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臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特征分析
臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特征分析
馬龍 061170047
指導(dǎo)老師：彭珍 博士、講師
南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 南京，210093
摘要：本文以2006年第6號臺風(fēng)“派比安”為觀測試驗背景，獲取了其在經(jīng)過試驗觀測地點—茂名市電白縣電城鎮(zhèn)博賀海洋氣象觀測站的各要素變化資料，并以此湍流資料對臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特征進行分析。結(jié)果表明：通過平均場分析，得知臺風(fēng)存在非對稱結(jié)構(gòu)，這種非對稱結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)的運動會產(chǎn)生影響；各特征變量如摩擦速度、拖曳系數(shù)、湍強、脈動運動動能、動量通量、熱量通量等在臺風(fēng)的不同階段上的變化具有一定的規(guī)律性；某些特征變量兩兩之間存在著較強甚至十分強的正、負(fù)相關(guān)性，而且上述相關(guān)性在臺風(fēng)不同階段上的差異可能很大。
關(guān)鍵詞：臺風(fēng)；邊界層；湍流特征；
Analysis on turbulence features in the boundary layer in the
typhoon weather situation
Ma Long 061170047
Supervisor: Doc. Peng Zhen
School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing, 210093
Abstract: In this paper, No.6 Typhoon in 2006, "Paibian" ,has been chosen to be the background for the observation test. Observed through experimental observation of its location - Maoming City Dianbai electric town bohe marine meteorological observation stations, the elements of change in information has been obtained, and this turbulence information has been used to analyze turbulence features on in the typhoon weather situation in the boundary layer. The results showed that: through the mean-field analysis, knowing that there is non-symmetrical structure of the typhoon, this non-symmetry structure can put influence on Typhoon movements; the characteristic variables such as friction velocity, drag coefficient, turbulence intensity, turbulent kinetic energy, momentum flux, heat flux and so on, can act on certain rules at different stages of the typhoon and other changes; some two of the features of variable exists comparatively strong or even very strong positive/negative correlation, and the difference of each correlation in different stages of the typhoon can be large.
Key Words: Typhoon; boundary layer; turbulence features
目錄
摘要 ......................................................................................... 1
1 引言 ....................................................................................... 3
2 “派比安”臺風(fēng)概況 ......................................................................... 3
2.1 臺風(fēng)發(fā)生時的天氣背景 ................................................................ 3
2.2 “派比安”的移動路徑 ................................................................. 5
2.3 “派比安”臺風(fēng)的特點 ................................................................. 5
3 觀測試驗介紹及資料處理 ..................................................................... 6
3.1 觀測試驗背景資料 ..................................................................... 6
3.2 資料處理 ............................................................................. 6
4 資料分析 ................................................................................... 9
4.1 平均場分析 ........................................................................... 9
4.1.1 平均地面氣壓的變化分析 ......................................................... 9
4.1.2 平均氣溫隨時間的變化分析 ...................................................... 10
4.1.3 合成風(fēng)速和風(fēng)向隨時間的變化分析................................................. 11
4.1.4 累積雨量的變化分析 ............................................................ 12
4.1.5 相對濕度的變化分析 ............................................................ 13
4.1.6 “派比安”臺風(fēng)的非對稱性分析................................................... 14
4.2 摩擦速度U*與拖曳系數(shù)Cd的變化分析 ................................................... 15
4.2.1 摩擦速度U*的變化分析 .......................................................... 15
4.2.2拖曳系數(shù)Cd的變化分析 .......................................................... 16
4.3垂直風(fēng)速與湍流通量分析 ............................................................... 16
4.3.1 平均垂直風(fēng)速W的變化分析 ...................................................... 17
4.3.2 順風(fēng)方向的動量通量分析 ........................................................ 17
4.3.3側(cè)向的動量通量分析 ............................................................. 18
4.3.4 熱量通量隨時間的變化分析 ...................................................... 18
4.3.5 垂直風(fēng)速與湍流通量的綜合分析................................................... 19
4.4 湍流強弱分析 ........................................................................ 20
4.4.1脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差的變化分析 ....................................................... 20
4.4.2湍強Iu、Iv、IW的變化分析 ........................................................ 21
4.4.3 脈動運動動能隨時間的變化 ...................................................... 22
4.4.4 湍流強弱的綜合分析 ............................................................ 23
4.5 相關(guān)性分析 .......................................................................... 24
4.5.1 相對濕度與氣溫的相關(guān)性分析 .................................................... 25
4.5.2 水平合成風(fēng)速大小與垂直風(fēng)速大小的相關(guān)性分析 ..................................... 25
4.5.3 水平合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)的相關(guān)性分析 ............................................. 26
4.5.4 水平合成風(fēng)速與摩擦速度的相關(guān)性分析 ............................................. 27
4.5.5 水平合成風(fēng)速與脈動運動動能的相關(guān)性分析 ......................................... 27
4.5.6 摩擦速度與順風(fēng)方向動量通量的相關(guān)性分析 ......................................... 28
5 結(jié)論與討論 ................................................................................ 29
5.1 結(jié)論 ................................................................................ 29
5.2 缺陷討論 ............................................................................ 31
參考文獻 .................................................................................... 32
致謝 ........................................................................................ 32
1 引言
大氣邊界層氣象學(xué)是大氣科學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)理論學(xué)科，大氣邊界層氣象學(xué)受到數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)支撐學(xué)科發(fā)展水平的影響，并隨著它們的發(fā)展而發(fā)展。大氣邊界層氣象學(xué)是以湍流理論為基礎(chǔ)的，研究大氣和它下墊面（陸面與洋面）相互作用以及地球—大氣之間物質(zhì)與能量交換的一門新型氣象學(xué)科分支。從1883年Reynolds首先在實驗室發(fā)現(xiàn)了湍流開始到現(xiàn)在的一百多年的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了湍流理論的產(chǎn)生和發(fā)展、行星邊界層的提出、近地層大氣物理規(guī)律的形成、大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識、大氣邊界層相似性理論的建立以及大氣邊界層湍流閉合理論的發(fā)展等發(fā)展過程，可以說，到20世紀(jì)70年代末，研究者們對均勻下墊面大氣邊界物理結(jié)構(gòu)基本有了比較全面的認(rèn)識，大氣邊界層的基礎(chǔ)理論基本上已經(jīng)形成。從 20 世紀(jì) 80 年代到目前的 20 多年間，除了數(shù)值模擬水平和觀測技術(shù)等實驗手段有較大提高外，大氣邊界層領(lǐng)域的工作，幾乎主要集中在解決大氣數(shù)值模式中邊界層和地表通量參數(shù)化問題上，而在理論研究方面則顯得過于平靜。因此 ,最近 20 多年實際上是大氣邊界層研究領(lǐng)域發(fā)展相對比較緩慢的時期。
大氣邊界層氣象學(xué)研究面臨問題主要有非均勻和復(fù)雜下墊面邊界層、特殊地區(qū)邊界層特征、沙塵暴等特殊天氣邊界層特征、邊界層與云和降水的作用、湍流如何在模式中更合理的參數(shù)化、大氣湍流問題、地—氣之間界面的物質(zhì)和能量交換問題以及局地實驗結(jié)果的代表性等。本文將以2006年第6號臺風(fēng)“派比安”為實驗背景對作為特殊天氣之一的臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特征進行分析。
2 “派比安”臺風(fēng)概況
2.1 臺風(fēng)發(fā)生時的天氣背景
0606 號臺風(fēng)，“派比安”于7 月31 日下午在菲律賓以東的太平洋海面上生成，向西移動并穿過菲律賓北部。吹襲菲律賓后于 8 月 1 日 進入我國南海東部海面，并于當(dāng)天下午加強為熱帶風(fēng)暴。進入南海后“派比安”初始向西北偏西移動，并于 8 月 2 日中午加強為臺風(fēng)。 8 月 3 日“派比安”以每小時 20 km 的速度向偏西北方向移動，至 1 400 BST (北京時，下同)其中心移動到距離我國廣東省陽江市沿海 180 km 的海面上。由1 400 BST時的地面天氣圖顯示(圖 2a)，“派比安”臺風(fēng)位于副熱帶高壓西南邊緣，其中心位置為北緯 1818 度，東經(jīng) 11416 度，中心氣壓 975hPa，且中心附近的等壓線幾乎呈軸對稱結(jié)構(gòu)。另外，副熱帶高壓呈東西向帶狀分布，派比安在副熱帶高壓引導(dǎo)氣流的作用下向西北方向移動。進一步由0800 BST 500 h Pa 天氣圖(圖2b)顯示，在派比安登陸前，臺風(fēng)中心處于副熱帶高壓西南邊緣，且臺風(fēng)中心以北 15 度，即北緯 35度附近有一西風(fēng)槽。臺風(fēng)附近的溫度場接近軸對稱結(jié)構(gòu)，而臺風(fēng)中心的暖心直到 300 h Pa (圖未示)仍然存在。這些天氣特征表明，派比安臺風(fēng)在接近登陸時，其環(huán)流結(jié)構(gòu)僅輕微受到西風(fēng)槽的影響，而其動力和熱力結(jié)構(gòu)仍然保持為一熱帶氣旋結(jié)構(gòu)。
(a) 1 400 BST地面天氣圖; (b) 0800 BST 500 hPa 高空天氣圖
圖 2 2006 年 8 月 3 日日本氣象廳
2.2 “派比安”的移動路徑
2006年第 6號熱帶氣旋“派比安”生成于菲律賓以東洋面，于7月31日發(fā)展為熱帶低壓，并繼續(xù)向偏西方向移動進入南海東部海面，于 8月1日l 4時增強為熱帶風(fēng)暴并正式編號。風(fēng)暴生成初期以 15～20 k m左右的速度向西北偏西方向移動，強度繼續(xù)加強，當(dāng)日晚上即增強為強熱帶風(fēng)暴，近中心附近最大風(fēng)力達(dá) 10級，路徑偏西，且于 8月2日13時進一步發(fā)展成臺風(fēng)，近中心風(fēng)力達(dá)12級，風(fēng)速達(dá)到33 m／s ，七級大風(fēng)半徑4 00 k m，十級大風(fēng)半徑 l00 k m，向西北方向移動，直趨廣東和海南兩省。8月3日凌晨臺風(fēng)移動的較為緩慢，直至上午08時移動速度突然加快，向西北方向移動。臺風(fēng)于當(dāng)天晚上19時20分左右在廣東省陽西到電白之間沿海登陸， 登陸時中心氣壓975 h Pa，近中心最大風(fēng)力l 2級，風(fēng)速達(dá)33 m／s 。登陸后臺風(fēng)繼續(xù)以15～20 k m左右的速度向西北偏西方向移動，由于登陸后受陸地山川的阻擋，強度逐漸減弱，于當(dāng)晚22時減弱為強熱帶風(fēng)暴，4日05時減弱為熱帶風(fēng)暴，16時減弱為熱帶低。
圖1 2006年6號臺風(fēng)“派比安”路徑圖
2.3 “派比安”臺風(fēng)的特點
2.3.1 臺風(fēng)強度發(fā)展快，影響范圍廣
“派比安” 從一個熱帶低壓迅速發(fā)展成為強勢逼人的臺風(fēng)，前后僅用了二十幾個小時的時間，可見該臺風(fēng)強度發(fā)展之迅速。本次臺風(fēng)過程近中心最大風(fēng)力12級，7級大風(fēng)半徑400 km， 10級大風(fēng)半徑120 km。該臺風(fēng)的影響范圍相對較廣，從衛(wèi)星云圖上看，登陸前的“ 派比安” 中心附近密閉云區(qū)主要籠罩了粵西地區(qū)，而且其外圍云系已覆蓋了廣東、廣西、海南三省以及南海中北部海面。
2.3.2 臺風(fēng)移動路徑多變，移動速度突變
“派比安”最初以15～20 km／h的速度向西北偏西方向移動，1日22時開始直線西行持續(xù)時間長達(dá)近 8個小時，西行的這段時間移動速度減緩維持在1O k m／h左右，而后北分量加大繼續(xù)以5～20 k m／h的速度轉(zhuǎn)向西北偏西方向移動。2日21時“派比安”又突然放慢了速度，以5～1O km／h的行進速度緩慢的向西南方向轉(zhuǎn)向，完成了一個拋物線后又徑直北上，維持近 8個小時。3日07時其移動速度又突然加快到 15～20 k m／h ，以西北路徑趨向粵西沿海，于3日19時20分在廣東省陽西到電白沿海交界地區(qū)登陸�？傮w來說，該臺風(fēng)移動路徑整體是在西北偏西方向南北擺動，移動速度突變較為明顯。
2.3.3 狂風(fēng)、暴雨、巨浪和高潮共同作用，破壞力極大
臺風(fēng)登陸時，粵西沿海和海南省等地出現(xiàn)了狂風(fēng)、暴雨、巨浪和高潮位等異�，F(xiàn)象。沿岸部分驗潮站出現(xiàn)超過當(dāng)?shù)鼐渌坏母叱蔽�，并且在長時間的狂風(fēng)和強降雨以及巨浪和高潮位的共同作用下，構(gòu)成了極大的破壞力，造成陽江到湛江一帶沿岸的多處堤壩被毀，受災(zāi)較為嚴(yán)重。
3 觀測試驗介紹及資料處理
3.1 觀測試驗背景資料
本次試驗觀測地點位于茂名市電白縣電城鎮(zhèn)博賀海洋氣象觀測站，地理坐標(biāo)為東經(jīng)：111°18'53.7"；北緯：21°27'06.7"，該站三面臨海，僅有西北方向與大陸相連，該站北面和西面50m以遠(yuǎn)的地方有被馬尾松覆蓋的小山丘，臺風(fēng)觀測塔位于該半島的中央，距塔6m左右的北面和東面被一些高為3m—5m的馬尾松所覆蓋，當(dāng)時塔附近東南面有3棵5m高的馬尾松所遮擋，為了使地面更加開闊，追風(fēng)組砍掉了這三棵樹，這樣塔的東面視野開闊；塔的南面沒有植被遮擋，地勢平坦。
本文所用資料為意大利Delta公司研制的HD2003型三維超聲風(fēng)速儀所測的風(fēng)速、氣溫、相對濕度和氣壓資料，實驗中該儀器架設(shè)在距離地面10 m高度的塔上，儀器采樣頻率是1Hz，以及安裝在塔的西面3m遠(yuǎn)0.7m高度處的美國YOUNG公司52203型雨量計測得的雨量資料。本次試驗有效的資料記錄時間為：2006年8月3日11:01:19?4日09:45:50，因此所獲各要素資料共有81871個數(shù)據(jù)時間點，為了數(shù)據(jù)處理和圖片顯示的方便，在不影響實驗過程和結(jié)果的情況下，只截取了3日12時至4日8時的數(shù)據(jù)，經(jīng)截取后為72600個時間點。本文主要分析的就是截取后時間段的湍流資料。
3.2 資料處理
目前有關(guān)湍流資料的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證方案已經(jīng)非常完備，本文主要參考Vickers and Mahrt (Vickers and Mahrt, 1997)和H?jstrup [H?jstrup, 1993]的方案，通過以下五個步驟來處理，從而得到較為可靠的數(shù)據(jù)序列的。
(1) 資料整理
原始資料文件夾命名為探測人員每次取資料的時間，為方便讀取，將原始資料進行重命名，把資料按時間分類，并將文件中的“時間”項去掉，對數(shù)據(jù)的格式進行統(tǒng)一，都是浮點數(shù)f14.8。
(2) 挑出野點
這里我們主要挑出不符合一般氣候統(tǒng)計特征以及物理上解釋不通的數(shù)據(jù)。為了最大限度保護原始資料，對各氣象要素，我們所取的閾值范圍都比較大，即：水平風(fēng)速: 0~50 m.s-1，垂直風(fēng)速: 0~5 m.s-1，溫度：-30~5 ℃。
(3) 剔除隨機脈沖
對于滿足Gauss分布的隨機變量，其基本上只在區(qū)間[μ-2σ, μ-2σ]內(nèi)取值(94.44％)，取值落在[μ-3σ, μ-3σ]之外的可能性不到3%。而對于左右對稱的指數(shù)分布，隨機變量的取值更向均值靠近。由于湍流間歇性和相干結(jié)構(gòu)的普遍存在，實際大氣湍流資料pdf（概率密度）分布存在很多不對稱的情況，有時存在很大的偏斜度，Pdf圖中會出現(xiàn)長尾現(xiàn)象，尤其是在溫度和濕度這樣的標(biāo)量中，長尾現(xiàn)象更為明顯。本文綜合了Vickers和H?jstrup的方法，先求出 的Pdf分布及其方差，然后將 的值認(rèn)為是隨機脈沖。其中對于風(fēng)速，取n=4；而對于溫度和濕度這樣的標(biāo)量，取n＝5。
(4) 插值
我們主要參考H?jstrup的插值方法。利用(0.1)式插值：
(0.1)
其中Rm是前M個數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，Xm是前M個數(shù)據(jù)的平均值，如式(0.2)和式(0.3)所示
(0.2)
(0.3)
以上插值方法的優(yōu)點在于其使得插值后觀測資料的平均值和相關(guān)系數(shù)與原始數(shù)據(jù)保持一致。
圖3(a) 氣壓原始資料
圖3(b) 經(jīng)過資料處理之后的氣壓資料
(5) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。
利用渦度相關(guān)法測量地表通量存在一個重要假設(shè)：在某一段時間內(nèi)，平均垂直氣流為0。在長時間的平均下且儀器工作正常，可以認(rèn)為w平均值為0。但是為了減少計算量，我們可以合并水平分量u、v。本文對初始資料采用的是一次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。
超聲風(fēng)速儀測得的風(fēng)速有三個分量：u、v、w。由于w一般遠(yuǎn)小于u、v，我們可以將u、v在水平方向求合風(fēng)速，減少某些計算的參量。這里我們采用的是一次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。一次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法如下：
超聲風(fēng)速儀安放坐標(biāo)為um，vm，wm；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)后，使得x軸平行于合成風(fēng)速U方向，按照右手螺旋法則，建立坐標(biāo)系u1，v1，w1（如圖4）；即
其中 （ ） v1
一次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)使得橫向風(fēng)速 ，主導(dǎo)風(fēng)速為x軸。本文的所有計算均是在新坐標(biāo)下進行的。 um
(6) 經(jīng)過上面的處理，我們得到了可供進一步研究的較為可靠的湍流數(shù)據(jù)。
4 資料分析
4.1 平均場分析
為了更好地說明臺風(fēng)經(jīng)過前后地面氣象要素隨時間的變化，圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別給出了“派比安”臺風(fēng)經(jīng)過觀測場地前后10分鐘平均地面氣壓P、平均氣溫 T、風(fēng)速U與風(fēng)向WD隨時間的變化、風(fēng)速U與風(fēng)向WD玫瑰圖、10分鐘累積雨量圖以及10分鐘平均相對濕度隨時間變化圖。本文截取了3日12時至4日8時的數(shù)據(jù)資料，一共有20小時，10分鐘做一次平均，于是得到20*6+1=121的時間點數(shù)據(jù)。圖中所用坐標(biāo)系為旋轉(zhuǎn)后的流線型坐標(biāo)系，即：以合成風(fēng)方向為X軸，按照右手螺旋法則，Y軸垂直于X軸，Z軸不變，如此建立的坐標(biāo)系。
4.1.1 平均地面氣壓的變化
圖5(a) 平均地面氣壓隨時間的變化/縱坐標(biāo)為平均地面氣壓（hPa）
圖5(a) 給出了臺風(fēng)經(jīng)過試驗地點氣壓隨時間的變化情況，由圖可見：
① 總體上看，氣壓的變化可分為兩部分即嚴(yán)格隨時間減小的部分和嚴(yán)格隨時間增加的部分，兩部分合起來組成了一個不對稱的“V”字形狀。
② 從觀測實驗開始（2006年8月3日11:01:19），氣壓P隨時間是逐漸減小的，到3日18時30分左右，氣壓p隨時間減小的速率迅速增大，于3日19時20分左右達(dá)到最小值 957.0 hPa；然后P先是在最低點時刻到3日20時之間逐漸增加，之后又隨時間迅速增加，在3日22:20左右增加的速率逐漸減小，但直到4日8時觀測試驗結(jié)束為止，氣壓P都是逐漸增加的。
③ 若考慮臺風(fēng)中心前后較短時間范圍內(nèi)即3日18時至3日22時氣壓的變化，，可以發(fā)現(xiàn)總體上看，前段時間內(nèi)氣壓下降的速率要小于后端時間氣壓上升的速率。
由上述特點可以得出結(jié)論：
? 根據(jù)氣壓P最小值出現(xiàn)的時間，可以判斷出珍珠臺風(fēng)中心經(jīng)過觀測場地的時間約在3日19:20左右。 ? 若假設(shè)臺風(fēng)在3日18時至3日22時內(nèi)不發(fā)生顯著變化，則可知，臺風(fēng)前的氣壓梯度小于臺風(fēng)后的氣壓梯度，也就是臺風(fēng)前部的等壓線較疏，后部的等壓線較密。
4.1.2 平均氣溫隨時間的變化
圖5 (b) 平均氣溫隨時間的變化/縱坐標(biāo)為平均氣溫（℃）
圖2(b) 上圖給出的是臺風(fēng)經(jīng)過試驗地點處平均氣溫的變化情況，由圖可見：
① 總體上看，在臺風(fēng)中心到達(dá)前，氣溫的波動較大，臺風(fēng)中心經(jīng)過后，氣溫波動較小。從3日12時50分到 15時50分的兩個小時間，氣溫從最高的27.3 ℃急劇降低到24.0 ℃，下降幅度為2.3
℃。此后
又迅速在17時30分上升到25.8 ℃，接下來一直下降，直到臺風(fēng)到達(dá)時刻氣溫為24.4 ℃。臺風(fēng)過后，氣溫在3日20時20分處迅速下降后又迅速上升，之后一直呈震蕩式地緩慢下降，在4日6時處開始緩慢增加，直到4日8時為25.6 ℃。
② 氣溫曲線在3日18時在3日22時之間的時段內(nèi)呈現(xiàn)出非對稱的“W”字形狀。
4.1.3 合成風(fēng)速和風(fēng)向隨時間的變化
圖5(c) 合成風(fēng)速U及風(fēng)向WD隨時間的變化—藍(lán)線為合成風(fēng)速，黑線為風(fēng)向
圖5(c) 給出了合成風(fēng)速及風(fēng)向的變化，由圖可見：
① 在臺風(fēng)“派比安”經(jīng)過前和經(jīng)過較長時間后，風(fēng)速及風(fēng)向的都較穩(wěn)定，變化不大，而當(dāng)臺風(fēng)經(jīng)過時，合成風(fēng)速和風(fēng)向都有極大的變化。合成風(fēng)速先是從15 m/s急劇下降至接近O，然后又急劇上升至接近30 m/s，波動幅度及強度都較大。風(fēng)向則是從臺風(fēng)前的東風(fēng)，在不到一個小時的時間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)為西風(fēng)，變化幅度達(dá)到了180°，之后穩(wěn)定不變。
② 由合成風(fēng)速下降至基本為O的變化，可以得出一個結(jié)論：本次觀測試驗的地點在合成風(fēng)速最小時正處于臺風(fēng)中心或者接近臺風(fēng)中心的位置，因此，本次試驗所測得的數(shù)據(jù)應(yīng)該是十分具有代表性的。
③ 在3日18時至3日22時之間的時段內(nèi)，合成風(fēng)速曲線呈現(xiàn)出不對稱的“V”字形狀。
④ 臺風(fēng)中心以后的合成風(fēng)速強于臺風(fēng)前的合成風(fēng)速，即臺風(fēng)呈現(xiàn)出加速的狀態(tài)。
下圖（圖5(d)）可清晰地看出風(fēng)向風(fēng)速的變化。
圖
5(d) 19:00～20:30的風(fēng)玫瑰圖
上圖為“派比安”19:00～20:30每隔5分鐘的風(fēng)向變化圖，線的長短表示風(fēng)速，箭頭表示風(fēng)向。由圖可見，臺風(fēng)來臨前風(fēng)速較大，風(fēng)向基本為東風(fēng)；臺風(fēng)來臨時風(fēng)速降至極低，風(fēng)向以順時針方式偏轉(zhuǎn)；臺風(fēng)過后，風(fēng)向已轉(zhuǎn)為西風(fēng)，風(fēng)速迅速增大。
4.1.4 累積雨量的變化
圖5(e) 十分鐘內(nèi)累積雨量隨時間的變化/縱坐標(biāo)雨量的單位為0.1mm
由累積雨量的變化情況，可以看出：
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)前，降雨時間較長、雨量較大且波動也較大。從3日13時20分到19時20分六個小時的累積雨量為50.6 mm遠(yuǎn)超過暴雨的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 14時到15時的一個小時內(nèi)的累積雨量為1.95 mm，15時到16時間的累積雨量為6.8 mm，16時到17時間的累積雨量為5.2 mm， 17時到18時間的累積雨量為3.5 mm，18時到19時的累積雨量卻達(dá)到19.5 mm。
② 臺風(fēng)中心過后，降雨量明顯降低，時下時停，從3日20時到4日8時十二個小時內(nèi)的累積雨量只有13.7，還沒有從18時到19時一個小時內(nèi)的累積雨量大。
③ 在3日18時至3日22時之間的時段內(nèi)，累積雨量曲線呈現(xiàn)出一種極不對稱的“M”字形狀，18時至20時內(nèi)的雨量要遠(yuǎn)大于20至22時的雨量。
4.1.5 相對濕度的變化
圖5(f) 相對濕度隨時間的變化
由相對濕度的變化情況，可以看出：
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，除了幾段小幅波動外，相對濕度總體上是上升的，其值從3日12時的75%，上升到臺風(fēng)中心到達(dá)時的95%。臺風(fēng)中心過后較長一段時間內(nèi)都比較穩(wěn)定的狀態(tài)，維持在90%到96%之間，4日6時左右下降至大約86%，并保持穩(wěn)定。
② 在3日18時在3日22時之間的時段內(nèi)，相對濕度曲線呈現(xiàn)出非對稱的“M”字形狀。
4.1.6 “派比安”臺風(fēng)的非對稱性分析
近年來，熱帶氣旋的非對稱性結(jié)構(gòu)越來越引起科學(xué)家們的注意，動力學(xué)非對稱性和熱力學(xué)非對稱性會對熱帶氣旋的移動速率和移動方向產(chǎn)生直接的影響，在弱環(huán)境流場中，這種影響將變得十分顯著【1】。通過對平均場變量的研究，本文將就“派比安”臺風(fēng)的非對稱性做簡要分析。
由于臺風(fēng)屬于大尺度天氣系統(tǒng)，而本次試驗所得數(shù)據(jù)全部來自于一個觀察地點，不可能得到在相同時刻不同臺風(fēng)區(qū)域的數(shù)據(jù)。對于已經(jīng)登陸的臺風(fēng)來說，它應(yīng)正處于慢慢減弱的階段，因此，要通過一個點的數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)的非對稱性結(jié)構(gòu)，只能假設(shè)臺風(fēng)在經(jīng)過試驗地點時變化不顯著。為了使上述假設(shè)合理存在，在下述分析中將通過縮短考慮的時間段來保證假設(shè)的合理性。下面的分析中選取的重點分析時間段為3日18時至3日22時，而此時間段內(nèi)正包涵臺風(fēng)中心經(jīng)過過程。
? 由圖(a)可以看出，氣壓變化曲線呈現(xiàn)為一種“V”字形狀，但是這個“V”字是不對稱的。考慮3日18時至3日22時之間的時間段，總體上看，氣壓下降階段的下降速率較小，而上升階段的上升速率明顯較前者大，結(jié)合“派比安”臺風(fēng)的運動路徑，我們可以看出：它的西北區(qū)域的等壓線較稀疏，而東南區(qū)域的等壓線較密集，即呈現(xiàn)出“東密西疏”的非對稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)陳聯(lián)壽、孟智勇的《我國熱帶氣旋十年研究進展》
【1】中關(guān)于臺風(fēng)非對稱性結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)運動影響的分析可知，這種“東密西疏”的非對稱結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致臺風(fēng)加速，而圖5(c)中合成風(fēng)速的變化情況則正好印證了這一結(jié)論。
? 分析“派比安”臺風(fēng)的氣溫序列可以看出，在3日18時至3日22時之間的時間段內(nèi)，氣溫曲線表現(xiàn)為一種非對稱的“W”型變化，在18時至20時之間內(nèi)的氣溫下降幅度較20時至22時時間段內(nèi)要大。若考慮臺風(fēng)中心經(jīng)過前后較長時間內(nèi)的3日12時至4日4時，這種非對稱形勢則更加明顯。在3日12時氣溫一度達(dá)到27.3 ℃，而又在15時50分驟降至23.4 ℃。在臺風(fēng)中心過后的3日22時以后，氣溫則基本保持在25 ℃左右。這說明：臺風(fēng)的西北區(qū)域氣溫變化較其東南區(qū)域要大得多，西北區(qū)域大起大落，東南區(qū)域則保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。
? 由合成風(fēng)速曲線的變化情況，可以看出：臺風(fēng)中心經(jīng)過前后的合成風(fēng)速大小也呈現(xiàn)出非對稱結(jié)構(gòu)�？傮w上看，臺風(fēng)中心經(jīng)過之前的合成風(fēng)速要小于經(jīng)過之后�？紤]3日18時至3日22時之間的時間段內(nèi)，合成風(fēng)速曲線呈現(xiàn)出非對稱的“V”字形狀。因此可以得出結(jié)論：“派比安”的西北區(qū)域的合成風(fēng)速大小總體上要小于其東南區(qū)域。
? 由雨量和相對濕度的變化情況看，“派比安”的非對稱性表現(xiàn)的尤為突出。先看累積雨量的變化，可知：在臺風(fēng)中心到達(dá)前的累積雨量非常大，而臺風(fēng)中心經(jīng)過之后的累積雨量則明顯較前者小�？紤]3日18時至3日22時之間的時間段，18時自20時內(nèi)的10分鐘累積雨量一度達(dá)到7mm，而20時至22時內(nèi)的10分鐘累積雨量最大才0.8mm。再看相對濕度的變化，臺風(fēng)中心到達(dá)前的相對濕度小且波動較大，臺風(fēng)中心經(jīng)過后的相對濕度較大且波動較小。在3日18時至3日22時之間的時間段內(nèi)，累積雨量曲線呈現(xiàn)為非對稱的
“M”字形狀。由此可以得出結(jié)論：臺風(fēng)關(guān)于雨量和相對濕度是非對稱的，西北區(qū)域的降雨量較大而同時相對濕度較��；臺風(fēng)東南區(qū)域的降雨量較小而同時相對濕度較大。
4.2 摩擦速度U*與拖曳系數(shù)Cd的變化分析
4.2.1 摩擦速度U*的變化
摩擦速度U*是湍流切應(yīng)力與空氣密度比值的平方根，即 ，具有速度量綱。在近地面，我們可以認(rèn)為大氣密度是不變的，即為常量，則摩擦速度的變化可以認(rèn)為與湍流切應(yīng)力正相關(guān)。湍流切
、 密切相關(guān)，用公式表示為： ,因此有 應(yīng)力與動量的輸送
，本文的摩擦速度就是用公式 計算得來。摩擦速度作為一種表征湍流性
質(zhì)的特征量，可以通過它的變化來反映湍流的發(fā)展?fàn)顩r。
圖6(a) 摩擦速度U*(m/s)隨時間的變化
由摩擦速度的變化情況，可以看出：
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)前，摩擦速度變化雖然波動較大，但是整體上是緩慢增加的。
② 臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，摩擦速度的變化十分劇烈。先是從19時20分的接近1.6 m/s迅速下降至50分時的不到0.2 m/s，在30分鐘的時間內(nèi)竟下降了1.4 m/s。接著又從19時20時10分時的0.2 m/s迅速上升到19時50分時的接近1.2 m/s，上升幅度較大。
③ 臺風(fēng)中心經(jīng)過之后，摩擦速度下降至0.6 m/s處附近并保持較穩(wěn)定狀態(tài)。
④ 摩擦速度的變化說明了近地層湍流的強弱，u*
越大，湍流越強，越不穩(wěn)定。一般來說，白天由于有
太陽輻射對地面的加熱作用，引起空氣的對流，對湍流的發(fā)展起到了促進作用。在圖上表現(xiàn)為臺風(fēng)中心到達(dá)前的摩擦速度值總體上要大于臺風(fēng)中心經(jīng)過后�？梢钥闯�，無論是在白天還是夜晚，在非臺風(fēng)中心區(qū)域，離臺風(fēng)中心越近，則摩擦速度越大；離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，摩擦速度越小。在臺風(fēng)中心處，摩擦處于極小值。
4.2.2拖曳系數(shù)Cd的變化
湍流應(yīng)力 以拖曳系數(shù)Cd表示的公式為： ，因為有： ，于是有Cd= ，和摩擦速度一樣，拖曳系數(shù)也能夠反映湍流的發(fā)展?fàn)顩r。
圖6(b) 拖曳系數(shù)Cd隨時間的變化
由拖曳系數(shù)的變化情況，可以看出：
① 拖曳系數(shù)在臺風(fēng)中心經(jīng)過前后形成了強烈的反差：臺風(fēng)中心經(jīng)過前，拖曳系數(shù)較大且波動較大，期間有兩個較高的波峰，分別在3日15時30分和19時40分，前者為0.028，后者為0.033；臺風(fēng)中心經(jīng)過后，拖曳系數(shù)幾乎為零且波動很小。
② 在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，拖曳系數(shù)產(chǎn)生的巨大的波動，先是從3日19時10分的0.004急劇上升到19時40分處的0.033，然后又急劇下降到20時10分處的接近O值。
4.3垂直風(fēng)速與湍流通量分析
本文所使用的數(shù)據(jù)除雨量外，全部來自架設(shè)在10m位置的HD2003型三維超聲測風(fēng)儀，因此以下分析及結(jié)論均是在高度為10m的基礎(chǔ)之上。
4.3.1 平均垂直風(fēng)速W的變化分析
圖7(a) 垂直風(fēng)速W隨時間的變化
由平均垂直風(fēng)速的變化情況，可以看出：
① 平均垂直風(fēng)速在整個臺風(fēng)過程中都是大于O的，即垂直方向上，風(fēng)向是朝上的。
② 從大小變化來看，臺風(fēng)中心經(jīng)過前，總體上風(fēng)速是先減小后增加的；在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，風(fēng)速先是急劇下降至接近O，然后又急劇上升為接近4 m/s；臺風(fēng)中心過后，風(fēng)速便一直下降至大約2 m/s處，并在其后保持相對穩(wěn)定。
③ 與水平合成風(fēng)速情況相同，垂直風(fēng)速在3日19時50分處下降至接近O值，說明此時試驗地點正處于無風(fēng)的臺風(fēng)眼處。
4.3.2 順風(fēng)方向的動量通量 分析
圖7(b) 順風(fēng)方向的動量通量 (m2/s2)隨時間的變化
由順向動量通量變化情況，可以看出：
① 在臺風(fēng)中心經(jīng)過前，順風(fēng)方向的動量通量總是大于O的，而且總體上是波動上升的，說明此過程中的動量輸送方向是由下層往上層輸送。
② 臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，其值迅速下降至O值附近，之后又短時間內(nèi)突然上升至1.25 m2/s2。
③在臺風(fēng)中心經(jīng)過后，又較迅速地下降至O值以下，并在O值以下徘徊了近八個小時以后，保持在O值附件小波幅震蕩。說明臺風(fēng)中心經(jīng)過后的較長時間內(nèi)，順向動量通量的輸送方向為上層往下層輸送。
④總體上看，在非臺風(fēng)中心區(qū)域，即離臺風(fēng)中心越近，其值越大；離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，其值越��；在臺風(fēng)中心處為極小值。
分析 4.3.3側(cè)向的動量通量
圖7(c) 側(cè)向的動量通量 (m2/s2)隨時間的變化
由側(cè)向動量通量變化情況，可以看出：
① 在整個臺風(fēng)過程中，側(cè)向的動量通量總體上是小于O，即側(cè)向的動量通量輸送是向下的。
② 臺風(fēng)中心經(jīng)過之前，其值的波動較大，既有兩處波谷的值約為-1.2 m2/s2，也有波峰處0.56 m2/s2的高值。在臺風(fēng)中心到達(dá)時刻，其值也達(dá)到最高，為1.23 m2/s2，說明臨近臺風(fēng)中心處的側(cè)向動量通量是朝上輸送的。之后，其值急劇下降至O值以下，并小波幅的保持在O值以下。
4.3.4 熱量通量 隨時間的變化
表示為位溫，由于本次試驗直接測得的數(shù)據(jù)為氣溫T，因此需要將氣溫T
通過轉(zhuǎn)化公式轉(zhuǎn)化為位溫，
，其中 其轉(zhuǎn)化公式為： P為氣壓。R和Cp為常數(shù)，R/Cp≈0.286。
圖7(d) 熱量通量(K?m/s)隨時間的變化
由熱量通量變化情況可以看出：
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，熱量通量波動較大，但基本保持為正值，即熱量由下層輸送到上層。
② 臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，其值急劇下跌，在3日19時30分時達(dá)到最低點約-0.075 K?m/s，然后又突然上升至O值附近，并在3日20時到22時之間的時間內(nèi)保持絕對值較小的負(fù)值。
③ 臺風(fēng)中心經(jīng)過以后，其值基本保持為O值，即沒有熱量輸送。
4.3.5 垂直風(fēng)速與湍流通量的綜合分析
綜合分析圖7各圖，可以得出如下幾個結(jié)論：
? 在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，順向的動量通量大體為正，而側(cè)向的動量通量則大體為負(fù)，這說明：在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，在順風(fēng)方向上，動量是由下層空氣輸送到上層空氣；在側(cè)風(fēng)方向相反，動量是由上層空氣輸送到下層空氣。因此，簡單來看，動量的輸送過程為：下層空氣中的動量在順風(fēng)方向上輸送到上層，然后又在側(cè)風(fēng)方向上返回到下層，實現(xiàn)循環(huán)。
? 通過比較臺風(fēng)中心到達(dá)之前順向和測向的動量通量的絕對值大小，還可以看出：順向正動量通量的絕對值要大于側(cè)向負(fù)動量通量的絕對值，所以從下層輸送到上層的動量要大于從上層輸送到下層的動量，二者之差應(yīng)為在上層空氣中由摩擦及其它過程所引起的損耗，因此，結(jié)論?中得出的循環(huán)過程并不能僅靠自身維持，必須有某種其它的機制將動量輸送到下層，以補充其損耗。
? 在臺風(fēng)中心經(jīng)過之后，順向的動量通量一直下降至O
值以下，而側(cè)向的動量通量則變化不大，但
整體上依舊維持為負(fù)值。分析從3日22時至4日4時可知，無論是順向還是側(cè)向，動量通量都為負(fù)值，動量都是從上層空氣輸送到下層空氣中。
? 分析臺風(fēng)中心到達(dá)前后的兩個方向上動量通量，也可以說明臺風(fēng)的非對稱性，其不只表現(xiàn)在平均場上，在通量變化上也表現(xiàn)的十分明顯。
? 分析熱量通量的變化情況可知，在臺風(fēng)中心到達(dá)前，即3日12時到19時的時間段內(nèi)，其值總體上為正值，熱量是從下層空氣輸送到上層空氣中的。這段時間正好是下午時段，動量通量在正常天氣背景下應(yīng)為正值，即熱量由近地面空氣向上輸送。因此可以得出結(jié)論：雖然由臺風(fēng)帶來了擾動，但在整體上，并沒有阻止熱量的向上輸送過程。
? 在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，可以看到熱量通量的驟減和驟升過程，這說明，在臺風(fēng)中心處，熱量是由上往下輸送的。
? 在臺風(fēng)中心經(jīng)過后，分析從3日22時至4日4時時間段內(nèi)，熱量通量基本保持在O值處，說明上下層大氣無熱量輸送。這段時間正處于夜晚，若為正常天氣背景條件下，熱量通量應(yīng)為負(fù)值，即熱量由上層輸送到下層。因此可以判斷：臺風(fēng)過程帶來的擾動徹底破壞了正常的夜間熱量輸送。
4.4 湍流強弱分析
′,因此研究我們在研究大氣運動的規(guī)律時，將隨機變量分解為平均部分和脈動部分之和，即
脈動量 ′的變化情況就變得十分重要。在研究湍流強弱時，我們可以用脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差 、湍強I以及脈動運動動能（TKE）來表征，其三者是從不同的角度來反映湍流強弱的，因此各有其特點。
4.4.1脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差 、 、 的變化分析
為了更好的進行綜合分析，將三個方向的脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差反映在同一張圖上：
圖8(a) 脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差(m/s)隨時間的變化
由脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差變化情況，可以看出：
① 三個方向上的脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢具有很高的一致性，三者呈正相關(guān)關(guān)系。
② 合成風(fēng)U方向上的脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差最大，其次是V方向，最小的是垂直Z方向。
③ 在臺風(fēng)中心到達(dá)前，整體上看，三者都是先略微減小，后逐漸增大；在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，三者都急劇減�。慌_風(fēng)中心過后，三者又都迅速增大，但都沒有增大到臺風(fēng)中心經(jīng)過前的強度。
4.4.2湍強Iu、Iv、IW的變化分析
在近地層大氣中，脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差通常隨水平風(fēng)速的增加而增大，若僅僅只考慮脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差而忽視水平風(fēng)速的大小，將不能全面的反映湍流的強弱。因此，我們用它們的相對比值來定量表示湍流的強弱，并定義為湍流強度I（簡稱湍強）： σ
圖8(b)湍強隨時間的變化
由湍強變化情況，可以看出：
① 與脈動標(biāo)準(zhǔn)差類似，三個方向上湍強的變化具有很高的一致性，為正相關(guān)關(guān)系。
② 整體上看，仍是合成風(fēng)U方向上的脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差最大，其次是V方向，最小的是垂直Z方向。 ③ 在臺風(fēng)中心到達(dá)前，整體上三個方向上的湍強都是先較大幅度增加后又迅速減��；在臺風(fēng)經(jīng)過過程中，三者都是先急劇增大后又急劇減小；臺風(fēng)中心過后，湍強基本保持較低水平下的穩(wěn)定。
4.4.3 脈動運動動能隨時間的變化
單位質(zhì)量的大氣動能為 ，將速度分解為平均量和脈動量后，大氣動能表達(dá)式變?yōu)?ˊ ˊ ˊ = ，其中 為脈動運動動能，縮寫為TKE。 湍流動能(TKE)是反映湍流強弱的重要標(biāo)志。
圖8(c)湍流動能(m2/s2)隨時間的變化
由湍流動能變化情況可見：
① 整體上看，在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，湍流動能波動較大，先是從3日12時波動下降持續(xù)到14時，然后從14時波動上升直到臺風(fēng)中心來臨；
② 在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，其值急劇下降，在3日19時50分處接近O值，之后又迅速上升至6 m2/s2，并保持相對穩(wěn)定。
③ 臺風(fēng)中心過后，湍流動能基本穩(wěn)定維持在6 m2/s2附近。
4.4.4 湍流強弱的綜合分析
通過綜合分析脈動標(biāo)準(zhǔn)差、湍強和脈動動能隨時間的變化曲線圖，我們可以得到以下結(jié)論：
? 脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差圖中的三個分量具有很高的正相關(guān)性，這說明：當(dāng)湍流強度增大時，是三個方向同時增大的，并不是單個方向或只有水平、垂直方向的湍流強度增大。
? 湍強是脈動標(biāo)準(zhǔn)差比上合成風(fēng)速而來。由圖8(a)、8(b)比較可知，各個方向上的兩者的值雖然有一定正相關(guān)性，但其兩者的差別還是很大的，這主要是由于合成風(fēng)速與各脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差之間的非同步性所導(dǎo)致的。由合成風(fēng)速的非同步性導(dǎo)致圖8(a)、8(b)之間的比較大的差異主要由三處：
① 在3日14時處脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線表現(xiàn)為一低谷，而湍強曲線則較平坦，甚至還出現(xiàn)了小波幅的高峰，結(jié)合圖5(c)中的合成風(fēng)速變化曲線，容易發(fā)現(xiàn)這是因為此處合成風(fēng)速曲線正處于波谷，提高了湍強值。
② 在時段3日15時至16
時，脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線雖然有波動，但并未表現(xiàn)出有波峰存在，而此段
的湍強則有明顯的波峰，其原因也是由合成風(fēng)速的下降所致。
③ 在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線明顯表現(xiàn)為一波谷，為湍強曲線則明顯表現(xiàn)為一波峰，形成這么巨大反差的原因在于合成風(fēng)速在此階段極低，甚至一度接近為O。
? 通過分析脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖，再結(jié)圖5(c)中的合成風(fēng)速變化曲線，可以合理推測：在3日14時左右，觀測場地正處于一個較小的局部環(huán)流中，其內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)速脈動都較臺風(fēng)其它地方小，由于湍強的定義為風(fēng)速脈動比上合成風(fēng)速，因此此處的湍強并無明顯較其他時間小，甚至還出了小波峰。同理，在3日15時至16處也應(yīng)存在有一個局部環(huán)流。
? 從湍流動能的表達(dá)式可知，其值大小正比于三個方向的脈動速度方差之和，但從曲線的變化來看，其值與脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差的變化非常一致。
? 由脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線和湍強曲線可知，在臺風(fēng)中心處，風(fēng)速脈動雖然很小，但相對于此處的合成風(fēng)速來看，其值仍算可觀，因此才能在此處形成明顯的波峰。
4.5 相關(guān)性分析
在湍流的發(fā)展中，變量之間的變化情況可能是相互獨立的，也可能是相互關(guān)聯(lián)的，導(dǎo)致它們之間的關(guān)聯(lián)必然是因為其中存在某些已知或未知的機理。研究變量之間的相關(guān)性有助于我們找出這些機理，從而更有效地進行湍流特征分析。
由圖5(c)中合成風(fēng)速變化情況可知，在3日19時20分至20時50分的時間段，合成風(fēng)速先急劇下降至接近O，后又急劇上升，因此根據(jù)此特征，可以大致將此階段視為較完整的臺風(fēng)中心經(jīng)過階段。為了有效細(xì)致地分析各變量之間的相關(guān)性，本文將整個臺風(fēng)過程劃分為三個階段，即：臺風(fēng)中心經(jīng)過前、臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中和臺風(fēng)中心經(jīng)過后，分別對三個階段進行相關(guān)性分析并進行比較。
由于各變量的數(shù)據(jù)時間點共有121個，因此上述三個過程的時間段分別為：1?44、45?54及55?121。其中，臺風(fēng)中心經(jīng)過過程的數(shù)據(jù)時間點共有10個。為方便起見，在下面分析時，將上述三個階段分別稱為：前階段、中間階段和后階段。
4.5.1 相對濕度與氣溫的相關(guān)性分析
圖9(a) 相對濕度與氣溫隨時間變化圖
由圖9(a)可知大致上看，相對濕度與氣溫是呈反相關(guān)的，即氣溫越高，相對濕度就越大。分別對總過程和三個階段求相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如下：臺風(fēng)總過程為-0.805，前階段為-0.973，中間階段為0.161，后階段為-0.909。由上述結(jié)果我們可以看出：在整個臺風(fēng)過程中，二者是呈明顯負(fù)相關(guān)性的；在前階段和后階段中，相對濕度與氣溫的負(fù)相關(guān)性非常明顯，相對系數(shù)的絕對值達(dá)到了0.9；而在中間階段，相關(guān)系數(shù)不為負(fù)，反而為正，這說明在此階段，二者非但不是負(fù)相關(guān)關(guān)系，反而還有一定的正相關(guān)關(guān)系。
由上述的結(jié)果可以得到結(jié)論：在正常天氣背景下，相對濕度與氣溫是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的，臺風(fēng)中心到達(dá)前和臺風(fēng)中心經(jīng)過后濕度與氣溫的相關(guān)關(guān)系正為負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在臺風(fēng)中心處，二者非但不是負(fù)相關(guān)關(guān)系，而且還呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，因此可知，臺風(fēng)中心處相對濕度與氣溫的負(fù)相關(guān)關(guān)系被破壞。
4.5.2 水平合成風(fēng)速大小與垂直風(fēng)速大小的相關(guān)性分析
圖9(b) 合成風(fēng)速與垂直風(fēng)速隨時間變化圖
由圖9(b)可以很明顯地看出水平合成風(fēng)速與垂直風(fēng)速大小之間的正相關(guān)性，對總過程和三個階段分別求相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如下：總臺風(fēng)過程為0.706，前階段為0.983，中間階段為0.969，后階段為0.962。三個階段中二者的相關(guān)系數(shù)都為正，且值都非常大，可見二者單個階段的正相關(guān)性非常強，但是二者在總過程的正相關(guān)性相比于單個階段來說明顯較弱，其原因何在？若不考慮實際大小僅看曲線位置，可以發(fā)現(xiàn)：在前階段，W在U之上；在中間階段，W與U幾乎重合；在后階段，W在U之下，因此雖然單獨階段上二者的正相關(guān)性很強，但由于二者在三個階段正相關(guān)性的“實質(zhì)”不同，導(dǎo)致在整個過程中正相關(guān)性的減弱。
由上述結(jié)果可以得出結(jié)論：在整個臺風(fēng)不同階段中，風(fēng)速大小變化在水平方向和垂直方向上的變化是非常一致的，彼增則此增，彼減則此也減。但是在整個臺風(fēng)過程中，二者的相關(guān)性減弱。可見，二者在不同階段的正相關(guān)性是有差異的，這種差異導(dǎo)致整個臺風(fēng)過程的正相關(guān)性減弱。
4.5.3 水平合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)的相關(guān)性分析
圖9(c) 水平合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)隨時間變化圖
由圖9(c)可大致看出合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)的負(fù)相關(guān)性，拖曳系數(shù)有兩個明顯的波峰，而合成風(fēng)速對應(yīng)位置則由相應(yīng)的波谷；在后階段，拖曳系數(shù)變得很小，只在0.001附近波動，對應(yīng)水平合成風(fēng)速則處于較高值位置。計算總過程和三個階段二者的相關(guān)系數(shù)，得到如下結(jié)果：總過程為-0.726，前階段為-0.514，中間階段為-0.611，后階段為-0.022。
由上述計算結(jié)果可以得出結(jié)論：在整個臺風(fēng)過程中，合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)的負(fù)相關(guān)性是比較明顯的，即整體上看，二者呈現(xiàn)出此增彼減的趨勢。但在單個階段中，這種負(fù)相關(guān)性明顯較弱，甚至在后階段中，二者幾乎不相關(guān)。
4.5.4 水平合成風(fēng)速與摩擦速度的相關(guān)性分析
圖9(d) 合成風(fēng)速與摩擦速度隨時間變化圖
由圖9(d)大致可以看出，二者在三個單獨階段上應(yīng)有較明顯的正相關(guān)性，而由于在前階段摩擦速度曲線在合成風(fēng)速曲線之上，卻在后階段情況相反，因此整體的相關(guān)性卻不能看出。分別計算總過程和三個階段的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如下：總過程為-0.108，前階段為0.641，中間階段為0.548，后階段為0.490。
由上述計算結(jié)果可以得出結(jié)論：合成風(fēng)速與摩擦速度在單獨的階段上正相關(guān)性較好，但在不同階段上正相關(guān)性是有差異的，而且這種差異大到使整過臺風(fēng)過程中二者的相關(guān)性呈現(xiàn)負(fù)值。因此，在這種情況下考察二者在整個臺風(fēng)過程中的相關(guān)性已失去意義，應(yīng)重點研究不同階段上二者的正相關(guān)性。
4.5.5 水平合成風(fēng)速與脈動運動動能的相關(guān)性分析
圖9(e) 合成風(fēng)速與脈動動能隨時間變化圖
由圖9(e)可以看出，二者在不同階段上都呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，和圖9(d)類似，二者在不同階段上正相關(guān)性有著明顯的差異。在前階段和中間階段的下降部分，合成風(fēng)速曲線與脈動動能曲線不相上下，而在中間階段上升部分即3日19時50分開始，合成風(fēng)速曲線迅速超過脈動動能曲線，并維持著較大差距。計算總過程和三個階段的相關(guān)系數(shù)，得到結(jié)果如下：總過程為-0.136，前階段為0.838，中間階段為0.429，后階段為0.547。
由上述計算結(jié)果可以得出與圖9(d)相似的結(jié)論，即合成風(fēng)速與脈動動能在單獨的階段上正相關(guān)性較好，尤其在前階段相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.838，但在不同階段上正相關(guān)性是有差異的，而且這種差異大到使整過臺風(fēng)過程中二者的相關(guān)性呈現(xiàn)負(fù)值。因此，在這種情況下考察二者在整個臺風(fēng)過程中的相關(guān)性已失去意義，應(yīng)重點研究不同階段上二者的正相關(guān)性。
4.5.6 摩擦速度與順風(fēng)方向動量通量的相關(guān)性分析
圖9(f) 摩擦速度與順向動量通量隨時間變化圖
由圖9(f)容易看出，摩擦速度與順向動量通量在前階段、中間階段和后階段的前部分應(yīng)具有正相關(guān)性，尤其是前階段和中間階段，摩擦速度與順向動量通量曲線幾乎重合。在后階段的后部分，二者的相關(guān)性比較復(fù)雜，時而負(fù)相關(guān)時而正相關(guān)，其中，至3日22時20分到4日3時50分之間的負(fù)相關(guān)性比較明顯。4日4時以后，則顯得較為雜亂。分別計算總過程和三個階段的相關(guān)系數(shù)，得到結(jié)果如下：總過程為0.873，前階段為0.967，中間階段為0.964，后階段為0.051。若將后階段分為三個部分，即：3日20時50分到3日22時20分、3日22時30分到4日3時50分和4日4時到4日8時，并分別計算兩個變量的相關(guān)系數(shù)，得到結(jié)果如下：第一部分為0.579，第二部分為-0.936，第三部分為0.308。
由上述的計算結(jié)果可得出結(jié)論：摩擦速度與順向動量通量在前階段和中間階段的正相關(guān)性非常強，相
關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.96。二者在后階段中總相關(guān)系數(shù)為0.051，幾乎不相關(guān)，但是細(xì)看摩擦速度與順向動量通量的變化曲線容易看出：二者呈現(xiàn)出正負(fù)相關(guān)性的交替過程，其中3日20時50分到3日22時20分的時間段內(nèi)顯現(xiàn)為較強的正相關(guān)性， 3日22時30分到4日3時50分的時間段內(nèi)則顯現(xiàn)為極強的負(fù)相關(guān)性。
上述計算結(jié)果，即后階段中的三個小段內(nèi)復(fù)雜交錯的相關(guān)性，極有可能是“派比安”獨特天氣背景的結(jié)果，也可能是所有臺風(fēng)天氣背景共有的現(xiàn)象，因此需要與其它臺風(fēng)天氣背景進行比較才能下結(jié)論。
5 結(jié)論與討論
5.1 結(jié)論
本文以2006年第6號臺風(fēng)“派比安”為實驗對象，具體分析了臺風(fēng)中心到達(dá)前后的平均場要素變化情況、摩擦速度與拖曳系數(shù)變化情況、垂直風(fēng)速與湍流通量變化情況、湍流強度變化情況以及各要素的相關(guān)關(guān)系，從而綜合地分析了在臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特，并得出了如下結(jié)論：
? 平均場結(jié)論
① 氣壓曲線總體上呈現(xiàn)“V”字形狀，即臺風(fēng)中心到達(dá)前一直下降，臺風(fēng)中心處為最低值，臺風(fēng)中心經(jīng)過后一直增大。但是，此“V”字并非對稱，它的下降部分的下降速率要小于上升部分的上升速率，由此“派比安”臺風(fēng)的運動路徑可知，“派比安”臺風(fēng)的西北區(qū)域的等壓線較疏，東南區(qū)域的等壓線較密，從而說明“派比安”具有不對稱結(jié)構(gòu)。
② 氣溫在臺風(fēng)到達(dá)前波動較大，在臺風(fēng)中心處氣溫較兩邊區(qū)域要高，于是在3日18時至3日22時時間段內(nèi)，其曲線呈現(xiàn)出“W”字形狀，但是它也是非對稱的，進一步說明了臺風(fēng)的非對稱性。
③ 合成風(fēng)速曲線在臺風(fēng)中心到達(dá)前和臺風(fēng)中心經(jīng)過后都表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中先是急劇下降至接近O值，后又急劇上升。在3日18時至3日22時時間段內(nèi)，其曲線表現(xiàn)為“V”字形狀且非對稱，臺風(fēng)中心經(jīng)過后的風(fēng)速要強于臺風(fēng)中心經(jīng)過前的風(fēng)速。
④ 根據(jù)孟智勇的《我國熱帶氣旋十年研究進展》中關(guān)于臺風(fēng)非對稱性結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)運動影響的分析可知，氣壓的“西疏東密”的非對稱結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致風(fēng)速加強，而合成風(fēng)速的變化情況則剛好印證了這一結(jié)論。
⑤ 雨量和相對濕度變化曲線則更加明顯的反映出臺風(fēng)的非對稱結(jié)構(gòu)。
? 摩擦速度與拖曳系數(shù)分析結(jié)論
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)前和臺風(fēng)中心經(jīng)過后，摩擦速度的變化情況除了受臺風(fēng)影響外，還與日輻射變化有關(guān)�？梢钥闯龅氖�，無論是在白天還是夜晚，在非臺風(fēng)中心區(qū)域，離臺風(fēng)中心越近，則摩擦速度越大；離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，摩擦速度越小。在臺風(fēng)中心處，摩擦處于極小值。
②拖曳系數(shù)在臺風(fēng)中心經(jīng)過前后形成了強烈的反差：臺風(fēng)中心經(jīng)過前，拖曳系數(shù)較大且波動較大，期
間有兩個較高的波峰；臺風(fēng)中心經(jīng)過后，拖曳系數(shù)幾乎為零且波動很小。在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，拖曳系數(shù)產(chǎn)生的巨大的波動。
? 垂直風(fēng)速與湍流通量分析
① 垂直風(fēng)速與摩擦速度類似，總體上看，在非臺風(fēng)中心區(qū)域，離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，其值越��；離臺風(fēng)中心越近，其值越大，而在臺風(fēng)中心處為最小值。
② 順向的動量通量在臺風(fēng)中心到達(dá)前都是大于O的，在臺風(fēng)中心經(jīng)過后總體上是小于O的。在非臺風(fēng)中心區(qū)域，其值也表出這樣的規(guī)律，即離臺風(fēng)中心越近，其值越大；離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，其值越��；在臺風(fēng)中心處為極小值。
③ 在整個臺風(fēng)過程中，側(cè)向的動量通量總體上是小于O，即側(cè)向的動量通量輸送是向下的。在臺風(fēng)到達(dá)前，其值波動較大；臺風(fēng)中心經(jīng)過后，其值波動較小。
④ 在臺風(fēng)中心到達(dá)前，熱量通量波動較大，但基本保持為正值，即熱量由下層輸送到上層。臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，其值急劇下降至O值以下，后又急劇上升至O值附近。臺風(fēng)中心經(jīng)過后，其值穩(wěn)定在O值附近。
⑤ 在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，動量的輸送過程為：下層空氣中的動量在順風(fēng)方向上輸送到上層，然后又在側(cè)風(fēng)方向上返回到下層，實現(xiàn)循環(huán)。
⑥ 在臺風(fēng)中心到達(dá)之前，順向正動量通量的絕對值要大于側(cè)向負(fù)動量通量的絕對值，二者之差應(yīng)為在上層空氣中由摩擦及其它過程所引起的損耗。
⑦ 在臺風(fēng)中心經(jīng)過之后，無論是順向還是側(cè)向，動量通量都為負(fù)值，動量都是從上層空氣輸送到下層空氣中。
⑧ 在臺風(fēng)中心到達(dá)前正好是下午時段，動量通量在正常天氣背景下應(yīng)為正值，與實際動量通量相同。雖然由臺風(fēng)帶來了擾動，但在整體上，并沒有阻止熱量的向上輸送過程。
⑨ 在臺風(fēng)中心經(jīng)過過程中，可以看到熱量通量的驟減和驟升過程，這說明，在臺風(fēng)中心處，熱量是由上往下輸送的。
⑩ 在臺風(fēng)中心經(jīng)過后，分析從3日22時至4日4時時間段內(nèi)，熱量通量基本保持在O值處，說明上下層大氣無熱量輸送。
? 湍流強度分析結(jié)論
① 脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差與湍流動能(TKE)變化趨勢十分一致，臺風(fēng)中心到達(dá)前的值總體上高于臺風(fēng)中心經(jīng)過后；在臺風(fēng)中心處為一極小值；在臺風(fēng)中心到達(dá)前，離臺風(fēng)中心越近，值越大，而在臺風(fēng)中心經(jīng)過后，這種現(xiàn)象則幾乎不存在。
② 湍強與脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差和湍流動能最明顯的差別在于，其值在臺風(fēng)中心處為一極大值。
③ 脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差圖中的三個分量具有很高的正相關(guān)性，這說明：當(dāng)湍流強度增大時，是三個方向同時增大的，并不是單個方向或只有水平、垂直方向的湍流強度增大。
④ 由脈動速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線和湍強曲線可知，在臺風(fēng)中心處，風(fēng)速脈動雖然很小，但相對于此處的合成風(fēng)速來看，其值仍算可觀，因此才能在此處形成明顯的波峰。
? 相關(guān)性分析結(jié)論
① 在臺風(fēng)中心到達(dá)前和臺風(fēng)中心經(jīng)過后，相對濕度與氣溫是負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在臺風(fēng)中心處，二者的負(fù)相關(guān)關(guān)系被破壞。
② 在整個臺風(fēng)不同階段中，風(fēng)速大小變化在水平方向和垂直方向上的變化是非常一致的,但是由于二者在不同階段正相關(guān)的差異性，導(dǎo)致在整個臺風(fēng)過程中，二者的相關(guān)性減弱。
③ 在整個臺風(fēng)過程中，合成風(fēng)速與拖曳系數(shù)的負(fù)相關(guān)性是比較明顯的，但在單個階段中，這種負(fù)相關(guān)性明顯較弱，甚至在后階段中，二者幾乎不相關(guān)。
④ 合成風(fēng)速與摩擦速度在單獨的階段上正相關(guān)性較好，但在不同階段上正相關(guān)性是有差異的，而且這種差異大到使整過臺風(fēng)過程中二者的相關(guān)性呈現(xiàn)負(fù)值。因此，在這種情況下考察二者在整個臺風(fēng)過程中的相關(guān)性已失去意義，應(yīng)重點研究不同階段上二者的正相關(guān)性。
⑤ 與結(jié)論④相似，合成風(fēng)速與脈動動能在單獨的階段上正相關(guān)性較好，但在不同階段上正相關(guān)性是有差異的，而且這種差異大到使整過臺風(fēng)過程中二者的相關(guān)性呈現(xiàn)負(fù)值。因此，在這種情況下考察二者在整個臺風(fēng)過程中的相關(guān)性已失去意義，應(yīng)重點研究不同階段上二者的正相關(guān)性。
⑥ 摩擦速度與順向動量通量在前階段和中間階段的正相關(guān)性非常強，在后階段中總相關(guān)系數(shù)為0.051，幾乎不相關(guān)，但是細(xì)看摩擦速度與順向動量通量的變化曲線容易看出：二者呈現(xiàn)出正負(fù)相關(guān)性的交替過程，其中3日20時50分到3日22時20分的時間段內(nèi)顯現(xiàn)為較強的正相關(guān)性， 3日22時30分到4日3時50分的時間段內(nèi)則顯現(xiàn)為極強的負(fù)相關(guān)性。
5.2 缺陷討論
? 本文的標(biāo)題是“臺風(fēng)天氣形勢下的邊界層湍流特征分析”，而不是“2006第6號臺風(fēng)‘派比安’天氣形勢下的邊界層湍流特征分析”，因此僅僅通過分析“個別‘派比安’”來說明“整個臺風(fēng)”，似乎有以偏概全的嫌疑。然而，雖然各個臺風(fēng)有各自的特點，但像分析“邊界層湍流特征”這樣具有普遍共性的問題時，通過分析個例是足以說明整體的，只是在分析過程中和得出結(jié)論時要時刻區(qū)別某種情況到底是“派比安”所特有的，還是具有臺風(fēng)普遍意義的，并將“派比安”特有的現(xiàn)象排除在結(jié)論之外。
? 本文在分析臺風(fēng)非對稱結(jié)構(gòu)時僅僅是通過一個點的數(shù)據(jù)，這就必然導(dǎo)致分析臺風(fēng)前后數(shù)據(jù)的可比性問題，因為臺風(fēng)登陸后是處在逐漸減弱的過程。因此，為了避免系統(tǒng)性錯誤，本文重點分析3日18時至
3日22時之間的四個小時的數(shù)據(jù)，假設(shè)在四個小時內(nèi)臺風(fēng)各要素的變化不顯著是可以成立的。
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致謝
首先感謝我的指導(dǎo)老師彭珍老師，彭老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的過程中，給予了悉心的指導(dǎo)。在彭老師的指導(dǎo)下，我學(xué)會了資料處理和分析，也學(xué)會了基本的科研方法，這將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。其次還要感謝給予我諸多幫助的杜云松、于海洋、喻僑同學(xué)，與他們平時的討論讓我受益匪淺。然后感謝這四年來所有教授過我知識的老師們，他們的無私教導(dǎo)使我打下了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)。最后我還要真誠感謝我的家人，在即將畢業(yè)的迷茫期，是他們一直鼓勵我，支持我。
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