论文部分内容阅读
华南海岸带是我国经济最发达的地区之一,也是台风、暴雨、海雾、风暴潮等灾害性天气的多发区,加强对海岸带的海洋、气象观测,提高华南海岸带灾害性天气预报能力,尤其是数值模式的预报能力,是华南海岸带地区经济和社会发展的迫切需要。由于观测仪器的局限以及研究经费等的限制,迄今为止针对海岸带边界层的湍流观测仍非常少见,这导致我们对海岸带的边界层过程缺乏足够的理解从而阻碍了边界层参数化模式的发展,而对于台风等特殊天气的边界层过程的认识则更为缺乏。针对这些问题,本文采用广州茂名博贺海洋气象科学试验基地长时间、高精度的三维湍流观测资料,用涡动相关法直接计算摩擦速度、稳定度参数、湍流强度、拖曳系数等湍流动力参数,研究了华南海岸带在向岸风和离岸风条件下湍流参数随风速的分布特征。还利用该实验基地海上综合平台的超声数据和梯度资料,研究了台风“灿都”和“黑格比”过程中湍流参数的演变特征及与风速的关系。主要结论如下:2007年5月-2008年8月,华南海岸带近地层大气总体呈近中性偏弱不稳定,近中性层结时次占55%,不稳定层结占31%,稳定层结占14%,体现了热带对流边界层的特征。观测点常年以偏东风为主,风速、风向存在明显的季节变化,春季盛行偏东风,夏季盛行偏南风,风速均较小,而秋冬季节以东北风为主,风速相对较大。不同的气流来向会对局地湍流特性造成不同影响。离岸风和向岸风条件下,华南海岸带近地层的湍流动力参数特征差异明显。刮离岸风时观测点的摩擦速度、湍流强度、中性拖曳系数等参数都要明显大于同风速下刮向岸风时的数值,且随风速的分布也更为离散。因此对海岸带的边界层进行研究时,要充分考虑气流的来向问题。尽管如此,摩擦速度、稳定度参数,湍流强度、拖曳系数等湍流动力参数在离岸风和向岸风下与风速的基本关系是类似的。在中等风速下,摩擦速度u*随风速U的增大近似呈线性增长,拟合方程分别为:u*0.066U0.060(离岸风);u*0.034U0.028(向岸风)。稳定度参数在U较小时比较离散且不确定,在U>8m/s时几乎趋于零,但与风向的关系不明显。三维湍流强度都随U先迅速减小,后保持不变或略有增大,三维湍强值分别为:Iu=0.245,Iv=0.199,Iw=0.125(离岸风);Iu=0.092,Iv=0.089,Iw=0.055(向岸风)。拖曳系数CD在U6m/s时随U的增大而减小,之后随着U增大略有增大。这些结果说明湍流参数与风速的基本关系是由其内在性质决定的,具有确定性,但是具体的变化形式会因风向或者下垫面的不同而略有不同。拖曳系数C_D与大气稳定度z/L也存在较密切的关系,无论风向如何,当z/L为负时,C_D随-z/L的增大而减小;当z/L为正时,C_D随z/L的增大而减小。大气层结越偏向中性,拖曳系数越大,动量通量的输送越强。台风系统会影响近地面的湍流特性。“灿都”和“黑格比”过境前后观测点摩擦速度都在台风登陆时出现低值,在台风登陆前后的2h处各出现一峰值,与风速呈现较好的相关。大气稳定度在台风过境前后以中性为主,在台风离观测点最近的时刻突然跃升,变为稳定层结。“灿都”过程中三维平均湍强为Iu=0.098,Iv=0.084,Iw=0.055,与常年平均的向岸风下的湍强值比较接近。“黑格比”过程中Iu=0.161,Iv=0.120,Iw=0.079,较接近华南海岸带总体的湍强平均结果。“灿都”过境前后拖曳系数的演变特征与摩擦速度类似,两者都受风速和下垫面粗糙度的影响。两台风过程中摩擦速度u*与风速U在两类风向下都可以拟合为线性关系。海面空气动力粗糙度Z0随风速U的增大以e指数形式快速增长。但是“黑格比”过程中离岸风和向岸风下的湍流参数对比更加明显,离岸风时的各参数值明显大于向岸风下的结果,而“灿都”过程中的参数特征更接近海洋或混合下垫面的特征。主要原因是“灿都”过程中以偏东风和东北风为主,风向区分不明显,气流并不能很好地代表典型海洋和陆地下垫面特征,湍流特性差异不大,而“黑格比”在登陆前主要刮西北风,登陆后以东南风为主,风向上游的下垫面差异显著,气流携带的特征也完全不同。两台风过程平均湍强差异较大的原因也在于此。台风“黑格比”与“灿都”的对比结果还说明,进行边界层湍流研究,光考虑风的来向是不够的,如果能够追踪质点轨迹,确定质点经过的下垫面特征,对边界层参数的确定更为有利。