2019年5月29日，由南京大学地理与海洋科学学院杨龙副教授等完成的题为“城市下垫面对夏季降雨和洪水影响”的研究成果，在线刊登在美国《地球物理快报》（GRL）上，系统阐释了城市扩张对夏季降雨的影响机制。该研究显示，城市扩张对地表环境的改变使得夏季降雨在城市中心及城市下风向显著增强，从而提高了城市地区的洪涝风险，洪峰量级增幅最高可达40%。

城市快速扩张显著改变了地表的水文、水力学特征，影响地表产汇流及洪水过程；另一方面，城市人为表面取代自然表面，而人为表面具有反射率低、热容量大等特性。城市下垫面的热力学属性通过改变地表能量分配及陆气耦合机制直接影响了区域尺度甚至更大空间范围的水文及能量循环特征。

研究人员通过构建耦合城市冠层模型的中尺度气象模式、高精度天气雷达降雨反演等手段，对典型城市的夏季降雨和洪水过程进行了研究。研究发现，城市下垫面对降雨的作用不仅受城市自身的影响，还与降雨发生的天气学背景及城市所在地的地理环境有关。以美国凤凰城为例，城市扩张显著增加了地表粗糙度，季风降雨系统的演进速度在通过城市地区时受到影响，使得季风环流与山谷环流形成对峙，造成暴雨中心极易出现在城市的下风向。对于受冷锋天气系统影响的降雨过程，城市地区的温度和湿度显著高于郊区，为对流活动的发生提高了丰富的不稳定能量，从而提高了降雨在城市中心发生的强度和频次。降雨的时空变异特征又会直接改变区域的洪水情势。通过构建流域水文模型，研究人员估算了降雨时空变异对洪水过程的影响，研究发现流域洪峰量级显著增加，最高增幅可达40%。

该项研究定量解析了城市化及其产生的陆气耦合效应对区域洪水的影响，忽略陆气耦合效应会严重低估城市化引起的洪水量级及频率的变化程度。研究成果强调了从气象水文角度开展工程水文设计的必要性，为城市地区的暴雨洪涝防治提供了理论和技术支撑。

(a) 城市扩张对累积降雨的影响（单位: mm，城市边界为灰色显示）；（b）和（c）城市降雨对洪水过程的影响（不同颜色代表不同降雨情景）

中科院A类战略性先导科技专项“美丽中国生态文明建设科技工程”为该成果的第一标注项目。

论文信息：Yang, L., Smith, J, Niyogi, D., Urban Impacts on Extreme Monsoon Rainfall and Flooding in Complex Terrain, Geophysical Research Letters, 46 (11), 5918-5927.