科研进展 | 热带波动与对流耦合机制新思考——非瞬时wave-CISK

长期以来，热带对流--波动--环流之间的相互作用及耦合机制研究是热带大气动力学中的一个难点。目前国际上较为流行的准平衡（Quasi-equilibrium）框架下的相关理论从整体上忽略了潜热加热所强迫的低层水汽辐合的作用，也即忽略了有关对流加热的反馈在整个耦合过程中作用，这为从物理上理解热带对流--波动--环流的耦合以及在模式中的应用带来了非常大的局限。

谈哲敏教授研究团队利用数值模式详细分析了不同的对流加热廓线引起大气响应的过程，结果表明深对流加热引起的环流响应不能产生足够的低层水汽辐合以维持对流自身发展，大气响应结构与准平衡理论的描述一致；但是对于浅对流加热，其强迫出的低层水汽辐合足够强且能够与对流加热形成正反馈，这与经典的波动--第二类条件性不稳定（wave-CISK）理论一致。

然而，经典的wave-CISK理论在小尺度波动上具有极强的不稳定性，这主要是由该理论对对流过程的错误描述(潜热加热瞬间释放)造成的。在此基础上，谈哲敏教授研究团队提出了在物理上更加合理也更加接近实际对流发展过程的新机制——非瞬时wave-CISK。该机制一方面考虑了潜热加热在一定时间内的持续释放，另一方面也考虑了过去一定时间内辐合水汽产生的加热对当前时刻的贡献。这两方面的作用都有助于解决小尺度波动增长过快的问题。

利用非瞬时wave-CISK方案模拟的赤道Kelvin波的传播速度与三维结构都与观测相符，这证实了非瞬时wave-CISK机制的合理性。该机制可以为热带对流系统的组织和形成提供一个全新的、简单而又普适的解释，并有望给地球系统模式中的对流参数化方案带来一个新的发展机会。

该成果最近以“Noninstantaneous Wave-CISK for the Interaction between Convective Heatingand Low-Level Moisture Convergence in the Tropics”为题发表在美国气象学会(AMS) 动力学研究的著名期刊《Journal of the AtmosphericSciences》。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。论文第一作者为刘岩博士，谈哲敏教授为通讯作者，美国佛罗里达州立大学吴召华教授为共同作者，南京大学为论文通讯单位。

成果链接:

Liu, Y., Z. Tan, and Z. Wu, 2019:Noninstantaneous Wave CISK for the Interaction between Convective Heating andLow-level Moisture Convergence in the Tropics. J. Atmos. Sci., 76, 2083–2101.https://doi.org/10.1175/JAS-D-19-0003.1.

图1 经典wave-CISK（a，b）和非瞬时wave-CISK（c，d）对流参数化中对流加热—水汽辐合反馈过程示意图（a，c）及水汽辐合累积—消耗过程示意图（b，d）。图b，d中竖直柱表示在每一时刻产生的水汽辐合，红色虚线框中为t0时刻消耗（释放凝结潜热）的水汽辐合。图d中深蓝色方块表示t0时刻产生的水汽辐合被完全消耗时系统总共消耗的水汽辐合。τ为水汽辐合累积—消耗的特征时间。