进展:台风尺度如何影响增强率?
很多前人研究通过观测统计分析发现台风增强率和台风实时尺度整体上呈负相关,于是认为尺度是影响增强率的关键因子。如Carrasco et al. (2014)认为在台风强度预报中,考虑尺度信息是必要的。但我们发现在近几年学者发展的台风强度理论预报模型中(详见Wang et al. 2021a,b中的介绍),均未考虑台风尺度。本团队最近发展的理论模型(Wang et al. 2021b)也表明,即使不考虑尺度信息,依然能很好地再现观测和数值模拟中的增强率。那么台风尺度到底如何影响增强,作用大不大呢?
为了回答上述问题,我们利用轴对称数值模式通过改变台风结构,进行了大量理想模拟,然后对模拟的样本进行了分析。首先探讨了增强率和尺度的统计关系。结果的确和前人结论类似(如Carrasco et al. 2014),即增强率和尺度(RMW或R17)整体上呈负相关(图1)。但我们发现这种相关主要是由增强率和强度的相关性造成的。本团队之前的理论工作已表明台风最大增强率易出现在中等强度阶段(Wang et al. 2021a)。如图1所示中等强度刚好对应着尺度较小的阶段,这导致了增强率和尺度整体的负相关性。我们利用偏相关分析进一步证明了在控制强度不变后,增强率和尺度的偏相关系数非常小(~0.1)。而控制尺度不变后,增强率和强度的偏相关系数为~0.6。这表明,相较于强度信息来说,尺度信息对增强率的影响很小。这也说明要理解尺度的作用,不能仅凭尺度和增强率的相关性,还需要考虑尺度和强度之间的相互关系。
图1 台风增强率随(a)最大风速半径(RMW)和17 m/s半径(RMW)的散点图。颜色表示相对强度(实时强度和生命期最大强度的比值)大小。紫色和红色线表示增强率的50%和99%分位数。
那么从动力学角度如何理解尺度对增强的作用呢?我们利用本团队最近发展的增强理论模型来说明。如图2所示,增强模型核心思路可以理解为:能量输入(海表热通量)和能量耗散(摩擦)之间的能量盈余用于提供动能的增长(Li et al. 2020; Wang et al. 2021a,b),同时还考虑能量输入的转化效率。我们对模拟样本的分析表明尺度存在两个相反的作用。首先尺度越大时,能量输入率更大,这也对应于台风更大的最大潜在强度。Rotunno(2022)的研究表明尺度越大,边界层动力学会导致更强的超梯度风,从而更大的潜在强度。但是另一方面,尺度越大又会导致更小的中性对流程度、从而导致更小的能量转化效率。这与热能转化效率的概念相似,即尺度越大对应更小的惯性稳定度,从而使得更多热能被重力波频散掉。分析发现这两个相反的作用大部分抵消,这刚好回答了上述中为什么尺度的净作用很小。同时结果表明虽然我们理论模型中未显性考虑尺度,但是尺度的潜在作用是包含在模型中的。
图2 左侧为台风增强期能量转化示意图,右侧为对应的公式表达以及尺度在其中所起的作用。
上述工作以"On the size dependence in the recent time-dependent theory of tropical cyclone intensification"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重大项目"台风路径、强度和结构变化动力学与可预报性研究"(42192555)、青年项目(42205001)、以及博士后科学基金项目(BX2021121,2021M700066)的资助。论文第一作者为南京大学大气科学学院李元龙助理教授,通讯作者为夏威夷大学王玉清教授,合作作者包括南京大学谈哲敏院士。
文章信息:
Li, Y., Y. Wang, and Z.-M. Tan, 2024: On the size dependence in the recent time-dependent theory of tropical cyclone intensification. J. Atmos. Sci., 81, 1669–1688, https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0015.1.
延伸阅读:
Carrasco, C. A., C. W. Landsea, and Y.-L. Lin, 2014: The influence of tropical cyclone size on its intensification. Wea. Forecasting, 29, 582–590, https://doi.org/10.1175/WAF-D-13-00092.1.
Li, Y., Y. Wang, and Y. Lin, and R. Fei, 2020: Dependence of superintensity of tropical cyclones on SST in axisymmetric numerical simulations. Mon. Wea. Rev., 148, 4767–4781, https://doi.org/10.1175/MWR-D-20-0141.1.
Rotunno, R., 2022: Supergradient winds in simulated tropical cyclones. J. Atmos. Sci., 79, 2075–2086, https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0306.1.
Wang, Y., Y. Li, J. Xu, Z.-M. Tan, and Y. Lin, 2021a: The intensity dependence of tropical cyclone intensification rate in a simplified energetically based dynamical system model. J. Atmos. Sci., 78, 2033–2045, https://doi.org/10.1175/JAS-D-20-0393.1.
Wang, Y., Y. Li, and J. Xu , 2021b: A new time-dependent theory of tropical cyclone intensification. J. Atmos. Sci., 78, 3855–3865, https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0169.1.
第一作者信息及更多相关论文可见:https://as.nju.edu.cn/37/06/c11342a538374/page.htm , 欢迎感兴趣的伙伴一起交流!