涡动相关仪探测台风边界层动量通量特征分析

顾佳楠，雷小途，赵兵科

(1. 中国气象科学研究院，北京 100081；2. 上海市气象局，上海 200030；3. 中国气象局上海台风研究所，上海 200030)

1 引 言

天气系统内部结构变化及其与下垫面之间的通量输送过程对于自身的维持发展至关重要。对于台风(热带气旋的统称，下同)来说，感热、潜热及动量通量的输送是引起其结构强度发生变化的重要原因之一[1-6]。受限于观测资料的缺乏，当前的台风中尺度业务数值模式中，通量传输这类次网格尺度过程大多由微物理方案进行参数化处理，预报模拟结果对参数化方案的选择十分敏感。目前，主流模式的参数化方案主要基于大西洋及沿岸平原地区观测统计结果总结而出，其在西太平洋及和我国东南沿海丘陵山地地区的适用性，尚未被充分验证。因此，针对西太平洋及登陆台风的实际边界层通量观测资料进行分析研究，对台风数值模式模拟与预报能力的提升具有重要意义。

近年来，对于边界层内的动量通量特征分析，已经取得了不少进展，如发现在平稳天气状态下，动量通量具有明显的单波峰日变化特征[7]等。在台风这种剧烈的天气系统影响下，动量通量呈现出与平稳天气状态下截然不同的特征。孙启振等[8]运用布置于西沙海域的通量观测塔的长年数据，分析了季风爆发前后的边界层通量输送特征，发现在台风过境时，都会带来动量通量和潜热通量的大幅增加。对于登陆后的台风，李英等[9]通过数值模拟研究得出，动量通量对于台风动量耗散与环流减弱将起到重要作用。除此以外，在台风这种剧烈的天气系统影响下，动量通量会显现出多尺度的特征。彭珍等[10]通过对台风“珍珠”的分析得出，台风在其前部激发出了强烈的中尺度通量输送过程。台风中心附近，边界层动量通量为向下传输，以中尺度输送为主；其他部位则主要为湍流尺度的向上传输。此外，还存在一些研究基于其他能引起大风的天气系统来展开，对过程中的边界层动量通量进行分析。闫俊岳等[11]发现在南海季风爆发后，导致的强烈天气变化会伴随有季风大规模的中小尺度通量输送过程。陈陟等[12]通过北京325 m 塔的通量观测也表明，在背景风强盛时，湍流输送占据主导地位，而当其减弱时，中尺度通量输送将不可忽视。

通常，台风在登陆后因下垫面摩擦等因素，系统会逐渐失去动量并减弱。但在大风条件下，下垫面的动量通量呈现出复杂的多尺度输送特征，并最终对台风的结构和强度产生影响。近些年来大量的数值模拟研究和观测分析也证实了动量通量对台风路径、强度及结构的影响[13-15]。近年来，对于台风动量通量相关的研究主要集中于海上，发现其边界层的拖曳系数随风速增大存在“饱和/拐点风速”的现象[16-18]，但陆上(登陆过程)台风的边界层风场及动量通量具有怎样的特征，由于客观观测条件的限制，目前相关方面认识尚不透彻，亟待进一步研究。

随着我国对于气象观测的重视，近年来大量仪器被投入观测方向，如涡动相关仪在我国东南沿海地区的布设就已经有了长足的进步。由于涡动相关仪观测资料的高时间分辨率特性，先是被广泛运用于全球变暖的碳循环观测研究中，在全球范围内构建起了“FLUXNET”这一通量观测网络[19]，中国境内亦有不少参与此项目数据交换的站点。早在1990年，王介民等[20]运用涡动相关法，分析了我国戈壁地区的水热特征，观测到戈壁地区白天存在的水汽通量向下输送的情况。Pilegaard 等[21]在2001 年通过高频仪器研究了丹麦沿岸山毛榉森林的碳收支情况。目前，针对通量观测的分析研究主要基于平稳天气条件下，对于像台风这种剧烈的天气系统，如涡动相关仪等仪器尚未有大规模的应用。

鉴于上述情况，中国气象局上海台风研究所近年来开展了大量针对台风的野外观测试验，并应用涡动相关仪在多次外场观测中积累了较丰富的观测数据。本文主要基于涡动相关仪在台风“利奇马”登陆期间的通量观测资料，对台风登陆期间的地面要素和边界层通量特征进行分析，旨在为台风数值模式的通量传输过程的参数化方案研究提供相应的观测依据。

2 观测试验及数据处理

2.1 观测仪器及方法

本文使用的数据分别来自布设于福建省霞浦市三沙镇及浙江省温州市平阳县两站的共3 台涡动相关仪。其中布置于三沙镇的两台仪器，布设地点位于丘陵山坡地形，布置地点的地基高度分别为海拔20 m 与40 m。平阳县的一台仪器布置地形为低矮丘陵顶，地势上西高东低。三者布置地点地面均进行了平整，地形都较平坦，符合仪器自身布置的需求。

三台仪器自身高度约为2.5 m，仪器的主要部件包括一台三维超声风温仪(SAT)和一台高速响应红外气体分析仪(IRGA)。前者负责输出水平风速、垂直速度、超声虚温等物理要素，后者负责观测水汽及二氧化碳密度。通过协调超声风温仪与气体分析仪两部分的数据，仪器对近地层通量有较好的观测能力，观测期间采取的数据采样频率为10 Hz。

图1 涡动相关仪装置图

目前在通量计算方面，可选的方法众多，但一般需要附加假设条件，从而造成误差。故而本文通量计算通过更直接的涡动相关方法进行计算，涡动相关仪即基于利用涡动相关方法进行观测设计。涡动相关方法通过对特定物理量在给定时间内(本试验为30 min)取平均，将之分为平均量与脉动量的方式，将通量的表达式改写为：

公式中的τ、H、LE、Fc分别代表动量、感热、潜热及二氧化碳通量，带上标的物理量为对应物理量的脉动量。以动量通量为例，速度的脉动量由实测数据计算得到，空气密度则是由气压、气温和水汽浓度通过仪器自身的设定公式计算得出。

本文主要分析了动量通量及相关物理量(主要为摩擦速度)的相关情况，这里给出两者的对应关系，其中u*表征摩擦速度：

2.2 台风“利奇马”过程及数据质量控制

2.2.1 “利奇马”过程

本文仪器选定的观测对象为2019 年9 号台风“利奇马”，其在登陆前维持了长时间的超强台风等级，因此登陆时结构较完整，对我国东南沿海地区造成了大范围的风雨天气。台风“利奇马”于2019年8月4日14时(北京时间，下同)于菲律宾以东洋面生成，8 月7 日23 时发展为超强台风，此后快速沿西北路径前进，于8 月10 日01 时45 分前后登陆浙江省台州市温岭地区，登陆时级别为超强台风，中心附近最大风速为16级(52 m/s)。其登陆前24 h到登陆后12 h的行进路径如图2a所示。

此次台风登陆过程中，三沙及平阳两地均位于台风“利奇马”的影响范围之内，两站距离台风中心最近距离分别为186.1 km(三沙)与102.8 km(平阳)，在台风登陆前8 h 到台风登陆后5 h，两站与台风中心距离在200 km 以下。本文分析的时间段取台风对两站影响最大的登陆前后共36 h，即8 月9 日00 时—10 日12 时。在观测时间段内，两站都处于台风“利奇马”半径500 km 的影响范围之内，具体情况如图2所示。较完整地观测到了“利奇马”在登陆前后的地面要素及通量变化特征，有利于不同仪器之间的数据进行比对。

图2 台风“利奇马”登陆期间(9日00时—10日12时)台风与站点相关情况a. 三沙站，平阳站位置及“利奇马”路径；b. 站点与台风“利奇马”相对位置。

2.2.2 数据质量控制

本文采用的数据观测时间段内，由于台风影响普遍存在降水，特别是平阳站在“利奇马”登陆期间存在大到暴雨级别的降水，这对涡动相关仪的观测存在一定的影响，因此有必要进行对数据质量的检验以确认数据可靠性。

本文使用的涡动通量仪数据主要包括动量通量及与之相关的物理量，对于仪器数据的具体质量控制方法，国内外已有很多文献进行了研究。本文主要对原始数据进行了野点检验，将相邻两点数据差值高于所处30 min时间段内总体标准差水平4 倍的不连续(少于5 个)野点数量进行了统计，具体结果如表1 所示，可看到超声风温仪观测数据受降水影响相对较小，仅三沙站20 m 平台野点数量较多，但也仍处于可接受的范围。确认数据可靠后，本文的数据主要经由仪器对应的通量处理程序进行计算。

表1 3台仪器观测期间野点数量(前值为平均数，后值为最大值)

3 观测数据分析

3.1 观测数据的基本特征

为了更好地描述台风“利奇马”登陆前后涡动通量仪观测数据的实际情况，图3～图5 分别给出两观测站在台风影响中的水平风速风向、垂直风速、气压和温度的仪器实测变化情况。

由图3 可看出，虽然3 台仪器观测得到的平均水平风速存在数值大小的区别，但其瞬时风速脉动范围均在对应平均值的4倍以上，说明在台风过境的时间段内风速的脉动量较大。就数值上来说，三沙站由于距离台风中心较远，仅在台风登陆前后和10 日06 时出现了先上升后下降的峰值结构，其中10 日06 时处峰值并不明显，平均风速极值在登陆时达到了4～5 m/s，瞬时风速在15 m/s的水平。在距离较近的平阳站，峰值则出现在8月9 日18 时和8 月10 日08 时左右，两者的平均风速达到了10 m/s 左右的水平，瞬时最大值为38 m/s，谷值则出现在10 日00 时，其在数值上仅为最大值的一半。对于风向而言，可看出三沙站两台仪器记录的风向转变在台风登陆之前就已经完成，平阳站的风向转变则出现在台风登陆前后，两者都由原先的西南风转变为东风，整个过程历时约10 h。

图3 站点风速风向图 箱线图中边界上缘与下缘分别为风速75%与25%分位点，实线两端为瞬时值最大值与最小值，点表征对应时次风向。a. 三沙站40 m平台；b. 三沙站20 m平台；c. 平阳站。

在垂直速度方面(图4)，对于距离相对较远的三沙站仪器来说，二者的平均垂直速度在数值上均不十分明显，在0 值附近波动，在登陆时有明显的平均垂直风速上升并下降的峰值结构，但依旧较微弱。对于平阳站来说，在台风登陆前的8 h达到了最大波动范围，数值在±2 m/s的水平上，其后脉动值迅速收窄，整个过程中平均垂直风速变化范围不大，在0 值附近波动，在10 日台风登陆后两地的平均垂直风速数值上都变为较小的负值，这主要是因为两地此时均位于外围雨带之间的弱值区导致。

图4 站点垂直风速图 实线，箱线图中边界表征意义与图3一致。 a. 三沙站40 m平台；b. 三沙站20 m平台；c. 平阳站。

从温度的图像上，可看出三沙站与平阳站的3台仪器在台风登陆前后的9 日20 时—10 日04 时的数据一致性较好，均为先上升后下降再上升的趋势。在台风登陆期间的9 日20 时—10 日02 时这个时间段内，其温度出现了7～8 次的温度数值振荡，结合之前的风速数据，表明有多个时间尺度为数十分钟的中尺度系统在此期间经过了观测场地并被记录下来。气压数据表明，三沙站过程中最低气压为982 hPa，平阳站的仪器则记录到了951 hPa 的最低气压数据，说明三沙站在整个台风影响过程中始终处于较外围区域，平阳站则处于相对来说更靠近台风中心的位置，两站的数据有较好的比对参照意义。

图5 “利奇马”登陆时间内温度(a)及气压(b)随时间变化

3.2 动量通量及摩擦速度

对于动量通量和摩擦速度的数据，动量通量变化趋势(图6a)较一致，主要的峰值均出现在9 日18 时与10 日02 时左右，并在10 日08 时附近另有一个较弱的峰值，数值上最大值分别为0.9(三沙站20 m 平台)、1.2(三沙站40 m 平台)和2.2 N/m2(平阳站)，三者的整体峰值分布时间基本一致。虽然三沙站的2台仪器近似可看做同点同时观测，在整个台风“利奇马”影响期间，20 m 平台仪器测得的动量通量在全时间段内都小于40 m 的平台，这归因于40 m 平台仪器布设位置更高，其垂直方向风速脉动较低位置平台大得多。平阳站的高动量通量水平则主要应当归因于其站点距离台风中心更近，风速较三沙站的2台仪器来说量值更高。在图6b 的摩擦速度图像上，由于摩擦速度的平方和空气密度的乘积即为动量通量，由于空气密度在观测过程中变化幅度在10%以下，所以摩擦速度的数据分布情况与动量通量基本一致。

图6 台风“利奇马”影响期间动量通量(a)及摩擦速度(b)随时间变化实心点为三沙40 m平台，十字为三沙站20 m平台，空心点为平阳站。

图7 则将摩擦速度与平均水平风速数据相对应，在10 m/s以下的弱风速区，摩擦速度与水平风速存在明显的正相关关系，平阳站这一特征更明显，其斜率约为0.07，但到了10 m/s 以上的较强风速区域时，摩擦速度则在1 m/s 上下散乱分布，整体呈现出随风速增大持平甚至于下沉的趋势。这一现象相较于海洋下垫面的同等情况来说，摩擦速度在风速小得多的情况下就达到了极值[13-14]。这是由于陆地下垫面自身摩擦效应更强，大量湍流能量被摩擦耗散，表明大风条件下的动量湍流输送会较海洋下垫面弱得多；且同为陆地下垫面，大风条件下的动量耗散较小风速下更快，使登陆后的热带气旋难以维持其强度，风速迅速衰减，引起结构的相应变化。同时，三沙站的数据斜率较平阳站更陡峭，但由于三沙站在“利奇马”影响过程中整体风速较小，造成这一现象的具体原因有待进一步分析。

图7 摩擦速度随水平风速分布图

3.3 多尺度分析及比较

由于3 台仪器测得的地面要素和动量通量等数据存在差别，我们有必要通过研究以确定其具体差异出现在何处。因此这里对湍流风速数据进行能谱分析，并得出对应的能谱分布。

图8 表征3 台仪器顺风向和侧风向风速的能谱分布，表征着水平方向上各尺度系统对近地层能量的贡献情况，可看出图像大致由三个部分组成，最左侧的大尺度部分频率范围在0.000 01 Hz~0.000 50 Hz；中间尺度则为频率范围0.000 5～0.003 0 Hz的部分；最右侧的小尺度为频率范围在0.003～5.000 Hz 的部分，三者对应的时间尺度则分别在小时、分钟和秒的级别。

三沙站与平阳站的3 台仪器记录的数据在能谱贡献上存在些微的不同，虽然两者在大尺度区域与小尺度区域的峰值出现的位置基本相同，即0.000 2 Hz 与0.06 Hz，对应的时间尺度则分别为5 000 s与16 s。其中，通过对比可发现，大尺度部分峰值更高，这说明在台风影响期间，在水平方向上，大尺度涡旋在能量贡献上占主导地位。除了这两个明显的峰值以外，图像上在中尺度区域另有一位于0.001 Hz 处的较弱的峰值，对应时间尺度约为1 000 s。

就峰值对应的具体频率而言，三沙站40 m 平台的小尺度峰值对应的频率更高，且在数值上约为其他两台仪器的两倍。这说明与位于三沙站的仪器相比，平阳站观测到的数据中湍流尺度贡献率相对来说要更大，且有更多的能量聚集于尺度较小的湍涡之中。

对于区域峰值大小的比较，三沙站两台仪器均表现出中尺度峰值仅略小于湍流部分的峰值的情况，数值上量级一致。在平稳天气下，这一部分通常并不存在如此高贡献率的湍流能量。对于这一现象，一方面是由于三沙站两台仪器在台风“利奇马”影响的时间段内风速平均量涨落较小，导致的大尺度部分贡献较小；但同时也说明在台风天气下，特别是在近地层内，在天气系统与下垫面的双重作用的情况下，中尺度对流系统及湍涡尺度的能量贡献将不可忽视。

在平阳站，由于观测到的平均水平风速较高且变化较剧烈，其大尺度部分能量贡献比重明显较三沙站高，与中尺度和湍流尺度相比有量级上的差别。在中尺度部分，其最大值与湍流尺度峰值数值上基本处于同一水平，贡献率较三沙站数据来说更高一些，这进一步说明台风系统下中尺度对流系统十分活跃，这与之前对于台风“珍珠”的研究结果相一致[10]。

垂直方向上，由于三站点的垂直运动在台风“利奇马”影响过程中，平均值基本在0 值附近波动，导致垂直方向大尺度部分贡献，如图上表现出的，均十分微弱。主要的能量贡献则来自于湍流部分。其中就峰值出现的位置来看，平阳站峰值对应的频率最高，数值上也较三沙站大。这与风速数据上，更靠近台风中心的平阳站瞬时垂直运动波动较三沙站同类型仪器更明显有关，与上文分析基本一致，瞬时风速波动明显也说明存在大量时间尺度更短的湍流运动存在，这与图像上平阳站峰值出现的频率更高相一致。三沙站的两台仪器中，湍流尺度贡献率较平阳站数值上小一些，这主要是由于其距离台风中心更远，垂直运动波动幅度更小有关。

图8 顺风向(1)及侧风向(2)能谱密度分布 a. 三沙站40 m平台；b. 三沙站20 m平台；c. 平阳站。

图9 垂直方向能谱密度分布 a. 三沙站40 m平台；b. 三沙站20 m平台；c. 平阳站。

4 结论与展望

在台风影响下，下垫面通过诸如通量等物理要素相互影响，对台风自身强度、路径和结构会产生重要影响。受制于台风条件下开展野外观测的困难性，以往的研究中缺少实测资料佐证。涡动相关仪由于其高时间分辨率的特性，近年来在我国已有广泛的布设，但较少有人将其应用到台风天气的研究中。本文主要通过分析台风“利奇马”登陆期间位于平阳站与三沙站的3 台涡动相关仪的相关数据，就台风边界层动量通量及相关物理量进行了初步分析，主要结论如下。

(1) 通过涡动相关仪的数据，在台风“利奇马”登陆前后，在其影响的时间段内，近地层的水平风速风向、垂直风速、气压和温度等要素等都发生了迅速且剧烈的变化。两站观测到的风速平均值虽然不高，但风速脉动明显。且在登陆前后，相关物理量如温度的数据上有剧烈的振荡。

(2) 观测期间，动量通量在台风“利奇马”影响过程中，数值上基本为三峰型的结构，出现在9 日18 时、10 日02 时、10 日08 时三个时刻，对应的峰值分别为0.9 N/m2、1.2 N/m2和2.2 N/m2。摩擦速度随时间变化与动量通量趋势基本一致。在其与风速的对应中，10 m/s 以下的低风速区内，摩擦速度与风速成正比关系，斜率约为0.07，但在中高风速(10 m/s以上)的情况下，摩擦速度随风速的变化逐渐变为持平，甚至随着风速的增加开始有所回落。出现这一现象，主要是由于陆地下垫面相较于海洋下垫面，摩擦效应更强。

(3) 由通量仪数据能谱分析可得，顺风与侧风向的能谱分布基本一致，主要的峰值大致出现在0.000 2 Hz 和0.06 Hz 的位置上，两者之外另有一位于0.001 Hz 处的较弱峰值，表征存在较强的中尺度对流系统的贡献。在平阳站的图像上，中尺度贡献与湍流部分峰值量级基本相当。垂直部分图像上，由于仪器记录的垂直风速较弱，仅在时间尺度在数秒的涡旋尺度处存在单一峰值。

需要指出的是，本文仅采用了1909号台风“利奇马”一个个例，且参与分析的仪器在台风影响过程中主要位于台风左半侧，距离台风中心并不近。因此本文所得结论会存在一定局限，需要进一步研究以增强结论的可靠性。