JGR-Atmosphere：城市扩张与湖泊萎缩对武汉夏季气候和人体舒适度的影响

近日，长江中游城市群气象生态环境遥感团队硕士生邓湘文、曹茜教授等撰写的论文“Understanding the impact of urban expansion and lake shrinkage on summer climate and human thermal comfort in a land-water mosaic area”发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres期刊，本工作得到国家自然科学基金（41975044）等项目的资助。

近20年，武汉经历了快速的城市化进程，城市扩张侵占了大量耕地和水体。本研究利用WRF模式耦合城市冠层模型和湖泊模型，定量揭示了武汉城市扩展和湖泊萎缩对夏季气候和人体舒适度的影响，主要结论如下：1）2000-2020年间，仅城市扩张导致夏季近地表温度升高0.9℃，水汽混合比减少0.9g/kg；同期，城市扩张伴随湖泊萎缩导致夏季近地表温度升高0.8℃，水汽混合比减少1.6g/kg；2）2000年，水体的存在使建成区日间最高气温减少0.6℃，夜间最低气温增加1.0℃，水汽混合比增加0.9g/kg；3）水体的存在和城市扩张略微缓解了武汉白天的热风险，然而它们极大增加了夜间的热风险。

1 主要研究数据

本研究中使用的主要数据包括土地利用/覆盖数据、NCEP-FNL全球再分析数据、RTG_SST实时全球海表温度数据、气象站点观测数据等。其中，模拟实验所使用的土地利用/覆盖情景数据如图1所示。

图1 土地利用/覆盖情景：（a）L2000即2000年土地利用/覆盖，（b）N2000在L2000的基础上将农田替代水体，（c）L2020年即2020年土地利用/覆盖，（d）N2020在L2000的基础上将农田替代水体

2 主要研究方法

2.1 基于WRF模式的数值模拟方法

本研究采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合单层城市冠层模型和湖泊模型模拟城市扩张和湖泊萎缩对武汉夏季气候和人体舒适度的影响。研究共设置了4组数值实验（表1），分别以L2000、N2000、L2020和N2020土地利用/覆盖情景作为下边界条件（图1）。所有实验的模拟时间从2008年1月1日开始，至2011年1月1日终止。对于每组实验，取2008年至2010年的夏季平均作为分析依据。通过对不同实验情景的模拟结果做差，得到城市景观变化对区域气候的影响。

表1 模拟实验设置

2.2 基于热应激指数的人体舒适度评估方法

本研究使用WRF模式输出的气象要素计算最高温度（Tmax）、热指数（Heat Index, HI）和湿球-黑球温度（Wet Bulb Globe Temperature, WBGT），从而对不同人群的舒适度进行评估。其中，Tmax是中国气象局在高温气象预警系统中使用的热应激指数；HI是人体在不同的湿度环境下对相同气温的感受指数，比单一的温度指标更侧重于对人体代谢影响的考虑；WBGT用于评估在热环境中长时间暴露和/或身体活动而导致的潜在热应激。

3 主要研究结果

3.1 对夏季气候的影响

城市景观变化对武汉夏季气温的影响如图2所示。2000年，水体的存在降低了武汉市建成区近地表最高气温、升高了最低气温（L2000-N2000）；由于湖泊萎缩，水体的存在对夏季气候的影响在2020年明显减弱（L2020-N2020）。在仅考虑城市扩张的情况下，2000至2020年新建城区的平均气温升高1.4至2°C，原有城区的平均气温升高0.4至0.6℃，最终导致武汉市全部建成区域的最高气温升高0.9°C（N2020-N2000）。相比之下，伴随湖泊萎缩的城市扩张使2000至2020年新建城区的平均气温升高1.2°C，原有城区的平均气温升高0.4℃，即武汉市全部区域的最高气温升高0.8°C（L2020-N2020）。

图2 城市景观变化对武汉夏季近地表最大、最小和平均气温（从左到右）的影响

城市景观变化对武汉夏季湿度的影响如图3所示。在仅考虑城市扩张的情况下，武汉市建成区的日间最大水汽混合比大幅减少，峰值可达2.2g/kg（N2020-N2000）。相反，模拟区域的北部则增加了0.3g/kg。伴随湖泊萎缩的城市扩张使2000至2020年新建城区的最大水汽混合比减少了近3g/kg，原有城区的最大水汽混合比减少了0.6至1.0g/kg。白天的干燥效应要大于夜间（L2020-L2000）。总体上，城市扩张和伴随湖泊萎缩的城市扩张分别导致武汉市夏季平均近地表水汽混合比减少0.9g/kg和1.6g/kg。

图3 城市景观变化对武汉夏季近地表最大、最小和平均水汽混合比（从左到右）的影响

城市景观变化对武汉夏季降雨的影响如图4所示。2000年，水体的存在使夏季累积降雨量在建成区周边增加100至300毫米；建成区内的累积降雨量减少，减幅小于200毫米（L2000-N2000）。2020年，降雨量在南部地区（即湖泊所在地区）增加，在其他区域普遍减少100至300毫米（L2020-N2020）。在仅考虑城市扩张的情况下，北部地区夏季降雨量增加了100至300毫米，局部最大增量超过500毫米，而建成区内的降雨量变化很小（N2020-N2000）。城市扩张伴随湖泊萎缩对降雨的影响微弱，这可能是由于城市扩张引起的降雨量增加与湖泊萎缩引起的降雨量减少相互抵消造成的。

图4 城市景观变化对夏季累积降雨量的影响

3.2 对人体舒适度的影响

表2展示了不同热风险水平在三个夏季的发生频次。水体存在和城市扩张略微缓解了白天的热风险，却极大增加了夜间的热风险：2000年，水体的存在使WBGT和HI处于level3 – 5的天数增加了43天和27天；仅城市扩张使WBGT和HI处于level3 – 5的天数分别增加了37天和26天；伴随着湖泊萎缩的城市扩张使WBGT和HI处于level3 – 5的天数分别增加了23天和2天。最高温度对热风险的预警不够及时，湿度变化对WBGT的变化影响更大，而温度变化对HI的影响更强烈。

表2 不同热风险水平在三个夏季的发生频次

4 结论

（1）2000至2020年间，仅城市扩张导致夏季近地表温度升高0.9℃，水汽混合比减少0.9g/kg；同时期下，城市扩张伴随湖泊萎缩导致夏季近地表温度升高0.8℃，水汽混合比减少1.6g/kg。

（2）2000年，水体的存在使建成区日间最高气温减少0.6℃，夜间最低气温增加1.0℃，水汽混合比增加0.9g/kg。由于湖泊萎缩，水体的存在对夏季气候的影响在2020年明显减弱。

（3）水体存在和城市扩张略微缓解了白天的热风险，却极大增加了夜间的热风险。此外，最高温度对热风险的预警不够及时，湿度变化对WBGT的变化影响更大，而温度变化对HI的影响更强烈。

CITATION

Xiangwen Deng, Qian Cao, Lunche Wang, Wei Wang, Shaoqiang Wang, Lizhe Wang, 2022. Understanding the impact of urban expansion and lake shrinkage on summer climate and human thermal comfort in a land-water mosaic area. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036131. https://doi.org/10.1029/2021JD036131

撰稿 | 邓湘文、曹茜

排版 | 王博

审阅 | 王伦澈

微信号｜长江中游城市群气象生态环境遥感

中国地质大学（武汉）

地表过程与可持续发展研究中心

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