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模拟热带气旋强度对动量和标量湍流水平扩散的敏感性

热带气旋,强度变化,湍流扩散

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.26 台风观测、机理与预报

已有研究发现，在数值模式中减弱湍流水平扩散会导致模拟热带气旋（TC）具有更高的增强速率和峰值强度。然而，动量与标量的水平扩散在其中的相对作用仍不清楚。为此，本文基于理想化三维数值试验，分别改变动量和标量的水平混合长度，探讨二者对热带气旋强度演变的影响。结果表明，不同于以往研究强调的动量扩散，标量扩散才是控制热带气旋强度变化的主导因素，而动量扩散的影响相对有限。切向风收支分析表明，减弱动量扩散虽可在一定程度上增大最大风速半径内方位平均切向风的径向梯度，并增强平均径向涡度通量，但这一作用大多被增强的负涡旋涡度通量所抵消，因此对热带气旋增强的实际贡献较弱。相比之下，减弱标量扩散能够促进更深厚的对流发展，并使眼墙倾斜度减小。Sawyer–Eliassen诊断结果进一步表明，更加直立的加热结构可使边界层入流穿透至更靠近TC中心的位置，从而显著增强平均径向涡度通量，促进TC更快增强。垂直动量收支分析进一步表明，更深厚的眼墙上升运动主要由更强的热力浮力驱动，而这种浮力在较弱标量扩散条件下可通过更大的温度和水汽扰动得以维持。研究结果突出了水平标量扩散在热带气旋增强中的关键作用，并表明在湍流参数化方案改进中需要关注热量和水汽的湍流混合的表征。