台风“珍珠”登陆期间动量通量的多尺度分析

利用台风"珍珠"登陆前后的近地层湍流观测资料,分析了该台风经过观测场地前后地面气象要素的变化及其动量通量特征。结果表明,台风"珍珠"经过观测场地前后的近地层气象要素发生了急剧的变化,并且在台风前部存在强的中尺度对流系统,反映在风速能谱密度结构上,频率f在3×10-4~2×10-3Hz之间的中尺度信号对能谱的贡献比平稳天气形势下的能谱贡献大很多,尤其是顺风方向风速的能谱密度的峰值与湍流信号的峰值相当;动量通量分析结果表明,台风中心经过观测场地的前后三小时,近地层通量以向下输送的中尺度通量为主,湍流通量的贡献相对于中尺度通量较小,也是向下输送的;而在其他时段,近地层通量主要以向上输送的湍流通量为主,中尺度通量量值很小,可以忽略。     

正交小波变换研究复杂下垫面边界层的湍流特征

小波变换方法具有较好的时频局部特性,非常适合于分析非平稳的湍流信号。本文对35 m铁塔的超声风速测量数据进行了离散正交小波变换,计算了各向同性系数(ISO isotropy coefficient)及小波功率谱,以此对实验场所代表的水陆交际复杂下垫面的近地面层湍流特征进行了研究。ISO系数可以很好地描述实际大气在不同尺度的各向同性特征。根据ISO系数的分布,我们可以通过设定一定的阈值(ISO=0.7)来得到各向同性小涡的分离尺度(记为ISO0.7),即湍流的各向同性尺度范围。研究表明,下垫面对于边界层湍流各向同性特性具有相当大的影响,当风从不同下垫面吹过时ISO0.7尺度的均值具有较明显的差异。同时湍流度和稳定度对湍流各向同性也有一定的影响。对湍流小波功率谱研究表明,功率谱谱幂率在分离出的小涡所处的频段接近于-5/3。而当风从陆面吹过且湍流度较弱时,湍流小波功率谱小涡以分离尺度所对应的频率(fms)为界具有明显的两段趋势:高于fms的频段,谱幂率一般接近-5/3;而低于fms的频段的谱幂率接近-3/3。这反映了下垫面特征对湍流功率谱的影响。同时在不同的风向转变过程中下垫面对功率谱的影响具有差异。     

大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究

该文在大气边界层多尺度湍流理论和湍流穿越理论的基础上，建立了大气边界层感热通量的非局地多尺度湍流计算方法，并选用1998年5～8月份第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）的大气边界层综合观测基地昌都站观测资料，分别用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法和经典相似理论计算感热通量。对计算结果的对比分析表明，用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法能计算出感热通量的逆梯度输送，也能计算出青藏高原近中性层结条件下明显的感热通量。此外，多尺度湍流理论还有待进一步发展完善，提高感热通量的计算精度。     

模拟台风Ewiniar（2006）内部扰动的时空变化特征

在使用WRF（V2．2）模式双向移动嵌套方案对台风Ewiniar模拟结果的基础上,利用空间上的离散功率谱和时间上的连续功率谱、最大熵谱方法对Ewiniar内部扰动的时空变化特征作简要的分析。结果表明：台风内部波动在空间上以长波分量占优,距台风中心越近,长波分量的比重越大,而台风外围的短波分量则有所增加;Ewiniar内部的振荡现象具有非对称特征,这种非对称特征在对流层中高层及台风前移的左右两侧的眼壁内表现得非常明显,越往台风外围、越往对流层低层越不明显;对流层低层的台风眼壁内部,无论是台风前移的左侧还是右侧,低频振荡总是占很大优势。     

台风Morakot(2009)暴雨中关键尺度位涡的诊断分析

采用二维小波变换方法对格点分析资料进行多尺度分解,诊断分析台风Morakot(2009)登陆福建省霞浦市过程中位涡的多尺度特征。在此基础上,讨论了多尺度位涡正压项通量散度对位涡正压项局地变化的贡献。研究结果表明,在此次台风登陆过程中位涡主要包含第4、5关键尺度(理论波长范围为96.4~160.67 km)动力扰动和第3、4关键尺度(理论波长范围为64.27~128.54 km)热力扰动的综合信息。由于关键尺度位涡正压项的强度大于斜压项,因而位涡主要体现了第4、5动力尺度垂直涡度与第3、4热力尺度广义位温垂直梯度的耦合作用。第4、5动力尺度西南扰动气流为台风暴雨提供充足的水汽供应,在台风环流西北侧产生低层辐合、中高层辐散,为强对流系统的发生提供有利动力条件。第3、4热力尺度的广义位温扰动一方面增加降水区大气湿斜压性,另一方面在降水区低层形成位势不稳定,为强对流的发展提供潜在不稳定能量。位涡正压项方程强迫项的分析表明,关键尺度位涡正压项通量输送对位涡正压项局地变化有一定贡献,影响位势稳定度的变化。在台风登陆后,关键尺度位涡及位涡正压项通量散度都有所减小,使得垂直涡度和位势稳定度的变化趋缓。     

涡动相关仪探测台风边界层动量通量特征分析

台风的发展维持受制于自身(内部结构)及与下垫面间的通量传输过程,利用台风“利奇马”登陆前后的涡动相关仪观测数据,分析台风过境前后地面要素变化及动量通量特征。分析结果表明:台风过境期间,地面气象要素在短时间内出现急剧的变化,动量通量在台风登陆过程中显示出“三峰”的结构,对应的摩擦速度随风速的变化以10 m/s为分界线,低风速下呈现明显的正相关性,高风速时则慢慢转为持平甚至回落;能谱分析中,峰值主要存在于0.000 2 Hz和0.06 Hz的位置上,另有一位于0.001 Hz外的较弱峰值;能量贡献上,大尺度系统占据主导作用,但中尺度对流系统与湍流尺度运动在能量贡献中同样不可忽视。      

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

夜间稳定边界层中间歇性湍流热通量的 提取及其谱特征

在夜间稳定边界层中, 湍流热通量往往具有间歇性特征。在一阵阵出现的强度较大的湍流热通量之间, 混杂着弱噪声或其他微弱的难以辨识的高频脉动信号。为了研究间歇性湍流热通量的特征, 必须将这些无关信 号剔除, 以提取出干净的湍流热通量。本文提出了一种新的提取间歇性湍流热通量的方法, 该方法通过分析 湍流热通量的概率密度函数, 并与稳定分布进行比较, 湍流热通量的概率密度函数开始偏离稳定分布的位置, 即是间歇性湍流热通量开始出现的阈值。本文通过夜间稳定边界层外场试验数据的验证, 发现利用稳定分布确定 的阈值可有效地提取出间歇性湍流热通量。在此基础之上, 本文对比了提取前后湍流热通量的功率谱, 发现 提取后低频信号的方差所占比重下降, 而高频信号略有上升。此外, 间歇性湍流热通量在高频区的功率谱满足“-7/6”律。     

高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

利用苏州地区2011年12月20日—2012年8月13日的湍流观测资料对不同季节、高温、台风强天气过程下的湍流特征进行分析。结果表明:城市地区不同季节动量通量、感热通量、潜热通量日变化明显,各通量的夏季平均值、最大值均高于冬春季,夏季感热通量日最大值为160.2 W·m^-2,感热在城市地表能量平衡中的作用大于潜热,各季节潜热通量平均值仅为感热通量的40%~45%。降水量和植被覆盖度影响地表能量平衡,尤其影响地表热量在感热和潜热之间的分配。在高温天气过程中,感热通量增加明显,其峰值约是夏季平均的1.93倍。由于水汽较少,潜热通量明显减少,约为夏季日平均值的60%。速度三分量谱中u谱与w谱在低频区存在两个峰值,说明在城市复杂下垫面里,湍流激发机制中存在低频过程的影响。在台风天气过程中,动量通量大且变化快,感热输送弱,潜热输送波动大。速度谱w基本不符合"-5/3"次律,惯性子区最小且向高频移动,这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。     

绿洲灌溉对垂直湍流热通量影响的大涡模拟研究

为了研究湍涡对中尺度绿洲灌溉的响应,利用WRF模式大涡模拟模块（WRF-LES）在西北半干旱区绿洲区开展灌溉前和灌溉后两个大涡模拟试验（分别简称为BI和AI）,其中灌溉可能会改变绿洲非均匀强度。利用面积平均的办法计算湍流热通量并利用小波分析将湍流热通量模态分解到不同的尺度。结果表明灌溉增加了土壤湿度,引起绿洲内部非均匀强度增加,灌溉对垂直热通量以及通量频散都有较大影响。AI中的湍涡为网状,与BI中一致。AI与BI中的感热通量的频散高度都随着感热通量的减小而减小。AI与BI中感热通量小波能量谱尺度一致,但是BI中强度比AI小。潜热通量的频散高度依赖于感热通量,且潜热通量能量谱随高度减小。空间滞后相关系数的结果表明由于灌溉前地表加热较强,感热通量对地表热通量的响应高度在灌溉之前（BI）比灌溉后（AI）更高。灌溉后的通量模态的飘移距离小于灌溉前的。     

A possible manifestation of double diffusive convection in the atmosphere

Small-scale turbulence measurements above the top of the boundary layer in Hurricane Eloise (1975) showed an anomalous peak in the power spectrum of horizontal velocity fluctuation at a scale of 20 cm. Double diffusive convection is suggested as the most reasonable explanation for the presence of the peak.     

Characteristics of Submeso Winds in the Stable Boundary Layer

The characteristics of submeso motions in the stable boundary layer are examined using observations from networks of sonic anemometers with network sizes ranging from a few hundred metres to 100 km. This study examines variations on time scales between 1 min and 1 h. The analysis focuses on the behaviour of the spectra of the horizontal kinetic energy, the ratios of the three velocity variances, their kurtosis, the dependence of horizontal variability on time scale, and the inter-relationship between vertical vorticity, horizontal divergence and deformation. Motions on larger time and space scales in the stable boundary layer are found to be nearly two-dimensional horizontal modes although the ratio of the vorticity to the divergence is generally on the order of one and independent of scale. One exception is a small network where stronger horizontal divergence is forced by a decrease in surface roughness. The horizontal variability, averaged over 1 h, appears to be strongly influenced by surface heterogeneity and increases with wind speed. In contrast, the time dependence of the horizontal structure on time scales less than one hour tends to be independent of wind speed for the present datasets. The spectra of the horizontal kinetic energy and the ratio of the crosswind velocity variance to the along-wind variance vary substantially between networks. This study was unable to isolate the cause of such differences. As a result, the basic behaviour of the submeso motions in the stable boundary layer cannot be generalized into a universal theory, at least not from existing data.     

台风“艾云尼”（2018）外围两次近距离龙卷的环境条件和雷达特征

2018年6月8日在距台风“艾云尼”中心80 km、160 km的广州市南沙区横沥镇、佛山市南海区大沥镇两地罕见地先后出现了龙卷天气。利用X波段双偏振雷达组网、广州S波段双偏振雷达、风廓线雷达和区域加密自动站等观测资料对两次近距离台风龙卷过程的环境条件和雷达特征进行了分析。环境条件分析表明,两次龙卷发生地位于低层西南急流和东南急流辐合区,所处环境为弱的对流有效位能（CAPE）、低的抬升凝结高度和强的低层垂直风切变环境中,0~1 km垂直风切变值超过15×10-3 s-1。中小尺度雷达特征分析表明:（1）两地龙卷由台风外围微型超级单体引起,超级单体在发展强盛阶段有钩状回波、入流缺口、中层回波悬垂等典型特征,最强反射率因子55~60 dBz,强度≥50 dBz强回波发展高度在4 km以下,微型超级单体有水平尺度2~3 km的中气旋,由于速度模糊影响,仅在南海龙卷发生前9 min广州S波段雷达能自动识别中气旋。（2）与南沙龙卷相联系的中气旋核心高度低,强度进一步加强紧缩导致龙卷发生;而与南海龙卷相联系的中气旋从中层发展,中气旋加强紧缩下降到更低导致龙卷发生。（3）两地弱龙卷发生时广州和南海双偏振雷达没能捕捉到龙卷碎片（TDS）特征,南海X波段雷达能提前30 min监测到入流急流,提前27 min探测出钩状回波等特征,并通过分析ZDR弧和KDP弧可判断低层强盛的上升气流和强的垂直风切变利于风暴的发展。（4）佛山四部X波段组网雷达反演的1 km水平风场可分析出小尺度涡旋结构,对应钩状回波尾端有强的风向切变,这对龙卷发生地点的判断和风暴的流场结构有较好指示意义。      

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%,误差方差也减少了10%~30%。      

基于CloudSat卫星分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征

基于2012—2014年CloudSat卫星数据,按照热带气旋强度分类的6个等级以及沿台风中心的径向距离,分析西太平洋台风云系的垂直结构及其微物理特征。研究表明:(1)不同强度的台风云系中均是单层云占主导,多层云中双层云出现比例最高;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内,单层云分布位置更加集中且垂直厚度较厚,而450km之外的单层云一直集中在7~15km,厚度较薄;随着台风强度的增强,距离台风中心250km之内的双层云中的底层云和顶层云均增厚且分布位置更加趋于集中,云间距变窄,而450km之外顶层云和底层云较薄,云间距一直较大。(2)台风云系中,深对流云、高层云、卷云与其他云类型相比,分布的垂直范围较广,出现频率较高,分布的位置会随着台风强度变化和沿台风中心径向距离的增加有明显的变化。(3)随着台风强度的增强,近台风中心5km以上的回波有明显增强,除此高值区外,发展较为成熟的台风,距台风中心450km之外也会出现多个明显的柱状回波高值区。(4)近台风中心液水含量的值和冰水含量的值随强度变化均有明显增加,但外围云系中也有分散的冰水含量高值中心但分布高度相对较低,在10km附近;液水粒子数浓度的高值区域与液水含量的高值区非常对应,而冰水含量的高值区位于冰粒子数浓度的高值区下方,表明小的冰粒子被较强的对流活动带到了高处,而大的冰粒子集中在云系较低处。     

超强台风“威马逊”登陆期间近地层风速变化特征分析

利用1409号超强台风“威马逊”登陆广东徐闻期间勇士风电场观测数据,计算分析了“威马逊”风切变、湍流强度、阵风系数和风向等的时程变化特征,拟为沿海台风影响严重区域输电线路设计和风电机组选型提供参考依据。分析发现“威马逊”风切变指数相比年平均风速(即常态风)切变指数减小,随台风中心逼近和经过呈现先减小再增大的规律;台风中心过后风向回南之后,幂指数函数拟合较差。阵风系数呈现随高度增加而减小的趋势,该趋势在台风中心经过前较好地吻合幂函数,而在台风中心经过后吻合较差;各高度阵风系数以及不同高度之间的差值随台风中心逼近、风速增加而趋于减小,随台风中心远离、风速下降而缓慢增大。湍流强度随高度增加而减小,强风时段湍流强度较小且相对平稳,轮毂高度处湍流强度基本不超IEC-B类。测站位于台风中心路径右侧眼壁区时,所测风向随时间呈顺时针旋转。      

Large-Scale Turbulence Structures and Their Contributions to the Momentum Flux and Turbulence in the Near-Neutral Atmospheric Boundary Layer Observed from a 213-m Tall Meteorological Tower

Large-scale turbulence structures in the near-neutral atmospheric boundary layer (ABL) are investigated on the basis of observations made from the 213-m tall meteorological tower at Tsukuba, Japan. Vertical profiles of wind speed and turbulent fluxes in the ABL were obtained with sonic anemometer-thermometers at six levels of the tower. From the archived data, 31 near-neutral cases are selected for the analysis of turbulence structures. For the typical case, event detection by the integral wavelet transform with a large time scale (180 s) from the streamwise velocity component (u) at the highest level (200 m) reveals a descending high-speed structure with a time scale of approximately 100 s (a spatial scale of 1 km at the 200-m height). By applying the wavelet transform to the u velocity component at each level, the intermittent appearance of large-scale high-speed structures extending also in the vertical is detected. These structures usually make a large contribution to the downward momentum transfer and induce the enhancement of turbulent kinetic energy. This behaviour is like that of “active” turbulent motions. From the analysis of the two-point space–time correlation of wavelet coefficients for the u velocity component, the vertical extent and the downward influence of large-scale structures are examined. Large fluctuations in the large-scale range (wavelet variance at the selected time scale) at the 200-m level tend to induce the large correlation between the higher and lower levels.     

台风山竹(1822)龙卷的双极化相控阵雷达特征

2018年9月17日台风山竹（1822）外围螺旋雨带中发生EF2级龙卷。在高湿度、高不稳定、强垂直风切变的环流背景下,龙卷在台风外围雨带上微型超级单体右后侧钩状回波顶端的弱回波区中发展起来。具有高时空分辨率的广州X波段双极化相控阵雷达,不仅观测到超级单体的发展过程,还呈现出龙卷涡旋演变特征:单体风暴尾端在右后方入流加强作用下,逐渐形成钩状回波形态,此时对流层中低层2~3 km高度附近的中气旋强度率先达到最大,随着旋转强度进一步加强和旋转中心高度逐步下降,低层强旋转特征越来越明显,当低层旋转速度达到峰值（超过21 m·s-1）,旋转直径收缩到1 km范围,地面出现EF2级以上龙卷,旋转速度对区域出现清晰的弱回波龙卷眼区特征。X波段双极化相控阵雷达在龙卷观测中优势显著,弥补了多普勒天气雷达观测的不足。     

城市街渠大气湍流结构的小波分析

利用小波分析方法对城市街渠大气湍流场特征进行了初步研究，发现小波变换能够很好地揭示湍流的串级结构和多尺度结构。结合Fourier分析对湍流中不同尺度涡旋对能量的贡献进行了比较，发现噪声能量主要集中在高频处。