辐射过程加速热带气旋生成的新途径

数十年来，热带气旋的生成问题一直是气象科研人员和天气预报员面临的重大挑战。许多学者将热带扰动近地面高度一个尺度较小、相对紧凑的强涡旋的出现定义为热带气旋的生成。大量研究表明，这个近地面小尺度强涡旋生成最主要的原因是对流爆发引起的低层角动量向内输送。因此，影响热带扰动区域对流活动的因素，都有可能影响热带气旋的生成。

辐射过程对对流活动有着很重要的影响。普遍观点认为，辐射过程影响对流活动有三条途径（图1）。1）大尺度夜间辐射冷却：夜间大气由于没有短波加热，大气的辐射冷却加强。这使得自由大气降温，对流不稳定增强，相对湿度升高，有利于对流的爆发。2）云顶与云底辐射加热差异：扰动区域的中高层层云结构上方通常对应一个强辐射冷却层，而云内（下）则是一个辐射加热层。这个上面冷却下面加热的结构，强化了对流不稳定，有利于扰动区域内的对流爆发。3）辐射加热水平差异：扰动区域由于云的存在，云下的大气对应辐射加热正异常，而同样高度周围的环境大气则对应加热负异常。这个水平辐射加热差异会在扰动区域和周围环境之间强迫出一支次级环流。扰动区域对应的次级环流上升支将强化对流的上升运动。

在扰动近地面涡旋生成之前，通常在扰动区域能观测到一个较强的中层涡旋（环流）。这个中层涡旋在扰动区域对流的组织与强化过程中扮演着十分重要的角色。研究表明，强大的中层涡旋能够抵抗环境干冷空气的入侵，保护扰动区域的高熵，有利于对流在该区域不断发展。同时，由于中层涡旋基本上是一个平衡系统，其对应的热力学结构（上暖下冷）在某种程度上也有利于对流的爆发。另外，中层涡旋的动力学结构与冷池耦合也有利于对流的组织。

基于前人的认识，谈哲敏教授的研究团队认为，辐射过程不仅可以通过直接影响对流活动影响热带气旋生成，也可以通过影响中层涡旋的发展间接影响对流发展和热带气旋的生成（3+，图1）。他们基于数值模式设计了一系列敏感性试验，分析结果表明，由扰动区域内外冰雪粒子浓度差异引起的中高层（6-11km）水平辐射加热差异是影响中层涡旋发展的重要原因。该水平辐射加热差异产生的次级环流会通过其上升支将更多的水汽送到扰动区域中高层，强化层云加热（top-heavy）结构（图2），在扰动区域产生更多的位涡制造，最后强化中层涡旋并加速热带气旋的生成。该成果最近以"Interactive Radiation Accelerates the Intensification of the Mid-level Vortex for Tropical Cyclogenesis"为题在线发表在美国气象学会(AMS) 动力学研究的著名期刊《Journal of the Atmospheric Sciences》。该研究受到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"的资助。论文第一作者为博士生杨博雷，谈哲敏教授为通讯作者，南京大学为论文通讯单位。

图1 辐射过程影响热带气旋生成的概念图。图中蓝色表示冷却，颜色越深代表冷却越强。云表示扰动区域，箭头表示次级环流，涡旋表示中层涡旋。数字表示辐射影响热带气旋生成的途径（详见正文）。

图2 CNTL试验(a)和去掉辐射水平差异试验(b)的扰动区域平均非绝热加热廓线。

文章链接：Yang, B. and Z. Tan, 2020: Interactive Radiation Accelerates the Intensification of the Mid-level Vortex for Tropical Cyclogenesis. J. Atmos. Sci., DOI 10.1175/JAS-D-20-0094.1.