熱帶氣旋的致災(zāi)潛力由強(qiáng)度與尺度共同決定,其中尺度表征大風(fēng)風(fēng)場的覆蓋范圍,且相較于強(qiáng)度具有顯著非對稱特征。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,精細(xì)化熱帶氣旋尺度預(yù)報(bào)成為提升災(zāi)害防御能力的迫切需求。但當(dāng)前熱帶氣旋尺度預(yù)報(bào)能力仍顯不足,主要原因在于對尺度非對稱演變的影響因子及物理機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不夠深入和完善。
為厘清熱帶氣旋尺度非對稱演變的物理特征,中國科學(xué)院大氣物理研究所陳光華團(tuán)隊(duì)聚焦垂直風(fēng)切變這一關(guān)鍵環(huán)境因子,通過統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)值模擬,系統(tǒng)探究不同強(qiáng)度垂直風(fēng)切變對熱帶氣旋尺度非對稱演變的影響,該研究可為熱帶氣旋尺度預(yù)報(bào)的提升提供科學(xué)指導(dǎo)。
統(tǒng)計(jì)分析表明,西北太平洋熱帶氣旋在發(fā)展階段主要經(jīng)歷弱、中等垂直風(fēng)切變環(huán)境。受垂直風(fēng)切變作用,熱帶氣旋對流分布呈現(xiàn)順風(fēng)切側(cè)強(qiáng)于逆風(fēng)切側(cè)、低層風(fēng)場在風(fēng)切左側(cè)強(qiáng)于右側(cè)的典型一波非對稱特征,且該非對稱性隨切變強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大(圖1)。相較于弱風(fēng)切環(huán)境,中等風(fēng)切下的熱帶氣旋為抵御渦旋傾斜帶來的不利影響,順風(fēng)切側(cè)對流向逆風(fēng)切側(cè)發(fā)展,并伴隨風(fēng)切左側(cè)低層徑向入流增強(qiáng),能夠增強(qiáng)逆風(fēng)切左側(cè)象限動(dòng)量的向內(nèi)輸送。中等風(fēng)切下,切變兩側(cè)顯著的低層風(fēng)速差異增大了切向風(fēng)的方位梯度,有利于動(dòng)量向下游輸送。在中等風(fēng)切所特有的對流演變與風(fēng)場結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下,最終使熱帶氣旋在逆風(fēng)切側(cè)風(fēng)場的增強(qiáng)(即尺度的擴(kuò)張)顯著強(qiáng)于弱風(fēng)切環(huán)境。

圖1 (左)弱、(右)中等垂直風(fēng)切變環(huán)境下渦旋對流與結(jié)構(gòu)演變差異示意圖
針對垂直風(fēng)切變環(huán)境的數(shù)值模擬試驗(yàn)表明,在強(qiáng)切變下渦旋向順風(fēng)切左側(cè)傾斜并維持,對流在該象限聚集增強(qiáng)(圖2a)。對流活動(dòng)下游的層云降水蒸發(fā)冷卻引起中層下沉入流(MDI)增強(qiáng)(圖2b)。MDI通過增強(qiáng)低層徑向入流,使得順風(fēng)切左側(cè)象限下風(fēng)區(qū)的局地風(fēng)場顯著增強(qiáng)。但這一過程同時(shí)引起順風(fēng)切左側(cè)象限低層風(fēng)場呈現(xiàn)顯著的非對稱性,導(dǎo)致該象限切向風(fēng)方位平流對風(fēng)場增強(qiáng)的作用為顯著的負(fù)貢獻(xiàn),進(jìn)而使方位平均的尺度擴(kuò)張出現(xiàn)“停滯”現(xiàn)象。隨后,渦旋傾斜長時(shí)間維持又通過邊界層熱動(dòng)力過程削弱順風(fēng)切側(cè)對流區(qū)的上升氣流,導(dǎo)致順風(fēng)切左側(cè)對流、層云降水及 MDI減弱(圖2c)。最終,切向風(fēng)的局地非對稱性減弱,方位平均尺度的擴(kuò)張也隨之恢復(fù)。

圖2 強(qiáng)垂直風(fēng)切中不同階段渦旋尺度非對稱擴(kuò)張的演變示意圖
本研究揭示了不同垂直風(fēng)切變環(huán)境下熱帶氣旋尺度非對稱演變的復(fù)雜性,深化了對熱帶氣旋尺度變化物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。相關(guān)成果近期發(fā)表于《Journal of Geophysical Research: Atmosphere》和《Journal of the Atmospheric Sciences》,集美大學(xué)特聘副教授陳可鑫為第一作者,中國科學(xué)院大氣物理研究所陳光華研究員為通訊作者,合作者包括南京大學(xué)顧劍峰副教授,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)施東雷副教授。研究受國家自然科學(xué)基金(Grants No. 42175073、U2342202)、中國暴雨研究基金(Grant No. BYKJ2024Z03)及國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置(寰)”資助。
論文信息:
Chen,K.,G. Chen*,D. Shi,and J. Gu,2025: Asymmetric Impacts of Vertical Wind Shear on Tropical Cyclone Size Expansion Over the Western North Pacific. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,130,https://doi.org/10.1029/2025JD043810.(論文鏈接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JD043810)
Chen,K.,G. Chen*,and J. Gu,2025: Asymmetric Wind Expansion of an Idealized Simulated Tropical Cyclone by Vertical Wind Shear. Journal of the Atmospheric Sciences.https://doi.org/10.1175/JAS-D-25-0019.1 (論文鏈接:https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/aop/JAS-D-25-0019.1/JAS-D-25-0019.1.xml)