进展:垂直风切变影响热带气旋强度的热力学途径
热带气旋可以被视作一个热机(Emanuel 1988, 1997),它通过低层洋面获得能量,并在高层出流层向低温环境释放热量。在此过程中,热带气旋环流将内能转化为动能以维持其自身发展。任何影响热机能量转化过程的内部和外部因素都会影响热带气旋强度。垂直风切变是影响热带气旋强度变化的重要环境强迫因子,中等或强垂直风切变会阻碍热带气旋增强。多数研究认为,垂直风切变主要通过改变热带气旋内部能量转化过程直接影响其强度演变。然而,目前学术界提出的几种热力学机制相对孤立,缺乏统一的分析评价体系来衡量与解释不同热力学途径之间的联系与相对重要性,且无法证实是否存在其他可能的热力学机制。
为解决上述问题,南京大学谈哲敏院士团队在热机循环的统一框架下,系统揭示了垂直风切变减弱热带气旋强度所有可能的关键热力学途径。垂直风切变下热机循环的变化受到热带气旋眼墙和眼墙外的热动力变化共同影响,眼墙熵减小,眼墙外围熵增加且上升运动增强,导致热机循环的上升支(图1 B→C)熵减小;眼墙外的对流层上层和环境熵增加且下沉运动减弱,导致热机循环的下沉支(图1 C→A)熵增加。据此将关键的热力学路径分成两类:使得眼墙熵减小的内部通风路径和使得眼墙外熵增大的外部通风路径(图2)。内部通风路径包括(图2蓝色箭头):对流层中层的低熵空气通过对流下沉运动进入边界层,然后沿径向入流进入眼墙 (路径1);边界层的低熵空气被眼墙外的上升运动抬升到对流层中部,并通过涡动运动进入眼墙(路径2);环境低熵空气从对流层中层入侵眼墙 (路径3),对流层上层的低熵空气下沉到眼墙以外的中层,随后进入眼墙(路径4)。外部通风路径(图 2红色箭头)包括: 边界层高熵空气通过眼墙外的对流上升到对流层中层 (路径5);眼墙的高熵空气径向向外平流到眼墙外的对流层中层 (路径6);对流层高层下沉到中层造成的下沉增暖(路径7);中低层空气随外雨带上升,使得对流层上层熵增加 (路径8);对流层上层眼墙高熵空气在高层出流(路径9)。
图1 在不同大小的垂直风切变影响下热带气旋的热机循环(用温熵图表示)的变化。图中A到B表示空气等温入流,B到C近似代表空气绝热上升,C到A表示空气释放热量并下沉。图中每条线代表一个时刻,颜色越冷表示时间越晚。
图2 垂直风切变减弱热带气旋强度的关键热力学路径在半径-高度空间中的示意图。内部通风被定义为使得眼墙熵减少的路径(蓝色箭头),而外部通风路径使得眼墙外围熵增加(红色箭头)。
该研究揭示了垂直风切变通过九条关键的热力学途径影响热带气旋强度。这些途径不仅涵盖前人研究已发现的物理过程,还发现了六条新的热力学途径。因此,垂直风切变减弱热带气旋强度的热力学途径远比前人已知的图像更为复杂,该研究为深入理解热带气旋与环境之间的相互作用动力学提供了更为完整的视角。上述工作以"Thermodynamic Pathways of Vertical Wind Shear Impacting Tropical Cyclone Intensity Change: Energetics and Lagrangian Analysis"为题发表在期刊《Journal of the Atmospheric Sciences》上。研究工作第一资助来自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)"。论文第一作者为南京大学博士生刘子琦,通讯作者为南京大学谈哲敏院士。
【文章信息】
Liu, Z.-Q., and Z.-M. Tan, 2024: Thermodynamic Pathways of Vertical Wind Shear Impacting Tropical Cyclone Intensity Change: Energetics and Lagrangian Analysis. J. Atmos. Sci., 81, 1323–1342, https://doi.org/10.1175/JAS-D-23-0182.1 .
【延伸阅读】
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