水汽亏损诱导的对流自聚合演变：干区变大，湿区变湿

发布于 2025-10-13

在同样的海温和短波入射强迫时，大气调整到辐射对流平衡(Radiative-convective equilibrium, RCE)后的平衡态并不唯一。在范围较小的模拟中，RCE平衡态通常表现为区域内随机分散的对流活动。然而随着区域范围扩大，以至于大尺度翻转环流可以自发生成时，RCE的平衡态会从随机对流的平衡态演化到一种聚合对流的平衡态。这种对流和干区自发分化的平衡态迁移现象被称为对流自聚合（Convective self-aggregation, 图1）。

水汽亏损诱导

图1. 对流自聚合演变示意图，填色为气柱水汽含量(kg/m²)。

前人将对流自聚合解读为干区变干，湿区变湿。但是对流自聚合还伴随着干区的扩张和全域气候态的变干变热，这种干湿区面积的变化和气候态的演变并没有得到很好的解释。本研究首先通过分析表明，对流自聚合中干区变干和湿区变湿是不同步的。干区生成后首先快速变干，但是其面积变化不大。当干区强化到一定程度时，其面积开始扩张，然后湿区开始显著变湿（图2）。

水汽亏损诱导图2

图2. 对流自聚合干区和湿区的（a）水汽含量(kg/m²)和（b）面积的演变。

通过敏感性试验我们证明，对流自聚合本质上是一个有限振幅问题，可以分为两个阶段：第一阶段是系统自发生成足够强扰动（干区）的过程，是一个局地的快过程；第二阶段是系统对此扰动的响应，表现为干区扩张全域的气候变化，是一个慢过程（图3）。

水汽亏损诱导图3

图3. 对流自聚合的有限振幅属性敏感性试验。

本研究从水汽收支的角度深入探讨了第二阶段的物理机制。研究表明，翻转环流生成后，干区的水汽平流输送至湿区增加了湿区的降水率，导致了全域性的水汽亏损。由于干区的水汽变化缓慢，全域性的水汽亏损表现为干区的扩张。干区扩大后输送更多水汽至湿区，进一步增湿并提升降水率，形成正反馈循环，最终导致干区扩张和湿区水汽增加。随着干区扩大和翻转环流增强，干区地表的风速增加导致下垫面水汽通量开始上升，逐渐缓解了水汽亏缺。最终当翻转环流增强导致的下垫面水汽通量足够大，使得全域水汽亏缺消除时，系统达到一个聚合对流稳定维持的新平衡态（图4）。

水汽亏损诱导图4

图4. 对流自聚合第二阶段演变概念模型。

为验证该机制是否主导第二阶段CSA，我们根据水汽的演变提出了一个简化数学模型。当代入数值模拟中的相关参数时，简单的数学模型基本复现了全物理模拟的各项特征，各个变量的演变量级和时间尺度都与数值模式的结果十分接近（图5）。

水汽亏损诱导图5

图5. 数学模型中的对流自聚合第二阶段演变。

本研究提出了对流自聚合的有限振幅属性，并从水汽收支的角度给出了干区扩张和湿区变湿的机理，为认识组织化对流的演变规律搭建了全新的理论框架。相关的工作以Water-Vapor-Deficit-Induced Equilibrium Shift in Convective Self-Aggregation: Dry Expansion and Wet Moistening为题发表在国际著名大气动力学期刊<Journal of the atmospheric sciences>上发表。研究由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)、青年和面上项目（42205004，61827901）和中国博士后基金特别资助（2024T170011）共同资助。南京大学南赫学院的助理教授杨博雷为本文的第一作者，南京大学大气科学学院的谈哲敏院士为本文的通讯作者，合作者还包括北京大学大气与海洋科学系的聂绩长聘副教授。

【文章信息】

Yang B., Z. Tan and J. Nie, 2025: Water Vapor Deficit-Induced Equilibrium Shift in Convective Self-Aggregation: Dry Expansion and Wet Moistening. J. Atmos. Sci., 82, 2061-2076.

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