一次暴雪过程前后近地层物理量场特征分析

王林，覃军，2，陈正洪

(1.中国地质大学大气物理与大气环境研究所，湖北武汉430074;2.中国气象局气候研究开放实验室，北京100081;3.武汉区域气候中心，湖北武汉430074)

0 引言

2008年1月12日—2月3日期间，湖北省共出现4次(1月11—15日、18—21日、25—28日、1月30日—2月1日)大范围低温雨雪天气过程，由于雨雪量大、积雪深度深、低温冰冻持续时间长，对农业、交通、电力、通讯以及日常生活造成了严重影响(陈正洪等，2008;李兰等，2009)。黄石4场降雪过程中，18—21日暴雪强度最大，总降雪量达到33.4 mm，为近10 a之最。

在以往对大气近地层灾害天气过程的风场和湍流特征的研究工作上，胡泽勇等(2002)利用超声湍流观测系统分析发现，我国西北地区一场沙尘暴过境时，地面风向调整后风速加大的同时伴有很强的上升气流，过境前后地表能量平衡关系遭到破坏。章小平等(1987)分析了北京地区一次强雷暴密度流的湍流谱特征，发现风暴密度流过境时地面气压、风向、风速和温度场发生剧烈变化，并出现强烈的阵风浪涌和垂直运动。张光智等(2005)采用铁塔上布设的风梯度观测资料及超声风温仪观测资料指出，北京及周边一次罕见大雾在起雾前10 h，边界层低层扰动动能有强的异常信号出现。由于铁塔梯度观测资料和超声风温仪资料十分有限，对暴雪、大雾、沙尘暴等灾害性天气，尤其是几十年一遇的暴雪灾害的近地层气象要素变化和大气湍流特征的认识仍很不够。

本文选取了湖北黄石2008年1月18—21日的暴雪过程，利用长江边铁塔30 m处的风梯度观测资料，分析了降雪过程平均风向和风速的变化及同层超声风温仪记录的降雪前后近地层风速和湍流通量、湍流动能及湍流强度的演变，以期为进一步认识暴雪近地层物理过程提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源与观测环境

本文的观测资料源于鄂东长江公路大桥南岸铁塔30 m高度的风向风速仪和超声风温仪。观测铁塔高50 m，位于长江南岸江滩，距老黄石长江大桥约790 m，距南岸江堤约180 m，距黄石气象站2～3 km。铁塔南边50 m以外有一低于10 m的废弃修船厂，北方约260 m处为在建的南岸桥墩，其他地方为平坦江滩和开阔水面地貌(图1)。铁塔每10 m布设一层ZQZ－TF型测风自动气象观测站并在30 m处安放了超声风温仪(美国R.M.Young公司生产的CR8100型，每秒10次观测采样)。黄石气象站提供了逐12 h降雪量资料。

图1 黄石鄂东长江公路大桥测风铁塔位置示意图Fig.1 The location of the observation to wern ear Huangshi Bridge

1.2 资料预处理

湍流特征值对超声风温仪所处下垫面环境条件与气象条件要求较高(徐自为等，2008)。以往的研究中都直接剔去了观测时段中天气剧烈变化的观测值(庞加斌等，2002;宋丽莉等，2005;王介民等，2007)，没有重视降雪前湍流特征的研究。本文剔除了降雪过程超声风观测数据，且对其记录降雪前30 min内的数据也不予采用(降雪始于18日09:20)，分析降雪发生前30 min以前以及降雪后的近地层风场和湍流特征。

本文用方差检验(Vickers and Mahrt，1997)方法，取n值为4，以30 min为移动窗口对降雪前16日20:00—18日08:50(北京时间，下同)及降雪后21日20:00—23日20:00两场观测时段的超声风原始数据进行野点值检验。进行野点值剔除检验(郭建侠等，2007)，检验判据为|xi－x|≥n×σx(3≤n≤6)。其中:xi是测量值(u(t)、v(t)、w(t));x是30 min均值;σx是样本标准差。经检验，有效资料所占比例大于99.99%。

1.3 计算方法

超声风温仪记录的每小时样本包含的实测三维风速u(t)、v(t)、w(t)和虚温t(t)。文中用虚温代替温度值，计算的基本时距取为1 min。

水平平均风速U和风向角φ由下式计算(庞加斌等，2002):

垂直方向与仪器坐标z轴相同，因此垂直平均风速为

平均温度为

将仪器坐标旋转φ角，使仪器所测U与主风向一致。所得坐标x、y、z轴分别代表主导风u(t)、侧风v(t)和垂直风向w(t)(与仪器坐标相同)，则u(t)、v(t)在x、y轴的投影u'(t)为纵向(主风向)脉动风速、v'(t)为横向(侧风向)脉动风速，由下式计算:

垂直脉动风速w'(t)由式(7)给出:

扰动温度t'(t)的计算为:

湍流动能特征kt(t)采用以下公式计算(杨大升等，2000;盛裴轩等，2005):

湍流度反映了风的脉动强度，定义湍流度为1 min时距内的脉动风速标准差与平均速的比值:

其中:σi分别表示风速的标准差。σu=(

在计算通量特征时，u*为摩擦速度:

动量垂直输送特征τzx计算如下:感热湍流通量FH的公式为:

考虑谱隙的影响，以30 min为基本观测时段对铁塔30 m高度处的超声风温仪观测数据做平均，脉动值等于原始观测数据减去30 min平均值(王介民等，1990)，用脉动值计算降雪前近地层的湍流通量、湍流动能及湍流强度。

2 天气形势分析

1月18—21日的暴雪，黄石市的降雪始于18日09:20，21日19:00时止，总降雪量达到33.4 mm，平均气温低于0℃，日照时数为零，19日降雪量为22.1 mm(图2a)，20日积雪深度达到9 cm，降雪过程最低气温为－1.5℃。18—21日500 hPa的平均高度场上乌拉尔山阻塞高压稳定，欧亚中高纬为一槽一脊形势，40°N以南为宽广的平直西风环流，从乌拉尔山阻塞高压前部切断低涡中不断分裂出西风小槽沿青藏高原东传，同时贝加尔湖横槽底部有小槽沿高压脊前的西北气流下滑，带动地面冷空气从华北向南渗透，在此期间，南支槽波动比较活跃;700 hPa西南急流带来大量的暖湿气流，有利于降水的持续和逆温层的形成;850 hPa在湖北与湖南交界处存在切变线，西南暖湿气流持续向华南输送;地面冷空气不断补充南下，冷暖空气交绥，给降雪提供了充沛的动力和热力条件，有利于黄石站降雪的维持(图略)。

3 近地层风场特征分析

3.1 平均场

图2b是风向风速仪每小时记录的平均场在1月18—21日暴雪过程前后的时间演变。发现降雪前平均风向经过明显调整、平均风速增大的现象。降雪前，风向经历了2次明显调整。16日20:00—17日08:00，近地层维持西风和西北风;第一次调整发生在17日08:00—16:00，风向在西风和南风间振荡变化;第二次调整发生在17日22:00—18日05:00，风向先从北风渐变为东南风，迅速转为西北风后调整为东风。第二次调整后，风向在降雪前维持偏东风。降雪初期，风向由东风缓慢调整至北风后迅速转为西风，并在西风和东风间快速振荡。18日23:00至降雪结束，近地层风向进入了偏西风稳定少变的阶段。

图2 暴雪过程降雪量(a)及铁塔30 m处风向和风速变化(b)Fig.2 (a)The precipitation of Huangshi’s snowstorm process and(b)the direction and speed of the wind during the storm at 30 m height on the observation tower

平均风速对平均风向有较好的响应。在风向调整的第一阶段，风速微弱，接近静风。风向调整的第二阶段，风速有阶段性增大趋势，伴随东西风向的快速转变，风速迅速增至峰值。降雪初期，伴随风向转变，风速大幅度减弱。待风向稳定，风速维持1.5～3.9 m/s的波动。降雪前后风速都有峰值出现。

3.2 水平风速与垂直风速

超声风温仪计算10 min平均水平和垂直风速显示(图3)，降雪前16日20:00—18日08:50及降雪后21日20:00—23日20:00垂直风速数值呈上升趋势，水平风速均出现峰值，对上述平均风向有较好响应。风向调整的第一阶段，水平风速和垂直风速均较小;风向调整的第二阶段，水平风速阶梯性增大，在风向稳定为东风后，06:30达到最大值5.59 m/s。垂直风速与水平风速在时间演变上有较好的一致性。伴随着水平风速的阶梯性增大，也经历了两次峰值的阶梯性增大。21日降雪后，水平风速和垂直风速缓慢增大，均值明显低于降雪前。超声风计算的水平、垂直风速与平均风向风速仪记录的平均风速的变化一致。

图3 暴雪前(a)、后(b)铁塔30 m处10 min平均的水平与垂直风速变化(细实线表示趋势变化)Fig.3 (a)Before and(b)after the snowstorm 10 min－average horizontal and vertical wind speed at 30 m height on Huangshi observation tower(Fine solid line indicates the trend change)

4 近地层湍流特征分析

清晨或傍晚，大气边界层近中型层结，夜间层结稳定，湍流交换微弱，很多学者排除了摩擦速度U*＜0.1 m/s的观测数据(Högström，1988)。本文计算了上述两场观测时段的摩擦速度，发现正午和傍晚的数值较大，在0.5～1.2 m/s，夜间极少低于0.1 m/s，临近暴雪的摩擦速度达到1.3 m/s。可以说，暴雪前近地层的湍流交换活动比较强。

4.1 湍流通量

考虑到大气中水平方向的湍流通量比垂直方向的湍流通量小得多，可以略去，文章为方便起见，只计算降雪前后湍流的动量通量和感热通量。

图4 暴雪前(a)、后(b)铁塔30 m处10 min平均湍流动量和感热通量的时间变化Fig.4 (a)Before and(b)after the snowstorm time series of 10 min－average flux of momentum and heat at 30 m height on Huangshi observation tower

如图4所示，湍流动量通量的输送在降雪前较活跃。18日05:30—08:30，动量通量小于零，向下传递。21日降雪后，湍流动量通量的交换减弱。对于湍流感热通量，从降雪前16、17日的日变化看，感热通量的峰值出现在正午，将热通量向上输送。降雪前，18日04:50—08:50，垂直风速的变化表明近地层有较强的上升运动，感热通量出现较强的向上层输送状态。21日降雪结束后，湍流感热通量迅速减小。

4.2 湍流动能

降雪前16日20:00—18日08:50及降雪后21日20:00—23日20:00的近地层10 min平均湍流动能(kt)时间变化(图5)表明，降雪前后湍流动能明显增大，时间演变与水平风速一致。降雪临近，18日00:20，kt达到8.32 m2/s2，减小后于18日清晨06:40迅速达到最大值15.85 m2/s2。降雪结束后也出现2次峰值，21日21:00 kt达到6.93 m2/s2的次峰值，22日11:40—11:50，kt从3.94 m2/s2迅速增至8.45 m2/s2的峰值，后缓慢减弱，均值低于降雪前。

4.3 湍流强度

图6是降雪前16日20:00—18日08:50以及降雪后21日20:00—23日20:00的近地层10 min平均湍流强度(Iu和Iv分别是水平湍流强度，Iw是垂直湍流强度)的时程曲线。17日09:30—16:30，Iu在0.12～0.27之间快速振荡，Iv和Iw出现明显的4次峰值，以90～120 min的时间间隔逐渐减弱，Iv的峰值在数值上略大于Iw，大于Iu。16:30后至降雪前，湍流强度均在0.05～0.25间平稳变化。降雪后，湍流强度均值较降雪前小，在0.15附近平稳振荡。Iu的峰值较降雪前高，出现时间较Iv和Iw晚。

由表1可以看出，2008年1月18—21日这场暴雪过程，近地层物理量场发生了明显变化。降雪前水平风速及垂直风速显著增大，降雪后仍有增大，水平风速的锋值分别出现在降雪前的160 min及降雪后的960 min，垂直风速与水平风速有较好的一致性。湍流动能在降雪前的160 min和降雪后的960 min达到峰值。湍流强度最大值的出现在降雪前后均比湍流动能早。

图5 暴雪前(a)、后(b)铁塔30 m处10 min平均湍流动能的时间变化(细实线表示趋势变化)Fig.5 (a)Before and(b)after the snowstorm time series of 10 min－average disturbance kinetic energy at 30 m height on Huangshi observation tower(Fine solid line indicates the trend change)

图6 暴雪前(a)、后(b)铁塔30 m处10 min平均湍流强度的时间变化Fig.6 (a)Before and(b)after the snowstorm time series of 10 min－average turbulence intensity at 30 m height on Huangshi observation tower

表1 暴雪前后统计量最大值及其时滞于降雪过程的时间Table 1 The preceding and lag time of the peak values of statistics in the snowstorm

5 结论与讨论

利用湖北黄石长江岸边铁塔30 m高度风梯度观测资料和超声风温仪观测资料，对2008年1月18—21日的暴雪过程前后近地层风场和湍流特征进行了分析，结果表明:

1)降雪前平均风向变化，平均风速增大。降雪后，风向变化平缓，风速再次出现峰值后缓慢减弱。

2)降雪前湍流活动较降雪后明显。降雪前，湍流动能和湍流强度增至峰值，湍流动量通量向下传递，感热通量向上输送。降雪结束后，湍流动量和感热通量减弱，湍流动能再次增大后缓慢减弱。

后续研究需要更多典型暴雪个例，进一步分析降雪前近地面层湍流速度谱和能量谱在惯性副区的耗散尺度、积雪地表的拖曳系数对近地层风速的影响及湍流感热通量输送与地面温度的关系，为进一步认识暴雪的近地面层发生发展的物理过程提供依据。

致谢:感谢武汉区域气候中心和黄石市气象局在资料观测过程中的大力支持!

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