我院谈哲敏院士团队最新研究揭示热带对流响应的时间尺度及物理过程


发布时间:2022-07-18浏览次数:10


在热带大气中,大尺度过程(辐射、环流等)积累不稳定能量并触发对流,湿对流过程释放不稳定能量并反馈到大尺度上。一般认为,大气湿对流响应是“瞬时”的(其时间尺度远小于大尺度过程的演变时间),从而保证大气处于“准平衡”的状态。但实际上,对流的建立和潜热的释放都需要一定的时间。这种“非瞬时”性意味着对流不仅受过去的大尺度状态(水汽辐合)影响,也会对此后的大尺度过程产生作用,也即非瞬时对流-辐合反馈(Non-instantaneous Convection–Convergence Feedback,简称NiCCF)。对流响应的时间越长,对流与大尺度过程的相互作用(NiCCF反馈)越强,对流组织化程度也越高。

南京大学谈哲敏院士团队利用高精度区域数值模式(WRF)模拟了一次典型MJO事件,并在不同的时空尺度下诊断对流响应时间。对流响应时间的定义为水汽辐合与对流加热的超前滞后相关最大时对应的时间差。结果显示(图一),小尺度(~ 10 km)对流的响应时间接近于零,可以近似认为小尺度对流响应是瞬时的。空间尺度越大,波动周期越长,对流响应的时间也越长。对于天气尺度(~ 1000 km)系统而言,对流响应时间约为0.5天。此时对流响应时间与大尺度过程的演变时间相当,“非瞬时”性显著,大气不再适用“准平衡”近似。

对流响应的过程可以分为浅对流发展和浅对流-深对流转换两个阶段,其中涉及多尺度系统的相互作用。如图二所示,在大尺度强迫(large-scale moisture convergence)作用下小尺度对流触发。此时由于大气环境比较干,对流系统以浅对流为主。浅对流一方面通过局地垂直运动向上输送水汽;另一方面也由NiCCF反馈引起大尺度环流维持低层辐合,并通过大尺度运动向上输送水汽。浅对流引起的低层辐合和有利的水汽条件使得更多的深对流爆发,对流系统由浅对流向深对流转换,潜热能量大量释放。此后,由于深对流的NiCCF反馈作用很弱,对流系统难以维持并逐渐消亡。

成果最近以“Convective Response in a Cloud-Permitting Simulation of the MJO: Time Scales and Processes”为题发表在美国气象学会期刊《Journal of the Atmospheric Sciences》。该研究得到了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。论文第一作者为我院助理研究员刘岩,通讯作者为南京大学谈哲敏院士,美国佛罗里达州立大学吴召华教授是本文的共同作者。

图一 边界层水汽辐合与对流加热的超前滞后相关系数。(a), (b), (c)分别对应天气尺度(~ 1000 km),中尺度(~ 100 km),和小尺度(~ 10 km)的诊断结果。图中黑色、绿色、橙色、红色线分别代表原始信号和滤去1天、2天、4天以下周期信号的结果。滞后时间为负值表示水汽辐合领先于对流加热,反之亦然。

图二 非瞬时对流-辐合反馈(NiCCF)机制示意图。时间顺序为从右往左,特征时间约为0.5天。红色箭头代表大尺度环流,黑色箭头代表局地垂直运动。

文章链接:

Liu, Y., Z. Tan, and Z. Wu, 2022: Convective Response in a Cloud-permitting Simulation of the MJO: Time Scales and Processes. J. Atmos. Sci., 79, 1473-1490. https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0284.1.

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



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