引言

暴雨研究一直是气象工作者重点关注的问题之一，我国汛期时间长，期间容易出现大范围暴雨，从而引发城市内涝、江河洪涝、山洪泥石流等自然灾害^[1]，常给人民财产及生命安全造成严重影响。对暴雨天气进行研究和预报，对于防灾减灾等工作至关重要。许多学者从探空资料应用、数值模拟研究、湍流特征分析等方面对暴雨进行了探究。雷蕾等^[2]利用探空资料对不同性质的强对流天气进行了判别，指出逆温层高度、低空风切变等要素能较显著地区分冰雹和暴雨天气；吴志根^[3]、古红萍等^[4]研究表明，降水前与降水临近和开始时，地面风场辐合上升，对降水发展有利。以上研究表明利用探空资料可甄别不同的强对流天气，并说明降水前存在物理量异常。数值模拟往往用于暴雨预报及预报效果检验，王亚男等^[5]利用多模式集成预报进行降尺度实验，指出多模式集成预报效果与实况最为接近；张博等^[6]利用WRF模式中MODE方法检验了2010—2016年华北夏季70个强降水个例的中期预报效果，结果表明预报效果受降水落区范围的影响较大。在降水过程的湍流特征分析方面，杜云松等^[7]分析了南京一次降水过程的湍流特征，指出降水时的湍流活动增强，能谱峰值偏移明显；王林等^[8]对鄂东两次暴雨的近地层湍流特征进行了分析，指出暴雨前后近地层湍流特征出现异常偏大值，且湍流强度、湍流动能会出现异常峰值，湍流输送活动较平常更加活跃。这些研究表明，湍流异常特征信号的出现可能会为暴雨预报预警提供一定的参考依据。

以上研究对深入认识暴雨机理和暴雨预报预警发挥了积极的作用，但由于铁塔梯度观测资料十分有限，利用铁塔梯度观测资料从湍流特征方面着手，探索暴雨过程中强降水开始或结束信号的研究较少。本文针对2016年7月3—5日出现在湖南省岳阳市一次大暴雨过程的三个不同时段，利用杭瑞高速洞庭湖大桥测风塔上的三维超声风速仪观测资料以及岳阳气象站逐小时降水资料，分析近地层物理量场的异常变化，以期通过对观测事实的分析，更深入地认识暴雨过程中的近地层物理量尤其是大气湍流的变化特征。

1 观测区域概况

图 1为岳阳气象站与杭瑞高速洞庭湖大桥、测风铁塔相对位置示意图，从中可见，测风铁塔位于长江北岸、杭瑞高速洞庭湖大桥旁边，经纬度约为113.12 °E，29.43 °N；岳阳气象站位于岳阳楼景区旁边，经纬度约为113.08 °E，29.38 °N；岳阳气象站与测风铁塔直线距离约为6.2 km。

测风铁塔10、30、50、70、100 m设有梯度观测，仅10 m高度有湿度观测数据，30 m设有三维超声风速仪。三维超声风速仪为Gill公司生产的WindMaster Pro型号，由江苏无线电科学研究所有限公司提供，该设备是较为理想的测风仪器，经过Gill公司的处理后，气流失真和传感阴影效应被减少到最小。

2 资料与方法

近地层风场、温度及湍流特征的计算数据来源于三维超声风速仪10 Hz采样频率的三维瞬时风速，分辨率为0.01 m·s^-1；相对湿度观测数据来源于铁塔上风向风速传感器；逐小时降水资料来源于岳阳气象站。

铁塔三维超声风速仪观测数据及相对湿度观测数据需要进行质量检查，根据观测仪器输出的质量控制信息文本，仪器所测数据质量控制信息标识为“0”说明观测数据“可靠”；标识为“1~9”表示“存疑或者不可靠”数据；“9和255”表示缺失或缺测数据。因此本文只采用质量控制信息文本中标识为“0”的降水期间的观测数据。为了进一步确保数据的质量，利用方差检验方法^[9]对被分析时段的超声风和相对湿度原始数据进行野点值检验，其判断依据为：

$ \left| {{x}_{i}}-x \right|\ge n\times {{\sigma }_{x}} $

(1)

其中，x_i为观测值，x为30 min的均值，σ_x为样本标准差，n取值为4。经方差检验后，铁塔观测数据中的可靠数据比例大于99.8%，可用于物理量场计算分析。

相对湿度为铁塔10 m高处测风仪直接测得的10 min平均数据，后文分析中直接引用。

三维超声风速仪记录的每小时样本包含实测三维风速u(t)，v(t)，w(t)与温度t(t)，后续计算的基本时距取1 min。水平平均风速U和风向角$φ$计算公式^[10]为：

$ U=\sqrt{{{\overline{u\left( t \right)}}^{2}}+{{\overline{v\left( t \right)}}^{2}}} $

(2)

$ \varphi =\text{arctan}\left( \overline{v\left( t \right)}/\overline{u\left( t \right)} \right) $

(3)

垂直方向与仪器坐标z轴相同，因此垂直平均风速为：

$ W=\overline{w\left( t \right)} $

(4)

平均温度为：

$ T=\overline{t\left( t \right)} $

(5)

将仪器坐标旋转$φ$角，使仪器所测u与主风向一致。所得坐标x，y，z轴分别代表主导风u(t)、侧风v(t)和垂直风向w(t)(与仪器坐标相同)，则u(t)、v(t)在x，y轴的投影u′(t)、v′(t)即为纵向(主风向)、横向(侧风向)脉动风速，计算公式^{[11, 12]}为：

$ {u}'\left( t \right)=u\left( t \right)\text{cos}\phi \text{+}\mathit{v}\left( t \right)\text{sin}\phi \text{-}\mathit{U} $

(6)

$ {v}'\left( t \right)=u\left( t \right)\text{sin}\phi \text{+}\mathit{v}\left( t \right)\text{cos}\phi $

(7)

垂直脉动风速w′(t)为：

$ {w}'\left( t \right)=w\left( t \right)-W $

(8)

温度扰动t′(t)为：

$ {t}'\left( t \right)=t\left( t \right)-T $

(9)

需要说明的是，公式(2)-(9)中物理量单位为常用单位。

湍流强度I_i为：

$ {{I}_{i}}={{\sigma }_{i}}/U $

(10)

其中，i = u, v, w；σ_i表示u, v, w方向的脉动速度u′, v′, w′的标准差。

湍流动能TKE (单位: m²· s^-2)的计算公式为^[13]：

$ TKE\left( t \right)=\frac{1}{2}\left[{u}'{{\left( t \right)}^{2}}+{v}'{{\left( t \right)}^{2}}+{w}'{{\left( t \right)}^{2}} \right] $

(11)

水平纵向风的动量通量MF(单位: m²·s^-2)与感热通量SHF (单位:℃·m·s^-1)采用如下计算公式^[14]：

$ MF\left( t \right)=\overline{{u}'\left( t \right){w}'\left( t \right)} $

(12)

$ SHF\left( t \right)=\overline{{t}'\left( t \right){w}'\left( t \right)} $

(13)

湍流功率谱密度能够描述脉动风能量随频率的分布，在频域上的全积分等于对应脉动方向上的湍流动能，本文脉动风水平纵向与垂直向湍流功率谱密度按过去对桥梁风场湍流特征分析研究方法及国家标准取值^{[15, 16]}，公式组为：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{n{S_u}\left( n \right)}}{{{u^{*2}}}} = \frac{{200f}}{{{{\left( {1 + 50f} \right)}^{5/3}}}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{n{S_w}\left( n \right)}}{{{u^{*2}}}} = \frac{{6f}}{{{{\left( {1 + 4f} \right)}^2}}}\\ f = \frac{{nZ}}{{V\left( Z \right)}}, \;{\mathit{u}^*} = \frac{{KV\left( Z \right)}}{{In\frac{{Z-{Z_d}}}{{{Z_0}}}}}, \;{Z_d} = \bar H-{Z_0}/K \end{array} $

(14)

其中，S_u(n)，S_w(n)分别为脉动风的水平纵向及垂直向的湍流功率谱密度(单位: m²·s^-1)函数，n为风的脉动频率(单位: Hz)，u^*为气流的摩擦速度(单位: m·s^-1)，K为无量纲常数，K≈0.4，Z为地面或水面以上的高度(本文取三维超声风速仪高度30.0 m)，V(Z)为高度Z处的平均风速(单位: m·s^-1)，H为周围建筑物的平均高度(本文取2.0 m)，Z_o为地面粗糙度高度(本文取0.05 m)。

根据文献[4]可知，反映湍流动能贡献的湍涡尺度λ (单位: m·s^-1·Hz^-1)计算方法为：

$ \lambda = U/n $

(15)

U为水平平均风速(单位: m·s^-1)，n为相应脉动方向上的频率(单位: Hz)。

用公式(2)-(5)分别计算水平风速、风向、垂直风速和平均温度，公式(6)-(9)计算脉动风速及温度脉动，根据文献[8]的研究，以30 min为时间间隔对铁塔温风仪的观测数据做平均，脉动值为原始观测数据减去30 min平均值；根据公式(2)-(9)所得结果，再用公式(10)-(13)分别计算大暴雨过程中近地层湍流强度、湍流动能、动量通量和感热通量，并用公式组(14)计算近地层水平纵向及垂直向的湍流功率谱密度，利用(15)公式计算湍涡尺度。

3 降水实况

2016年7月长江中下游及江淮等地区遭受了强降水的侵袭，多地爆发山洪、溃堤等险情。仅据湖南民政局统计，截至2016年7月4日10:00 (北京时，下同)，湖南8市35县共123.6万人受水灾影响，因水灾死亡6人，农作物受灾91.7千公顷，房屋损毁逾4千户，直接经济损失达11.9亿元，湖南省岳阳市洞庭湖区为这次大暴雨灾害的重点受灾区域之一。

根据岳阳气象站降水资料统计，2016年7月3日20:00—4日20:00，湖南岳阳累积降水量达到107 mm，图 2为7月4日00:00—12:00岳阳站逐小时降水量。俞小鼎^[17]指出短时强降水的识别要素分别为雨强和降水持续时间，本文根据该文献的方法及该大暴雨过程中强降水的起止时间和累计降水量，将7月3日23:00—4日12:00设定为一次大暴雨过程，因4日03:00—08:00的6 h累积降水量达81.4 mm，故设定4日03:00为强降水起始时间，4日08:00为强降水结束时间，则4日03:00—08:00为强降水期间，另外分别设定3日23:00—4日03:00为强降水来临前、4日08:00—12:00为强降水结束后。本文针对以上设定的大暴雨过程三个不同时段近地层物理量场(包括风速、风向、温度、相对湿度、湍流强度、湍流动能、湍流通量、湍流功率谱密度)的异常变化进行分析，旨在找出强降水来临及结束前的近地层物理量场的超前异常变化。

4 近地层物理量场特征分析 4.1 平均风、温度和湿度特征

图 3为根据三维超声风速仪所测数据计算的大暴雨过程三个不同时段的10 min平均垂直风速和温度。从中可见，强降水来临前(图 3a)，垂直风速为正值，近地层大气以上升运动为主；温度于4日00:20后上升，01:20后保持平稳。4日01:00—02:50的温度变化及垂直气流震荡有利于激发湍流活动。强降水期间(图 3b)，垂直风速总体上保持正值，在0~0.25 m·s^-1间快速上下震荡，在4日06:40突然呈负值；温度在40~42 ℃之间变化，降水结束前突然降至40 ℃以下。强降水结束后(图 3c)，垂直风速呈减小趋势，风速在-0.10~0.15 m·s^-1间波动；温度于4日09:40快速减小至31.1 ℃，而后产生强烈起伏，09:40之后温度未超过40 ℃。

图 4为大暴雨过程三个不同时段的10 min平均水平风速和风向，从中可见，水平风速与垂直风速(图 3)的时间演变较一致。强降水来临前(图 4a)，水平风速于3日23:10增至极大值，值为4.88 m·s^-1。结合图 4b可知，强降水来临前至强降水发生后1 h (3日23:10—4日04:00)，水平风速缓慢减小，风向变化平缓，期间水平风速于4日03:00突然达到极大值，随后减小。强降水期间(图 4b)风向在偏东风和偏西风之间变化，强降水结束前水平风速于4日07:50突然增至极大值，风向在此时由偏西风转变成偏东风，垂直风速(图 3b)在此之前正在快速上下震荡。强降水结束后(图 4c)，风向再次突然转变成偏西风，随后风向变化稳定，水平风速减小。

综上可知，此次强降水来临前和结束前水平风速出现异常偏大值，温度在强降水前呈增大趋势，垂直风速在强降水前与强降水期间保持向上(正值)、强降水结束后上下震荡。由于水平和垂直风速大小变化一致性较好，故后文的“风速”均指水平平均风速。

图 5为大暴雨过程三个不同时段的10 min平均相对湿度。从中可见，强降水来临前(图 5a)，相对湿度维持在99.0%以上，3日23:00—4日01:20的相对湿度缓慢减小，4日01:20—02:10的相对湿度为99.0%，在降水来临前维持了50 min较低值，随后缓慢增长。强降水期间(图 5b)，相对湿度一直维持在99.5%以上，4日03:00—07:00相对湿度呈增大趋势，在99.5~100%之间变化，4日05:00—07:00相对湿度维持在100%，4日07:10相对湿度为99.9%，随后保持100%。强降水结束后(图 5c)，4日08:00—08:50相对湿度较高，维持在99.9~100%，随后相对湿度呈减小趋势，11:50减小至95.3%。综合分析可知，强降水来临前水汽聚集，相对湿度保持较高值，为强降水提供了充足的水汽，强降水过程中相对湿度维持高值，强降水结束后相对湿度明显减小。

4.2 湍流特征分析

摩擦速度u^*是近地层湍流交换活动强弱的体现，有研究^[17]在进行湍流特征分析时剔除了摩擦速度u^* < 0.10 m·s^-1的观测数据，本文通过计算大暴雨过程中的摩擦速度，发现强降水前后及期间摩擦速度极少低于0.10 m·s^-1，且强降水来临前，23:30的摩擦速度达0.62 m·s^-1，强降水结束前，07:40的摩擦速度达0.89 m·s^-1。可见，这次大暴雨过程中的近地层湍流交换活动较强，下面具体分析强降水来临与结束前的湍流超前异常变化。

4.2.1 湍流强度

湍流强度是风场脉动强度的体现，图 6为大暴雨过程三个不同时段的10 min平均湍流强度。从中可见，湍流强度于4日00:00 (图 6a)出现异常偏大，此时湍流强度分别为I_u=0.152，I_v=0.203，I_w=0.062；4日02:20之后湍流强度增大，4日02:50时I_u=0.220，说明强降水来临前湍流活动增强。强降水期间(图 6b)，湍流强度变化幅度较大，在0.025~1.255之间震荡，湍流强度的峰值在强降水结束前4日07:10出现。强降水结束后(图 6c)，湍流强度变化相较于强降水期间变得平稳。

4.2.2 湍流动能

湍流动能是湍流活动能量的度量，图 7为大暴雨过程三个不同时段的10 min平均湍流动能。从中可见，强降水来临前(图 7a)，3日23:10—23:50和4日01:00— 01:50出现了较强的湍流动能，其中3日23:40湍流动能增至34.375 m²· s^-2。强降水期间(图 7b)，湍流动能的变化幅度较大，并在强降水结束前07:50迅速增大至39.957 m²· s^-2。强降水结束后(图 7c)，湍流动能逐渐减小。

4.2.3 湍流通量

图 8为大暴雨过程三个不同时段的10 min平均水平纵向风动量通量和感热通量。从中可见，强降水来临前(图 8a)，随着湍流动能的峰值出现，动量通量对应发生波动，感热通量开始向下输送；湍流动能增大时，动量通量在-0.380~0.250之间迅速震荡，感热通量变化较为平稳，3日00:45左右向下输送达到最大值后，于4日01:00左右输送减弱，此时动量通量出现了两次较强的向上输送，对应湍流动能的第二次增强；4日02:30—02:50垂直风速为正值(图 3a)，表明近地层有较强上升运动，动量通量出现了微弱的向上输送。丁一汇^[19]分析1991年江淮及北部的陆地表面通量，指出雨期的动量通量比非雨期大。这次强降水期间(图 8b)的动量通量与感热通量明显比强降水来临前大、输送活跃，感热通量明显向下输送；强降水结束前07:20—07:40，感热通量与动量通量出现了较强的波动，动量通量于07:40、感热通量于07:30和07:50出现向下输送的异常偏大值。强降水结束后(图 8c)，动量通量和感热通量输送减弱，感热通量开始向上输送。

与图 7比较可知，强降水来临与结束前的动量通量会对湍流动能的变化做出响应，随着湍流动能的迅速增大，动量通量会迅速改变方向；感热通量的响应略弱，在强降水来临前与结束前保持向下输送；强降水结束后，动量通量输送活动减弱，感热通量开始向上输送。

表 1为风速及各湍流特征量的异常偏大值及其超前和滞后时间，从中可见，强降水来临前，风速和各项湍流特征量均会出现至少一次异常偏大值，即异常值的出现预示着强降水即将来临。其中风速的预警预报时效最长，为强降水来临前的230 min；其次为湍流动能，预报时效为200 min。强降水结束之前，湍流强度的预警预报时效最长，为50 min。强降水结束后30 min，湍流动能出现明显峰值，且数值较强降水来临前大。

4.2.4 湍流功率谱密度

对湍流功率谱密度的分析，本文采用双对数坐标，且以1 min为基本时距。

图 9为2016年7月4日02:00—04:00水平纵向和垂直向的逐小时湍流功率谱密度，从中可见，无论在水平纵向还是垂直向，7月4日03:00的湍流功率谱密度最大，04:00湍流功率谱密度最小且密度最大值的频率最低。另外，水平纵向湍流功率谱密度比垂直向湍流功率谱密度大近1个量级。7月4日03:00为强降水开始时间，其湍流功率谱密度的偏大可能预示着强降水的来临。结合图 2—4可知，强降水来临前230 min风速出现异常偏大值4.875 m·s^-1，由于湍流功率谱密度能够描述脉动风能量随频率的分布，在频域上的全积分等于对应脉动方向上的湍流动能，故7月4日03:00湍流功率谱密度偏大是由于03:00湍流动能较强，风速的异常偏大可能为03:00的湍流活动提供了能量。

图 10为2016年7月4日04:00—08:00水平纵向和垂直向的逐小时湍流功率谱密度，从中可见，湍流功率谱密度在水平和垂直向呈增大趋势，水平纵向湍流功率谱密度最大值较垂直向大。4日04:00—06:00水平纵向和垂直向湍流功率谱密度曲线先下降后上升；4日06:00—08:00，湍流功率谱密度增大，对应的逐小时降水量逐渐增大；4日07:00湍流功率谱密度在水平纵向与垂直向较04:00—06:00大，4日08:00湍流功率谱密度比07:00湍流功率谱密度大近0.5个量级，比04:00大近1个量级。结合图 2—4及图 6—8可知，4日04:00—06:00，逐小时降水量逐渐减小，风速波动较大，07:50风速、湍流动能、动量通量突然出现异常偏大值，湍流异常特征信号的出现可能导致08:00湍流功率谱密度较大。强降水结束前，风速和湍流特征量均出现了异常偏大值，这种信号可能预示着强降水即将结束。

图 11为2016年7月4日08:00—10:00水平纵向和垂直向的逐小时湍流功率谱密度。从中可见，无论在水平纵向还是垂直向，湍流功率谱密度随时间明显减小。4日08:00—10:00，水平纵向与垂直向湍流功率谱密度最大值所在频率左移，湍流功率谱密度曲线下降，湍流活动减弱，水平纵向湍流功率谱密度最大值较垂直向大。结合图 2—4和6—8分析可知，对应时间段的风速、湍流动能、湍流强度与动量通量随着湍流功率谱密度的下降而减弱，感热通量向上输送。

湍涡尺度为湍流动能贡献的标志，通过公式(15)计算得到，4日02:00、06:00、10:00对湍流动能贡献最大的湍涡尺度在水平纵向分别为0.982×10³m·s^-1·Hz^-1、0.901×10³ m·s^-1· Hz^-1、0.761×10³ m·s^-1·Hz^-1；而在垂直向分别为0.147×10³ m·s^-1·Hz^-1、0.113×10³ m·s^-1·Hz^-1、0.971×10² m·s^-1·Hz^-1。强降水期间的水平纵向和垂直向湍涡尺度较强降水来临前小，较强降水结束后大。

表 2为2016年7月3日23:00—4日10:00不同频段逐小时平均湍流功率谱密度。根据以上分析及表 2数据可知，在这次大暴雨过程中，水平纵向湍流功率谱密度值总是比垂直向大。强降水开始前与强降水结束后的湍流动能较强，其中4日03:00与08:00的湍流功率谱密度最高。4日03:00水平纵向湍流功率谱密度均值为3.158 m²·s^-1，垂直向为0.723 m²·s^-1；4日08:00水平纵向湍流功率谱密度均值为4.711 m²·s^-1，垂直向为1.018 m²·s^-1。3日23:00和4日00:00，湍流功率谱密度较高。水平纵向湍流功率谱密度的较大值出现在低频段，垂直向的较大值出现在稍高频段，但两者贡献集中在0.001~0.1频段，低频湍流功率谱密度均值比高频的大4~5个量级，天气系统控制下的低频大涡为这次大暴雨过程的湍流活动提供了能量。

5 结论与讨论

本文利用杭瑞高速洞庭湖大桥测风塔上的三维超声风速仪观测资料以及岳阳气象站逐小时降水资料，分析了2016年3—5日湖南岳阳一次大暴雨过程的三个不同时段近地层物理量场特征，得出如下结论：

(1) 风速、湍流强度、湍流动能异常信号的出现时间较强降水结束前早。其中最早的是风速，异常大值为4.875 m·s^-1，预报时效为230 min；其次为湍流动能，异常大值为34.375 m²·s^-2，预报时效为200 min。强降水期间，水平纵向、水平横向、垂直向的湍流强度的异常大值分别为1.255、1.173、0.195，出现在强降水结束前50 min。动量通量与感热通量在强降水期间明显比强降水前后活跃，感热通量在强降水来临与结束前会出现略强的向下输送。

(2) 降水来临与结束前，湍流功率谱密度减小，其最大值的频率左移，且湍流功率谱密度有异常偏大值出现。大暴雨过程的三个不同时段，湍流功率谱密度最大值的频率随着时间右移。

(3) 强降水来临前的湍涡尺度最大，强降水期间的湍涡尺度次之，强降水结束后的湍涡尺度在三者中最小，天气系统控制下的低频大涡为这次大暴雨过程的湍流活动提供了能量。

本文研究表明，风速和湍流动能在强降水来临前异常信号出现的时间分别为强降水来临前的230 min与200 min，强降水结束前的湍流特征异常信号出现在强降水结束前的10—50 min，且无论在水平纵向还是垂直向，湍流功率谱密度在强降水来临前和结束前异常偏大。由于资料有限，本文仅分析了一个个例，所得结论有待利用更多个例进行研究验证。

湖南省气候中心为本文提供了相关资料，谨致谢忱！