观测、模拟和应用方案设计都至关重要。在嵌入在区域和中尺度模式的城市模型的研究方面，过去几十年，人们为了研究城市地区，开发出数个基于经验或物理原理的参数化方案的城市气候/天气模型。许多经验的城市参数化方案和简化的城市模型对一些特定城市状况可能有用，但无法完全捕捉基本的城市物理过程，特别是城市化对极端天气和气候的影响。一些研究提出了更复杂的单层城市冠层模型和更先进的多层城市顶篷模型来处理城市表面建筑，但默认使用恒定的建筑物内部温度，不能描述现实城市状况。最近，在对各种重要城市特征及其对气候/天气的相关影响进行更详细的数值模式构建方面取得了一些进展。此外，综述还总结了近年开发的小尺度社区城市模型、全球地球系统模式中的城市模型以及城市空气污染模型的研究现状。

　　基于观测和数值模拟两种研究途径，综述总结了城市化影响区域气候和极端天气的各个领域的科学要点。

　　在城市温度和热浪研究方面：城市和多城市丰富的观测资料量化了几乎所有主要城市的UHI强度，为城市化对温度和热浪影响提供观测证据，供研究者们对UHI强度的决定因素、城市内部温度变化、UHI强度长期变化开展深入研究。气候变化增加了极端高温事件的频率、持续时间、强度和空间范围，数值模拟已被应用到不同时空尺度上的城市温度和UHI强度的复杂相互作用方面，可定量分析城市变暖对极端高温事件的影响程度。此外，数值模拟还可测试增减城市绿化覆盖、改变植被种类等方式对缓解UHI效应的作用。

　　在城市化对风和边界层结构影响方面：近年来研究者基于雷达观测和数值模型，对城市化引起的环流与中尺度和区域尺度环流（如山谷风、海陆风、湖陆风等）之间的相互作用开展研究，强调城市地区风场的多尺度特征和城市化的综合影响。除了对平均风的影响，城市化对局地湍流也有影响，依赖于飞机和声波风速计等观测工具，不仅可以研究城市自身的粗糙度和热效应，也可以研究小区结构形态的响应、街道路网和建筑物的微尺度作用、树木甚至交通车辆的影响等方面。

　　城市化对空气污染和降水的影响非常复杂：通常，密集的城市景观设计是干燥的，不可渗透的地表和相对缺乏的植被覆盖意味着可供蒸发的水分较少，空调、燃料等人类活动使得城市水分增加。城市地区是气溶胶的重要来源，城市化引起的UHI和气溶胶对空气质量产生相反的影响。从数值模拟研究中发现，气候对空气污染和SUHI之间的相互作用有影响。最近，有研究测试了印度北部COVID-19封锁期间气溶胶负荷减少对SUHI强度的影响，发现与地表植被变化的贡献相比，这种影响可以忽略不计。近年来更完备且先进的观测系统和数值模式的开发和应用，在理论和实践上对城市降水效应（URE）都有了更多研究进展，综述总结了与URE密切相关的以下四种主要机制：

　　（1）UHI充当低层热源，驱动城市地区形成低空辐合、高空辐散的穹窿UBL，形成的环流造成城市地区及其下风地区发生大气对流和风场辐合，进而增强降水。但这一机制有待在各种环境条件下进行进一步研究。

　　（2）城市表面粗糙度增加，延缓对流系统移动速度并引起局地辐合，影响降水强度和空间分布。现在仍缺乏表面粗糙度对URE影响的定量化研究。

　　（3）城市景观对已有降水系统的改变，例如城市冠层使得对流系统分裂绕流，在城市两侧和城乡边界周围加强，进而影响降水强度和分布。但很少有降水增减的定量化研究。

　　（4）城市气溶胶对降水的影响方式有两种，一是改变城市辐射平衡，二是基于气溶胶颗粒作为云凝结核对云的形成产生影响。但城市气溶胶对实际降水是抑制还是增强，取决于许多因素，仍存在争议。

　　以上四种城市化影响URE的主要机制，常同时发生，Fig8显示了各自影响及其相互作用。

　　综述总结了存在的问题和挑战，并提出了未来研究重点和方向。

　　虽然在过去几十年中，城市化对区域气候和极端天气影响取得了诸多重大进展，但我们目前对城市物理、水文、生物、化学过程以及与地球系统其他组成部分的相互作用的理解仍非常有限。作者认为，综合观测的不足和数值模拟能力的不确定性是造成当前知识局限性的重要因素，仍存在的问题和挑战主要有以下五个方面：

　　（1）观测的局限性：专注特定城市的观测仍然很少，没有足够精细的时空尺度，没有横跨城市的垂直分布观测，没有长期记录，没有有效选址，没有精准的城市化影响的直接观测变量，等等。虽然全球的几个城市气象站被用作关键站，但它们并没有标准化。

　　（2）数值模拟的不确定性：现有大多模型不包括城市植被及其与建筑物等相互作用，不包括人为热、景观灌溉等城市形态参数，缺失城市过程与人类活动、自然地球系统相互作用等过程；在与中尺度或全球天气/气候模型的耦合方面，需要优化分辨率差异，解决兼容性问题；对城市模型的全面评估因为缺乏有效观测，也存在很大挑战。

　　（3）同在科学界的从事观测和数值模式研发的人员缺乏沟通。

　　（4）科学界与最终用户（利益相关者、政策制定者）之间的沟通有待提高。

　　（5）城市化与社会环境公正的研究缺乏。

　　相应的，综述提出未来研究重点和方向是：

　　（1）建立城市观测的长期综合协调网络；

　　（2）集成、质量控制并公开现有城市数据集；

　　（3）减少对关键城市化过程跨尺度数值模拟以及与天气气候模型耦合带来的不确定性；

　　（4）评估验证大气-城市耦合模拟系统在区域气候和极端天气中的表现；

　　（5）更好理解城市化观测和数值模拟集成；

　　（6）应用更多机器学习和数据同化技术；

　　（7）促进科学家和最终用户之间的联系和协作；

　　（8）加强城市化与社会与环境公正研究。

　　上述研究成果发表于大气所主办SCI 二区期刊Adv. Atmos. Sci.上。

　　论文信息：

　　Qian, Y., and Coauthors, 2022: Urbanization impact on regional climate and extreme weather: Current understanding, uncertainties, and future research directions. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1371-9