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本书介绍了城市暴雨洪水形成机理和预报技术，陆气水热耦合的机理，X波段雷达精细化观测、模拟和预测，以期为科学、合理地防治城市洪涝灾害提供参考和借鉴。

全书以北京市为主要研究对象，系统研究了城市陆气水热耦合特征及城市化对暴雨和洪水的影响规律与机理，构建了城市气象模拟模型、雷达定量降雨估算模型、降雨临近预报模型和城市雨洪模拟模型，并介绍了上述模型系统典型的应用情况。

本书可作为城市气象水文、城市规划和洪水管理、气候变化等相关学科领域专家、学者和研究生的参考用书。

部分　城市水热耦合过程及特征与气象模拟系统

第1章　城市降雨精细尺度变异性特征    3

1.1　城市降雨研究区域与降雨观测数据    3

1.2　城市降雨精细尺度时空变异性    5

1.3　有效捕捉城市降雨精细尺度变异性的观测方案    14

第2章　城市地表能量平衡特征    18

2.1　研究区域与能量观测数据    18

2.2　城市地面能量观测站点的下垫面成分分析    19

2.3　城市地表能量平衡的分量特征    23

第3章　城市人为热时空分布特征    28

3.1　研究区域与人为热计算方法    28

3.2　城市小区尺度下人为热时空分布特征    36

3.3　城市尺度下人为热时空分布特征    43

第4章　改进的城市气象模拟系统WRF­Turban    54

4.1　城市气象模拟系统WRF­Turban简介    54

4.2　基于人居指数的城市人为热模型    57

4.3　强化水文过程的城市陆面耦合过程模型    65

第二部分　城市化对暴雨和洪水的影响规律与机理

第5章　山前平原城市对暴雨和洪水的影响规律与机理    81

5.1　夏季降雨的场次特征    81

5.2　模式设置与验证    84

5.3　城市对暴雨云团空间分布的影响    90

5.4　城市对降雨强度频次和发生条件的影响    96

第6章　湖滨城市对暴雨的影响规律与机理    102

6.1　研究区概况    102

6.2　典型降雨过程    103

6.3　模式设置与验证    112

6.4　湖滨城市对降雨过程的影响机理    118

第7章　人为热排放对夏季降雨的影响规律    125

7.1　人为热排放模式与情景设置    125

7.2　人为热时间异质性对降雨的影响    129

7.3　人为热空间异质性对降雨的影响    134

第8章　城市化对流域洪水的影响规律    138

8.1　城市化流域洪水演变的影响因素    138

8.2　考虑陆气水热耦合反馈的城市化流域洪水演变规律    150

第三部分　城市暴雨和洪水预报模型

第9章　X波段雷达定量估算降雨模型及评价    159

9.1　X波段雷达观测系统    159

9.2　雷达定量估测降雨算法    162

9.3　雷达估测降雨的准确性评价    172

9.4　雷达估测降雨的主要误差项分析    174

9.5　定量估算降雨模型时间采样误差的校正方法    177

第10章　融合天气模式和外推方法的降雨临近预报模型    180

10.1　遥感观测外推方法简介    180

10.2　ARPS三维变分同化及云分析方法    183

10.3　融合方法    191

10.4　降雨事件与模式设置    192

10.5　多种模式的预报效果评价    201

第11章　分布式立体化城市雨洪模拟模型    226

11.1　模型结构    226

11.2　模型数值求解和计算流程    233

11.3　模型测试    235

11.4　模型验证    241

第12章　城市雨洪模型中的人工设施模块    246

12.1　城市立交桥模块    246

12.2　地下建筑物模块    250

12.3　雨洪蓄滞设施模块    252

12.4　城市蓄滞洪区模块    256

第四部分　城市气象和水热模拟技术的应用

第13章　城区气象模拟系统及其应用    261

13.1　热浪天气与城市热岛效应    261

13.2　模式设置与验证    263

13.3　绿化屋顶对微气象和热岛效应的影响    268

13.4　城市发展形态对城市热环境的影响    274

第14章　流域精细化洪涝预报系统及其应用    279

14.1　精细化洪涝管理与洪涝模拟    279

14.2　不同降雨过程的积水状况分析    280

14.3　异常积水原因诊断    285

14.4　泵站排水能力需求分析    289

第15章　海绵校园模拟系统及其应用    291

15.1　情景设置及分析方法    291

15.2　道路对暴雨洪水过程的影响    296

15.3　管网结构概化对暴雨洪水过程的影响    301

15.4　雨水口分布对暴雨洪水过程的影响    306

参考文献    309

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前言

我国正处于城镇化快速发展时期，预计到21世纪中叶，我国城镇化率将超过70%。伴随着快速的城镇化进程，城市范围的暴雨洪涝灾害不断上演，对城市的可持续发展提出了严峻挑战，亟须开展城市暴雨洪水形成机理和预报技术研究，为科学合理防治城市洪涝问题提供科学依据。

  城市暴雨洪水形成是城市陆气水热耦合作用的结果。城镇化作为人类活动对水文循环影响的重要方式，一方面，通过改变下垫面属性，对陆表水文过程产生直接影响；另一方面，通过影响地表能量分配、陆气水热耦合及城市其他环境要素，改变区域的降雨特性，进而对陆表水文过程产生间接影响。因此，城市暴雨洪水机理研究需要综合城市下垫面产汇流、陆气水热耦合、大气环境等过程开展。同时，区别于一般的流域洪水预报，一方面，城市复杂的下垫面具有高度异质性和精细化结构，特别是各种人工设施会显著影响产汇流过程；另一方面，城市防汛管理对暴雨洪水预报的时空精度要求很高。因此，城市暴雨洪水的预报研究需要综合多种先进技术进行精细化观测、模拟和预测。

  本书是对城市暴雨洪水形成机理长期研究积累的成果，由田富强和倪广恒组织撰写并统稿，本书作者指导的多名研究生也参与其中的研究工作。全书共分为4部分，包含15章。部分是城市水热耦合过程及特征与气象模拟系统：城市降雨精细尺度变异性特征、城市地表能量平衡特征、城市人为热时空分布特征、改进的城市气象模拟系统WRF­Turban，此部分内容主要由孙挺、聂琬舒和杨文宇参与完成；第二部分是城市化对暴雨和洪水的影响规律与机理：山前平原城市对暴雨和洪水的影响规律与机理、湖滨城市对暴雨的影响规律与机理、人为热排放对夏季降雨的影响规律、城市化对流域洪水的影响规律，此部分内容主要由杨龙和聂琬舒参与完成；第三部分是城市暴雨和洪水预报模型：X波段雷达定量估算降雨模型及评价、融合天气模式和外推方法的降雨临近预报模型、分布式立体化城市雨洪模拟模型、城市雨洪模型中的人工设施模块，此部分内容主要由杨文宇和潘安君参与完成；第四部分是城市气象和水热模拟技术的应用：城区气象模拟系统及其应用、流域精细化洪涝预报系统及其应用、海绵校园模拟系统及其应用，此部分内容主要由吕恒、潘安君、孙挺和杨龙参与完成。衷心感谢上述研究生为本书所做的贡献！

  本书研究工作得到科学技术部（“大城市暴雨洪水实时预警与合理利用研究”，项目编号2013DFG72270）和国家自然科学基金委员会（“流域水文过程对环境变化响应的模拟与预测”，项目编号51190092）等机构的资助，得到北京市水务局、气象局等部门的大力支持和帮助，在此一并表示感谢！

  由于作者水平所限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

书籍介绍

 本书介绍了城市暴雨洪水形成机理和预报技术，陆气水热耦合的机理，X波段雷达精细化观测、模拟和预测，以期为科学、合理地防治城市洪涝灾害提供参考和借鉴。   全书以北京市为主要研究对象，系统研究了城市陆气水热耦合特征及城市化对暴雨和洪水的影响规律与机理，构建了城市气象模拟模型、雷达定量降雨估算模型、降雨临近预报模型和城市雨洪模拟模型，并介绍了上述模型系统典型的应用情况。   本书可作为城市气象水文、城市规划和洪水管理、气候变化等相关学科领域专家、学者和研究生的参考用书。