热带气旋结构中云辐射强迫的影响：数值模拟研究

作者及机构
本研究由加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）大气与海洋科学系的Yizhe Peggy Bu和Robert G. Fovell，以及纽约州立大学奥尔巴尼分校（University at Albany, State University of New York）大气与环境科学系的Kristen L. Corbosiero合作完成。研究成果发表于2014年5月的《Journal of the Atmospheric Sciences》。

学术背景
热带气旋（Tropical Cyclone, TC）的强度和结构预测一直是气象学研究的核心问题之一。过去的研究表明，微物理参数化（Microphysical Parameterizations, MPs）对热带气旋的强度有显著影响，但其对结构（如风场范围和眼墙宽度）的作用机制尚不明确。本研究聚焦于云辐射强迫（Cloud–Radiative Forcing, CRF），即水凝物（hydrometeors）与长波（LW）和短波（SW）辐射的相互作用，探讨其对热带气旋结构的调控机制。研究背景基于以下发现：
1. 微物理参数化通过影响水凝物的分布和尺寸，间接改变CRF；
2. CRF可能通过调制对流活动和风场结构，影响热带气旋的外核区（outer-core）动力学。
研究目标是通过半理想化数值模拟，揭示CRF如何通过直接（热力强迫）和间接（对流反馈）途径改变热带气旋的结构特征。

研究流程与方法
研究分为两部分：半理想化三维模拟（使用Hurricane Weather Research and Forecasting Model, HWRF）和轴对称云模型模拟（使用CM1模型）。

1. HWRF模拟

   • 模型配置：采用三嵌套网格（27 km、9 km、3 km分辨率），固定海表温度（29.5°C），初始化为均匀热带大气（基于Jordan 1958探空数据）。
     
   • 实验设计：对比四种CRF情景（表1）：
     
     • CRF-on：启用完整CRF（Thompson微物理方案+RRTMG辐射方案）；
       
     • CRF-off：关闭CRF（水凝物对辐射透明）；
       
     • CRF>0和CRF<0：分别保留CRF的正（云内增温）和负（云顶冷却）分量。
       
   • 数据处理：模拟第4天的涡旋跟随复合场，涵盖完整昼夜周期。
     

2. CM1轴对称模拟

   • 模型配置：5 km径向分辨率，初始化为弱涡旋，模拟16天后分析9–12天的平均场。
     
   • 关键实验：
     
     • CRF-fixed：固定CRF场（排除云反馈）；
       
     • 干模式实验：移除水汽和初始涡旋，直接注入CRF强迫场，分离热力与动力效应。
       

创新方法：
- 全耦合微物理-辐射方案：Thompson方案与RRTMG辐射方案完全连接，传递水凝物尺寸信息，提升CRF计算精度；
- GFDL辐射方案对比：验证传统业务模型（无显著CRF效应）的局限性。

主要结果
1. CRF对热带气旋结构的直接影响
- 云内增温（CRF>0）：弱长波增温（约0.05 K/h）贯穿云层，逆转晴空条件下的对流层冷却（图5,7）。这一效应直接增强上层径向流出（图4c）和外围缓慢上升运动（0.0075 m/s），促进对流活动（图8）。
- 云顶冷却（CRF）：昼夜平均后净冷却（-4.5 K/day）主要影响云顶，但对风场扩展贡献微弱（图12e）。

1. 间接反馈机制

   • 对流增强：CRF-on模拟的外核区对流加热比CRF-off高70%（图14a），导致等效位温（θe）升高（图8），抑制低θe空气侵入眼墙。
     
   • 风场扩展：CRF-on的34节风半径比CRF-off宽80 km（图3），眼区扩大，最大风速半径（RMW）外移（图4）。
     

2. CM1验证

   • 干模式实验证实，仅CRF>0即可重现三维模拟的风场扩展（图13f），而水凝物沉降（vt=0实验）对对流活动无显著影响（图10），表明云内增温驱动的上升运动是关键机制。
     

结论与意义
1. 科学价值：
- 首次系统量化CRF通过云内增温调控热带气旋结构的物理链条，弥补了微物理-辐射耦合机制的理论空白。
- 揭示GFDL辐射方案（业务模型）因忽略CRF层结效应，可能低估风场范围。

1. 应用价值：
   
   • 改进业务预报：CRF对风暴潮预测（依赖风场范围）和路径（受beta漂移调制）有潜在影响；
     
   • 模型优化建议：2014年HWRF若采用Thompson-RRTMG方案，需验证其对风暴结构的模拟性能。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次在HWRF中实现微物理-辐射全耦合，并设计CRF分项实验（CRF>0/CRF<0）分离效应。 2. **关键发现**：弱云内增温（CRF>0）是风场扩展的主因，挑战了传统认为云顶冷却主导的观点。
3. 跨尺度验证：结合三维（HWRF）和轴对称（CM1）模型，增强结论普适性。

其他价值
研究指出CRF可能通过日变化脉冲（云顶冷却的昼夜竞争）影响红外云场脉冲现象，为后续观测研究提供方向。