进展：登陆台风边界层耗散率特征研究
理论与模拟研究表明，热带气旋边界层内由湍流动能耗散引起的加热是热带气旋演变与增强的重要能量来源（Bister and Emanuel 1998；Wang et al., 2022；etc）。针对台风背景下的耗散率研究主要基于为数不多的岸基通量塔和洋面上的飞机观测（Zhang et al. 2009, 2010; Zhou et al. 2022），受限于通量塔高度以及飞行高度、区域的限制，对登陆台风边界层内湍流耗散率的垂直分布特征所知甚少。对登陆台风的边界层而言，耗散率的垂直分布特征是什么？现有的基于湍动能的边界层参数化方案能否准确描述它的垂直分布特征？都是值得探讨的问题。
针对上述科学问题，本文选取2018年超强台风"山竹"（Mangkhut）登陆期间，深圳市356 m气象梯度塔采集到的通量观测数据开展了相关研究。观测分析表明，本次登陆台风边界层内耗散率量级约为10-1 m2 s-3，要远高于典型的日间对流边界层（10-2 m2 s-3），表明台风模拟中考虑耗散加热的重要性。此外，耗散率的量级在近地面最大，随高度逐渐递减，在160 m以上开始保持平稳（图1）。
图1 湍流耗散率的垂直廓线，实心点表示均值，误差线表示1倍标准差。
本研究还利用该数据，初步评估了国际上常用的7个基于湍动能的行星边界层参数化方案（如：MYJ、QNSE、MYNN、BouLac、UW、GBM与TEMF）对登陆台风边界层耗散率的估计精度。一般而言，在基于湍流动能的边界层参数化方案中，估计耗散率的一般表达式如式1所示。式中为耗散率，为湍流动能，为常系数，为耗散尺度。其中一般由2~3项长度尺度共同决定，如在MYNN方案中耗散尺度由近地面长度尺度、湍流长度尺度、浮力长度尺度共同决定（式2）。
结果表明，7种边界层方案均合理估计出耗散率的垂直变化特征，即近地面层迅速递减而后保持平稳。但是，除了TEMF方案外，其它6种方案均高估耗散率，尤其是在近地面层（图2a）。研究还发现，耗散率的估计对常系数以及长度尺度的设置较敏感，调整常系数会改变整个廓线的大小，而调整耗散尺度则主要影响边界层上部的耗散率。以MYNN方案为例，通过空间的搜索算法确定当 m时估计最接近观测（图2b）。由此可见，通过优化这些参数可得更符合观测的结果，但是以上调整并未考虑湍流动能与耗散间负反馈作用，因此还需要通过后续模拟评估改进效果。
图2 (a)观测与7种参数化方案估计的耗散率垂直廓线。(b)观测与默认及修改MYNN方案估计的耗散率垂直廓线。
文章以"Observed Turbulent Dissipation Rate in a Landfalling Tropical Cyclone Boundary Layer"为题发表在《Journal of the Atmospheric Sciences》。论文第一作者为南京大学大气科学学院硕士生房庆国，通讯作者为储可宽副教授，合作者包括南京大学大气科学学院周博闻教授、彭珍副教授、深圳气象局陈训来高工以及深圳市国家气候观象台罗明高工和赵春生工程师。研究工作受到国家自然科学基金委重大项目"台风发生发展理论与精细预报技术研究"的资助。
【论文信息】
Fang, Q., K. Chu, B. Zhou, X. Chen, Z. Peng, C. Zhang, M. Luo, and C. Zhao, 2023: Observed turbulent dissipation rate in a landfalling tropical cyclone boundary layer. J. Atmos. Sci., 80, 1739–1754.
【参考文献】
Bister, M., and K. A. Emanuel, 1998: Dissipative heating and hurricane intensity. Meteor. Atmos. Phys., 65, 233-240.
Wang, Y., J. Xu, and Z.-M. Tan, 2022: Contribution of dissipative heating to the intensity dependence of tropical cyclone intensification. J. Atmos. Sci., 79, 2169-2180.
Zhang, J. A., W. M. Drennan, P. G. Black, and J. R. French, 2009: Turbulence structure of the hurricane boundary layer between the outer rainbands. J. Atmos. Sci., 66, 2455-2467.
——, 2010: Estimation of dissipative heating using low-level in situ aircraft observations in the hurricane boundary layer. J. Atmos. Sci., 67, 1853-1862.