2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

阵风是指风速在短暂时间内，有突然出现忽大忽小变化的风，通常是指“瞬间极大风速”(大气科学名词审定委员会，2009)。根据不同的应用需要，阵风还有多种不同的定义和定量化表述，其间的主要区别是对阵风的时间尺度定义不同，长的有1至数分钟(世界气象组织，1992)，短的为几秒(董双林，2001)，有研究人员(曾庆存等，2007；程雪玲等，2007a，2007b)将前者称为阵风，后者称为湍流，并通过滤波和分形特征分析等方法将两者从多时间尺度的风时间序列中分离开，并认为阵风是指常与中小尺度天气系统对应、时间尺度为分钟量级的风的阵性现象，以区别于湍流现象，从动力学本质来看，阵风虽然与湍流有相似之处，都是在外界环境或边界不稳定激发下产生的、包含多尺度相互作用、貌似随机属性的复杂运动状态，但二者有一个根本区别，即阵风的尺度远大于湍流。 因此，阵风是作为一种天气现象进行研究的。

作为天气现象的阵风常常伴随灾害性天气系统一起出现，在雷暴前和飑线等系统中通常有强阵风，其持续时间短，出现时瞬时风速突增，风向突变，气象要素随之剧烈变化，这与所谓的阵风锋以及其中有组织的小尺度涡旋有关(Katja et al，2005；Kevin，2006;李国翠等，2006)。中国从20 世纪80 年代开始，研究人员就利用北京325 m 气象塔对冷锋过镜时的边界层阵风结构进行了系统的分析。曾庆存等(2007)指出，沙尘暴发生前后，阵风结构的水平传播与上升、下沉气流的关系密切，并造成局地起沙和扬沙的过程。程雪玲等(2007a)分析了中国北方春季大风起沙扬尘期间冷锋过后的阵风，指出阵风有3—6 min为主的周期，叠加在周期不很稳定的平均流(基流)上，基流的峰值时间间隔约为1至数小时一次，是更低频和更大振幅的阵风，阵风风速波峰期(即阵风时)伴随着下沉气流，波谷期(即阵风间歇时)伴随着上升气流，阵风与湍流相比，其结构和对动力能量的输送存在较大的差异。阵风特征分析通常需要采样频率为秒级的风速资料，常规的分钟级平均风速资料不能用于周期为1至数分钟的阵风分析。关于西风带锋面系统中形成阵风的主要物理成因，目前的研究结论主要归因于动量的垂直湍流输送和不同尺度垂直运动造成的辐合、辐散，在波动力学方面它显示出低频次声波和重力内波的一些特征(程雪玲等，2007a)。

观测表明，作为热带天气系统的台风，其边界层大气中同样存在一些与阵风时、空尺度相当的小尺度波动现象，如台风眼墙外普遍存在的波长为几千米、时间尺度为10 min左右的小尺度雨带或云带(Gall et al，1998)；台风边界层中还普遍存在一种有组织的空间尺度为1至几千米的“滚云”云系，对应的是沿水平面方向有序排列的次级环流，并产生较大的扰动通量(Morrison et al，2005)。Romine等(2006)曾对台风边界层中的小尺度波动力学进行过系统的总结，指出，虽然目前还不能用某一种波动理论完全解释清楚台风眼墙外的小尺度波动现象，但其主要呈现出重力波类的特征。

由于台风是热带天气系统，动力学性质与西风带中雷暴阵风锋和沙尘暴等天气系统的动力学性质有着很大区别，例如：后者近地面边界层大气通常为系统性的下沉气流，而台风边界层大气则以上升气流为主。因此，对于能否从台风边界层的风时间序列中分辨出所谓的阵风分量，以及它是否与锋面系统中阵风具有相近的结构是值得探讨的问题。此外，对于台风阵风的各向异性特征和能量输送等特征也不甚清楚，阵风的动力学特征也有待进一步探讨。本文通过对2009年“莫拉克”台风在登陆过程中单点地面特种观测资料的分析，围绕这些问题开展研究。2 台风观测试验概述

2009年8月上旬上海台风研究所移动观测车开往福建省北部的宁德市三沙镇对登陆台风“莫拉克”进行了强化观测，精确的观测位置在(26.66°N，119.55°E)，观测地点紧邻海边，地势相对平坦。“莫拉克”台风8月7日23时45分(北京时，下同)登陆台湾花莲，登陆时最大风速40 m/s，8月9日16时20分登陆福建霞浦，近中心最大风速33 m/s。观测车位于台风登陆点西南方向约60 km处(图 1)。

实施强化探测的时段为2009年8月7—10日，正好处于台风登陆前后。投入观测的车载设备有超声风温仪、风廓线仪、GPS探空、微波辐射计和自动气象站等。其中超声风温仪由美国Applied Technologies公司生产，主要由3组相互垂直的超声波发射和接收器构成，当不同流速空气流经其间时，可对超声波的传播时间产生不同影响，基于此原理可以计算获取大气三维风速，进一步根据风速可以计算出声速，再由声速计算出虚温。因此，三维超声风温仪可以高频快速地测定三维风速和温度的脉动，具有很高的时间分辨率和测量精度，采样频率10 Hz，风速测量精度±0.03 m/s，风向精度±0.1°，超声温度精度±0.1℃，被广泛应用于边界层湍流和结构风工程的测量。该仪器在输出数据的同时，能自动给出判别码，以识别观测数据的有效性。仪器使用环境温度-40—60 ℃，水平方向风速量程±60 m/s，垂直方向量程±15 m/s。本文对风温仪原始资料作了一定的质量控制，主要采用陈红岩等(2000)的方法剔除因电源不稳定及其他不明原因造成的可疑数据，然后采用线性插值方法进行补全。另外，本文也用到在同一地点施放的GPS探空资料。

图 2是GPS探空仪探测到的莫拉克台风登陆前后风随高度变化。观测间隔时间为3 h。

由图 2可见，在台风主体登陆前(8日11—23时)，2500 m以下的大气边界层内风速随高度迅速增大，35—40 m/s的大风速出现在距地面2500—3000 m高度，且各时次的风速廓线形状稳定少变。当台风主体开始登陆后，各时次大气边界层内风速随高度分布特征发生较大的改变，主要表现在边界层风速随高度逐渐均匀化，且边界层内风速迅速减小。由此反映出地面摩擦对边界层大气上下层动量交换的加强和对风速的减弱作用。

图 3是莫拉克台风登陆前后地面—400 m高度的风廓线。

台风登陆前后，观测地点的近地面风速大致经历了3个阶段，第1阶段在台风登陆前风速逐级增大(7日18时—8日02时)，400 m以下近地面边界层内风速较大，且400 m高度处风速比地面风大许多，风向东北，根据车载自动气象站的2 min平均海平面气压显示(原始数据的采样频率为0.2 Hz)，气压逐渐下降，气压由最初的990 hPa下降到986 hPa(图 4)。第2阶段是台风临近登陆(8日02—22时)，风速维持较大，风向偏北，但400 m处风速与地面风速相差不大，气压继续下降。第3阶段是台风中心登陆后(8日23时—10日05时)，近地面层风速明显减弱，垂直方向风速均匀，风向凌乱。气压从最低的978上升到988 hPa。

超声风温仪实测三维风速u、v和w是在x、y、z三个坐标方向上的实数序列，观测时将仪器坐标旋转，使仪器所测u分量与主风向一致。所得坐标x、y、z轴分别对应主风u、侧风v和垂直风w。 3.1 阵风的检出

为了从采样频率为10 Hz的风速资料中分离出时间尺度为1至数分钟周期的阵风分量，首先将风速分量(u，v，w)分别做时间长度为τ的滑动平均，以滤去周期小于τ的扰动。

记τ时段各风分量的平均值为f，扰动值为f′，则有

其中

根据文献(程雪玲等，2007a)，通过对(t)做每分钟的滑动平均，得到f(t)，通常(t)-f(t)与由频谱展开法所得的阵风几乎完全重合。所以，本文也取(t)-f(t)作为阵风扰动fg(t)。 3.2 阵风的相干结构

根据图 3台风平均风速大小演变的不同阶段，取几个有代表性时段的阵风扰动进行分析。其中8月7日22—23时代表早期风速较小时段，8日23时01分—9日00时、9日05时01分—06时、9日14时01分—15时和9日17时01分—18时代表中期风速较大时段，10日06时01分—07时代表后期风速较小时段。图 5—10给出这些时段水平顺风方向风速扰动分量和垂直速度扰动分量时间序列。

计算图 5—10各时间序列的周期，表明阵风主周期主要集中在3—7 min，阵风峰期或停歇一般持续2—3 min。

图 5—10显示各时段阵风都有明显的相干结构，即风速峰期有下沉气流，谷期(阵风间歇时)有上升气流。计算各时段顺风方向风速扰动与垂直速度扰动的相关系数分别为-0.65、-0.69、-0.49、-0.63、-0.79和-0.69，两者存在明显的负相关。

台风阵风在分钟时间尺度上周期性变化和三维流场相干特征可能与台风边界层大气内某类波动有关。对此本文第4节还将作深入的分析。 3.3 阵风的风向变化

图 11和12分别给出上述6个时段经过阵风时间序列的风向相对15 min平均风向的偏差。由图可见，阵风的风向变化频繁，风向变化幅度与平均风的大小有一定的关联，风速较小时其风向变化幅度较大，即风向多变，风速较大时阵风风向变化幅度则较小，即风向相对稳定。例如在风速较小的7日22时01分—23时和10日06时01分—07时风向摆动平均分别为20°和13°，而在风速较大的8日23时01分—9日00时、9日05时01分—06时、9日14时01分—15时和9日17时01分—18时，风向摆动平均分别为6°、11°、6°和5°。

根据阵风空间3个方向上的扰动(ug，vg，wg)分量，分别计算顺风方向、侧风方向和垂直方向的扰动动能，即egu=u2g，egv=v2g和egw=w2g，以及水平方向动能egh=u2g+v2g。图 13是2009年8月7日18时—10日08时离地10 m高度上阵风15 min平均扰动动能。图 13a为egu和egv时间序列，图 13b为egh和egw时间序列。

由图 13阵风扰动动能三维空间统计特性看，阵风扰动动能不是各向同性的，阵风在沿顺风方向的扰动能量最大，侧向和垂直方向的扰动能量大小接近，水平方向扰动能量明显大于垂直方向的扰动能量。 3.5 阵风的动量和感热通量

近地面的垂直动量通量可以表示为

图 14是2009年8月7日18时—10日08时10 m高度上15 min平均的阵风动量通量。

图 14表明，沿顺风方向的阵风垂直动量通量在绝大部分时刻都为负值，显然这与沿顺风方向阵风的相关结构特征有关，它表示动量通量是向下传播的。而侧风方向阵风扰动垂直通量呈正、负波动分布，在垂直方向输送的总体贡献接近于0。

计算阵风扰动上传感热通量

图 15是8月7日18时至10日08时阵风扰动的感热垂直通量时间序列。

由图 15可见，阵风扰动的感热通量随时间呈正、负相间分布，计算其平均值接近于0，说明阵风扰动感热通量的整体效应极小。 3.6 阵风的时空尺度

为了估算阵风扰动传播在空间和时间上的尺度，这里采用类似于湍流积分尺度的概念(Flay，1984)，分别定义阵风扰动的空间尺度和时间尺度如下：

图 16为逐时平均的阵风扰动沿顺风、侧风和垂直方向积分长度尺度的时间序列。由图 16可见，阵风扰动沿顺风方向的空间尺度较大，极大值可达6 km，而侧风方向和垂直方向积分长度尺度则较小，计算3个方向的平均积分长度尺度分别为1211、798和476 m，而有关文献(宋丽莉等，2005)中，台风湍流在以上3个方向的最大平均空间尺度分别为455、288和15 m，显然，前者比后者要大很多。此外，阵风扰动空间尺度随时间变化的幅度较大，这与平均风速和阵风脉动的方差随时间变化较大有关。

图 17为逐时平均的阵风扰动沿顺风方向、侧风方向和垂直方向积分时间尺度序列。与图 16阵风扰动空间尺度相对应，阵风扰动沿顺风方向的时间尺度也最大，最长可达65 min，其次为沿侧风方向和垂直方向的积分时间长度，计算它们的平均积分时间尺度分别为13.5、8.2和6.0 min，而在有关文献(宋丽莉，2005)指出，湍流的3个方向的最大积分时间尺度分别为36.2、23.0和2.8 s，显然前者比后者要长很多。同样，阵风扰动的积分时间尺度的变化幅度也较大，这与阵风脉动的方差随时间的变化较大有关。

从阵风要素的周期变化特征和要素之间的位相关系，可知阵风扰动带有明显的大气波动特征。对此，依据取包辛内斯克近似的三维大气扰动方程组作简单的波动力学分析

经消元后得到关于w′的方程

取w′的波动形式解，其他变量类似。

将式(14)代入式(13)，得频率方程

图 18是8日23时、9日05、14和17时4个时刻在观测点由GPS探空资料计算获得的位温随高度的分布，资料的垂直分辨率为4—12 m不等。可见这4个时刻距地面1000 m以下的低层大气位温θ基本上都是随高度增加的，表明对于未饱和大气而言层结是稳定的，这与Romine等(2006)关于台风环流内底层大气位温的垂直分布特征一致。

根据图 18位温随高度的分布数据，由频率方程(15)可以计算得到重力内波的周期T，结果表明，图 18各时刻垂直方向1—3波和水平方向1—3波的周期在4—12 min，它们比较接近于图 5—10中的3—7 min的阵风周期。

因此，地面阵风的一些观测事实可以用重力内波的动力学属性给予解释。5 结 论

利用上海台风研究所移动观测车超声风温仪测得的“莫拉克”台风登陆过程中的风温数据、以及风廓线仪和GPS探空等资料对地面阵风的特性进行了诊断分析，并结合简单的动力学分析，得出的主要结论有：

(1)台风登陆过程中的地面阵风显现出与西北带锋面系统中阵风相近的特征，它们主要呈3—7 min周期性变化，且存在明显的相干结构，沿顺风方向阵风水平风速扰动与垂直速度扰动呈负相关，表明阵风峰期有下沉运动，谷期有上升运动。

(2)台风阵风各向异性特征明显，沿顺风方向的扰动动能最大，其次是沿侧向和垂直方向；沿顺风方向的阵风动量垂直通量一致向下传播，而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0；阵风扰动的感热垂直通量极小；阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度较大，沿侧风方向和垂直方向较小，他们比湍流的积分空间尺度和时间尺度大几倍。另外，平均风速较大时阵风风向变化幅度较小，平均风速较小时阵风风向变化幅度则较大。

(3)阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性，辐合、辐散运动是阵风扰动主要特征之一，其扰动动能可能来自较高层边界层大气中重力内波能量的下传。根据GPS探空资料估算的理想化的重力内波周期与观测的阵风周期基本符合。