台风天气形势下的边界层湍流特征分析

本文核心词：派比安。

台风天气形势下的边界层湍流特征分析

台风天气形势下的边界层湍流特征分析

马龙 061170047

指导老师：彭珍 博士、讲师

南京大学大气科学学院 南京，210093

摘要：本文以2006年第6号台风“派比安”为观测试验背景，获取了其在经过试验观测地点―茂名市电白县电城镇博贺海洋气象观测站的各要素变化资料，并以此湍流资料对台风天气形势下的边界层湍流特征进行分析。结果表明：通过平均场分析，得知台风存在非对称结构，这种非对称结构对台风的运动会产生影响；各特征变量如摩擦速度、拖曳系数、湍强、脉动运动动能、动量通量、热量通量等在台风的不同阶段上的变化具有一定的规律性；某些特征变量两两之间存在着较强甚至十分强的正、负相关性，而且上述相关性在台风不同阶段上的差异可能很大。

关键词：台风；边界层；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

目录

摘要 …………………………………………………………………………….. 1

1 引言 …………………………………………………………………………… 3

2 “派比安”台风概况 ………………………………………………………………. 3

2.1 台风发生时的天气背景 ………………………………………………………. 3

2.2 “派比安”的移动路径 ……………………………………………………….. 5

2.3 “派比安”台风的特点 ……………………………………………………….. 5

3 观测试验介绍及资料处理 …………………………………………………………… 6

3.1 观测试验背景资料 …………………………………………………………… 6

3.2 资料处理 ………………………………………………………………….. 6

4 资料分析 ……………………………………………………………………….. 9

4.1 平均场分析 ………………………………………………………………… 9

4.1.1 平均地面气压的变化分析 ………………………………………………… 9

4.1.2 平均气温随时间的变化分析 ……………………………………………… 10

4.1.3 合成风速和风向随时间的变化分析…………………………………………. 11

4.1.4 累积雨量的变化分析 …………………………………………………… 12

4.1.5 相对湿度的变化分析 …………………………………………………… 13

4.1.6 “派比安”台风的非对称性分析…………………………………………… 14

4.2 摩擦速度U*与拖曳系数Cd的变化分析 …………………………………………… 15

4.2.1 摩擦速度U*的变化分析 …………………………………………………. 15

4.2.2拖曳系数Cd的变化分析 …………………………………………………. 16

4.3垂直风速与湍流通量分析 ……………………………………………………… 16

4.3.1 平均垂直风速W的变化分析 ……………………………………………… 17

4.3.2 顺风方向的动量通量分析 ……………………………………………….. 17

4.3.3侧向的动量通量分析 ……………………………………………………. 18

4.3.4 热量通量随时间的变化分析 ……………………………………………… 18

4.3.5 垂直风速与湍流通量的综合分析…………………………………………… 19

4.4 湍流强弱分析 ……………………………………………………………… 20

4.4.1脉动速度标准差的变化分析 ………………………………………………. 20

4.4.2湍强Iu、Iv、IW的变化分析 ……………………………………………….. 21

4.4.3 脉动运动动能随时间的变化 ……………………………………………… 22

4.4.4 湍流强弱的综合分析 …………………………………………………… 23

4.5 相关性分析 ……………………………………………………………….. 24

4.5.1 相对湿度与气温的相关性分析 ……………………………………………. 25

4.5.2 水平合成风速大小与垂直风速大小的相关性分析 ………………………………. 25

4.5.3 水平合成风速与拖曳系数的相关性分析 ……………………………………… 26

4.5.4 水平合成风速与摩擦速度的相关性分析 ……………………………………… 27

4.5.5 水平合成风速与脉动运动动能的相关性分析 ………………………………….. 27

4.5.6 摩擦速度与顺风方向动量通量的相关性分析 ………………………………….. 28

5 结论与讨论 …………………………………………………………………….. 29

5.1 结论 …………………………………………………………………….. 29

5.2 缺陷讨论 …………………………………………………………………. 31

参考文献 ………………………………………………………………………… 32

致谢 ……………………………………………………………………………. 32

1 引言

大气边界层气象学是大气科学中一门重要的基础理论学科，大气边界层气象学受到数学、物理学等基础支撑学科发展水平的影响，并随着它们的发展而发展。大气边界层气象学是以湍流理论为基础的，研究大气和它下垫面（陆面与洋面）相互作用以及地球―大气之间物质与能量交换的一门新型气象学科分支。从1883年Reynolds首先在实验室发现了湍流开始到现在的一百多年的发展历程中，经历了湍流理论的产生和发展、行星边界层的提出、近地层大气物理规律的形成、大气边界层物理结构的认识、大气边界层相似性理论的建立以及大气边界层湍流闭合理论的发展等发展过程，可以说，到20世纪70年代末，研究者们对均匀下垫面大气边界物理结构基本有了比较全面的认识，大气边界层的基础理论基本上已经形成。从 20 世纪 80 年代到目前的 20 多年间，除了数值模拟水平和观测技术等实验手段有较大提高外，大气边界层领域的工作，几乎主要集中在解决大气数值模式中边界层和地表通量参数化问题上，而在理论研究方面则显得过于平静。因此 ,最近 20 多年实际上是大气边界层研究领域发展相对比较缓慢的时期。

大气边界层气象学研究面临问题主要有非均匀和复杂下垫面边界层、特殊地区边界层特征、沙尘暴等特殊天气边界层特征、边界层与云和降水的作用、湍流如何在模式中更合理的参数化、大气湍流问题、地―气之间界面的物质和能量交换问题以及局地实验结果的代表性等。本文将以2006年第6号台风“派比安”为实验背景对作为特殊天气之一的台风天气形势下的边界层湍流特征进行分析。

2 “派比安”台风概况

2.1 台风发生时的天气背景

0606 号台风，“派比安”于7 月31 日下午在菲律宾以东的太平洋海面上生成，向西移动并穿过菲律宾北部。吹袭菲律宾后于 8 月 1 日 进入我国南海东部海面，并于当天下午加强为热带风暴。进入南海后“派比安”初始向西北偏西移动，并于 8 月 2 日中午加强为台风。 8 月 3 日“派比安”以每小时 20 km 的速度向偏西北方向移动，至 1 400 BST (北京时，下同)其中心移动到距离我国广东省阳江市沿海 180 km 的海面上。由1 400 BST时的地面天气图显示(图 2a)，“派比安”台风位于副热带高压西南边缘，其中心位置为北纬 1818 度，东经 11416 度，中心气压 975hPa，且中心附近的等压线几乎呈轴对称结构。另外，副热带高压呈东西向带状分布，派比安在副热带高压引导气流的作用下向西北方向移动。进一步由0800 BST 500 h Pa 天气图(图2b)显示，在派比安登陆前，台风中心处于副热带高压西南边缘，且台风中心以北 15 度，即北纬 35度附近有一西风槽。台风附近的温度场接近轴对称结构，而台风中心的暖心直到 300 h Pa (图未示)仍然存在。这些天气特征表明，派比安台风在接近登陆时，其环流结构仅轻微受到西风槽的影响，而其动力和热力结构仍然保持为一热带气旋结构。

(a) 1 400 BST地面天气图; (b) 0800 BST 500 hPa 高空天气图

图 2 2006 年 8 月 3 日日本气象厅

2.2 “派比安”的移动路径

2006年第 6号热带气旋“派比安”生成于菲律宾以东洋面，于7月31日发展为热带低压，并继续向偏西方向移动进入南海东部海面，于 8月1日l 4时增强为热带风暴并正式编号。风暴生成初期以 15～20 k m左右的速度向西北偏西方向移动，强度继续加强，当日晚上即增强为强热带风暴，近中心附近最大风力达 10级，路径偏西，且于 8月2日13时进一步发展成台风，近中心风力达12级，风速达到33 m／s ，七级大风半径4 00 k m，十级大风半径 l00 k m，向西北方向移动，直趋广东和海南两省。8月3日凌晨台风移动的较为缓慢，直至上午08时移动速度突然加快，向西北方向移动。台风于当天晚上19时20分左右在广东省阳西到电白之间沿海登陆， 登陆时中心气压975 h Pa，近中心最大风力l 2级，风速达33 m／s 。登陆后台风继续以15～20 k m左右的速度向西北偏西方向移动，由于登陆后受陆地山川的阻挡，强度逐渐减弱，于当晚22时减弱为强热带风暴，4日05时减弱为热带风暴，16时减弱为热带低。

图1 2006年6号台风“派比安”路径图

2.3 “派比安”台风的特点

2.3.1 台风强度发展快，影响范围广

“派比安” 从一个热带低压迅速发展成为强势逼人的台风，前后仅用了二十几个小时的时间，可见该台风强度发展之迅速。本次台风过程近中心最大风力12级，7级大风半径400 km， 10级大风半径120 km。该台风的影响范围相对较广，从卫星云图上看，登陆前的“ 派比安” 中心附近密闭云区主要笼罩了粤西地区，而且其外围云系已覆盖了广东、广西、海南三省以及南海中北部海面。

2.3.2 台风移动路径多变，移动速度突变

“派比安”最初以15～20 km／h的速度向西北偏西方向移动，1日22时开始直线西行持续时间长达近 8个小时，西行的这段时间移动速度减缓维持在1O k m／h左右，而后北分量加大继续以5～20 k m／h的速度转向西北偏西方向移动。2日21时“派比安”又突然放慢了速度，以5～1O km／h的行进速度缓慢的向西南方向转向，完成了一个抛物线后又径直北上，维持近 8个小时。3日07时其移动速度又突然加快到 15～20 k m／h ，以西北路径趋向粤西沿海，于3日19时20分在广东省阳西到电白沿海交界地区登陆。总体来说，该台风移动路径整体是在西北偏西方向南北摆动，移动速度突变较为明显。

2.3.3 狂风、暴雨、巨浪和高潮共同作用，破坏力极大

台风登陆时，粤西沿海和海南省等地出现了狂风、暴雨、巨浪和高潮位等异常现象。沿岸部分验潮站出现超过当地警戒水位的高潮位，并且在长时间的狂风和强降雨以及巨浪和高潮位的共同作用下，构成了极大的破坏力，造成阳江到湛江一带沿岸的多处堤坝被毁，受灾较为严重。

3 观测试验介绍及资料处理

3.1 观测试验背景资料

本次试验观测地点位于茂名市电白县电城镇博贺海洋气象观测站，地理坐标为东经：111°18’53.7″；北纬：21°27’06.7″，该站三面临海，仅有西北方向与大陆相连，该站北面和西面50m以远的地方有被马尾松覆盖的小山丘，台风观测塔位于该半岛的中央，距塔6m左右的北面和东面被一些高为3m―5m的马尾松所覆盖，当时塔附近东南面有3棵5m高的马尾松所遮挡，为了使地面更加开阔，追风组砍掉了这三棵树，这样塔的东面视野开阔；塔的南面没有植被遮挡，地势平坦。

本文所用资料为意大利Delta公司研制的HD2003型三维超声风速仪所测的风速、气温、相对湿度和气压资料，实验中该仪器架设在距离地面10 m高度的塔上，仪器采样频率是1Hz，以及安装在塔的西面3m远0.7m高度处的美国YOUNG公司52203型雨量计测得的雨量资料。本次试验有效的资料记录时间为：2006年8月3日11:01:19?4日09:45:50，因此所获各要素资料共有81871个数据时间点，为了数据处理和图片显示的方便，在不影响实验过程和结果的情况下，只截取了3日12时至4日8时的数据，经截取后为72600个时间点。本文主要分析的就是截取后时间段的湍流资料。

3.2 资料处理

目前有关湍流资料的质量控制和质量保证方案已经非常完备，本文主要参考Vickers and Mahrt (Vickers and Mahrt, 1997)和H?jstrup [H?jstrup, 1993]的方案，通过以下五个步骤来处理，从而得到较为可靠的数据序列的。

(1) 资料整理

原始资料文件夹命名为探测人员每次取资料的时间，为方便读取，将原始资料进行重命名，把资料按时间分类，并将文件中的“时间”项去掉，对数据的格式进行统一，都是浮点数f14.8。

(2) 挑出野点

这里我们主要挑出不符合一般气候统计特征以及物理上解释不通的数据。为了最大限度保护原始资料，对各气象要素，我们所取的阈值范围都比较大，即：水平风速: 0~50 m.s-1，垂直风速: 0~5 m.s-1，温度：-30~5 ℃。

(3) 剔除随机脉冲

对于满足Gauss分布的随机变量，其基本上只在区间[μ-2σ, μ-2σ]内取值(94.44％)，取值落在[μ-3σ, μ-3σ]之外的可能性不到3%。而对于左右对称的指数分布，随机变量的取值更向均值靠近。由于湍流间歇性和相干结构的普遍存在，实际大气湍流资料pdf（概率密度）分布存在很多不对称的情况，有时存在很大的偏斜度，Pdf图中会出现长尾现象，尤其是在温度和湿度这样的标量中，长尾现象更为明显。本文综合了Vickers和H?jstrup的方法，先求出 的Pdf分布及其方差，然后将 的值认为是随机脉冲。其中对于风速，取n=4；而对于温度和湿度这样的标量，取n＝5。

(4) 插值

我们主要参考H?jstrup的插值方法。利用(0.1)式插值：

(0.1)

其中Rm是前M个数据的相关系数，Xm是前M个数据的平均值，如式(0.2)和式(0.3)所示

(0.2)

(0.3)

以上插值方法的优点在于其使得插值后观测资料的平均值和相关系数与原始数据保持一致。

图3(a) 气压原始资料

图3(b) 经过资料处理之后的气压资料

(5) 旋转坐标系。

利用涡度相关法测量地表通量存在一个重要假设：在某一段时间内，平均垂直气流为0。在长时间的`平均下且仪器工作正常，可以认为w平均值为0。但是为了减少计算量，我们可以合并水平分量u、v。本文对初始资料采用的是一次坐标旋转。

超声风速仪测得的风速有三个分量：u、v、w。由于w一般远小于u、v，我们可以将u、v在水平方向求合风速，减少某些计算的参量。这里我们采用的是一次坐标旋转。一次坐标旋转方法如下：

超声风速仪安放坐标为um，vm，wm；旋转坐标后，使得x轴平行于合成风速U方向，按照右手螺旋法则，建立坐标系u1，v1，w1（如图4）；即

其中 （ ） v1

一次坐标旋转使得横向风速 ，主导风速为x轴。本文的所有计算均是在新坐标下进行的。 um

(6) 经过上面的处理，我们得到了可供进一步研究的较为可靠的湍流数据。

4 资料分析

4.1 平均场分析

为了更好地说明台风经过前后地面气象要素随时间的变化，图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别给出了“派比安”台风经过观测场地前后10分钟平均地面气压P、平均气温 T、风速U与风向WD随时间的变化、风速U与风向WD玫瑰图、10分钟累积雨量图以及10分钟平均相对湿度随时间变化图。本文截取了3日12时至4日8时的数据资料，一共有20小时，10分钟做一次平均，于是得到20*6+1=121的时间点数据。图中所用坐标系为旋转后的流线型坐标系，即：以合成风方向为X轴，按照右手螺旋法则，Y轴垂直于X轴，Z轴不变，如此建立的坐标系。

4.1.1 平均地面气压的变化

图5(a) 平均地面气压随时间的变化/纵坐标为平均地面气压（hPa）

图5(a) 给出了台风经过试验地点气压随时间的变化情况，由图可见：

① 总体上看，气压的变化可分为两部分即严格随时间减小的部分和严格随时间增加的部分，两部分合起来组成了一个不对称的“V”字形状。

② 从观测实验开始（2006年8月3日11:01:19），气压P随时间是逐渐减小的，到3日18时30分左右，气压p随时间减小的速率迅速增大，于3日19时20分左右达到最小值 957.0 hPa；然后P先是在最低点时刻到3日20时之间逐渐增加，之后又随时间迅速增加，在3日22:20左右增加的速率逐渐减小，但直到4日8时观测试验结束为止，气压P都是逐渐增加的。

③ 若考虑台风中心前后较短时间范围内即3日18时至3日22时气压的变化，，可以发现总体上看，前段时间内气压下降的速率要小于后端时间气压上升的速率。

由上述特点可以得出结论：

? 根据气压P最小值出现的时间，可以判断出珍珠台风中心经过观测场地的时间约在3日19:20左右。 ? 若假设台风在3日18时至3日22时内不发生显著变化，则可知，台风前的气压梯度小于台风后的气压梯度，也就是台风前部的等压线较疏，后部的等压线较密。

4.1.2 平均气温随时间的变化

图5 (b) 平均气温随时间的变化/纵坐标为平均气温（℃）

图2(b) 上图给出的是台风经过试验地点处平均气温的变化情况，由图可见：

① 总体上看，在台风中心到达前，气温的波动较大，台风中心经过后，气温波动较小。从3日12时50分到 15时50分的两个小时间，气温从最高的27.3 ℃急剧降低到24.0 ℃，下降幅度为2.3

℃。此后

又迅速在17时30分上升到25.8 ℃，接下来一直下降，直到台风到达时刻气温为24.4 ℃。台风过后，气温在3日20时20分处迅速下降后又迅速上升，之后一直呈震荡式地缓慢下降，在4日6时处开始缓慢增加，直到4日8时为25.6 ℃。

② 气温曲线在3日18时在3日22时之间的时段内呈现出非对称的“W”字形状。

4.1.3 合成风速和风向随时间的变化

图5(c) 合成风速U及风向WD随时间的变化―蓝线为合成风速，黑线为风向

图5(c) 给出了合成风速及风向的变化，由图可见：

① 在台风“派比安”经过前和经过较长时间后，风速及风向的都较稳定，变化不大，而当台风经过时，合成风速和风向都有极大的变化。合成风速先是从15 m/s急剧下降至接近O，然后又急剧上升至接近30 m/s，波动幅度及强度都较大。风向则是从台风前的东风，在不到一个小时的时间内迅速转为西风，变化幅度达到了180°，之后稳定不变。

② 由合成风速下降至基本为O的变化，可以得出一个结论：本次观测试验的地点在合成风速最小时正处于台风中心或者接近台风中心的位置，因此，本次试验所测得的数据应该是十分具有代表性的。

③ 在3日18时至3日22时之间的时段内，合成风速曲线呈现出不对称的“V”字形状。

④ 台风中心以后的合成风速强于台风前的合成风速，即台风呈现出加速的状态。

下图（图5(d)）可清晰地看出风向风速的变化。

图

5(d) 19:00～20:30的风玫瑰图

上图为“派比安”19:00～20:30每隔5分钟的风向变化图，线的长短表示风速，箭头表示风向。由图可见，台风来临前风速较大，风向基本为东风；台风来临时风速降至极低，风向以顺时针方式偏转；台风过后，风向已转为西风，风速迅速增大。

4.1.4 累积雨量的变化

图5(e) 十分钟内累积雨量随时间的变化/纵坐标雨量的单位为0.1mm

由累积雨量的变化情况，可以看出：

① 在台风中心到达前，降雨时间较长、雨量较大且波动也较大。从3日13时20分到19时20分六个小时的累积雨量为50.6 mm远超过暴雨的判断标准。 14时到15时的一个小时内的累积雨量为1.95 mm，15时到16时间的累积雨量为6.8 mm，16时到17时间的累积雨量为5.2 mm， 17时到18时间的累积雨量为3.5 mm，18时到19时的累积雨量却达到19.5 mm。

② 台风中心过后，降雨量明显降低，时下时停，从3日20时到4日8时十二个小时内的累积雨量只有13.7，还没有从18时到19时一个小时内的累积雨量大。

③ 在3日18时至3日22时之间的时段内，累积雨量曲线呈现出一种极不对称的“M”字形状，18时至20时内的雨量要远大于20至22时的雨量。

4.1.5 相对湿度的变化

图5(f) 相对湿度随时间的变化

由相对湿度的变化情况，可以看出：

① 在台风中心到达之前，除了几段小幅波动外，相对湿度总体上是上升的，其值从3日12时的75%，上升到台风中心到达时的95%。台风中心过后较长一段时间内都比较稳定的状态，维持在90%到96%之间，4日6时左右下降至大约86%，并保持稳定。

② 在3日18时在3日22时之间的时段内，相对湿度曲线呈现出非对称的“M”字形状。

4.1.6 “派比安”台风的非对称性分析

近年来，热带气旋的非对称性结构越来越引起科学家们的注意，动力学非对称性和热力学非对称性会对热带气旋的移动速率和移动方向产生直接的影响，在弱环境流场中，这种影响将变得十分显著【1】。通过对平均场变量的研究，本文将就“派比安”台风的非对称性做简要分析。

由于台风属于大尺度天气系统，而本次试验所得数据全部来自于一个观察地点，不可能得到在相同时刻不同台风区域的数据。对于已经登陆的台风来说，它应正处于慢慢减弱的阶段，因此，要通过一个点的数据分析台风的非对称性结构，只能假设台风在经过试验地点时变化不显著。为了使上述假设合理存在，在下述分析中将通过缩短考虑的时间段来保证假设的合理性。下面的分析中选取的重点分析时间段为3日18时至3日22时，而此时间段内正包涵台风中心经过过程。

? 由图(a)可以看出，气压变化曲线呈现为一种“V”字形状，但是这个“V”字是不对称的。考虑3日18时至3日22时之间的时间段，总体上看，气压下降阶段的下降速率较小，而上升阶段的上升速率明显较前者大，结合“派比安”台风的运动路径，我们可以看出：它的西北区域的等压线较稀疏，而东南区域的等压线较密集，即呈现出“东密西疏”的非对称结构。根据陈联寿、孟智勇的《我国热带气旋十年研究进展》

【1】中关于台风非对称性结构对台风运动影响的分析可知，这种“东密西疏”的非对称结构将导致台风加速，而图5(c)中合成风速的变化情况则正好印证了这一结论。

? 分析“派比安”台风的气温序列可以看出，在3日18时至3日22时之间的时间段内，气温曲线表现为一种非对称的“W”型变化，在18时至20时之间内的气温下降幅度较20时至22时时间段内要大。若考虑台风中心经过前后较长时间内的3日12时至4日4时，这种非对称形势则更加明显。在3日12时气温一度达到27.3 ℃，而又在15时50分骤降至23.4 ℃。在台风中心过后的3日22时以后，气温则基本保持在25 ℃左右。这说明：台风的西北区域气温变化较其东南区域要大得多，西北区域大起大落，东南区域则保持较稳定的状态。

? 由合成风速曲线的变化情况，可以看出：台风中心经过前后的合成风速大小也呈现出非对称结构。总体上看，台风中心经过之前的合成风速要小于经过之后。考虑3日18时至3日22时之间的时间段内，合成风速曲线呈现出非对称的“V”字形状。因此可以得出结论：“派比安”的西北区域的合成风速大小总体上要小于其东南区域。

? 由雨量和相对湿度的变化情况看，“派比安”的非对称性表现的尤为突出。先看累积雨量的变化，可知：在台风中心到达前的累积雨量非常大，而台风中心经过之后的累积雨量则明显较前者小。考虑3日18时至3日22时之间的时间段，18时自20时内的10分钟累积雨量一度达到7mm，而20时至22时内的10分钟累积雨量最大才0.8mm。再看相对湿度的变化，台风中心到达前的相对湿度小且波动较大，台风中心经过后的相对湿度较大且波动较小。在3日18时至3日22时之间的时间段内，累积雨量曲线呈现为非对称的

“M”字形状。由此可以得出结论：台风关于雨量和相对湿度是非对称的，西北区域的降雨量较大而同时相对湿度较小；台风东南区域的降雨量较小而同时相对湿度较大。

4.2 摩擦速度U*与拖曳系数Cd的变化分析

4.2.1 摩擦速度U*的变化

摩擦速度U*是湍流切应力与空气密度比值的平方根，即 ，具有速度量纲。在近地面，我们可以认为大气密度是不变的，即为常量，则摩擦速度的变化可以认为与湍流切应力正相关。湍流切

、 密切相关，用公式表示为： ,因此有 应力与动量的输送

，本文的摩擦速度就是用公式 计算得来。摩擦速度作为一种表征湍流性

质的特征量，可以通过它的变化来反映湍流的发展状况。

图6(a) 摩擦速度U*(m/s)随时间的变化

由摩擦速度的变化情况，可以看出：

① 在台风中心到达前，摩擦速度变化虽然波动较大，但是整体上是缓慢增加的。

② 台风中心经过过程中，摩擦速度的变化十分剧烈。先是从19时20分的接近1.6 m/s迅速下降至50分时的不到0.2 m/s，在30分钟的时间内竟下降了1.4 m/s。接着又从19时20时10分时的0.2 m/s迅速上升到19时50分时的接近1.2 m/s，上升幅度较大。

③ 台风中心经过之后，摩擦速度下降至0.6 m/s处附近并保持较稳定状态。

④ 摩擦速度的变化说明了近地层湍流的强弱，u*

越大，湍流越强，越不稳定。一般来说，白天由于有

太阳辐射对地面的加热作用，引起空气的对流，对湍流的发展起到了促进作用。在图上表现为台风中心到达前的摩擦速度值总体上要大于台风中心经过后。可以看出，无论是在白天还是夜晚，在非台风中心区域，离台风中心越近，则摩擦速度越大；离台风中心越远，摩擦速度越小。在台风中心处，摩擦处于极小值。

4.2.2拖曳系数Cd的变化

湍流应力 以拖曳系数Cd表示的公式为： ，因为有： ，于是有Cd= ，和摩擦速度一样，拖曳系数也能够反映湍流的发展状况。

图6(b) 拖曳系数Cd随时间的变化

由拖曳系数的变化情况，可以看出：

① 拖曳系数在台风中心经过前后形成了强烈的反差：台风中心经过前，拖曳系数较大且波动较大，期间有两个较高的波峰，分别在3日15时30分和19时40分，前者为0.028，后者为0.033；台风中心经过后，拖曳系数几乎为零且波动很小。

② 在台风中心经过过程中，拖曳系数产生的巨大的波动，先是从3日19时10分的0.004急剧上升到19时40分处的0.033，然后又急剧下降到20时10分处的接近O值。

4.3垂直风速与湍流通量分析

本文所使用的数据除雨量外，全部来自架设在10m位置的HD2003型三维超声测风仪，因此以下分析及结论均是在高度为10m的基础之上。

4.3.1 平均垂直风速W的变化分析

图7(a) 垂直风速W随时间的变化

由平均垂直风速的变化情况，可以看出：

① 平均垂直风速在整个台风过程中都是大于O的，即垂直方向上，风向是朝上的。

② 从大小变化来看，台风中心经过前，总体上风速是先减小后增加的；在台风中心经过过程中，风速先是急剧下降至接近O，然后又急剧上升为接近4 m/s；台风中心过后，风速便一直下降至大约2 m/s处，并在其后保持相对稳定。

③ 与水平合成风速情况相同，垂直风速在3日19时50分处下降至接近O值，说明此时试验地点正处于无风的台风眼处。

4.3.2 顺风方向的动量通量 分析

图7(b) 顺风方向的动量通量 (m2/s2)随时间的变化

由顺向动量通量变化情况，可以看出：

① 在台风中心经过前，顺风方向的动量通量总是大于O的，而且总体上是波动上升的，说明此过程中的动量输送方向是由下层往上层输送。

② 台风中心经过过程中，其值迅速下降至O值附近，之后又短时间内突然上升至1.25 m2/s2。

③在台风中心经过后，又较迅速地下降至O值以下，并在O值以下徘徊了近八个小时以后，保持在O值附件小波幅震荡。说明台风中心经过后的较长时间内，顺向动量通量的输送方向为上层往下层输送。

④总体上看，在非台风中心区域，即离台风中心越近，其值越大；离台风中心越远，其值越小；在台风中心处为极小值。

分析 4.3.3侧向的动量通量

图7(c) 侧向的动量通量 (m2/s2)随时间的变化

由侧向动量通量变化情况，可以看出：

① 在整个台风过程中，侧向的动量通量总体上是小于O，即侧向的动量通量输送是向下的。

② 台风中心经过之前，其值的波动较大，既有两处波谷的值约为-1.2 m2/s2，也有波峰处0.56 m2/s2的高值。在台风中心到达时刻，其值也达到最高，为1.23 m2/s2，说明临近台风中心处的侧向动量通量是朝上输送的。之后，其值急剧下降至O值以下，并小波幅的保持在O值以下。

4.3.4 热量通量 随时间的变化

表示为位温，由于本次试验直接测得的数据为气温T，因此需要将气温T

通过转化公式转化为位温，

，其中 其转化公式为： P为气压。R和Cp为常数，R/Cp≈0.286。

图7(d) 热量通量(K?m/s)随时间的变化

由热量通量变化情况可以看出：

① 在台风中心到达之前，热量通量波动较大，但基本保持为正值，即热量由下层输送到上层。

② 台风中心经过过程中，其值急剧下跌，在3日19时30分时达到最低点约-0.075 K?m/s，然后又突然上升至O值附近，并在3日20时到22时之间的时间内保持绝对值较小的负值。

③ 台风中心经过以后，其值基本保持为O值，即没有热量输送。

4.3.5 垂直风速与湍流通量的综合分析

综合分析图7各图，可以得出如下几个结论：

? 在台风中心到达之前，顺向的动量通量大体为正，而侧向的动量通量则大体为负，这说明：在台风中心到达之前，在顺风方向上，动量是由下层空气输送到上层空气；在侧风方向相反，动量是由上层空气输送到下层空气。因此，简单来看，动量的输送过程为：下层空气中的动量在顺风方向上输送到上层，然后又在侧风方向上返回到下层，实现循环。

? 通过比较台风中心到达之前顺向和测向的动量通量的绝对值大小，还可以看出：顺向正动量通量的绝对值要大于侧向负动量通量的绝对值，所以从下层输送到上层的动量要大于从上层输送到下层的动量，二者之差应为在上层空气中由摩擦及其它过程所引起的损耗，因此，结论?中得出的循环过程并不能仅靠自身维持，必须有某种其它的机制将动量输送到下层，以补充其损耗。

? 在台风中心经过之后，顺向的动量通量一直下降至O

值以下，而侧向的动量通量则变化不大，但

整体上依旧维持为负值。分析从3日22时至4日4时可知，无论是顺向还是侧向，动量通量都为负值，动量都是从上层空气输送到下层空气中。

? 分析台风中心到达前后的两个方向上动量通量，也可以说明台风的非对称性，其不只表现在平均场上，在通量变化上也表现的十分明显。

? 分析热量通量的变化情况可知，在台风中心到达前，即3日12时到19时的时间段内，其值总体上为正值，热量是从下层空气输送到上层空气中的。这段时间正好是下午时段，动量通量在正常天气背景下应为正值，即热量由近地面空气向上输送。因此可以得出结论：虽然由台风带来了扰动，但在整体上，并没有阻止热量的向上输送过程。

? 在台风中心经过过程中，可以看到热量通量的骤减和骤升过程，这说明，在台风中心处，热量是由上往下输送的。

? 在台风中心经过后，分析从3日22时至4日4时时间段内，热量通量基本保持在O值处，说明上下层大气无热量输送。这段时间正处于夜晚，若为正常天气背景条件下，热量通量应为负值，即热量由上层输送到下层。因此可以判断：台风过程带来的扰动彻底破坏了正常的夜间热量输送。

4.4 湍流强弱分析

′,因此研究我们在研究大气运动的规律时，将随机变量分解为平均部分和脉动部分之和，即

脉动量 ′的变化情况就变得十分重要。在研究湍流强弱时，我们可以用脉动速度标准差 、湍强I以及脉动运动动能（TKE）来表征，其三者是从不同的角度来反映湍流强弱的，因此各有其特点。

4.4.1脉动速度标准差 、 、 的变化分析

为了更好的进行综合分析，将三个方向的脉动速度标准差反映在同一张图上：

图8(a) 脉动速度标准差(m/s)随时间的变化

由脉动速度标准差变化情况，可以看出：

① 三个方向上的脉动速度标准差变化趋势具有很高的一致性，三者呈正相关关系。

② 合成风U方向上的脉动速度标准差最大，其次是V方向，最小的是垂直Z方向。

③ 在台风中心到达前，整体上看，三者都是先略微减小，后逐渐增大；在台风中心经过过程中，三者都急剧减小；台风中心过后，三者又都迅速增大，但都没有增大到台风中心经过前的强度。

4.4.2湍强Iu、Iv、IW的变化分析

在近地层大气中，脉动速度标准差通常随水平风速的增加而增大，若仅仅只考虑脉动速度标准差而忽视水平风速的大小，将不能全面的反映湍流的强弱。因此，我们用它们的相对比值来定量表示湍流的强弱，并定义为湍流强度I（简称湍强）： σ

图8(b)湍强随时间的变化

由湍强变化情况，可以看出：

① 与脉动标准差类似，三个方向上湍强的变化具有很高的一致性，为正相关关系。

② 整体上看，仍是合成风U方向上的脉动速度标准差最大，其次是V方向，最小的是垂直Z方向。 ③ 在台风中心到达前，整体上三个方向上的湍强都是先较大幅度增加后又迅速减小；在台风经过过程中，三者都是先急剧增大后又急剧减小；台风中心过后，湍强基本保持较低水平下的稳定。

4.4.3 脉动运动动能随时间的变化

单位质量的大气动能为 ，将速度分解为平均量和脉动量后，大气动能表达式变为 ? ? ? = ，其中 为脉动运动动能，缩写为TKE。 湍流动能(TKE)是反映湍流强弱的重要标志。

图8(c)湍流动能(m2/s2)随时间的变化

由湍流动能变化情况可见：

① 整体上看，在台风中心到达之前，湍流动能波动较大，先是从3日12时波动下降持续到14时，然后从14时波动上升直到台风中心来临；

② 在台风中心经过过程中，其值急剧下降，在3日19时50分处接近O值，之后又迅速上升至6 m2/s2，并保持相对稳定。

③ 台风中心过后，湍流动能基本稳定维持在6 m2/s2附近。

4.4.4 湍流强弱的综合分析

通过综合分析脉动标准差、湍强和脉动动能随时间的变化曲线图，我们可以得到以下结论：

? 脉动速度标准差图中的三个分量具有很高的正相关性，这说明：当湍流强度增大时，是三个方向同时增大的，并不是单个方向或只有水平、垂直方向的湍流强度增大。

? 湍强是脉动标准差比上合成风速而来。由图8(a)、8(b)比较可知，各个方向上的两者的值虽然有一定正相关性，但其两者的差别还是很大的，这主要是由于合成风速与各脉动速度标准差之间的非同步性所导致的。由合成风速的非同步性导致图8(a)、8(b)之间的比较大的差异主要由三处：

① 在3日14时处脉动速度标准差曲线表现为一低谷，而湍强曲线则较平坦，甚至还出现了小波幅的高峰，结合图5(c)中的合成风速变化曲线，容易发现这是因为此处合成风速曲线正处于波谷，提高了湍强值。

② 在时段3日15时至16

时，脉动速度标准差曲线虽然有波动，但并未表现出有波峰存在，而此段

的湍强则有明显的波峰，其原因也是由合成风速的下降所致。

③ 在台风中心经过过程中，脉动速度标准差曲线明显表现为一波谷，为湍强曲线则明显表现为一波峰，形成这么巨大反差的原因在于合成风速在此阶段极低，甚至一度接近为O。

? 通过分析脉动速度标准差曲线图，再结图5(c)中的合成风速变化曲线，可以合理推测：在3日14时左右，观测场地正处于一个较小的局部环流中，其内的风速和风速脉动都较台风其它地方小，由于湍强的定义为风速脉动比上合成风速，因此此处的湍强并无明显较其他时间小，甚至还出了小波峰。同理，在3日15时至16处也应存在有一个局部环流。

? 从湍流动能的表达式可知，其值大小正比于三个方向的脉动速度方差之和，但从曲线的变化来看，其值与脉动速度标准差的变化非常一致。

? 由脉动速度标准差曲线和湍强曲线可知，在台风中心处，风速脉动虽然很小，但相对于此处的合成风速来看，其值仍算可观，因此才能在此处形成明显的波峰。

4.5 相关性分析

在湍流的发展中，变量之间的变化情况可能是相互独立的，也可能是相互关联的，导致它们之间的关联必然是因为其中存在某些已知或未知的机理。研究变量之间的相关性有助于我们找出这些机理，从而更有效地进行湍流特征分析。

由图5(c)中合成风速变化情况可知，在3日19时20分至20时50分的时间段，合成风速先急剧下降至接近O，后又急剧上升，因此根据此特征，可以大致将此阶段视为较完整的台风中心经过阶段。为了有效细致地分析各变量之间的相关性，本文将整个台风过程划分为三个阶段，即：台风中心经过前、台风中心经过过程中和台风中心经过后，分别对三个阶段进行相关性分析并进行比较。

由于各变量的数据时间点共有121个，因此上述三个过程的时间段分别为：1?44、45?54及55?121。其中，台风中心经过过程的数据时间点共有10个。为方便起见，在下面分析时，将上述三个阶段分别称为：前阶段、中间阶段和后阶段。

4.5.1 相对湿度与气温的相关性分析

图9(a) 相对湿度与气温随时间变化图

由图9(a)可知大致上看，相对湿度与气温是呈反相关的，即气温越高，相对湿度就越大。分别对总过程和三个阶段求相关系数，结果如下：台风总过程为-0.805，前阶段为-0.973，中间阶段为0.161，后阶段为-0.909。由上述结果我们可以看出：在整个台风过程中，二者是呈明显负相关性的；在前阶段和后阶段中，相对湿度与气温的负相关性非常明显，相对系数的绝对值达到了0.9；而在中间阶段，相关系数不为负，反而为正，这说明在此阶段，二者非但不是负相关关系，反而还有一定的正相关关系。

由上述的结果可以得到结论：在正常天气背景下，相对湿度与气温是呈负相关关系的，台风中心到达前和台风中心经过后湿度与气温的相关关系正为负相关关系，而在台风中心处，二者非但不是负相关关系，而且还呈现一定的正相关关系，因此可知，台风中心处相对湿度与气温的负相关关系被破坏。

4.5.2 水平合成风速大小与垂直风速大小的相关性分析

图9(b) 合成风速与垂直风速随时间变化图

由图9(b)可以很明显地看出水平合成风速与垂直风速大小之间的正相关性，对总过程和三个阶段分别求相关系数，结果如下：总台风过程为0.706，前阶段为0.983，中间阶段为0.969，后阶段为0.962。三个阶段中二者的相关系数都为正，且值都非常大，可见二者单个阶段的正相关性非常强，但是二者在总过程的正相关性相比于单个阶段来说明显较弱，其原因何在？若不考虑实际大小仅看曲线位置，可以发现：在前阶段，W在U之上；在中间阶段，W与U几乎重合；在后阶段，W在U之下，因此虽然单独阶段上二者的正相关性很强，但由于二者在三个阶段正相关性的“实质”不同，导致在整个过程中正相关性的减弱。

由上述结果可以得出结论：在整个台风不同阶段中，风速大小变化在水平方向和垂直方向上的变化是非常一致的，彼增则此增，彼减则此也减。但是在整个台风过程中，二者的相关性减弱。可见，二者在不同阶段的正相关性是有差异的，这种差异导致整个台风过程的正相关性减弱。

4.5.3 水平合成风速与拖曳系数的相关性分析

图9(c) 水平合成风速与拖曳系数随时间变化图

由图9(c)可大致看出合成风速与拖曳系数的负相关性，拖曳系数有两个明显的波峰，而合成风速对应位置则由相应的波谷；在后阶段，拖曳系数变得很小，只在0.001附近波动，对应水平合成风速则处于较高值位置。计算总过程和三个阶段二者的相关系数，得到如下结果：总过程为-0.726，前阶段为-0.514，中间阶段为-0.611，后阶段为-0.022。

由上述计算结果可以得出结论：在整个台风过程中，合成风速与拖曳系数的负相关性是比较明显的，即整体上看，二者呈现出此增彼减的趋势。但在单个阶段中，这种负相关性明显较弱，甚至在后阶段中，二者几乎不相关。

4.5.4 水平合成风速与摩擦速度的相关性分析

图9(d) 合成风速与摩擦速度随时间变化图

由图9(d)大致可以看出，二者在三个单独阶段上应有较明显的正相关性，而由于在前阶段摩擦速度曲线在合成风速曲线之上，却在后阶段情况相反，因此整体的相关性却不能看出。分别计算总过程和三个阶段的相关系数，结果如下：总过程为-0.108，前阶段为0.641，中间阶段为0.548，后阶段为0.490。

由上述计算结果可以得出结论：合成风速与摩擦速度在单独的阶段上正相关性较好，但在不同阶段上正相关性是有差异的，而且这种差异大到使整过台风过程中二者的相关性呈现负值。因此，在这种情况下考察二者在整个台风过程中的相关性已失去意义，应重点研究不同阶段上二者的正相关性。

4.5.5 水平合成风速与脉动运动动能的相关性分析

图9(e) 合成风速与脉动动能随时间变化图

由图9(e)可以看出，二者在不同阶段上都呈现出一定的正相关性，和图9(d)类似，二者在不同阶段上正相关性有着明显的差异。在前阶段和中间阶段的下降部分，合成风速曲线与脉动动能曲线不相上下，而在中间阶段上升部分即3日19时50分开始，合成风速曲线迅速超过脉动动能曲线，并维持着较大差距。计算总过程和三个阶段的相关系数，得到结果如下：总过程为-0.136，前阶段为0.838，中间阶段为0.429，后阶段为0.547。

由上述计算结果可以得出与图9(d)相似的结论，即合成风速与脉动动能在单独的阶段上正相关性较好，尤其在前阶段相关系数达到0.838，但在不同阶段上正相关性是有差异的，而且这种差异大到使整过台风过程中二者的相关性呈现负值。因此，在这种情况下考察二者在整个台风过程中的相关性已失去意义，应重点研究不同阶段上二者的正相关性。

4.5.6 摩擦速度与顺风方向动量通量的相关性分析

图9(f) 摩擦速度与顺向动量通量随时间变化图

由图9(f)容易看出，摩擦速度与顺向动量通量在前阶段、中间阶段和后阶段的前部分应具有正相关性，尤其是前阶段和中间阶段，摩擦速度与顺向动量通量曲线几乎重合。在后阶段的后部分，二者的相关性比较复杂，时而负相关时而正相关，其中，至3日22时20分到4日3时50分之间的负相关性比较明显。4日4时以后，则显得较为杂乱。分别计算总过程和三个阶段的相关系数，得到结果如下：总过程为0.873，前阶段为0.967，中间阶段为0.964，后阶段为0.051。若将后阶段分为三个部分，即：3日20时50分到3日22时20分、3日22时30分到4日3时50分和4日4时到4日8时，并分别计算两个变量的相关系数，得到结果如下：第一部分为0.579，第二部分为-0.936，第三部分为0.308。

由上述的计算结果可得出结论：摩擦速度与顺向动量通量在前阶段和中间阶段的正相关性非常强，相

关系数都达到了0.96。二者在后阶段中总相关系数为0.051，几乎不相关，但是细看摩擦速度与顺向动量通量的变化曲线容易看出：二者呈现出正负相关性的交替过程，其中3日20时50分到3日22时20分的时间段内显现为较强的正相关性， 3日22时30分到4日3时50分的时间段内则显现为极强的负相关性。

上述计算结果，即后阶段中的三个小段内复杂交错的相关性，极有可能是“派比安”独特天气背景的结果，也可能是所有台风天气背景共有的现象，因此需要与其它台风天气背景进行比较才能下结论。

5 结论与讨论

5.1 结论

本文以2006年第6号台风“派比安”为实验对象，具体分析了台风中心到达前后的平均场要素变化情况、摩擦速度与拖曳系数变化情况、垂直风速与湍流通量变化情况、湍流强度变化情况以及各要素的相关关系，从而综合地分析了在台风天气形势下的边界层湍流特，并得出了如下结论：

? 平均场结论

① 气压曲线总体上呈现“V”字形状，即台风中心到达前一直下降，台风中心处为最低值，台风中心经过后一直增大。但是，此“V”字并非对称，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”台风的运动路径可知，“派比安”台风的西北区域的等压线较疏，东南区域的等压线较密，从而说明“派比安”具有不对称结构。

② 气温在台风到达前波动较大，在台风中心处气温较两边区域要高，于是在3日18时至3日22时时间段内，其曲线呈现出“W”字形状，但是它也是非对称的，进一步说明了台风的非对称性。

③ 合成风速曲线在台风中心到达前和台风中心经过后都表现得较为稳定，在台风中心经过过程中先是急剧下降至接近O值，后又急剧上升。在3日18时至3日22时时间段内，其曲线表现为“V”字形状且非对称，台风中心经过后的风速要强于台风中心经过前的风速。

④ 根据孟智勇的《我国热带气旋十年研究进展》中关于台风非对称性结构对台风运动影响的分析可知，气压的“西疏东密”的非对称结构将导致风速加强，而合成风速的变化情况则刚好印证了这一结论。

⑤ 雨量和相对湿度变化曲线则更加明显的反映出台风的非对称结构。

? 摩擦速度与拖曳系数分析结论

① 在台风中心到达前和台风中心经过后，摩擦速度的变化情况除了受台风影响外，还与日辐射变化有关。可以看出的是，无论是在白天还是夜晚，在非台风中心区域，离台风中心越近，则摩擦速度越大；离台风中心越远，摩擦速度越小。在台风中心处，摩擦处于极小值。

②拖曳系数在台风中心经过前后形成了强烈的反差：台风中心经过前，拖曳系数较大且波动较大，期

间有两个较高的波峰；台风中心经过后，拖曳系数几乎为零且波动很小。在台风中心经过过程中，拖曳系数产生的巨大的波动。

? 垂直风速与湍流通量分析

① 垂直风速与摩擦速度类似，总体上看，在非台风中心区域，离台风中心越远，其值越小；离台风中心越近，其值越大，而在台风中心处为最小值。

② 顺向的动量通量在台风中心到达前都是大于O的，在台风中心经过后总体上是小于O的。在非台风中心区域，其值也表出这样的规律，即离台风中心越近，其值越大；离台风中心越远，其值越小；在台风中心处为极小值。

③ 在整个台风过程中，侧向的动量通量总体上是小于O，即侧向的动量通量输送是向下的。在台风到达前，其值波动较大；台风中心经过后，其值波动较小。

④ 在台风中心到达前，热量通量波动较大，但基本保持为正值，即热量由下层输送到上层。台风中心经过过程中，其值急剧下降至O值以下，后又急剧上升至O值附近。台风中心经过后，其值稳定在O值附近。

⑤ 在台风中心到达之前，动量的输送过程为：下层空气中的动量在顺风方向上输送到上层，然后又在侧风方向上返回到下层，实现循环。

⑥ 在台风中心到达之前，顺向正动量通量的绝对值要大于侧向负动量通量的绝对值，二者之差应为在上层空气中由摩擦及其它过程所引起的损耗。

⑦ 在台风中心经过之后，无论是顺向还是侧向，动量通量都为负值，动量都是从上层空气输送到下层空气中。

⑧ 在台风中心到达前正好是下午时段，动量通量在正常天气背景下应为正值，与实际动量通量相同。虽然由台风带来了扰动，但在整体上，并没有阻止热量的向上输送过程。

⑨ 在台风中心经过过程中，可以看到热量通量的骤减和骤升过程，这说明，在台风中心处，热量是由上往下输送的。

⑩ 在台风中心经过后，分析从3日22时至4日4时时间段内，热量通量基本保持在O值处，说明上下层大气无热量输送。

? 湍流强度分析结论

① 脉动速度标准差与湍流动能(TKE)变化趋势十分一致，台风中心到达前的值总体上高于台风中心经过后；在台风中心处为一极小值；在台风中心到达前，离台风中心越近，值越大，而在台风中心经过后，这种现象则几乎不存在。

② 湍强与脉动速度标准差和湍流动能最明显的差别在于，其值在台风中心处为一极大值。

③ 脉动速度标准差图中的三个分量具有很高的正相关性，这说明：当湍流强度增大时，是三个方向同时增大的，并不是单个方向或只有水平、垂直方向的湍流强度增大。

④ 由脉动速度标准差曲线和湍强曲线可知，在台风中心处，风速脉动虽然很小，但相对于此处的合成风速来看，其值仍算可观，因此才能在此处形成明显的波峰。

? 相关性分析结论

① 在台风中心到达前和台风中心经过后，相对湿度与气温是负相关关系，而在台风中心处，二者的负相关关系被破坏。

② 在整个台风不同阶段中，风速大小变化在水平方向和垂直方向上的变化是非常一致的,但是由于二者在不同阶段正相关的差异性，导致在整个台风过程中，二者的相关性减弱。

③ 在整个台风过程中，合成风速与拖曳系数的负相关性是比较明显的，但在单个阶段中，这种负相关性明显较弱，甚至在后阶段中，二者几乎不相关。

④ 合成风速与摩擦速度在单独的阶段上正相关性较好，但在不同阶段上正相关性是有差异的，而且这种差异大到使整过台风过程中二者的相关性呈现负值。因此，在这种情况下考察二者在整个台风过程中的相关性已失去意义，应重点研究不同阶段上二者的正相关性。

⑤ 与结论④相似，合成风速与脉动动能在单独的阶段上正相关性较好，但在不同阶段上正相关性是有差异的，而且这种差异大到使整过台风过程中二者的相关性呈现负值。因此，在这种情况下考察二者在整个台风过程中的相关性已失去意义，应重点研究不同阶段上二者的正相关性。

⑥ 摩擦速度与顺向动量通量在前阶段和中间阶段的正相关性非常强，在后阶段中总相关系数为0.051，几乎不相关，但是细看摩擦速度与顺向动量通量的变化曲线容易看出：二者呈现出正负相关性的交替过程，其中3日20时50分到3日22时20分的时间段内显现为较强的正相关性， 3日22时30分到4日3时50分的时间段内则显现为极强的负相关性。

5.2 缺陷讨论

? 本文的标题是“台风天气形势下的边界层湍流特征分析”，而不是“2006第6号台风‘派比安’天气形势下的边界层湍流特征分析”，因此仅仅通过分析“个别‘派比安’”来说明“整个台风”，似乎有以偏概全的嫌疑。然而，虽然各个台风有各自的特点，但像分析“边界层湍流特征”这样具有普遍共性的问题时，通过分析个例是足以说明整体的，只是在分析过程中和得出结论时要时刻区别某种情况到底是“派比安”所特有的，还是具有台风普遍意义的，并将“派比安”特有的现象排除在结论之外。

? 本文在分析台风非对称结构时仅仅是通过一个点的数据，这就必然导致分析台风前后数据的可比性问题，因为台风登陆后是处在逐渐减弱的过程。因此，为了避免系统性错误，本文重点分析3日18时至

3日22时之间的四个小时的数据，假设在四个小时内台风各要素的变化不显著是可以成立的。

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【10】 陈家宜、范邵华、赵传峰、肖 雪、蔡旭辉、刘辉志，涡旋相关法测定湍流通量偏低的研究，大气

科学，2006.5，30(3)，423?432

致谢

首先感谢我的指导老师彭珍老师，彭老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的过程中，给予了悉心的指导。在彭老师的指导下，我学会了资料处理和分析，也学会了基本的科研方法，这将积极影响我今后的学习和工作。其次还要感谢给予我诸多帮助的杜云松、于海洋、喻侨同学，与他们平时的讨论让我受益匪浅。然后感谢这四年来所有教授过我知识的老师们，他们的无私教导使我打下了扎实的专业基础。最后我还要真诚感谢我的家人，在即将毕业的迷茫期，是他们一直鼓励我，支持我。

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