陳燕 周學(xué)東 汪寧 惠品宏 朱焱

(1 江蘇省氣候中心，南京 210009;2 蘇州市氣象局，江蘇 蘇州 215021)

引 言

和自然下墊面相比，城市下墊面復(fù)雜，非均勻性更高，陸氣之間的物質(zhì)交換與能量平衡特征被改變，邊界層結(jié)構(gòu)也較傳統(tǒng)理論中的典型結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，這使得城市氣候和環(huán)境發(fā)生變化，研究城市下墊面的湍流特征是理解城市地區(qū)地表能量平衡過(guò)程的基礎(chǔ)[1-3]。

傳統(tǒng)的慢響應(yīng)儀器對(duì)非均勻下墊面湍流交換的間接描述偏差較大，基于渦動(dòng)相關(guān)法的三維超聲風(fēng)速儀、紅外氣體分析儀等快速響應(yīng)儀器直接測(cè)量湍流通量，湍流計(jì)算的精確度也大大提高[4-6]。這一方法廣泛應(yīng)用于邊界層觀測(cè)試驗(yàn)中，如國(guó)外的Kansas農(nóng)田實(shí)驗(yàn)[7]、HAPEX[8]以及國(guó)內(nèi)的黑河[9]、IMGRASS[10]、白洋淀[11]等大型邊界層綜合實(shí)驗(yàn)，加深了對(duì)不同下墊面地氣交換過(guò)程的認(rèn)識(shí)。胡非等[11]分析河北白洋淀地區(qū)水陸不同非均勻下墊面的大氣邊界層特征，針對(duì)其特征設(shè)計(jì)出可靠的參數(shù)化方案。張強(qiáng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)敦煌地區(qū)荒漠戈壁地區(qū)的感熱通量在熱量平衡中所占比例非常大，而潛熱通量相比之下重要性就很小。對(duì)于復(fù)雜下墊面而言，湍流特征的研究相對(duì)較少，認(rèn)識(shí)也不全面。王介民等[13]通過(guò)國(guó)際上典型通量站的特點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)復(fù)雜條件下湍流通量的觀測(cè)與分析可以從地形和植被處理以及夜間或弱穩(wěn)定層結(jié)下的通量分析兩個(gè)方面開(kāi)展。

這一手段也被用于城市下墊面的研究，例如Bubble[14]計(jì)劃、BECAPEX[15]科學(xué)試驗(yàn)等。城市冠層頂?shù)耐牧鱾鬏敽蛿U(kuò)散過(guò)程尤其備受重視，因?yàn)閯?dòng)量、熱量和質(zhì)量主要在這里交換。ZOU,et al[6、16]發(fā)現(xiàn)在城市內(nèi)，由于建筑物、植被等的影響，城市粗糙度子層中的湍流特征與平坦地形上有所不同。陳繼偉等[17]發(fā)現(xiàn)城市冠層之上的湍流動(dòng)能總體上大于冠層之內(nèi)，冠層之上氣流來(lái)向的上風(fēng)向較為開(kāi)闊時(shí)湍流動(dòng)能較大，而冠層之內(nèi)氣流來(lái)向的上風(fēng)向?yàn)榻值揽跁r(shí)湍流動(dòng)能較大。苗世光等[18]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)北京晴天夜間的各季節(jié)感熱均接近于零， 潛熱均大于零;在多云時(shí)冬季夜間的感熱略大于潛熱。王成剛等[19]在南京的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)水泥下墊面的潛熱通量很小， 感熱通量是加熱大氣的最主要方式，白天感熱通量均是正值，夏季夜間水泥下墊面感熱通量仍為正值，對(duì)大氣起加熱作用， 而冬季夜間負(fù)值， 對(duì)大氣起冷卻作用。城市的快速發(fā)展，湍流通量發(fā)生變化改變了物質(zhì)、能量的交換，影響了城市邊界層結(jié)構(gòu)，尤其是地表溫度分布、近地層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)[20-21]。

對(duì)如強(qiáng)降水、臺(tái)風(fēng)、高溫等強(qiáng)天氣過(guò)程的湍流通量特征研究相對(duì)較少，主要是由于觀測(cè)資料的相對(duì)匱乏，以及對(duì)典型天氣過(guò)程中M-O相似理論的運(yùn)用仍有不確定性。劉輝志等[22]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷空氣來(lái)臨時(shí)， 北京城市邊界層中的感熱通量明顯增大。宋麗莉等[23]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)程下湍流速度譜在慣性子區(qū)不滿足Kolomogorov的“-5/3”次律。彭珍等[24]發(fā)現(xiàn)在沙塵暴過(guò)程中，湍流強(qiáng)度明顯減小，47 m高度上動(dòng)量輸送向上,而120 m與280 m高度上動(dòng)量輸送較弱。陶立英等[25]研究表明，當(dāng)降水過(guò)程中的風(fēng)速與風(fēng)向變化不大時(shí)，湍流譜右移并且湍流能量明顯增加。

蘇州緊鄰長(zhǎng)江和太湖，城市內(nèi)大小湖泊眾多，加上城市化程度高、經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快，城市、水體交織，具有長(zhǎng)江流域城市的典型下墊面特征。在全球高溫?zé)崂祟l發(fā)的背景下，蘇州是江蘇高溫日數(shù)增加最快的城市之一，同時(shí)也很容易受到臺(tái)風(fēng)的影響。本文利用蘇州城市地區(qū)2011年12月20日至2012年8月13日的湍流觀測(cè)資料，篩選典型的高溫過(guò)程和臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程，分析城市地區(qū)湍流通量的季節(jié)變化特征，討論典型天氣過(guò)程下湍流通量特征。

1 觀測(cè)試驗(yàn)與研究方法

1.1 湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文所用數(shù)據(jù)資料來(lái)自蘇州市地區(qū)渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)，儀器包括三維超聲風(fēng)速儀CSAT3和水汽使用紅外分析儀Li-7500，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 hz。觀測(cè)儀器架設(shè)于蘇州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站業(yè)務(wù)樓5樓樓頂，距離樓頂約高4.3 m，距離地面約20 m。圖1給出了1 km范圍內(nèi)的環(huán)境分布，屬于典型的城市復(fù)雜下墊面環(huán)境。根據(jù)Oke,et al[26]及劉陽(yáng)等[27]對(duì)城市近地層分層的理論，該觀測(cè)處于城市粗糙子層內(nèi)，因此受到局地下墊面的明顯影響，能夠代表城市冠層內(nèi)的湍流特征。觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)間為2011年12月20日00時(shí)(北京時(shí)，下同)至2012年8月13日23時(shí)，共計(jì)238 d，包含冬、春、夏三季。

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)周圍環(huán)境圖(紅色標(biāo)注點(diǎn)為觀測(cè)站點(diǎn))Fig.1 The surroundings of observation point(read point)

1.2 地面氣象資料

地面氣象資料主要采用蘇州基本氣象站2011年12月20日至2012年8月13日同期的氣溫、降水、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向的逐時(shí)觀測(cè)資料。

1.3 分析方法

以30 min為平均時(shí)間，利用渦動(dòng)相關(guān)法[28]計(jì)算湍流特征量，結(jié)合Vickers，et al[29]的方法去除在一些特定的天氣狀況，如降水等情況下可能導(dǎo)致儀器在測(cè)量水汽出現(xiàn)故障，以及在物理上不合理的野點(diǎn)，并進(jìn)行二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)[30]?；谌S風(fēng)速、溫度、水汽資料和地面氣象觀測(cè)資料，分析不同季節(jié)的湍流平均特征和高溫、臺(tái)風(fēng)典型天氣過(guò)程的湍流特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬、春、夏三季湍流特征

2012年冬、春、夏三季蘇州城市地區(qū)的湍流通量日變化如圖2所示。動(dòng)量通量均表現(xiàn)為向下傳輸并有明顯的日變化。城市內(nèi)建筑物多，地表粗糙度大，近地層的風(fēng)速垂直變化大，高層向低層傳輸動(dòng)量。在大氣層結(jié)穩(wěn)定的夜間，動(dòng)量交換弱，而在正午最強(qiáng)。夏季由于植被茂盛，地面摩擦效應(yīng)增加，加上熱力作用，湍流動(dòng)量交換明顯大于春季和冬季，峰值為0.27 m2·s-2，分別是春季和冬季的1.5倍和2.5倍(圖2a)。

圖2 冬、春、夏三季湍流通量日平均變化特征：(a)動(dòng)量通量；(b)感熱通量；(c)潛熱通量Fig.2 The average diurnal variation of turbulent flux in different seasons： (a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

感熱通量在夜間基本接近0，白天隨著太陽(yáng)輻射的增加，地面吸收熱量后升溫，加熱大氣，感熱通量為正并逐漸增加，正午達(dá)到最大，冬、春、夏三季的峰值分別為60.8 W·m-2、136.3 W·m-2與160.2 W·m-2，隨著太陽(yáng)落山，又慢慢恢復(fù)到0左右(圖2b)。夏季的日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，感熱通量日平均值約是冬季的3.6倍，春季的1.3倍，并且正值的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)大氣加熱作用更明顯，可以增加夏季夜間城市熱島的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，在北京[18]、南京[19]、榆中[31]也觀測(cè)到類似的現(xiàn)象。

潛熱通量的日變化呈鋸齒狀振蕩(圖2c)。冬季潛熱通量最小，日平均為7.5 W·m-2；日變化不明顯，在14時(shí)有一個(gè)較弱的峰值為20.5 W·m-2。春季的日變化則明顯增多，峰值同樣出現(xiàn)在14時(shí)，為42.7 W·m-2，日平均值約為冬季的2.5倍。夏季水汽充足，加上有足夠的熱量用于蒸發(fā)蒸騰，潛熱通量明顯大于冬春兩季，日平均為27.1 W·m-2，分別是冬季和春季的3.6和1.4倍；潛熱通量在正午前后達(dá)到最大，為71.6 W·m-2。對(duì)比各個(gè)季節(jié)的感熱通量和潛熱通量可以發(fā)現(xiàn)，潛熱通量日平均值和日振幅均小于感熱通量，各季節(jié)潛熱通量平均值約是感熱通量的40%～45%。該比例略低于苗世光等[18]在北京的觀測(cè)結(jié)果，這是因?yàn)楸本┑貐^(qū)的觀測(cè)位于高塔上處于城市慣性子層內(nèi)，代表了更大的區(qū)域尺度特征；而本文觀測(cè)位于樓頂?shù)陌?，更多地體現(xiàn)了局地的城市觀測(cè)過(guò)程。該觀測(cè)區(qū)域建筑物覆蓋度較高，因此感熱通量偏大。與在半干旱氣候下的榆中地區(qū)觀測(cè)對(duì)比[31]，則可以發(fā)現(xiàn)潛熱通量明顯小于本結(jié)果，主要是由于在城市地表能量平衡中，湍流熱通量的分配一方面受到植被覆蓋度、水體面積等地表特征的影響，另一方面也受到氣候條件的影響[32]。蘇州降水更多，植被覆蓋度更高，因此潛熱通量更大。南京的氣候、植被環(huán)境和蘇州較為接近，蘇州冬季和夏季的潛熱通量日均值和南京的觀測(cè)比較接近[19]。

2.2 高溫天氣過(guò)程的湍流特征

蘇州地處江蘇南部，緊鄰上海，當(dāng)受到副熱帶高壓持續(xù)控制時(shí)，下沉氣流區(qū)的干熱氣流會(huì)帶來(lái)高溫天氣過(guò)程。江蘇省1961—2018年近58 a年平均高溫日數(shù)為8.8 d，由北向南遞增，連云港的西連島站地處北部地區(qū)，又位于海島，很少發(fā)生高溫，多年平均年高溫日數(shù)僅為2 d；南部的高淳站高溫日數(shù)最多，平均每年出現(xiàn)22 d。從圖3可以看出，江蘇中部和北部地區(qū)高溫日數(shù)的變化趨勢(shì)多為-1～1 d/(10 a)，而近年來(lái)長(zhǎng)三角城市群迅速增長(zhǎng)，高溫日數(shù)增加，變化趨勢(shì)多為1～4 d/(10 a)；并且所有有減少趨勢(shì)的站點(diǎn)均未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)為0～1 d/(10 a)的站點(diǎn)中有78%也沒(méi)有通過(guò)信度檢驗(yàn)，當(dāng)變化趨勢(shì)增加為1～2 d/(10 a)時(shí)，93%的站點(diǎn)通過(guò)信度檢驗(yàn)，當(dāng)變化趨勢(shì)大于2 d/(10 a)，所有站點(diǎn)均通過(guò)信度檢驗(yàn)。這說(shuō)明江蘇南部的高溫事件顯著增加，而蘇州就在該區(qū)域內(nèi)。蘇州多年平均的年高溫日數(shù)為13 d，雖然高溫日數(shù)不是最多，但是近年來(lái)城市的擴(kuò)張和人口的增長(zhǎng)使得該地區(qū)的高溫日數(shù)顯著增加，增加趨勢(shì)為3.6 d/(10 a)，遠(yuǎn)高于全省平均的1.4 d/(10 a)，是江蘇高溫日數(shù)增加最快的城市之一。江蘇東南區(qū)域的蘇州、無(wú)錫等地近年來(lái)高溫日數(shù)上升趨勢(shì)明顯，其他學(xué)者的研究中也有基本一致的結(jié)論[33-34]。

圖3 江蘇高溫日數(shù)變化(a)；江蘇、蘇州和高淳高溫日數(shù)年變化以及高溫日數(shù)變化線性趨勢(shì)傾向率(b)(空心圈、實(shí)心圈分別表示未通過(guò)、通過(guò)α=0.05置信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.3 (a)The trend of high temperature days in Jiangsu; (b)annual high temperature days in Jiangsu， Suzhou and Gaochun and linear trend tendency rate of high temperature day (hollow circle: failure to pass the 95% confidence level of significance test ;solid circle:pass the 95% confidence level of significance test)

2012年，梅雨期持續(xù)6 d，梅期明顯偏短；梅雨量52.9 mm，比往年偏少78%。蘇州高溫日數(shù)平均為22 d，比往年偏多，并出現(xiàn)了7月3—6日、7月24—31日、8月16—19日三段持續(xù)晴熱高溫天氣過(guò)程。7月下旬的持續(xù)高溫長(zhǎng)達(dá)8 d，選擇高溫天氣過(guò)程發(fā)展充分的7月29日作為個(gè)例進(jìn)行分析。圖4是7月29日蘇州站的地面氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速的日變化，該日是典型的高溫日，日平均氣溫31.5 ℃，15時(shí)高達(dá)35.8 ℃。雖然夏季相對(duì)濕度較大，但是經(jīng)過(guò)前期多日的高溫蒸發(fā)，該日平均相對(duì)濕度已經(jīng)不足70%。受副熱帶高壓的控制，氣壓穩(wěn)定少變。日平均風(fēng)速為3.8 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向是東南風(fēng)。

圖4 2012年7月29日蘇州地面氣象要素變化：(a)氣溫和相對(duì)濕度；(b)風(fēng)速和氣壓Fig.4 Ground meteorological elements of Suzhou on July 29， 2012: (a) temperature and relative humidity;(b) wind speed and air pressure

高溫日的動(dòng)量通量全天為正，動(dòng)量由高層向下傳輸，動(dòng)量交換明顯大于夏季平均，約為1.9倍，蘇州夏季平均風(fēng)速為2.8 m·s-1，該日平均風(fēng)速偏大，動(dòng)量傳輸更強(qiáng)。動(dòng)量通量沒(méi)有明顯的日變化，在08—10時(shí)、15—22時(shí)相對(duì)較大，這和風(fēng)速變化也較為一致(圖5a)。高溫過(guò)程中的感熱通量也明顯大于夏季平均，約增加1倍。感熱通量在正午時(shí)達(dá)到最大值，為308.7 W·m-2，約是夏季平均日峰值的1.9倍。由于持續(xù)數(shù)日的高溫，地面積累了大量熱量，即使太陽(yáng)落山后，地面仍然持續(xù)釋放熱量加熱大氣，18—22時(shí)，感熱通量依然為正值(圖5b)。在高溫過(guò)程中，熱量充足，但是該日的日平均潛熱通量卻比夏季平均偏低約42.7%，這是由于經(jīng)過(guò)前期連續(xù)5 d的高溫蒸發(fā)，相對(duì)濕度日平均值為69.6%，比夏季平均值81%低很多，使得潛熱通量降低。從日變化也可以看出，潛熱通量在10時(shí)達(dá)到最大，為60.2 W·m-2，此后雖然仍有熱量支持，但是水汽支持減少，潛熱通量立即下降，在下午還出現(xiàn)短時(shí)負(fù)值(圖5c)。夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)，尤其是在高溫天氣過(guò)程中，晴朗少云，凈輻照度大，對(duì)地表的加熱作用明顯，加上城市建筑物構(gòu)成的立體下墊面，多次反射、折射及輻射陷阱效應(yīng)使得感熱通量在城市湍流熱通量中占據(jù)主導(dǎo)地位，這和其他學(xué)者的觀測(cè)研究結(jié)論一致[35-36]。

圖5 7月29日湍流通量日變化特征：(a)動(dòng)量通量；(b)感熱通量；(c)潛熱通量Fig.5 The diurnal variation of turbulent flux on July 29， 2012：(a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

高溫天氣過(guò)程中湍流發(fā)展旺盛，尤其在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)午間，湍流得到充分發(fā)展，因此選擇14∶00—14∶30這半小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析湍流速度譜 (圖6)。通過(guò)比較分析可以發(fā)現(xiàn)，速度三分量譜在慣性子區(qū)的冪指數(shù)與“-5/3”次律符合得很好，且三分量在慣性子區(qū)基本重合，w譜略微偏下。u、v譜的譜峰頻率都比w譜峰頻率小，但峰值均大于w譜。v譜最為光滑，較符合典型速度能譜特征，u譜與w譜在低頻區(qū)存在兩峰值，且u譜的第二峰值較為明顯。城市下墊面復(fù)雜，建筑物、立交橋、道路、植被等構(gòu)成了立體的非均勻下墊面，對(duì)近地層氣流影響明顯，尤其是在城市粗糙子層內(nèi)，對(duì)氣流造成持續(xù)擾動(dòng)，因此湍流能譜中可能會(huì)出現(xiàn)多種次尺度的峰值，這說(shuō)明城市湍流發(fā)展的機(jī)制并不是由單一部分貢獻(xiàn)的，而是有多種貢獻(xiàn)機(jī)制共同作用，和植被粗糙子層有所不同，這在北京[37]、南京[38]等地的研究中也有類似結(jié)論。

圖6 2012年7月29日14時(shí)湍流三分量速度譜Fig.6 Turbulent velocity spectrum at 14∶00 BST on July 29，2012

2.3 臺(tái)風(fēng)天氣過(guò)程的湍流特征

2012年共有5個(gè)熱帶氣旋直接或外圍影響蘇州，即1207號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“卡努(KHANUN)”、1209號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇拉(SAOLA)”、 1210號(hào)臺(tái)風(fēng)“達(dá)維(DAMREY)” 、1211號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“?？?HAIKUI)”與1215號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“布拉萬(wàn)(BOLAVEN)”，其中 “?？睂?duì)蘇州市影響最大。2012年第11號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“?？庇?月1日在西北太平洋洋面上生成， 8日03∶20登陸浙江象山縣，登陸時(shí)中心附近風(fēng)力約14級(jí)，中心最低氣壓為965 hPa，為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，隨后臺(tái)風(fēng)沿余杭、宣城一線逐漸減弱為熱帶風(fēng)暴，并在安徽境內(nèi)消失[39]。“?？彪m未正面襲擊蘇州，但是在其影響下，蘇州于8月8日13時(shí)進(jìn)入其十級(jí)風(fēng)力圈，出現(xiàn)大暴雨，給交通、電力、水利等生產(chǎn)生活設(shè)施等帶來(lái)較大損失。選取8月7—9日對(duì)比分析臺(tái)風(fēng)不同影響階段的湍流特征。

圖7 2012年8月7—9日蘇州地面氣象要素：(a)氣壓和氣溫；(b)降水和相對(duì)濕度；(c)風(fēng)速和風(fēng)向Fig.7 Ground meteorological elements of Suzhou from 7 to 9 on August 2012: (a) temperature and air pressure; (b) precipitation and relative humidity;(c)wind speed and wind direction

8月7—9日蘇州站的地面氣壓、氣溫、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的觀測(cè)值如圖7所示。受“海葵”影響，地面氣壓降低，8日平均氣壓為994.1 hPa， 14時(shí)最低為989.7 hPa，臺(tái)風(fēng)帶來(lái)大風(fēng)和暴雨，8日的日平均風(fēng)速8.4 m·s-1，16時(shí)風(fēng)速高達(dá)12.9 m·s-1；風(fēng)向轉(zhuǎn)變明顯，臺(tái)風(fēng)影響前期東北風(fēng)是主導(dǎo)風(fēng)向，隨著臺(tái)風(fēng)臨近，風(fēng)向向南轉(zhuǎn)動(dòng)，東風(fēng)和東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，在后期則主要是東南風(fēng)。日降水量146.9 mm，達(dá)到大暴雨級(jí)別。相對(duì)濕度為98%，氣溫最低為25.5 ℃。

圖8 2012年8月7—9日臺(tái)風(fēng)影響下湍流通量特征: (a)動(dòng)量通量；(b)感熱通量；(c)潛熱通量Fig.8 The diurnal variation of turbulent flux from 7 to 9 on August 2012:(a)momentum flux;(b)sensible heat flux;(c)latent heat flux

在臺(tái)風(fēng)影響前期(7日)的動(dòng)量通量與夏季日平均較一致，日變化明顯，動(dòng)量向下輸送。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)入臺(tái)風(fēng)十級(jí)風(fēng)力影響圈，即8日13時(shí)左右時(shí)，強(qiáng)烈的氣流交換運(yùn)動(dòng)使得動(dòng)量通量迅速增加，最大值是前一天峰值的5.1倍。在臺(tái)風(fēng)影響后期(9日)，動(dòng)量通量逐漸變小，但仍高于季節(jié)平均(圖8a)。感熱通量在臺(tái)風(fēng)影響的前期和后期基本為正值，熱量由地面向大氣傳送，并且日變化明顯，7日和9日的峰值分別為206.6 W·m-2和211.4 W·m-2。8日云層厚、大暴雨伴隨大風(fēng)、氣溫降低，感熱通量輸送弱，逐漸減小至負(fù)值，熱量向下輸送。感熱通量日平均值為-40.9 W·m-2，而7日、9日、夏季的日平均分別為63.6 W·m-2、38.6 W·m-2和57.4 W·m-2，均遠(yuǎn)高于8日平均值(圖8b)，這與杜云松等[40]、孔令彬等[41]對(duì)降水過(guò)程分析的結(jié)果一致，即當(dāng)有降水時(shí)，湍流活動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，感熱通量會(huì)明顯減小。在臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中，降水多且陣性強(qiáng)，水汽值迅速增加，空氣相對(duì)濕度大，潛熱通量變化十分明顯，波動(dòng)較大，臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)烈多變的上下層氣流交換使得水汽的湍流傳輸較復(fù)雜(圖8c)。在降水結(jié)束后的9日，由于此時(shí)氣溫回升，加之降水帶來(lái)豐富的水汽，蘇州的潛熱明顯增加，高于夏季平均，這種現(xiàn)象在其他地區(qū)也曾觀測(cè)到[37]。

以進(jìn)入臺(tái)風(fēng)十級(jí)風(fēng)力影響圈的8日13時(shí)為基點(diǎn)，選取7日、8日和9日的13時(shí)分別代表臺(tái)風(fēng)影響前期、中期、后期，分析比較臺(tái)風(fēng)這種強(qiáng)對(duì)流天氣下的湍流能譜變化(圖9)。從速度u譜來(lái)看，在慣性子區(qū)很好的符合“-5/3”次律，v譜次之。w譜的慣性子區(qū)最小并且向高頻移動(dòng)，基本不符合“-5/3”次律；7日在低頻區(qū)還存在峰值，而到8日和9日，譜線基本持平，難以判斷哪種頻率的渦對(duì)湍流的動(dòng)力與熱力生成起主要因素，這可能與臺(tái)風(fēng)的復(fù)雜上升下沉氣流有關(guān)。對(duì)于u、v譜而言，8日臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，兩譜的譜峰值均較之前偏小，并略向高頻偏移。除此之外，7日和9日的譜線基本相當(dāng)，8日的u、v譜線始終在其之下，這表明在臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流的影響下，湍流強(qiáng)度要略小于之前和之后，這和臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)區(qū)域的湍流強(qiáng)度變大的情況有所不同。在湍流生成中起主要作用的低頻大渦的頻率要略高于臺(tái)風(fēng)前后，這是普遍現(xiàn)象還是個(gè)例仍需更多觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究。

圖9 2012年8月7—9日13時(shí)湍流三分量速度譜:(a)u;(b)v;(c)wFig.9 Turbulent velocity spectrum at 13∶00 BST from 7 to 9 on August 2012： (a)u；(b)v；(c)w

3 結(jié)論

本文根據(jù)蘇州2011年12月20日至2012年8月13日的渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析城市地區(qū)湍流特征的季節(jié)變化，以及典型的高溫過(guò)程和臺(tái)風(fēng)過(guò)程下的湍流通量特征。結(jié)果表明：

(1)徑向動(dòng)量通量、感熱通量、潛熱通量均呈現(xiàn)白天高、變化快，夜間低、變化慢的日變化特征。夏季由于水分條件好、熱量充足、湍流發(fā)展旺盛，各通量的平均值、最大值均高于冬春季，如夏季感熱通量日最大值為160.2 W·m-2，日平均值約是冬季的3.6倍。潛熱通量小于感熱通量，各季節(jié)平均值約是感熱通量的40%～45%，在城市地表能量平衡中的作用遠(yuǎn)大于潛熱。

(2)高溫天氣過(guò)程下，動(dòng)量輸送增加，感熱輸送加強(qiáng)，潛熱輸送減弱。感熱通量峰值約是夏季平均的1.93倍。速度三分量譜在慣性子區(qū)符合“-5/3”次律，u譜與w在低頻區(qū)存在兩峰值，且u譜的第二峰值較為明顯，說(shuō)明在城市復(fù)雜下墊面里，湍流發(fā)展的機(jī)制可能存在多種貢獻(xiàn)因素。

(3)臺(tái)風(fēng)天氣過(guò)程下，云層厚、大風(fēng)、降水量大且陣性強(qiáng)、氣溫降低，動(dòng)量通量大且變化快，感熱通量輸送弱，熱量向下輸送，潛熱通量波動(dòng)大，湍流傳輸較為復(fù)雜。速度w譜的慣性子區(qū)最小且向高頻移動(dòng)，基本不符合“-5/3”次律，這和臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的復(fù)雜上升下沉氣流有關(guān)。