高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

陈燕 周学东 汪宁 惠品宏 朱焱

(1 江苏省气候中心，南京 210009;2 苏州市气象局，江苏 苏州 215021)

引 言

和自然下垫面相比，城市下垫面复杂，非均匀性更高，陆气之间的物质交换与能量平衡特征被改变，边界层结构也较传统理论中的典型结构更为复杂，这使得城市气候和环境发生变化，研究城市下垫面的湍流特征是理解城市地区地表能量平衡过程的基础[1-3]。

传统的慢响应仪器对非均匀下垫面湍流交换的间接描述偏差较大，基于涡动相关法的三维超声风速仪、红外气体分析仪等快速响应仪器直接测量湍流通量，湍流计算的精确度也大大提高[4-6]。这一方法广泛应用于边界层观测试验中，如国外的Kansas农田实验[7]、HAPEX[8]以及国内的黑河[9]、IMGRASS[10]、白洋淀[11]等大型边界层综合实验，加深了对不同下垫面地气交换过程的认识。胡非等[11]分析河北白洋淀地区水陆不同非均匀下垫面的大气边界层特征，针对其特征设计出可靠的参数化方案。张强等[12]研究发现敦煌地区荒漠戈壁地区的感热通量在热量平衡中所占比例非常大，而潜热通量相比之下重要性就很小。对于复杂下垫面而言，湍流特征的研究相对较少，认识也不全面。王介民等[13]通过国际上典型通量站的特点，认为对复杂条件下湍流通量的观测与分析可以从地形和植被处理以及夜间或弱稳定层结下的通量分析两个方面开展。

这一手段也被用于城市下垫面的研究，例如Bubble[14]计划、BECAPEX[15]科学试验等。城市冠层顶的湍流传输和扩散过程尤其备受重视，因为动量、热量和质量主要在这里交换。ZOU,et al[6、16]发现在城市内，由于建筑物、植被等的影响，城市粗糙度子层中的湍流特征与平坦地形上有所不同。陈继伟等[17]发现城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内，冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大，而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。苗世光等[18]观测发现北京晴天夜间的各季节感热均接近于零， 潜热均大于零;在多云时冬季夜间的感热略大于潜热。王成刚等[19]在南京的观测发现水泥下垫面的潜热通量很小， 感热通量是加热大气的最主要方式，白天感热通量均是正值，夏季夜间水泥下垫面感热通量仍为正值，对大气起加热作用， 而冬季夜间负值， 对大气起冷却作用。城市的快速发展，湍流通量发生变化改变了物质、能量的交换，影响了城市边界层结构，尤其是地表温度分布、近地层风场结构[20-21]。

对如强降水、台风、高温等强天气过程的湍流通量特征研究相对较少，主要是由于观测资料的相对匮乏，以及对典型天气过程中M-O相似理论的运用仍有不确定性。刘辉志等[22]研究发现当冷空气来临时， 北京城市边界层中的感热通量明显增大。宋丽莉等[23]发现台风过程下湍流速度谱在惯性子区不满足Kolomogorov的“-5/3”次律。彭珍等[24]发现在沙尘暴过程中，湍流强度明显减小，47 m高度上动量输送向上,而120 m与280 m高度上动量输送较弱。陶立英等[25]研究表明，当降水过程中的风速与风向变化不大时，湍流谱右移并且湍流能量明显增加。

苏州紧邻长江和太湖，城市内大小湖泊众多，加上城市化程度高、经济发展速度快，城市、水体交织，具有长江流域城市的典型下垫面特征。在全球高温热浪频发的背景下，苏州是江苏高温日数增加最快的城市之一，同时也很容易受到台风的影响。本文利用苏州城市地区2011年12月20日至2012年8月13日的湍流观测资料，筛选典型的高温过程和台风影响过程，分析城市地区湍流通量的季节变化特征，讨论典型天气过程下湍流通量特征。

1 观测试验与研究方法

1.1 湍流观测数据

本文所用数据资料来自苏州市地区涡动相关系统的观测，仪器包括三维超声风速仪CSAT3和水汽使用红外分析仪Li-7500，数据采样频率为10 hz。观测仪器架设于苏州市环境监测中心站业务楼5楼楼顶，距离楼顶约高4.3 m，距离地面约20 m。图1给出了1 km范围内的环境分布，属于典型的城市复杂下垫面环境。根据Oke,et al[26]及刘阳等[27]对城市近地层分层的理论，该观测处于城市粗糙子层内，因此受到局地下垫面的明显影响，能够代表城市冠层内的湍流特征。观测试验时间为2011年12月20日00时(北京时，下同)至2012年8月13日23时，共计238 d，包含冬、春、夏三季。

图1 观测站点周围环境图(红色标注点为观测站点)Fig.1 The surroundings of observation point(read point)

1.2 地面气象资料

地面气象资料主要采用苏州基本气象站2011年12月20日至2012年8月13日同期的气温、降水、相对湿度、气压、风速、风向的逐时观测资料。

1.3 分析方法

以30 min为平均时间，利用涡动相关法[28]计算湍流特征量，结合Vickers，et al[29]的方法去除在一些特定的天气状况，如降水等情况下可能导致仪器在测量水汽出现故障，以及在物理上不合理的野点，并进行二次坐标旋转[30]。基于三维风速、温度、水汽资料和地面气象观测资料，分析不同季节的湍流平均特征和高温、台风典型天气过程的湍流特征。

2 结果与分析

2.1 冬、春、夏三季湍流特征

2012年冬、春、夏三季苏州城市地区的湍流通量日变化如图2所示。动量通量均表现为向下传输并有明显的日变化。城市内建筑物多，地表粗糙度大，近地层的风速垂直变化大，高层向低层传输动量。在大气层结稳定的夜间，动量交换弱，而在正午最强。夏季由于植被茂盛，地面摩擦效应增加，加上热力作用，湍流动量交换明显大于春季和冬季，峰值为0.27 m2·s-2，分别是春季和冬季的1.5倍和2.5倍(图2a)。

图2 冬、春、夏三季湍流通量日平均变化特征：(a)动量通量；(b)感热通量；(c)潜热通量Fig.2 The average diurnal variation of turbulent flux in different seasons： (a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

感热通量在夜间基本接近0，白天随着太阳辐射的增加，地面吸收热量后升温，加热大气，感热通量为正并逐渐增加，正午达到最大，冬、春、夏三季的峰值分别为60.8 W·m-2、136.3 W·m-2与160.2 W·m-2，随着太阳落山，又慢慢恢复到0左右(图2b)。夏季的日照时间长，太阳辐射强，感热通量日平均值约是冬季的3.6倍，春季的1.3倍，并且正值的持续时间更长，对大气加热作用更明显，可以增加夏季夜间城市热岛的强度和持续时间，在北京[18]、南京[19]、榆中[31]也观测到类似的现象。

潜热通量的日变化呈锯齿状振荡(图2c)。冬季潜热通量最小，日平均为7.5 W·m-2；日变化不明显，在14时有一个较弱的峰值为20.5 W·m-2。春季的日变化则明显增多，峰值同样出现在14时，为42.7 W·m-2，日平均值约为冬季的2.5倍。夏季水汽充足，加上有足够的热量用于蒸发蒸腾，潜热通量明显大于冬春两季，日平均为27.1 W·m-2，分别是冬季和春季的3.6和1.4倍；潜热通量在正午前后达到最大，为71.6 W·m-2。对比各个季节的感热通量和潜热通量可以发现，潜热通量日平均值和日振幅均小于感热通量，各季节潜热通量平均值约是感热通量的40%～45%。该比例略低于苗世光等[18]在北京的观测结果，这是因为北京地区的观测位于高塔上处于城市惯性子层内，代表了更大的区域尺度特征；而本文观测位于楼顶的矮塔，更多地体现了局地的城市观测过程。该观测区域建筑物覆盖度较高，因此感热通量偏大。与在半干旱气候下的榆中地区观测对比[31]，则可以发现潜热通量明显小于本结果，主要是由于在城市地表能量平衡中，湍流热通量的分配一方面受到植被覆盖度、水体面积等地表特征的影响，另一方面也受到气候条件的影响[32]。苏州降水更多，植被覆盖度更高，因此潜热通量更大。南京的气候、植被环境和苏州较为接近，苏州冬季和夏季的潜热通量日均值和南京的观测比较接近[19]。

2.2 高温天气过程的湍流特征

苏州地处江苏南部，紧邻上海，当受到副热带高压持续控制时，下沉气流区的干热气流会带来高温天气过程。江苏省1961—2018年近58 a年平均高温日数为8.8 d，由北向南递增，连云港的西连岛站地处北部地区，又位于海岛，很少发生高温，多年平均年高温日数仅为2 d；南部的高淳站高温日数最多，平均每年出现22 d。从图3可以看出，江苏中部和北部地区高温日数的变化趋势多为-1～1 d/(10 a)，而近年来长三角城市群迅速增长，高温日数增加，变化趋势多为1～4 d/(10 a)；并且所有有减少趋势的站点均未通过α=0.05的显著性检验，变化趋势为0～1 d/(10 a)的站点中有78%也没有通过信度检验，当变化趋势增加为1～2 d/(10 a)时，93%的站点通过信度检验，当变化趋势大于2 d/(10 a)，所有站点均通过信度检验。这说明江苏南部的高温事件显著增加，而苏州就在该区域内。苏州多年平均的年高温日数为13 d，虽然高温日数不是最多，但是近年来城市的扩张和人口的增长使得该地区的高温日数显著增加，增加趋势为3.6 d/(10 a)，远高于全省平均的1.4 d/(10 a)，是江苏高温日数增加最快的城市之一。江苏东南区域的苏州、无锡等地近年来高温日数上升趋势明显，其他学者的研究中也有基本一致的结论[33-34]。

图3 江苏高温日数变化(a)；江苏、苏州和高淳高温日数年变化以及高温日数变化线性趋势倾向率(b)(空心圈、实心圈分别表示未通过、通过α=0.05置信度的显著性检验)Fig.3 (a)The trend of high temperature days in Jiangsu; (b)annual high temperature days in Jiangsu， Suzhou and Gaochun and linear trend tendency rate of high temperature day (hollow circle: failure to pass the 95% confidence level of significance test ;solid circle:pass the 95% confidence level of significance test)

2012年，梅雨期持续6 d，梅期明显偏短；梅雨量52.9 mm，比往年偏少78%。苏州高温日数平均为22 d，比往年偏多，并出现了7月3—6日、7月24—31日、8月16—19日三段持续晴热高温天气过程。7月下旬的持续高温长达8 d，选择高温天气过程发展充分的7月29日作为个例进行分析。图4是7月29日苏州站的地面气温、相对湿度、气压、风速的日变化，该日是典型的高温日，日平均气温31.5 ℃，15时高达35.8 ℃。虽然夏季相对湿度较大，但是经过前期多日的高温蒸发，该日平均相对湿度已经不足70%。受副热带高压的控制，气压稳定少变。日平均风速为3.8 m·s-1，主导风向是东南风。

图4 2012年7月29日苏州地面气象要素变化：(a)气温和相对湿度；(b)风速和气压Fig.4 Ground meteorological elements of Suzhou on July 29， 2012: (a) temperature and relative humidity;(b) wind speed and air pressure

高温日的动量通量全天为正，动量由高层向下传输，动量交换明显大于夏季平均，约为1.9倍，苏州夏季平均风速为2.8 m·s-1，该日平均风速偏大，动量传输更强。动量通量没有明显的日变化，在08—10时、15—22时相对较大，这和风速变化也较为一致(图5a)。高温过程中的感热通量也明显大于夏季平均，约增加1倍。感热通量在正午时达到最大值，为308.7 W·m-2，约是夏季平均日峰值的1.9倍。由于持续数日的高温，地面积累了大量热量，即使太阳落山后，地面仍然持续释放热量加热大气，18—22时，感热通量依然为正值(图5b)。在高温过程中，热量充足，但是该日的日平均潜热通量却比夏季平均偏低约42.7%，这是由于经过前期连续5 d的高温蒸发，相对湿度日平均值为69.6%，比夏季平均值81%低很多，使得潜热通量降低。从日变化也可以看出，潜热通量在10时达到最大，为60.2 W·m-2，此后虽然仍有热量支持，但是水汽支持减少，潜热通量立即下降，在下午还出现短时负值(图5c)。夏季太阳辐射强，尤其是在高温天气过程中，晴朗少云，净辐照度大，对地表的加热作用明显，加上城市建筑物构成的立体下垫面，多次反射、折射及辐射陷阱效应使得感热通量在城市湍流热通量中占据主导地位，这和其他学者的观测研究结论一致[35-36]。

图5 7月29日湍流通量日变化特征：(a)动量通量；(b)感热通量；(c)潜热通量Fig.5 The diurnal variation of turbulent flux on July 29， 2012：(a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

高温天气过程中湍流发展旺盛，尤其在太阳辐射最强午间，湍流得到充分发展，因此选择14∶00—14∶30这半小时的观测数据分析湍流速度谱 (图6)。通过比较分析可以发现，速度三分量谱在惯性子区的幂指数与“-5/3”次律符合得很好，且三分量在惯性子区基本重合，w谱略微偏下。u、v谱的谱峰频率都比w谱峰频率小，但峰值均大于w谱。v谱最为光滑，较符合典型速度能谱特征，u谱与w谱在低频区存在两峰值，且u谱的第二峰值较为明显。城市下垫面复杂，建筑物、立交桥、道路、植被等构成了立体的非均匀下垫面，对近地层气流影响明显，尤其是在城市粗糙子层内，对气流造成持续扰动，因此湍流能谱中可能会出现多种次尺度的峰值，这说明城市湍流发展的机制并不是由单一部分贡献的，而是有多种贡献机制共同作用，和植被粗糙子层有所不同，这在北京[37]、南京[38]等地的研究中也有类似结论。

图6 2012年7月29日14时湍流三分量速度谱Fig.6 Turbulent velocity spectrum at 14∶00 BST on July 29，2012

2.3 台风天气过程的湍流特征

2012年共有5个热带气旋直接或外围影响苏州，即1207号强热带风暴“卡努(KHANUN)”、1209号台风“苏拉(SAOLA)”、 1210号台风“达维(DAMREY)” 、1211号强台风“海葵(HAIKUI)”与1215号超强台风“布拉万(BOLAVEN)”，其中 “海葵”对苏州市影响最大。2012年第11号强台风“海葵”于8月1日在西北太平洋洋面上生成， 8日03∶20登陆浙江象山县，登陆时中心附近风力约14级，中心最低气压为965 hPa，为强台风，随后台风沿余杭、宣城一线逐渐减弱为热带风暴，并在安徽境内消失[39]。“海葵”虽未正面袭击苏州，但是在其影响下，苏州于8月8日13时进入其十级风力圈，出现大暴雨，给交通、电力、水利等生产生活设施等带来较大损失。选取8月7—9日对比分析台风不同影响阶段的湍流特征。

图7 2012年8月7—9日苏州地面气象要素：(a)气压和气温；(b)降水和相对湿度；(c)风速和风向Fig.7 Ground meteorological elements of Suzhou from 7 to 9 on August 2012: (a) temperature and air pressure; (b) precipitation and relative humidity;(c)wind speed and wind direction

8月7—9日苏州站的地面气压、气温、降水、相对湿度、风速和风向的观测值如图7所示。受“海葵”影响，地面气压降低，8日平均气压为994.1 hPa， 14时最低为989.7 hPa，台风带来大风和暴雨，8日的日平均风速8.4 m·s-1，16时风速高达12.9 m·s-1；风向转变明显，台风影响前期东北风是主导风向，随着台风临近，风向向南转动，东风和东南风为主导风向，在后期则主要是东南风。日降水量146.9 mm，达到大暴雨级别。相对湿度为98%，气温最低为25.5 ℃。

图8 2012年8月7—9日台风影响下湍流通量特征: (a)动量通量；(b)感热通量；(c)潜热通量Fig.8 The diurnal variation of turbulent flux from 7 to 9 on August 2012:(a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

在台风影响前期(7日)的动量通量与夏季日平均较一致，日变化明显，动量向下输送。当观测点进入台风十级风力影响圈，即8日13时左右时，强烈的气流交换运动使得动量通量迅速增加，最大值是前一天峰值的5.1倍。在台风影响后期(9日)，动量通量逐渐变小，但仍高于季节平均(图8a)。感热通量在台风影响的前期和后期基本为正值，热量由地面向大气传送，并且日变化明显，7日和9日的峰值分别为206.6 W·m-2和211.4 W·m-2。8日云层厚、大暴雨伴随大风、气温降低，感热通量输送弱，逐渐减小至负值，热量向下输送。感热通量日平均值为-40.9 W·m-2，而7日、9日、夏季的日平均分别为63.6 W·m-2、38.6 W·m-2和57.4 W·m-2，均远高于8日平均值(图8b)，这与杜云松等[40]、孔令彬等[41]对降水过程分析的结果一致，即当有降水时，湍流活动会增强，感热通量会明显减小。在台风影响过程中，降水多且阵性强，水汽值迅速增加，空气相对湿度大，潜热通量变化十分明显，波动较大，台风系统内强烈多变的上下层气流交换使得水汽的湍流传输较复杂(图8c)。在降水结束后的9日，由于此时气温回升，加之降水带来丰富的水汽，苏州的潜热明显增加，高于夏季平均，这种现象在其他地区也曾观测到[37]。

以进入台风十级风力影响圈的8日13时为基点，选取7日、8日和9日的13时分别代表台风影响前期、中期、后期，分析比较台风这种强对流天气下的湍流能谱变化(图9)。从速度u谱来看，在惯性子区很好的符合“-5/3”次律，v谱次之。w谱的惯性子区最小并且向高频移动，基本不符合“-5/3”次律；7日在低频区还存在峰值，而到8日和9日，谱线基本持平，难以判断哪种频率的涡对湍流的动力与热力生成起主要因素，这可能与台风的复杂上升下沉气流有关。对于u、v谱而言，8日台风过境时，两谱的谱峰值均较之前偏小，并略向高频偏移。除此之外，7日和9日的谱线基本相当，8日的u、v谱线始终在其之下，这表明在台风外围环流的影响下，湍流强度要略小于之前和之后，这和台风中心经过区域的湍流强度变大的情况有所不同。在湍流生成中起主要作用的低频大涡的频率要略高于台风前后，这是普遍现象还是个例仍需更多观测数据进一步研究。

图9 2012年8月7—9日13时湍流三分量速度谱:(a)u;(b)v;(c)wFig.9 Turbulent velocity spectrum at 13∶00 BST from 7 to 9 on August 2012： (a)u；(b)v；(c)w

3 结论

本文根据苏州2011年12月20日至2012年8月13日的涡动相关系统观测数据，分析城市地区湍流特征的季节变化，以及典型的高温过程和台风过程下的湍流通量特征。结果表明：

(1)径向动量通量、感热通量、潜热通量均呈现白天高、变化快，夜间低、变化慢的日变化特征。夏季由于水分条件好、热量充足、湍流发展旺盛，各通量的平均值、最大值均高于冬春季，如夏季感热通量日最大值为160.2 W·m-2，日平均值约是冬季的3.6倍。潜热通量小于感热通量，各季节平均值约是感热通量的40%～45%，在城市地表能量平衡中的作用远大于潜热。

(2)高温天气过程下，动量输送增加，感热输送加强，潜热输送减弱。感热通量峰值约是夏季平均的1.93倍。速度三分量谱在惯性子区符合“-5/3”次律，u谱与w在低频区存在两峰值，且u谱的第二峰值较为明显，说明在城市复杂下垫面里，湍流发展的机制可能存在多种贡献因素。

(3)台风天气过程下，云层厚、大风、降水量大且阵性强、气温降低，动量通量大且变化快，感热通量输送弱，热量向下输送，潜热通量波动大，湍流传输较为复杂。速度w谱的惯性子区最小且向高频移动，基本不符合“-5/3”次律，这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。