随着数值模式分辨率的不断提升，如何合理刻画“灰色区域”尺度湍流输送过程，并准确再现复杂天气系统的结构与演变，已成为当前大气科学研究面临的重要挑战之一。近日，上海台风研究所研究团队在Geophysical Research Letters 发表最新研究成果《Tensor Analysis of Tropical Cyclone Boundary Layer Turbulence》(DOI:10.1029/2025GL117615)，该研究从湍流张量分解的视角揭示了热带气旋边界层中湍流动量输送的结构特征，为高分辨率湍流参数化改进与发展提供了理论依据。

湍流动量输运是影响热带气旋结构与强度演变的关键过程。然而，由于其多尺度特征显著，传统的基于Boussinesq假设的各向同性涡黏模型在强旋转、强切变的热带气旋边界层环境中往往难以准确描述真实的湍流输送过程。当前高分辨率模式已进入公里级分辨率，如何在该尺度上准确刻画湍流动量通量、旋转效应与非局地输运过程，已成为提升热带气旋系统模拟与预报能力的关键科学问题。

研究团队利用高分辨率热带气旋大涡模拟(LES)数据作为基准，系统分析了雷诺应力张量与次滤波尺度动量通量张量在热带气旋生命史不同阶段的空间结构特征。研究结果发现在公里级分辨率下，两种张量形式表现出相似的空间模态，满足遍历性假设。平均水平动量通量的大小与垂直通量相当，凸显了它们对角动量重新分布的重要贡献。张量分解分析表明，应变-旋转相互作用在边界层中主导湍流应力的再分配，表明了经典Boussinesq假设的局限性。这些结果强调了发展包含旋转效应的湍流闭合方案的必要性，为下一步发展非线性应力张量模型提供了理论依据。

图1:基于次滤波尺度动量通量应力的张量基对齐指数分布图。

作者信息:

论文第一作者为台风所王尚宏副研究员，通讯作者为台风所张旭研究员。本研究得到了国家自然科学基金(42375149，42205070)以及国家重点研发(2024YFB4205702)等项目的资助。

论文信息:

Wang, S., & Zhang, X. (2025). Tensor analysis of tropical cyclone boundary layer turbulence. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL117615. https://doi.org/10.1029/2025GL117615

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