盛夏午后，城市核心区的柏油马路热浪滚滚，气温直逼40℃，而数公里外的城市公园绿荫下却凉爽宜人；一场突如其来的局地暴雨，可能让市中心商务区瞬间积水成河，而周边社区却只飘落零星雨点。这些发生在城市“毛细血管”中的天气差异，正是精准捕捉“城市小气候”难题的真实写照。

如今，这一难题迎来了突破性进展。近期，北京城市气象研究院城市气象重点开放实验室牵头构建了超高分辨率中国城市对流尺度区域气候模式，它如同“城市气候放大镜”，能够以“公里级”精度解析我国城市的区域气候，精准刻画城市内部细微的强对流天气和地表差异，尤其在模拟城市极端暴雨强度和热岛效应方面取得显著进步，为城市制定科学合理的气候适应策略提供了有力支持。围绕这一创新气候模式，记者对北京城市气象研究院城市气象重点开放实验室副研究员裴琳进行了专访。

北京城市气象研究院城市气象重点开放实验室副研究员裴琳
 

中国环境报：您所在的团队牵头构建了“超高分辨率中国城市对流尺度区域气候模式”，能否用通俗易懂的方式介绍下，这种模式是什么？有何创新之处？

裴琳：该模型主要用来研究我国城市区域的气候情况，它就像一个高精度的“城市气候放大镜”，能让我们更清楚地了解城市里的气候情况，特别是那些复杂、小范围的气候现象。

它有两个关键特点：其一，精度很高。该模型的空间分辨率达到3km，意味着它能细致捕捉城市内小范围的强对流天气，还能区分城市不同地表对气候的影响。同时，时间分辨率很高，能提供逐小时数据（指每隔一小时或更短时间采集或更新的数据）。

其二，模拟更准确。模型能更精准地模拟城市里一些独特的气候现象，如极端暴雨强度、城市热岛效应等，比国际现有的主流气候模式更准确。

传统的气候模式大多是全球气候模式，水平分辨率大多在100—300km，最先进的也只有25km。而此模式把水平分辨率提升到了3km，能提供更详细的区域气候变化信息。

而且，传统气候模式没有考虑城市对气候的影响。随着社会快速发展，我国城市化进程加快，城市面积扩大、人为热量释放和污染物排放都会影响区域气候。城市化还会对降水、近地面风、湿度等气象变量产生显著影响。而这些城市化效应很难利用传统气候模式进行描述和分析。此模式加入了城市冠层（地面到建筑物屋顶之间的大气层，主要受建筑物高度、密度、几何形状等城市特征影响）方案，能更准确的模拟城市气候，帮助公众更好地理解城市化对气候的影响。

中国环境报：在构建这样一个面向全国城市的气候模式时，团队面临的最大技术挑战是什么？是如何攻克难关的？

裴琳：团队面临的最大技术挑战是如何优化一套适用于我国城市区域的初始化设置和动力降尺度方案，以达到预期的模拟效果。这是未来城市气候变化预估和城市化机理研究的第一步，也是最关键的一步。例如，如何选择合适的大尺度背景场同化方案及其参数设置，以有效缓解区域气候模式的气候漂移现象（指气候系统在长时间尺度下发生系统性变化的现象）。

为此，我们团队进行大量的批量测试和评估，最终选择了谱逼近方案（即通过数学方法对气候模式中的物理过程进行近似处理，以提高模式的计算效率和模拟精度），并确定多个关键参数设置。这一定制化方案针对目标区域进行了优化，评估结果显示，使用该方案可将模拟偏差减少50%。我们还进行了数十项类似的方案配置测试和评估，最终成功构建了适用于中国城市地区的对流尺度区域气候模式。

中国环境报：这一模式主要运用于哪些场景中？能否举一个生活化例子？

裴琳：基于此模式可开展城市区域气候变化模拟及评估，用于城市未来气候变化预估及城市化区域效应机理研究，还可进一步交叉用于城市风险及灾害管理、城市规划等领域，服务于气候适应性城市建设。

目前，团队正在研制我国城市高时空分辨率气候变化预估数据集。通过该数据集，能够预估北京、上海、广州等大城市在21世纪末的气温变化情况以及面临的极端降水情景。这为城市应急部门提供了科学依据，使其能够提前以更高标准防范和规避未来可能面临的气候风险，对保障城市安全具有重要的实际意义。
 

中国环境报：这一气候模式是否进行过实践验证，其运作效果如何？

裴琳：我们团队用了近5年时间进行参数筛选、优化，经过与中国区域高密度气象自动站对比，验证得到此气候模式能够显著提升城市区域气候模拟效果。

对比目前国际最前沿的欧洲中期天气预报中心开发的第五代全球气候大气再分析数据集（ERA5，25km水平分辨率），此模式的模拟优势主要体现在以下三方面：

在降水频次和强度方面，该模式显著改善了ERA5中小雨频次偏多、极端降水频次偏少的问题。逐日平均改善幅度达40%，逐时平均改善幅度达66%。

在降水日变化（降水在一天中不同时间出现的频率或强度差异）方面，该模式能再现区域差异性降水日变化，而ERA5则无法再现。

在城市热岛时空特征方面，该模式可精细刻画城市热岛形态空间分布，再现观测热岛强度，改善了ERA5对气温热岛强度75%的低估情况。

中国环境报：气候变化加剧了城市面临极端天气的风险（如局地暴雨内涝、高温热浪、强风）。新的气候模式，如何助力建设更智慧、更具韧性的气候适应型城市？

裴琳：研究表明气候变暖仍在持续，未来城市也将面临更严峻的极端天气风险，严重威胁城市安全运行。加强城市气候风险管理，提升城市适应气候变化能力是关键。

近年来，团队开展了城市适应措施（如高反照率屋顶、绿色屋顶、街区绿化等）对我国大城市夏季气温降温效果及其健康效应的评估。

研究得出，城市适应措施能够显著降低城市夏季气温，对日最高气温的冷却效应强于日最低气温。以2022年夏季对我国37个城市的对流尺度模拟试验为例，高反照率屋顶（高反射率材料建造的屋顶，如使用浅色涂料、铝板等）可使日均降温0.4℃、绿色屋顶日均降温0.3℃、城市绿化日均降温0.2℃，而全面的适应措施可日均降温0.6℃。

同时，城市适应措施能够大幅度减少城市夏季极端高温小时数。以37个城市的平均情况来看，高反照率屋顶可减少极端高温67小时、绿色屋顶可减少47小时、城市绿化减少22小时，而全面适应措施可减少88小时。

不仅如此，城市适应措施还可有效降低人口聚集大城市的热暴露风险。如上海降低30.3亿人·小时（计算方式为极端高温减少小时数×城市人口）、广州降低28.9亿人·小时、北京降低26.7亿人·小时、深圳降低11.7亿人·小时。

不同适应措施在不同城市的冷却效应有显著差异，这进一步强调了针对具体城市开展区域气候效应评估的必要性。该气候模式为城市制定科学合理的气候适应策略提供了有力支持，助力城市在面对气候变化挑战时更具韧性，推动气候适应型城市的建设。
 

中国环境报：构建超高分辨率中国城市对流尺度区域气候模式，有什么重要意义？

裴琳：该模式系统可帮助我们更好地预估未来城市极端天气气候事件（如极端降水、复合极端事件等）变化特征，有助于深入了解我国城市极端降水的演变规律，为城市高质量发展提供坚实保障，进而推动我国城市适应气候变化的决策实施。还进一步为各城市开展降温措施的优选提供参考依据，为城市气候变化适应、韧性城市建设及城市风险管理等方面政策制定提供科学支撑。

中国环境报：您希望这个模式体系发展到什么水平？您心目中理想的“气候适应型智慧城市”在气象科技支撑下是什么样子，请您畅想下？

裴琳：目前，我们构建的气候模拟系统是基于动力模式的。虽然其模拟性能得到大幅提升，但需要大量计算和存储资源。目前，我们只完成了一套驱动场的高分辨率城市区域气候模拟，这对全面预估城市地区未来气候来说是不够的。因为，不同气候模式对区域气候模拟结果存在很大不确定性，这些变率还会进一步影响局地城市气候的反馈过程。

国际上已有研究利用人工智能等算法，构建驱动场气象变量—城市气温的统计学模型，并将其应用于多个全球气候模式，实现多模式集合的全球城市未来气温变化预估。这种混合降尺度方法既避免了大量的区域气候模式集合模拟，又实现对所有全球模式模拟结果的降尺度。通过足够数量的降尺度结果，可以给出未来区域气候变化的最优预估。

我们团队也在积极探索、学习相关方法，以实现多气候情景、多模式集合的中国城市超高时空分辨率的区域气候模拟及预估。

“气候适应型智慧城市”不应只是科学家和气象部门主导贡献的，我们更期待公众能够有效参与，整个社会齐心协力推动我们的城市更加美好。