2023年4月28日消息，自然资源部第一海洋研究所学者在台风动力诊断理论研究领域取得突破性进展，将台风平衡动力学理论拓展到非平衡动力学，台风演变诊断精度得到大幅提升。

台风是重要的自然灾害，对各国沿海居民的生产和生活甚至生命安全带来巨大威胁。因为台风是复杂的海洋与大气相互作用动力学过程，研究台风的演变过程既是世界科技前沿又是重大国家需求。

从动力学角度来看，台风强度变化主要是由次级环流向台风内核输送角动量控制的，因此理解次级环流是理解台风强度变化的关键。Sawyer J S是英国皇家学会院士，Eliassen A是气象数值预报的国际先驱，他们基于梯度风平衡和静力平衡，建立了轴对称涡旋的次级环流Sawyer-Eliassen方程（简称SE方程），自上世纪80年代以来SE方程被广泛地应用于台风动力学研究，是经典的台风平衡动力学的理论基础。然而随着观测技术的进步和高分辨率台风数值模式的发展，越来越多的证据表明梯度风平衡在边界层区域不成立，而且由于次级环流向中心输送角动量主要发生在边界层附近，因此利用传统的SE方程来诊断台风强度演化受到根本性制约。

自然资源部第一海洋研究所季冬博士和乔方利研究员引入摩擦力和非线性平流项，通过理论推导得到了一个推广的SE新方程，新方程能同时适用于台风中的自由大气和边界层。研究结果表明，新方程可以准确诊断出由WRF模拟的理想台风的次级环流，特别是对于边界层入射流诊断效果非常精准（偏弱仅4.5%）。相比常用的基于传统SE方程的“Smith方法”（偏弱56%）和“假平衡方法”（偏强35%）诊断精度具有明显提升。

进而，通过在台风中引入回复力的概念及其数学表达式，从全新的角度严格推导出推广的SE方程，并给出了推广的SE方程直观的物理解释，夯实了所建立的非平衡台风动力学理论基础。指出次级环流是由回复力和质量守恒共同决定的，并基于此发展了一套分析非平衡过程如何影响次级环流的直观的定性分析方法。此外，对于台风边界层，除了传统的线性理论分析和边界层模式数值实验外，推广的SE新方程为研究边界层动力学提供了一个新的途径。

上述结果近日以2篇文章连续发表于大气领域国际顶级期刊“大气科学（Journal of the Atmospheric Sciences, JAS）”，季冬博士为第一作者，乔方利研究员为通讯作者。 

三种方法的次级环流诊断结果
图（a）表示模式输出（作为真值），图（b）表示“Smith方法”的诊断结果，图（c）表示“假平衡方法”的诊断结果，图（d）表示新方程的诊断结果。图（e）和（f）分别表示100km半径内平均的径向速度和垂向速度随高度的变化，注意近地面层速度的差异。

文章链接：

Ji, D., & Qiao, F. (2023). Does Extended Sawyer–Eliassen Equation Effectively Capture the Secondary Circulation of a Simulated Tropical Cyclone? Journal of the Atmospheric Sciences, doi: https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0320.1

Ji, D., & Qiao, F. (2023). What are the Balanced and Unbalanced Dynamics of Tropical Cyclone? Journal of the Atmospheric Sciences, doi: https://doi.org/10.1175/JAS-D-22-0165.1