顧佳楠，雷小途，趙兵科

(1. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2. 上海市氣象局，上海 200030；3. 中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030)

1 引 言

天氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及其與下墊面之間的通量輸送過(guò)程對(duì)于自身的維持發(fā)展至關(guān)重要。對(duì)于臺(tái)風(fēng)(熱帶氣旋的統(tǒng)稱，下同)來(lái)說(shuō)，感熱、潛熱及動(dòng)量通量的輸送是引起其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生變化的重要原因之一[1-6]。受限于觀測(cè)資料的缺乏，當(dāng)前的臺(tái)風(fēng)中尺度業(yè)務(wù)數(shù)值模式中，通量傳輸這類次網(wǎng)格尺度過(guò)程大多由微物理方案進(jìn)行參數(shù)化處理，預(yù)報(bào)模擬結(jié)果對(duì)參數(shù)化方案的選擇十分敏感。目前，主流模式的參數(shù)化方案主要基于大西洋及沿岸平原地區(qū)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果總結(jié)而出，其在西太平洋及和我國(guó)東南沿海丘陵山地地區(qū)的適用性，尚未被充分驗(yàn)證。因此，針對(duì)西太平洋及登陸臺(tái)風(fēng)的實(shí)際邊界層通量觀測(cè)資料進(jìn)行分析研究，對(duì)臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式模擬與預(yù)報(bào)能力的提升具有重要意義。

近年來(lái)，對(duì)于邊界層內(nèi)的動(dòng)量通量特征分析，已經(jīng)取得了不少進(jìn)展，如發(fā)現(xiàn)在平穩(wěn)天氣狀態(tài)下，動(dòng)量通量具有明顯的單波峰日變化特征[7]等。在臺(tái)風(fēng)這種劇烈的天氣系統(tǒng)影響下，動(dòng)量通量呈現(xiàn)出與平穩(wěn)天氣狀態(tài)下截然不同的特征。孫啟振等[8]運(yùn)用布置于西沙海域的通量觀測(cè)塔的長(zhǎng)年數(shù)據(jù)，分析了季風(fēng)爆發(fā)前后的邊界層通量輸送特征，發(fā)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，都會(huì)帶來(lái)動(dòng)量通量和潛熱通量的大幅增加。對(duì)于登陸后的臺(tái)風(fēng)，李英等[9]通過(guò)數(shù)值模擬研究得出，動(dòng)量通量對(duì)于臺(tái)風(fēng)動(dòng)量耗散與環(huán)流減弱將起到重要作用。除此以外，在臺(tái)風(fēng)這種劇烈的天氣系統(tǒng)影響下，動(dòng)量通量會(huì)顯現(xiàn)出多尺度的特征。彭珍等[10]通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)“珍珠”的分析得出，臺(tái)風(fēng)在其前部激發(fā)出了強(qiáng)烈的中尺度通量輸送過(guò)程。臺(tái)風(fēng)中心附近，邊界層動(dòng)量通量為向下傳輸，以中尺度輸送為主；其他部位則主要為湍流尺度的向上傳輸。此外，還存在一些研究基于其他能引起大風(fēng)的天氣系統(tǒng)來(lái)展開(kāi)，對(duì)過(guò)程中的邊界層動(dòng)量通量進(jìn)行分析。閆俊岳等[11]發(fā)現(xiàn)在南海季風(fēng)爆發(fā)后，導(dǎo)致的強(qiáng)烈天氣變化會(huì)伴隨有季風(fēng)大規(guī)模的中小尺度通量輸送過(guò)程。陳陟等[12]通過(guò)北京325 m 塔的通量觀測(cè)也表明，在背景風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)，湍流輸送占據(jù)主導(dǎo)地位，而當(dāng)其減弱時(shí)，中尺度通量輸送將不可忽視。

通常，臺(tái)風(fēng)在登陸后因下墊面摩擦等因素，系統(tǒng)會(huì)逐漸失去動(dòng)量并減弱。但在大風(fēng)條件下，下墊面的動(dòng)量通量呈現(xiàn)出復(fù)雜的多尺度輸送特征，并最終對(duì)臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生影響。近些年來(lái)大量的數(shù)值模擬研究和觀測(cè)分析也證實(shí)了動(dòng)量通量對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的影響[13-15]。近年來(lái)，對(duì)于臺(tái)風(fēng)動(dòng)量通量相關(guān)的研究主要集中于海上，發(fā)現(xiàn)其邊界層的拖曳系數(shù)隨風(fēng)速增大存在“飽和/拐點(diǎn)風(fēng)速”的現(xiàn)象[16-18]，但陸上(登陸過(guò)程)臺(tái)風(fēng)的邊界層風(fēng)場(chǎng)及動(dòng)量通量具有怎樣的特征，由于客觀觀測(cè)條件的限制，目前相關(guān)方面認(rèn)識(shí)尚不透徹，亟待進(jìn)一步研究。

隨著我國(guó)對(duì)于氣象觀測(cè)的重視，近年來(lái)大量?jī)x器被投入觀測(cè)方向，如渦動(dòng)相關(guān)儀在我國(guó)東南沿海地區(qū)的布設(shè)就已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由于渦動(dòng)相關(guān)儀觀測(cè)資料的高時(shí)間分辨率特性，先是被廣泛運(yùn)用于全球變暖的碳循環(huán)觀測(cè)研究中，在全球范圍內(nèi)構(gòu)建起了“FLUXNET”這一通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[19]，中國(guó)境內(nèi)亦有不少參與此項(xiàng)目數(shù)據(jù)交換的站點(diǎn)。早在1990年，王介民等[20]運(yùn)用渦動(dòng)相關(guān)法，分析了我國(guó)戈壁地區(qū)的水熱特征，觀測(cè)到戈壁地區(qū)白天存在的水汽通量向下輸送的情況。Pilegaard 等[21]在2001 年通過(guò)高頻儀器研究了丹麥沿岸山毛櫸森林的碳收支情況。目前，針對(duì)通量觀測(cè)的分析研究主要基于平穩(wěn)天氣條件下，對(duì)于像臺(tái)風(fēng)這種劇烈的天氣系統(tǒng)，如渦動(dòng)相關(guān)儀等儀器尚未有大規(guī)模的應(yīng)用。

鑒于上述情況，中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所近年來(lái)開(kāi)展了大量針對(duì)臺(tái)風(fēng)的野外觀測(cè)試驗(yàn)，并應(yīng)用渦動(dòng)相關(guān)儀在多次外場(chǎng)觀測(cè)中積累了較豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文主要基于渦動(dòng)相關(guān)儀在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸期間的通量觀測(cè)資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸期間的地面要素和邊界層通量特征進(jìn)行分析，旨在為臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式的通量傳輸過(guò)程的參數(shù)化方案研究提供相應(yīng)的觀測(cè)依據(jù)。

2 觀測(cè)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測(cè)儀器及方法

本文使用的數(shù)據(jù)分別來(lái)自布設(shè)于福建省霞浦市三沙鎮(zhèn)及浙江省溫州市平陽(yáng)縣兩站的共3 臺(tái)渦動(dòng)相關(guān)儀。其中布置于三沙鎮(zhèn)的兩臺(tái)儀器，布設(shè)地點(diǎn)位于丘陵山坡地形，布置地點(diǎn)的地基高度分別為海拔20 m 與40 m。平陽(yáng)縣的一臺(tái)儀器布置地形為低矮丘陵頂，地勢(shì)上西高東低。三者布置地點(diǎn)地面均進(jìn)行了平整，地形都較平坦，符合儀器自身布置的需求。

三臺(tái)儀器自身高度約為2.5 m，儀器的主要部件包括一臺(tái)三維超聲風(fēng)溫儀(SAT)和一臺(tái)高速響應(yīng)紅外氣體分析儀(IRGA)。前者負(fù)責(zé)輸出水平風(fēng)速、垂直速度、超聲虛溫等物理要素，后者負(fù)責(zé)觀測(cè)水汽及二氧化碳密度。通過(guò)協(xié)調(diào)超聲風(fēng)溫儀與氣體分析儀兩部分的數(shù)據(jù)，儀器對(duì)近地層通量有較好的觀測(cè)能力，觀測(cè)期間采取的數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。

圖1 渦動(dòng)相關(guān)儀裝置圖

目前在通量計(jì)算方面，可選的方法眾多，但一般需要附加假設(shè)條件，從而造成誤差。故而本文通量計(jì)算通過(guò)更直接的渦動(dòng)相關(guān)方法進(jìn)行計(jì)算，渦動(dòng)相關(guān)儀即基于利用渦動(dòng)相關(guān)方法進(jìn)行觀測(cè)設(shè)計(jì)。渦動(dòng)相關(guān)方法通過(guò)對(duì)特定物理量在給定時(shí)間內(nèi)(本試驗(yàn)為30 min)取平均，將之分為平均量與脈動(dòng)量的方式，將通量的表達(dá)式改寫(xiě)為：

公式中的τ、H、LE、Fc分別代表動(dòng)量、感熱、潛熱及二氧化碳通量，帶上標(biāo)的物理量為對(duì)應(yīng)物理量的脈動(dòng)量。以動(dòng)量通量為例，速度的脈動(dòng)量由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，空氣密度則是由氣壓、氣溫和水汽濃度通過(guò)儀器自身的設(shè)定公式計(jì)算得出。

本文主要分析了動(dòng)量通量及相關(guān)物理量(主要為摩擦速度)的相關(guān)情況，這里給出兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中u*表征摩擦速度：

2.2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過(guò)程及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

2.2.1 “利奇馬”過(guò)程

本文儀器選定的觀測(cè)對(duì)象為2019 年9 號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，其在登陸前維持了長(zhǎng)時(shí)間的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)，因此登陸時(shí)結(jié)構(gòu)較完整，對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)造成了大范圍的風(fēng)雨天氣。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于2019年8月4日14時(shí)(北京時(shí)間，下同)于菲律賓以東洋面生成，8 月7 日23 時(shí)發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，此后快速沿西北路徑前進(jìn)，于8 月10 日01 時(shí)45 分前后登陸浙江省臺(tái)州市溫嶺地區(qū)，登陸時(shí)級(jí)別為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心附近最大風(fēng)速為16級(jí)(52 m/s)。其登陸前24 h到登陸后12 h的行進(jìn)路徑如圖2a所示。

此次臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，三沙及平陽(yáng)兩地均位于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的影響范圍之內(nèi)，兩站距離臺(tái)風(fēng)中心最近距離分別為186.1 km(三沙)與102.8 km(平陽(yáng))，在臺(tái)風(fēng)登陸前8 h 到臺(tái)風(fēng)登陸后5 h，兩站與臺(tái)風(fēng)中心距離在200 km 以下。本文分析的時(shí)間段取臺(tái)風(fēng)對(duì)兩站影響最大的登陸前后共36 h，即8 月9 日00 時(shí)—10 日12 時(shí)。在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，兩站都處于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”半徑500 km 的影響范圍之內(nèi)，具體情況如圖2所示。較完整地觀測(cè)到了“利奇馬”在登陸前后的地面要素及通量變化特征，有利于不同儀器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

圖2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸期間(9日00時(shí)—10日12時(shí))臺(tái)風(fēng)與站點(diǎn)相關(guān)情況a. 三沙站，平陽(yáng)站位置及“利奇馬”路徑；b. 站點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”相對(duì)位置。

2.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本文采用的數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，由于臺(tái)風(fēng)影響普遍存在降水，特別是平陽(yáng)站在“利奇馬”登陸期間存在大到暴雨級(jí)別的降水，這對(duì)渦動(dòng)相關(guān)儀的觀測(cè)存在一定的影響，因此有必要進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗(yàn)以確認(rèn)數(shù)據(jù)可靠性。

本文使用的渦動(dòng)通量?jī)x數(shù)據(jù)主要包括動(dòng)量通量及與之相關(guān)的物理量，對(duì)于儀器數(shù)據(jù)的具體質(zhì)量控制方法，國(guó)內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。本文主要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了野點(diǎn)檢驗(yàn)，將相鄰兩點(diǎn)數(shù)據(jù)差值高于所處30 min時(shí)間段內(nèi)總體標(biāo)準(zhǔn)差水平4 倍的不連續(xù)(少于5 個(gè))野點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如表1 所示，可看到超聲風(fēng)溫儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受降水影響相對(duì)較小，僅三沙站20 m 平臺(tái)野點(diǎn)數(shù)量較多，但也仍處于可接受的范圍。確認(rèn)數(shù)據(jù)可靠后，本文的數(shù)據(jù)主要經(jīng)由儀器對(duì)應(yīng)的通量處理程序進(jìn)行計(jì)算。

表1 3臺(tái)儀器觀測(cè)期間野點(diǎn)數(shù)量(前值為平均數(shù)，后值為最大值)

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本特征

為了更好地描述臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸前后渦動(dòng)通量?jī)x觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，圖3～圖5 分別給出兩觀測(cè)站在臺(tái)風(fēng)影響中的水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速、氣壓和溫度的儀器實(shí)測(cè)變化情況。

由圖3 可看出，雖然3 臺(tái)儀器觀測(cè)得到的平均水平風(fēng)速存在數(shù)值大小的區(qū)別，但其瞬時(shí)風(fēng)速脈動(dòng)范圍均在對(duì)應(yīng)平均值的4倍以上，說(shuō)明在臺(tái)風(fēng)過(guò)境的時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速的脈動(dòng)量較大。就數(shù)值上來(lái)說(shuō)，三沙站由于距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)，僅在臺(tái)風(fēng)登陸前后和10 日06 時(shí)出現(xiàn)了先上升后下降的峰值結(jié)構(gòu)，其中10 日06 時(shí)處峰值并不明顯，平均風(fēng)速極值在登陸時(shí)達(dá)到了4～5 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速在15 m/s的水平。在距離較近的平陽(yáng)站，峰值則出現(xiàn)在8月9 日18 時(shí)和8 月10 日08 時(shí)左右，兩者的平均風(fēng)速達(dá)到了10 m/s 左右的水平，瞬時(shí)最大值為38 m/s，谷值則出現(xiàn)在10 日00 時(shí)，其在數(shù)值上僅為最大值的一半。對(duì)于風(fēng)向而言，可看出三沙站兩臺(tái)儀器記錄的風(fēng)向轉(zhuǎn)變?cè)谂_(tái)風(fēng)登陸之前就已經(jīng)完成，平陽(yáng)站的風(fēng)向轉(zhuǎn)變則出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸前后，兩者都由原先的西南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|風(fēng)，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約10 h。

圖3 站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向圖 箱線圖中邊界上緣與下緣分別為風(fēng)速75%與25%分位點(diǎn)，實(shí)線兩端為瞬時(shí)值最大值與最小值，點(diǎn)表征對(duì)應(yīng)時(shí)次風(fēng)向。a. 三沙站40 m平臺(tái)；b. 三沙站20 m平臺(tái)；c. 平陽(yáng)站。

在垂直速度方面(圖4)，對(duì)于距離相對(duì)較遠(yuǎn)的三沙站儀器來(lái)說(shuō)，二者的平均垂直速度在數(shù)值上均不十分明顯，在0 值附近波動(dòng)，在登陸時(shí)有明顯的平均垂直風(fēng)速上升并下降的峰值結(jié)構(gòu)，但依舊較微弱。對(duì)于平陽(yáng)站來(lái)說(shuō)，在臺(tái)風(fēng)登陸前的8 h達(dá)到了最大波動(dòng)范圍，數(shù)值在±2 m/s的水平上，其后脈動(dòng)值迅速收窄，整個(gè)過(guò)程中平均垂直風(fēng)速變化范圍不大，在0 值附近波動(dòng)，在10 日臺(tái)風(fēng)登陸后兩地的平均垂直風(fēng)速數(shù)值上都變?yōu)檩^小的負(fù)值，這主要是因?yàn)閮傻卮藭r(shí)均位于外圍雨帶之間的弱值區(qū)導(dǎo)致。

圖4 站點(diǎn)垂直風(fēng)速圖 實(shí)線，箱線圖中邊界表征意義與圖3一致。 a. 三沙站40 m平臺(tái)；b. 三沙站20 m平臺(tái)；c. 平陽(yáng)站。

從溫度的圖像上，可看出三沙站與平陽(yáng)站的3臺(tái)儀器在臺(tái)風(fēng)登陸前后的9 日20 時(shí)—10 日04 時(shí)的數(shù)據(jù)一致性較好，均為先上升后下降再上升的趨勢(shì)。在臺(tái)風(fēng)登陸期間的9 日20 時(shí)—10 日02 時(shí)這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，其溫度出現(xiàn)了7～8 次的溫度數(shù)值振蕩，結(jié)合之前的風(fēng)速數(shù)據(jù)，表明有多個(gè)時(shí)間尺度為數(shù)十分鐘的中尺度系統(tǒng)在此期間經(jīng)過(guò)了觀測(cè)場(chǎng)地并被記錄下來(lái)。氣壓數(shù)據(jù)表明，三沙站過(guò)程中最低氣壓為982 hPa，平陽(yáng)站的儀器則記錄到了951 hPa 的最低氣壓數(shù)據(jù)，說(shuō)明三沙站在整個(gè)臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中始終處于較外圍區(qū)域，平陽(yáng)站則處于相對(duì)來(lái)說(shuō)更靠近臺(tái)風(fēng)中心的位置，兩站的數(shù)據(jù)有較好的比對(duì)參照意義。

圖5 “利奇馬”登陸時(shí)間內(nèi)溫度(a)及氣壓(b)隨時(shí)間變化

3.2 動(dòng)量通量及摩擦速度

對(duì)于動(dòng)量通量和摩擦速度的數(shù)據(jù)，動(dòng)量通量變化趨勢(shì)(圖6a)較一致，主要的峰值均出現(xiàn)在9 日18 時(shí)與10 日02 時(shí)左右，并在10 日08 時(shí)附近另有一個(gè)較弱的峰值，數(shù)值上最大值分別為0.9(三沙站20 m 平臺(tái))、1.2(三沙站40 m 平臺(tái))和2.2 N/m2(平陽(yáng)站)，三者的整體峰值分布時(shí)間基本一致。雖然三沙站的2臺(tái)儀器近似可看做同點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)，在整個(gè)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間，20 m 平臺(tái)儀器測(cè)得的動(dòng)量通量在全時(shí)間段內(nèi)都小于40 m 的平臺(tái)，這歸因于40 m 平臺(tái)儀器布設(shè)位置更高，其垂直方向風(fēng)速脈動(dòng)較低位置平臺(tái)大得多。平陽(yáng)站的高動(dòng)量通量水平則主要應(yīng)當(dāng)歸因于其站點(diǎn)距離臺(tái)風(fēng)中心更近，風(fēng)速較三沙站的2臺(tái)儀器來(lái)說(shuō)量值更高。在圖6b 的摩擦速度圖像上，由于摩擦速度的平方和空氣密度的乘積即為動(dòng)量通量，由于空氣密度在觀測(cè)過(guò)程中變化幅度在10%以下，所以摩擦速度的數(shù)據(jù)分布情況與動(dòng)量通量基本一致。

圖6 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間動(dòng)量通量(a)及摩擦速度(b)隨時(shí)間變化實(shí)心點(diǎn)為三沙40 m平臺(tái)，十字為三沙站20 m平臺(tái)，空心點(diǎn)為平陽(yáng)站。

圖7 則將摩擦速度與平均水平風(fēng)速數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，在10 m/s以下的弱風(fēng)速區(qū)，摩擦速度與水平風(fēng)速存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，平陽(yáng)站這一特征更明顯，其斜率約為0.07，但到了10 m/s 以上的較強(qiáng)風(fēng)速區(qū)域時(shí)，摩擦速度則在1 m/s 上下散亂分布，整體呈現(xiàn)出隨風(fēng)速增大持平甚至于下沉的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象相較于海洋下墊面的同等情況來(lái)說(shuō)，摩擦速度在風(fēng)速小得多的情況下就達(dá)到了極值[13-14]。這是由于陸地下墊面自身摩擦效應(yīng)更強(qiáng)，大量湍流能量被摩擦耗散，表明大風(fēng)條件下的動(dòng)量湍流輸送會(huì)較海洋下墊面弱得多；且同為陸地下墊面，大風(fēng)條件下的動(dòng)量耗散較小風(fēng)速下更快，使登陸后的熱帶氣旋難以維持其強(qiáng)度，風(fēng)速迅速衰減，引起結(jié)構(gòu)的相應(yīng)變化。同時(shí)，三沙站的數(shù)據(jù)斜率較平陽(yáng)站更陡峭，但由于三沙站在“利奇馬”影響過(guò)程中整體風(fēng)速較小，造成這一現(xiàn)象的具體原因有待進(jìn)一步分析。

圖7 摩擦速度隨水平風(fēng)速分布圖

3.3 多尺度分析及比較

由于3 臺(tái)儀器測(cè)得的地面要素和動(dòng)量通量等數(shù)據(jù)存在差別，我們有必要通過(guò)研究以確定其具體差異出現(xiàn)在何處。因此這里對(duì)湍流風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析，并得出對(duì)應(yīng)的能譜分布。

圖8 表征3 臺(tái)儀器順風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向風(fēng)速的能譜分布，表征著水平方向上各尺度系統(tǒng)對(duì)近地層能量的貢獻(xiàn)情況，可看出圖像大致由三個(gè)部分組成，最左側(cè)的大尺度部分頻率范圍在0.000 01 Hz~0.000 50 Hz；中間尺度則為頻率范圍0.000 5～0.003 0 Hz的部分；最右側(cè)的小尺度為頻率范圍在0.003～5.000 Hz 的部分，三者對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度則分別在小時(shí)、分鐘和秒的級(jí)別。

三沙站與平陽(yáng)站的3 臺(tái)儀器記錄的數(shù)據(jù)在能譜貢獻(xiàn)上存在些微的不同，雖然兩者在大尺度區(qū)域與小尺度區(qū)域的峰值出現(xiàn)的位置基本相同，即0.000 2 Hz 與0.06 Hz，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度則分別為5 000 s與16 s。其中，通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，大尺度部分峰值更高，這說(shuō)明在臺(tái)風(fēng)影響期間，在水平方向上，大尺度渦旋在能量貢獻(xiàn)上占主導(dǎo)地位。除了這兩個(gè)明顯的峰值以外，圖像上在中尺度區(qū)域另有一位于0.001 Hz 處的較弱的峰值，對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度約為1 000 s。

就峰值對(duì)應(yīng)的具體頻率而言，三沙站40 m 平臺(tái)的小尺度峰值對(duì)應(yīng)的頻率更高，且在數(shù)值上約為其他兩臺(tái)儀器的兩倍。這說(shuō)明與位于三沙站的儀器相比，平陽(yáng)站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)中湍流尺度貢獻(xiàn)率相對(duì)來(lái)說(shuō)要更大，且有更多的能量聚集于尺度較小的湍渦之中。

對(duì)于區(qū)域峰值大小的比較，三沙站兩臺(tái)儀器均表現(xiàn)出中尺度峰值僅略小于湍流部分的峰值的情況，數(shù)值上量級(jí)一致。在平穩(wěn)天氣下，這一部分通常并不存在如此高貢獻(xiàn)率的湍流能量。對(duì)于這一現(xiàn)象，一方面是由于三沙站兩臺(tái)儀器在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響的時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速平均量漲落較小，導(dǎo)致的大尺度部分貢獻(xiàn)較??；但同時(shí)也說(shuō)明在臺(tái)風(fēng)天氣下，特別是在近地層內(nèi)，在天氣系統(tǒng)與下墊面的雙重作用的情況下，中尺度對(duì)流系統(tǒng)及湍渦尺度的能量貢獻(xiàn)將不可忽視。

在平陽(yáng)站，由于觀測(cè)到的平均水平風(fēng)速較高且變化較劇烈，其大尺度部分能量貢獻(xiàn)比重明顯較三沙站高，與中尺度和湍流尺度相比有量級(jí)上的差別。在中尺度部分，其最大值與湍流尺度峰值數(shù)值上基本處于同一水平，貢獻(xiàn)率較三沙站數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)更高一些，這進(jìn)一步說(shuō)明臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)下中尺度對(duì)流系統(tǒng)十分活躍，這與之前對(duì)于臺(tái)風(fēng)“珍珠”的研究結(jié)果相一致[10]。

垂直方向上，由于三站點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響過(guò)程中，平均值基本在0 值附近波動(dòng)，導(dǎo)致垂直方向大尺度部分貢獻(xiàn)，如圖上表現(xiàn)出的，均十分微弱。主要的能量貢獻(xiàn)則來(lái)自于湍流部分。其中就峰值出現(xiàn)的位置來(lái)看，平陽(yáng)站峰值對(duì)應(yīng)的頻率最高，數(shù)值上也較三沙站大。這與風(fēng)速數(shù)據(jù)上，更靠近臺(tái)風(fēng)中心的平陽(yáng)站瞬時(shí)垂直運(yùn)動(dòng)波動(dòng)較三沙站同類型儀器更明顯有關(guān)，與上文分析基本一致，瞬時(shí)風(fēng)速波動(dòng)明顯也說(shuō)明存在大量時(shí)間尺度更短的湍流運(yùn)動(dòng)存在，這與圖像上平陽(yáng)站峰值出現(xiàn)的頻率更高相一致。三沙站的兩臺(tái)儀器中，湍流尺度貢獻(xiàn)率較平陽(yáng)站數(shù)值上小一些，這主要是由于其距離臺(tái)風(fēng)中心更遠(yuǎn)，垂直運(yùn)動(dòng)波動(dòng)幅度更小有關(guān)。

圖8 順風(fēng)向(1)及側(cè)風(fēng)向(2)能譜密度分布 a. 三沙站40 m平臺(tái)；b. 三沙站20 m平臺(tái)；c. 平陽(yáng)站。

圖9 垂直方向能譜密度分布 a. 三沙站40 m平臺(tái)；b. 三沙站20 m平臺(tái)；c. 平陽(yáng)站。

4 結(jié)論與展望

在臺(tái)風(fēng)影響下，下墊面通過(guò)諸如通量等物理要素相互影響，對(duì)臺(tái)風(fēng)自身強(qiáng)度、路徑和結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響。受制于臺(tái)風(fēng)條件下開(kāi)展野外觀測(cè)的困難性，以往的研究中缺少實(shí)測(cè)資料佐證。渦動(dòng)相關(guān)儀由于其高時(shí)間分辨率的特性，近年來(lái)在我國(guó)已有廣泛的布設(shè)，但較少有人將其應(yīng)用到臺(tái)風(fēng)天氣的研究中。本文主要通過(guò)分析臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸期間位于平陽(yáng)站與三沙站的3 臺(tái)渦動(dòng)相關(guān)儀的相關(guān)數(shù)據(jù)，就臺(tái)風(fēng)邊界層動(dòng)量通量及相關(guān)物理量進(jìn)行了初步分析，主要結(jié)論如下。

(1) 通過(guò)渦動(dòng)相關(guān)儀的數(shù)據(jù)，在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸前后，在其影響的時(shí)間段內(nèi)，近地層的水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速、氣壓和溫度等要素等都發(fā)生了迅速且劇烈的變化。兩站觀測(cè)到的風(fēng)速平均值雖然不高，但風(fēng)速脈動(dòng)明顯。且在登陸前后，相關(guān)物理量如溫度的數(shù)據(jù)上有劇烈的振蕩。

(2) 觀測(cè)期間，動(dòng)量通量在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響過(guò)程中，數(shù)值上基本為三峰型的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)在9 日18 時(shí)、10 日02 時(shí)、10 日08 時(shí)三個(gè)時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的峰值分別為0.9 N/m2、1.2 N/m2和2.2 N/m2。摩擦速度隨時(shí)間變化與動(dòng)量通量趨勢(shì)基本一致。在其與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)中，10 m/s 以下的低風(fēng)速區(qū)內(nèi)，摩擦速度與風(fēng)速成正比關(guān)系，斜率約為0.07，但在中高風(fēng)速(10 m/s以上)的情況下，摩擦速度隨風(fēng)速的變化逐漸變?yōu)槌制剑踔岭S著風(fēng)速的增加開(kāi)始有所回落。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要是由于陸地下墊面相較于海洋下墊面，摩擦效應(yīng)更強(qiáng)。

(3) 由通量?jī)x數(shù)據(jù)能譜分析可得，順風(fēng)與側(cè)風(fēng)向的能譜分布基本一致，主要的峰值大致出現(xiàn)在0.000 2 Hz 和0.06 Hz 的位置上，兩者之外另有一位于0.001 Hz 處的較弱峰值，表征存在較強(qiáng)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。在平陽(yáng)站的圖像上，中尺度貢獻(xiàn)與湍流部分峰值量級(jí)基本相當(dāng)。垂直部分圖像上，由于儀器記錄的垂直風(fēng)速較弱，僅在時(shí)間尺度在數(shù)秒的渦旋尺度處存在單一峰值。

需要指出的是，本文僅采用了1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”一個(gè)個(gè)例，且參與分析的儀器在臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中主要位于臺(tái)風(fēng)左半側(cè)，距離臺(tái)風(fēng)中心并不近。因此本文所得結(jié)論會(huì)存在一定局限，需要進(jìn)一步研究以增強(qiáng)結(jié)論的可靠性。