1013號“鲇魚”臺風大氣邊界層低層動量通量逆梯度輸送的觀測特征＊

鄭運霞 李永平 段自強

(中國氣象局上海臺風研究所 上海 200030)

臺風的發(fā)生、發(fā)展和消亡與大氣邊界層能量輸送過程密切相關(guān)。大量數(shù)值模擬研究表明,大氣模式中行星邊界層湍流參數(shù)化方案的選擇對臺風的路徑、強度和結(jié)構(gòu)等有重要的影響(鄧國,2005;Kepert,2010;Smith et al,2010;王晨稀,2013;Sun et al,2014;Zhang et al,2015)。湍流參數(shù)化方案主要指動量、熱量和水汽的垂直渦旋擴散的計算,通常建立在湍流相似理論基礎(chǔ)之上,即建立湍流通量與大氣要素平均量之間的聯(lián)系。例如應(yīng)用一階湍流閉合方案計算垂向湍流通量時通常假定垂向湍流交換系數(shù)K已知,然后根據(jù)某物理量 H的梯度就能確定兩層之間的湍流通量,即,,這意味事先假設(shè)了該物理量在局地只能沿正梯度方向擴散。然而觀測事實表明,在大氣邊界層中能經(jīng)常觀測到熱量從下向上的零梯度或逆梯度輸送現(xiàn)象。例如,對于熱量逆梯度向上輸送,Lettau等(1957)在大平原湍流野外試驗中觀測到距地面 100m 處,Bunker(1956)在大西洋上空150—550m處,Telford等(1964)在距地面125、150和350m處,以及Wong等(1966)在得克薩斯的高塔上都在觀測中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。為了描述熱量的逆梯度輸送現(xiàn)象,Deardorff(1972)在梯度輸送理論中加入一個參數(shù)rc,其經(jīng)驗表達式為。一般這種湍流半經(jīng)驗理論只注重于研究湍流運動隨時間的平均,而缺少對湍流結(jié)構(gòu)的分析。

在動量通量逆梯度輸送方面,Deissler(1962)曾首次在理論上預(yù)測,在強分層流中會出現(xiàn)動量的逆梯度輸運。Komori等(1983)和賈俊梅等(2005)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在溫度分層流動中存在湍流動量的逆梯度輸運。我們注意到,在 Zhang等(2012)給出的飛機湍流觀測分析圖像(該文圖7)表明,颶風近地面邊界層中動量通量大多數(shù)情況下是沿順梯度輸送的,但也存在少量的逆梯度輸送情況,但對此沒有明確指出并給予分析;另外,由于飛機高速飛行,使得不同地點的湍流數(shù)據(jù)不在同一時間獲取,也必然給湍流輸送計算帶來誤差。目前對于逆梯度輸運現(xiàn)象產(chǎn)生的動力學原因還缺少令人信服的結(jié)論,但許多研究結(jié)果顯示大氣邊界層中物理量的逆梯度輸運與大渦和低頻擾動現(xiàn)象有關(guān)(Troen et al,1986;Holtslag et al,1991;彭珍,2012)。

目前對于熱量通量逆梯度輸運的觀測研究相對較多,但對于動量通量逆梯度輸運的研究相對較少。本文主要根據(jù)位于福建省南部海邊100m鐵塔多層高度上的高頻超聲風溫儀資料,分析臺風海面邊界層大氣中動量通量的逆梯度輸送現(xiàn)象,并試圖分析其產(chǎn)生的原因。期望通過研究臺風大氣邊界層能量輸送特征和影響因素,對改進中尺度臺風數(shù)值模式的邊界層物理過程參數(shù)化方案提供參考。

1 觀測資料

本文采用的超聲風溫儀資料來自福建省南部赤湖鎮(zhèn)海邊 100m 鐵塔,具體位置在北緯 24°2′9.6″,東經(jīng) 117°54′,鐵塔底部海拔 29m,超聲風溫儀分別安裝在35m,55m,75m,95m四個高度上,即海拔高度分別為64m,84m,104m和124m。鐵塔位于海邊向海突出處(見圖1)。

圖1 2010 年13 號“鲇魚”臺風路徑和觀測塔(紅色三角形)的地理位置Fig.1 Track of Typhoon Megi in 2010 and location of the observation tower (the red triangle)

選取2010年13號“鲇魚”臺風作為研究個例?！蚌郁~”臺風是2010年西北太平洋唯一的超強臺風,登陸菲律賓呂宋島東北側(cè)時,最大風速達到70m/s;10月23日13時27分(北京時間,下同)在福建漳浦六鰲鎮(zhèn)登陸,登陸時的風速達 38m/s,當時臺風中心距離鐵塔約23km。臺風登陸以后向偏北方向移動,23日20時減弱為熱帶風暴,23日23時在福建省漳州境內(nèi)減弱為熱帶低壓。

圖2給出從20日0時至25日0時鐵塔35m高度上測得的2min平均風速。由圖可見臺風登陸前風速呈振蕩增強趨勢,登陸時最大風速 29m/s,登陸后風速迅速減小。

圖2 臺風影響過程中鐵塔35m高度上的2 min平均風速時間序列Fig.2 Time series of 2 min averaged wind speed at 35m height of the tower during the typhoon progress

超聲風溫儀由美國Applied Technologies公司生產(chǎn),可以高頻快速地測定三維風速和溫度的脈動,它具有很高的時間分辨率和測量精度,采樣頻率20Hz。風速測量精度±0.03m/s,風向精度±0.1°,超聲溫度精度±0.1°C。儀器使用環(huán)境溫度–40—60°C,水平方向風速量程±60m/s,垂直方向量程±15m/s。本文首先采用陳紅巖等(2000)的方法對風溫儀原始資料預(yù)處理,剔除因電源不穩(wěn)定及其它原因造成的可疑數(shù)據(jù),然后采用線性插值方法進行補全。

2 湍流動量通量逆梯度輸運的判定

超聲風溫儀實測三維風速u,v和w是在x,y,z三個坐標方向下的實數(shù)序列,觀測時將儀器坐標旋轉(zhuǎn),使儀器所測u分量與主風向一致。所得坐標x ,y ,z 軸分別代表主風u、側(cè)風v和垂直風w。并計算它們相對各自 10min 平均值的擾動 u′、v′和 w′(宋麗莉等,2005;李永平等,2012)。

根據(jù)以往研究,大氣的物理量逆梯度輸運主要發(fā)生在湍流的低頻段(Troen et al,1986;Holtslag et al,1991;彭珍,2012),為此本文采用低通濾波的方法(李永平等,2012),保留超聲風溫資料中周期T＞1min的低頻分量。

本文主要分析沿垂直方向的動量通量問題,因此所謂湍流動量通量存在逆梯度輸運,是指兩個高度位置之間 ?U/?z和異號,這里U 為平均風速(取 2min 平均),z 是高度,u′、v′和 w′分別為水平風速擾動和垂直風速擾動,?U/?z表示風速的二維剪切,為湍流動量垂直通量。

為判斷風速垂直切變?U/?z的符號,圖3給出整個臺風影響期間鐵塔95m高度與35m高度上的2min平均風速差。由圖3對照圖2可見,從20日0時至23日0時2個高度上的風速差維持在0.5—1.5m/s之間,在臺風登陸前后隨著風速的增大,2個高度上的風速差也增大到 1.5—3.0m/s之間。臺風登陸以后隨著風速減小,風速的垂直切變也減小,在 24日白天至夜間2高度上的風速接近,甚至常出現(xiàn)35m高度風速大于 95m高度風速情況。為了揭示臺風不同影響階段的湍流動量通量輸運特征,這里選取臺風外圍影響(20日 12—13時)、臺風登陸時受臺風內(nèi)核環(huán)流影響(23日 13—14時)和臺風登陸后受減弱環(huán)流影響(24日12—13時)三個時段作為代表進行分析。

圖3 95m與35m高度上2min平均風速差時間序列Fig.3 Time series of 2min averaged wind speed difference between 95m and 35m height

圖4給出20日12—13時95、75、55和35m高度上的S時間序列。由圖可見,4個高度上S以正值為主,說明絕大多數(shù)情況下動量通量沿平均風速梯度方向輸送,在 35m高的低層無負值出現(xiàn),說明動量通量都沿梯度方向輸送。但在較高層次上存在一些時段S出現(xiàn)負值(用A、B、C等字母標出),說明動量通量沿逆梯度方向輸送,且越往高層出現(xiàn)負值的頻率越多,即逆梯度輸送越明顯。計算各層 S負值與正值出現(xiàn)次數(shù),以二者比值百分數(shù)代表動量通量的逆梯度輸送與沿梯度輸送之間之比,從高層到低層依次為11%、4%、3%和0%。由此說明,雖然總體上動量通量沿梯度方向輸送,但也存在一定比例的動量通量沿逆梯度輸送的現(xiàn)象,且越往高層其出現(xiàn)的比例越高。

圖4 2010年20日12時—13時95(子圖a)、75(b)、55(c),和35m(d)高度上的Fig.4 Time series of at 95,75,55,and 35m heights in 12: 00—13: 00BT,Oct.20,2010

圖5給出23日13—14時臺風登陸受臺風內(nèi)核影響時段鐵塔95m、75m、55m和35m高度上的S時間序列。由圖可見,4個高度上S也以正值為主,說明絕大多數(shù)情況下動量通量沿平均風速梯度方向輸送,在 35m的低層有少數(shù)負值出現(xiàn),同樣越往高層出現(xiàn)負值的頻率越多,且總體上各高度出現(xiàn)負值的情況多于圖4。說明臺風登陸期間動量通量沿逆梯度方向輸送頻率更多些。計算各層 S負值、正值出現(xiàn)頻次之比,從高層到低層依次為21%、8%、5%和2%。

圖6給出24日12—13時鐵塔95m、75m、55m和35m高度上的變量S的時間序列。期間為臺風登陸以后迅速減弱階段,鐵塔位于減弱的臺風環(huán)流之中,風速及風速垂直切變明顯減小,且出現(xiàn)低層(35m)風速大于高層(95m)風速的現(xiàn)象。這時動量通量仍以沿風速梯度方向輸送為主,沿逆梯度方向輸送的頻次比臺風外圍影響時段多,但比臺風登陸受內(nèi)核影響階段略少。越往高層動量通量逆梯度方向輸送頻次越多。計算各層S負值、正值出現(xiàn)頻次之比,從高層到低層的結(jié)果依次為16%、6%、5%和2%。

圖5 2010年23日13—14時的95、75、55和35m高度上的時間序列Fig.5 Time series ofat 95,75,55,and 35m heights in 13: 00—14: 00BT,Oct.23,2010

圖6 2010年24日12—13時的95、75、55和35m高度上的時間序列Fig.6 Time series of at 95,75,55,and 35m heights in 12: 00—13: 00BT,Oct.24,2010

3 擾動相干結(jié)構(gòu)與湍流動量通量輸運

圖2中平均風垂直切變?U/?z的正負符號一般穩(wěn)定少變,即絕大多數(shù)時間內(nèi)近地面邊界層中高層風速總大于低層風速,多數(shù)情況下動量通量沿梯度方向輸送說明保持正值,即水平風速擾動 u′、v′與垂直風擾動 w′之間協(xié)調(diào)變化,水平擾動與垂直擾動正負符號相反;而當動量通量沿逆梯度方向輸送時,說明 u′、v′與垂直風擾動 w′之間協(xié)調(diào)變化可能出現(xiàn)了反向,即水平擾動與垂直擾動正負符號相同。

李永平等(2012)曾分析指出臺風離地面 10m 高度上沿順風方向低頻風速擾動 u′與 w′之間有反位相變化相干性,但該文章沒有分析大氣擾動的這種相干性特點隨高度如何變化,以及相關(guān)的動量通量逆梯度輸運問題。

圖7給出20日12—13時臺風外圍影響階段鐵塔95、75、55和35m高度上的u′和w′時間序列。由圖可見,4個高度上u′和w′仍具有明顯的相干變化特點,即當水平方向風速增大時(u'＞0),對應(yīng)向上垂直速度減小(w′＜0);反之當水平方向風速減小時,對應(yīng)向上垂直速度增大,但通過計算 u′和 w′之間的相關(guān)系數(shù),發(fā)現(xiàn)這種相干性隨高度增加而減弱。95、75、55和35m 高度上 u′和 w′之間的相關(guān)系數(shù)分別為–0.21、–0.35、–0.37 和–0.50。在李永平等(2012)文章中,離地面 10m 高度上 u′和 w′之間的相關(guān)系數(shù)在–0.49— –0.79之間,即其相關(guān)性明顯高于本文中離地面較高大氣層中u′和w′的相關(guān)性,這也進一步說明u′和 w′之間的相干性隨高度增加而減弱的事實。圖7中A、B、C和D字母標注出動量通量逆梯度輸運的時段(參見圖4)。

圖8給出23日13—14時臺風登陸時段鐵塔95、75、55和35m高度上的u′和w′時間序列。由圖可見,4個高度上u′和w′同樣具有明顯的相干變化特點,計算u′和w′之間的相關(guān)系數(shù),發(fā)現(xiàn)這種相干性隨高度增加而減弱。95、75、55和35m高度上u′和w′之間的相關(guān)系數(shù)分別為–0.34、–0.32、–0.40 和–0.51。同樣,圖中 u′和 w′變化同位相時多對應(yīng)動量通量逆梯度輸運的時段(參見圖5)。

圖7 2010年20日12—13時的95、75、55和35m高度上的 u′(實線)和 w′(虛線)時間序列Fig.7 Time series of u′ (solid line)and w′ (dotted line)at 95,75,55,and 35m heights in 12: 00—13: 00BT,Oct.20,2010

圖8 2010年23日13—14時的95、75、55和35m高度上的 u′(實線)和 w′(虛線)時間序列Fig.8 Time series of u′ (solid line)and w′ (dotted line)at 95,75,55,and 35m heights in 13: 00—14: 00BT,Oct.23,2010

圖9給出24日12—13時臺風登陸后減弱時段鐵塔95、75、55和35m高度上的u′和w′時間序列。由圖可見,4個高度上u′和w′同樣具有明顯的相干變化特點,計算結(jié)果為95、75、55和35m高度上u′和w′之間的相關(guān)系數(shù)分別為–0.16、–0.29、–0.31和–0.48,表明u′和w′之間的相干性隨高度增加而減弱。圖中u′和 w′變化同位相時多對應(yīng)動量通量逆梯度輸運的時段(參見圖6)。

圖9 2010年24日12—13時的95、75、55和35m高度上的 u′(實線)和 w′(虛線)時間序列Fig.9 Time series of u′ (solid line)and w′ (dotted line)at 95,75,55,and 35m heights in 12: 00—13: 00BT,Oct.24,2010

對于“相干結(jié)構(gòu)”的物理含義,李永平等(2012)曾從大氣重力內(nèi)波的角度討論。本文中動量通量逆梯度輸送現(xiàn)象在高層比低層明顯的現(xiàn)象可以這樣理解:大氣邊界層內(nèi)一般小尺度湍渦能量多沿順梯度方向輸送,而“大渦”則比較容易產(chǎn)生能量的逆梯度輸送;地面的摩擦作用導致的低處“小渦”占絕對主導地位,由此減少逆梯度輸送的機會。

4 湍流動量通量逆梯度輸運的時空尺度

為了估算湍流動量通量逆梯度輸運在空間和時間上的尺度,采用湍流積分尺度的概念(Flay,1984),分別定義動量通量逆梯度輸運期間擾動的空間尺度和時間尺度:

其中,V為動量通量逆梯度輸運時段的平均風速,x(t)為逆梯度輸運時段擾動時間序列,Rx(τ)為 x(t)的自相關(guān)函數(shù),定義為:

計算具有相干結(jié)構(gòu)的擾動 u′和 w′的空間尺度 L,結(jié)果表明: 逆梯度輸運時段 u′的空間尺度 L量值在110—490m,平均 258m;w′的空間尺度在 20—63m,平均35m,95m高層的擾動空間尺度略大于35m低層的擾動空間尺度。計算逆梯度輸運時段u′和w′的平均時間尺度T分別為123s和13s。與其他研究工作相比,例如Zhang等(2011)基于飛機數(shù)據(jù)計算在颶風眼壁邊界層500m至3000m高度上主導地位的湍渦的垂直尺度大約是 100m,李永平等(2012)基于地面超聲風速資料計算的低頻擾動沿順梯度輸送平均水平空間尺度為幾百到幾公里,時間尺度為3— 7min;本文計算的逆梯度輸運時段內(nèi)擾動量的時空尺度約比順梯度輸送的時空尺度小 1—3倍。究其原因,可能與大氣邊界層中各級湍能沿順梯度輸運的主導特征有關(guān),相對而言,湍能的逆梯度輸運畢竟是小概率和短時間現(xiàn)象,因此總體上其時空尺度較小。

5 結(jié)論

本文依據(jù)沿海鐵塔上的多層高頻超聲風速觀測數(shù)據(jù)定量分析 1013號“鲇魚”臺風低層大氣邊界層動量通量逆梯度輸送的觀測特征。結(jié)果表明:

(1)在臺風環(huán)流中雖然動量通量總體上沿梯度方向輸送,但也存在一定比例的逆梯度輸送,其發(fā)生頻次與離海面高度和臺風環(huán)流的不同部位有關(guān): 通常越高逆梯度輸送現(xiàn)象越明顯;在臺風內(nèi)部核心區(qū)域逆梯度方向輸送頻次最多,其次是在臺風登陸以后殘余環(huán)流區(qū),臺風外圍環(huán)流中最少。

(2)動量逆梯度輸送與水平和垂直方向上湍流低頻擾動之間的相干結(jié)構(gòu)密切相關(guān): 通常情況下順風與垂直方向擾動的反位相相干特征明顯,則動量通量逆梯度輸送出現(xiàn)較少;反之,當順風方向擾動與垂直方向擾動出現(xiàn)同位相變化,則易出現(xiàn)動量通量逆梯度輸送。

(3)湍流動量通量逆梯度輸送期間水平和垂直擾動的平均空間尺度分別為258m和35m,時間尺度分別為123s和13s,它們比沿著梯度輸送的空間和時間尺度約小1—3倍。

王晨稀,2013.邊界層參數(shù)化影響“梅花”臺風的敏感性試驗.地球科學進展,28(2): 197—208

鄧 國,周玉淑,李建通,2005.臺風數(shù)值模擬中邊界層方案的敏感性試驗 I.對臺風結(jié)構(gòu)的影響.大氣科學,29(3):417—428

李永平,鄭運霞,方平治,2012.2009年“莫拉克”臺風登陸過程陣風特征分析.氣象學報,70(6): 1188—1199

宋麗莉,毛慧琴,黃浩輝等,2005.登陸臺風近地層湍流特征觀測分析.氣象學報,63(6): 915—921

陳紅巖,胡 非,曾慶存,2000.處理時間序列提高計算湍流通量的精度.氣候與環(huán)境研究,5(3): 304—311

賈俊梅,邱 翔,劉宇陸,2005.穩(wěn)定分層流動中湍流動量逆梯度輸運的數(shù)值研究.水動力學研究與進展,20(4):426—435

彭 珍,宋麗莉,胡 非等,2012.臺風“珍珠”登陸期間動量通量的多尺度分析.熱帶氣象學報,28(1): 61—67

Bunker A F,1956.Measurements of counter-gradient heat flux in the atmosphere.Aust J Phys,9: 133—143

Deardorff J W,1972.Theoretical expression for the countergradient vertical heat flux.J Geophys Res,77:5900—5904

Deissler R G,1962.Turbulence in the presence of a vertical body force and temperature gradient.J Geophys Res,67(8):3049—3062

Holtslag A A M,Moeng C -H,1991.Eddy diffusivity and countergradient transport in the convective atmospheric boundary layer.J Atmos Sci,48(14): 1690—1698

Kepert J D,2010.Slab- and height-resolving models of the tropical cyclone boundary layer.Part II: why the simulations differ.Quart J Roy Meteor Soc,136(652): 1700—1711,doi:10.1002/qj.685

Komori S,Ueda H,Ogino F et al,1983.Turbulence structure in stably stratified open-channel flow.J Fluid Mech,130:13—26

Lettau H H,Davidson B,1957.Exploring the Atmosphere’s First Mile.Now York: Pergamon Press,343

Smith R K,Montgomery M T,2010.Hurricane boundary-layer theory.Quart J Roy Meteor Soc,136(652): 1665—1670

Sun X M,Barros A P,2014.High resolution simulation of tropical storm Ivan (2004)in the Southern Appalachians:role of planetary boundary-layer schemes and cumulus parametrization.Quarter J Roy Meteor Soc,140(683):1847—1865

Telford J W,Warner J,1964.Fluxes of heat and vapor in the lower atmosphere derived from aircraft observations.J Atmos Sci,21(5): 539—548

Troen I B,Mahrt L,1986.A simple model of the atmospheric boundary layer;sensitivity to surface evaporation.Boundary-Layer Meteorol,37(1): 129—148

Wong E Y J,Brundidge K C,1966.Vertical and temporal distributions of the heat conductivity and flux.J Atmos Sci,23(2): 167—178

Zhang J A,Drennan W M,2012.An observational study of vertical eddy diffusivity in the hurricane boundary layer.J Atmos Sci,69(11): 3223—3236

Zhang J A,Marks F D,Montgomery M T et al,2011.An estimation of turbulent characteristics in the low-level region of intense Hurricanes Allen (1980)and Hugo (1989).Mon Wea Rev,139(5): 1447—1462

Zhang J A,Nolan D S,Rogers R F et al,2015.Evaluating the impact of improvements in the boundary layer parameterization on hurricane intensity and structure forecasts in HWRF.Mon Wea Rev,143(8): 3136—3155

Zhu P,2008.Simulation and parameterization of the turbulent transport in the hurricane boundary layer by large eddies.J Geophys Res,113(D17),doi: 10.1029/2007JD009643