佐治亚州亚特兰大附近的时空降雨模式以及与城市土地覆盖的可能关系外文翻译资料

 2022-04-27 08:04

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佐治亚州亚特兰大附近的时空降雨模式以及与城市土地覆盖的可能关系

乔丹麦克劳德，马歇尔谢泼德Charles，查尔斯E.康拉德二世

东南地区气候中心，美国北卡罗来纳州教堂山大学

文章历史：

2016年11月14日收到

2017年2月20日修改后收到

2017年3月30日接受

关键词：城市化 雨量 极端降水 亚特兰大 城市热岛

摘要：考察平均和极端降水的时空模式，环绕佐治亚州亚特兰大市使用多传感器沉淀Es-timates（MPE）和ERA-Interim再分析数据集。该分析跨越了2002年至2015年的时间，并且采用了一个以亚特兰大市中心为中心的9格栅格框架工作。在日降水量统计上显着的异常，被发现在亚特兰大的上下风向（主要从东到东北）。降水异常的模式在傍晚最为明显，一天中的几个小时，并假设与该演变有关，皮肤或表面城市热岛（UHI），而不是冠层UHI。该研究正式提出了“流动状态依赖型”下风异常区域。与以前的研究结果一样，该研究表明，下风异常区域可能随着主导风力状态的变化而变化。使用称为湿毫米波日（WMD）的度量标准，该研究还发现极端降雨倾向于在极端合乎逻辑的顺风区亚特兰大。这项工作建立在以前的研究结果的基础上，同时采用不同的数据集来提供与“城市降雨效应”的时间演变和极端降雨模式有关的新颖贡献。

copy;2017 Elsevier B.V.保留所有权利。

  1. 介绍和推导

就频率和强度而言，降雨量可以在空间上，时间上和季节上变化。 与相关的洪水，相关的重大灾害性事件越来越多地成为社会和地球物理系统（Shepherd等，2011; Andersen和Shepherd，2013）。 由于气候系统变暖，预计会出现更频繁和更剧烈的极端水文气候事件（DeGaetano，2009; Hirsch和Archfield，2015; Powell和Keim，2015; NAS，2016）。 例如，在2016年，路易斯安那州，德克萨斯州，西弗吉尼亚州和玛丽岛发生了严重的洪涝灾害，这引发了关于洪涝和气候变化之间联系的讨论（Van der Weil等，2017; NAS，2016）。

通讯作者：格鲁吉亚大学地理系/大气科学计划室，GG大楼2003室，

雅典，GA 30602，美国。

电子邮件地址：marshgeo@uga.edu（M. Shepherd）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.uclim.2017.03.004

2212-0955 /copy;2017 Elsevier B.V.保留所有权利。

然而，内部大气变率（即天气）也是降水量变化的重要驱动因素。在主要模型中，关于美国东部地区的重新沉降包括切断低点（Shepherd等，2011），热带气旋（Schumacher和Johnson，2006; Shepherd，2012），正面和阻塞系统（Gamble和Meentemeyer，1997; Srock和Bosart，2009年），温暖的海洋对流（Mote et al。，2007; Handand Shepherd，2009）和大气河流（Mahoney et al。，2016）。

一些研究已经确定了与极端降水有关的关键预测变量（Maddox等，1979; Doswell等，1996; Konrad，1997; Schroederet等，2016）.Konrad（1997）

并且与东南部的极端降水有关。使用聚类分析，他发现以下变量与所有五种类型有关：可降水量（PW），700 hPa混合比，850 hPa暖平流和K指数（即基于经过速率和垂直方向的雷暴潜力测量值低层大气中水分含量的程度）。 一些变量（500 hPa PVA，BL收敛和200 hPa散度）是天气类型依赖性的。 施罗德等人。 （2016）注意到了PW和暖云深度（即提升凝结水平（LCL）和-10°C水平之间的层）的作用。

即使在非山区，相对均匀的自然地理区域内，控制降水季节性和强度的水文气象过程也可能表现出相当大的区域内变率。 在皮埃蒙特大西洋大都会区（即从亚特兰大到夏洛特的城市化走廊），洪水呈现双峰型季节性（Lecce，2000a，2000b; Gamble，1997; Gamble and Meentemeyer，1997）。在夏季和初秋，洪水倾向于由雷暴和热带气旋产生，流量计分析表明，雷暴产生的洪水在盆地中占主导地位，但相对于亚特兰大冬/春季洪水频率的夏季/秋季洪水频率大于夏洛特夏季/秋季洪水的相对频率（Lecce，2000a，2000b; Gamble，1997; Gamble和Meentemeyer，1997年）。

一个越来越被人理解的因素是城市化，郊区化和城市化的作用水文气象过程中的非正式化。 随着社会不断城市化（Burian和Shepherd，2005; Shepherd等，2013; Ashley等，2014），降水变率的并列，极端事件，社会影响增加。 根据国家气象局（NWS，2015），目前有洪水这是美国第二个致命的和第三个最耗费天气的危险。 估计表明美国洪水灾害超过3000起，财产损失超过2700亿美元1980年至2014年期间（美国国家气象局，2015年）。 阿什利和阿什利（2008）发现，58％的与天气有关的死亡可归因于急速洪水。

    1. 亚特兰大城市降雨研究背景

Horton（1921）的文献表明，城市地区改变降水和对流活动。下一代调查，如METROMEX项目（HuffandChangnon，1973）继续提供城市启动或降雨增强的证据，尽管某些方法学问题由学者提出。 Lowry（1998）提供了这些主要问题的总结。 鉴于所采用的方法，该研究解决了与合法控制，分层方案以及不同天气系统之间的合并效应有关的问题。由于焦点集中在亚特兰大，所以没有必要讨论Lowry关于复制在多个城市地区的担忧，尽管Niyogi等人的其他研究人。 （2017），Ashley等人 （2012）和Shepherd等人 （2002）已经这样做了。

最近的工作（Niyogiet al。，2011; Niyogietal。，2017; Seinoetal。，2016）继续提供证据表明城市不透水表面启动或增强了沉淀系统，进一步增加了系统的复杂性。文献（Mitra和Shepherd，2016）相当确定城市环境在某些条件下改变了降水的时空分布。一些研究已经确定亚特兰大降雨中的时空模式（BornsteinandLin，2000; Shepherdetal。，2002; Dixonand Mote，2003; Diem和Mote，2005; Mote等，2007; Ashley等，2012; Haberlie等，2015）。

伯恩斯坦和Lin（2000）所使用的对流模型来模拟城市热岛对亚特兰大和聚体的对流效果。他们的案例研究来自综合项目亚特兰大工作28 J. McLeod et al。美国国家航空航天局在20世纪90年代后期开展的研究城市气候影响的研究（Shepherd et al。，2002）。谢泼德等人。（2002）引入了基于卫星的技术来量化城市降雨模式，这促使该主题更加有趣（SouchandGrimmond，2006）.Dixon和Mote（2003），DiemandMote（2005）和Mote等人。 （2007）记录了亚特兰大暖季降水气候的顺风异常，Ashley等（2012）利用多普勒雷达的能力来检测雷暴增强，他们的结果表明，雷暴频率和强度在较大的附近放大城市，包括亚特兰大。 Haberlie等（2015）研究了从1997年到2013年在亚特兰大附近的对流发生。他们发现孤立的对流在城市下午和晚上开始时，城市的启动更有可能发生在城市下游。这项研究还表明城市气溶胶可能会改变每周的降水气候。然而，城市气溶胶对降水的作用仍然难以捉摸，一些研究表明降雨抑制（Rosenfeld，2000; Diem，2013），其他研究表明降雨或雷电增强（Lacke等，2009;Stallins等，2013）。

文献清楚地表明，亚特兰大周围的降雨分布正在改变。然而，迄今为止，Shepherd等人描述的研究很少研究气候学“城市降雨效应”（2010），从降雨强度，季节性和风速的角度来看。 只有少数研究报告解决了与城市降雨影响相关的盛行风力关系。（2012）发现，大气中等不稳定的环境可能与大多数闪电天和复合反射率有关。 Rose等人 （2008）研究了1995年至2003年的暖季，并观测了主导风向，云对地闪电和降水之间的关系。 Stallins和Rose（2008）总结了城市对雷电的影响以及考虑风向的其他研究。 为了了解知识，研究人员已经研究了作为城市土地覆盖的功能的极端降雨的具体方法。

我们的研究目标有三个：（1）通过计算天气尺度强迫，（2）确定夏季降雨气候学中最可能表现出“城市”信号的时间，以及（3）可能首次确定夏季极端降雨量是如何作为城市环境的函数分布的。 第2节将提供数据的概述和方法。 第3部分将介绍主要结果。 第4部分将把结果综合成一组结论。

  1. 数据和方法

2.1数据

该研究的一个新方面是多传感器降水估计（MPE）数据集的应用.MPE（Seo，1998; Fulton等，1998; Seo等，2010）是一种网格降水产品，它将多普勒雷达来自台站仪表的估计和观测。我们的分析跨越了2002 - 2015年（14年），反映了MPE数据的可用性。时间分辨率是6小时累积（在/ 6小时），但一些分析使用聚合到日常规模（日/日）的数据。空间分辨率大约为4times;4公里。空间和时间分辨率对于评估佐治亚州亚特兰大周围降水的日变化模式是理想的。重要的是要承认与雷达相关的典型不准确性（例如，明亮带）污染，ZR关系，空间覆盖，降水类型和范围问题）和测站（例如风，选址和兼捕）将影响本研究中分析的降水估计值（Smith et al。，1996; Sieck et al。 。，2007; Seo等，2010）。

ERA-Interim再分析数据集（Dee et al。，2011）也用于构建亚特兰大700 hPa的风廓线。该数据集是通过12小时分析窗口的4维变分分析（4D-Var）观测产生的。分辨率为80公里（T255光谱），并延伸至60个垂直等级（表面至0.1 hPa）。本研究中使用的记录期与MPE的记录期相同数据集。时间分辨率为6小时（00Z，06Z，12Z，18Z），空间分辨率为0.5times;0.5°，已经从0.75times;0.75°的自然分辨率下降。虽然700 hPa风气候可能是通过在乔治亚州Peachtree City（KFFC;位于亚特兰大市中心西南约25英里）采集的大气探测资料开发的，但使用再分析资料有几个优点。大气层探测数据每天只收集两次（00Z和12Z），而再分析数据集的每小时6次分辨率可提供更精确的日平均700 hPa风。此外，网格再分析资料可用于计算亚特兰大大都市区700 hPa风场的空间代表性平均值，而探空资料可提供700 hPa风场的基本点定位。

2.2 方法

分析仅限于对流季节的核心，我们将其定义为气象求和（JJA）。 以前的学者（Hand和Shepherd，2009; Mote等，2007）已经指出，在这段时间内，大规模的大气强迫和局部强迫对流活动较少。在考察俄克拉何马城周围的城市降雨效应时，Hand和Shepherd（2009）使用地理框架分析了俄克拉荷马州Mesonet和热带降雨测量任务（TRMM）数据，该地理框架以9个以城市为中心的网格单元。在此，亚特兰大大都市区也采用了类似的框架。该网格集中在亚特兰大市中心，中心MPE像素位于大约33.77°N和84.39°W。 每个网格单元格是9times;9 MPE像素，或大约36times;36公里。 因此，总网格是27times;27 MPE像素，或大约108times;108公里。 总网格的大致地理范围如下：33.23-34.36°N和84.93-83.80°W。

对于极端降雨分析，Shepherd等人首次报道了Wet Millimeter Day（WMD）度量的修改版本。 （2007）被应用。 谢泼德等人。 （2007）使用了28.9毫米的阈值（根据地球上最湿润的地区的日平均降水量）来缓解试图确定给定地理位置的“极端”的不确定性。 然而，以前的研究发现，对于地理（即美国东南部），25.4毫米/天确实是“极端降雨”最低阈值的适当指标（Groisman等，1999; Brooks和Stensrud，2000; Shepherd等，2007; Zolina 等人，2009）。 因此，本研究中WMD定义为25.4 mm /天。

Hand和Shepherd（2009）采用空间天气分类（SSC）数据集（Sheridan，2002）来确定俄克拉何马城地区天气强迫最小的时段，但这种技术在夏季的整个美国东南部地区是无效的，当时大多数日子的特点是停滞不前的热带气团。 基于这个原因，ERA-Interim再分析的700 hPa风气候学是开发用于对夏季亚特兰大地区最常见的风流状况进行分类。谢泼德等人 （2002）指出700 hPa水平可用于定义城市气候学研究中的主流风流。 因此，研究期间的所有夏季都按照700 hPa风的大小和方向分层，以解释天气强迫（或缺乏）对亚特兰大周围降水模式的任何影响。 九个ERA-临时再分析网格单元的中心位于亚特兰大区域（33-34.5°N，83.5-85°W）用于每天和每小时6次（只有18Z-00Z和00Z-06Z阶段）风速气候学研究。九个再分析网格单元的地理区域 几乎与亚特兰大的MPE域相同。 从这个基于再分析的气候学中，确定了以下四类风：1）弱

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