热带气旋强度可预报性:风暴强度-海表面温度负反馈的增强机制
热带气旋从生成那刻起,绝大多数生命史位于洋面,热带气旋与海洋的相互作用时刻影响热带气旋强度、结构,甚至路径的变化,同样,也会对海洋的动力、热力学过程、结构产生重要影响。热带气旋-海洋相互作用成为热带气旋研究领域的前沿问题。在热带气旋-海洋耦合系统中,存在一个最为基本过程,即热带气旋强度与海表面温度(SST)之间的负反馈机制:更强的热带气旋可产生更强的海表面降温,进而产生更低的SST随后抑制热带气旋继续增强。显然,从理论层面上来看,这种负反馈机制可主导热带气旋-海洋耦合系统中相互作用对热带气旋强度变化的影响。然而,这种相互作用是否可以影响热带气旋预报?特别是热带气旋的强度预报,具体影响机制和过程如何?所以,这个需要在一个耦合系统中去全新认识热带气旋可预报性问题,而不是像以往研究仅限于一个孤立的大气系统。另外,近年来耦合系统资料同化迅速发展,其理论基础也迫切需要了解耦合系统中,例如热带气旋-海洋,系统之间的误差是如何传递的?如何相互作用的?到目前为止,这方面的理论研究开展得很少,其认识也非常有限。近期,南京大学谈哲敏院士团队围绕热带气旋-海洋耦合系统中的热带气旋强度可预报性的基础性问题开展了聚焦研究。研究发现了热带气旋强度-海表面温度负反馈机制可以通过两条途径(routes)来改善热带气旋强度可预报性:大气误差动力学途径、大气与海洋共同影响途径。
该研究使用一系列海-气耦合与非耦合的理想集合预报试验探讨了海-气耦合系统中负反馈机制对热带气旋误差增长动力学与强度可预报性的影响。研究构建了非耦合(固定SST)、类耦合(考虑热带气旋引起的SST降温,无SST离散度)与耦合(包含SST降温及其离散度)的集合预报试验(图1)。基于集合预报试验,研究提出负反馈机制可通过两条途径减小热带气旋强度离散度,改善其可预报性。尽管在海-气耦合系统中,这两条途径中皆有负反馈机制同时发生,但这两条途径具有不同的物理内涵。
图1. 两条途径对最低海平面气压离散度的减小效应。其中,紫色线为非耦合试验,红色线为考虑海表面降温(无海表面温度离散度)的类耦合试验,蓝色线为海-气耦合试验。
第一途径(大气误差动力学途径):热带气旋引起的海表面降温使热带气旋增强速率放缓,热带气旋强度减弱,进而限制热带气旋强度误差增长。在该途径中,热带气旋强度离散度受热带气旋强度大小限制,而海表面温度则可看作是大气受到的环境强迫。该途径与大气的误差动力学高度相关,受大气误差特性限制。
第二途径(大气与海洋共同影响途径):热带气旋强度离散度与海表面温度离散度之间的相互作用主导了误差增长过程。热带气旋强度离散度增大使海表面降温的离散度随之增大,随后负反馈机制使热带气旋强度离散度减小。该途径通过不同集合成员间的不同海-气相互作用强度减小热带气旋强度离散度,强调了海洋与大气间的持续误差传递对热带气旋强度离散度的改变。
上述工作从一个新的角度:完全耦合系统中研究热带气旋强度可预报性,加深了对热带气旋强度预报误差传递规律的认识。研究结果也从理论上预示了除了海洋洋面温度预报对热带气旋强度预报的重要性外,两者之间耦合过程同样会对热带气旋强度预报起着重要作用。研究论文以"The Role of Ocean-Atmosphere Interactions in Tropical Cyclone Intensity Predictability"为题发表在《Journal of the Atmospheric Sciences》上,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(42192555)"和国家重点研发计划项目"台风强度/结构变化的关键动力-热力过程及预报理论研究(2017YFC1501601)"共同资助。论文第一作者为南京大学大气科学学院博士生李典宜,通讯作者为南京大学谈哲敏院士。
文章信息
Li, D. Y., and Z. M. Tan, 2023: The role of ocean-atmosphere interactions in tropical cyclone intensity predictability. J. Atmos. Sci., early online, https://doi.org/10.1175/JAS-D-22-0152.1 .