[论文解读] Bernhard Haurwitz Memorial Lecture (2017): Potential Vorticity Aspects of Tropical Dynamics

Wayne H. Schubert|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 39被引用 3

一句话总结

本文提出了一套非线性位涡（PV）框架，用于理解热带动力学，表明Trade风槽和热带气旋中的非绝热加热通过位涡异常的非线性演变生成位涡塔。关键结果是，反向位涡梯度在数日内形成，触发斜压-斜压不稳定，驱动东风波发展并通过边界层抽吸增强风暴强度。

ABSTRACT

This paper is the textual material accompanying the 2017 Bernhard Haurwitz Memorial Lecture, delivered by the author on 28 June 2017, at a joint session of the American Meteorological Society's 21st Conference on Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics and 19th Conference on Middle Atmosphere (26-30 June 2017, Portland, OR).

研究动机与目标

• 通过非线性位涡（PV）演变的视角重新审视热带气旋和Trade风槽动力学，超越线性稳定性理论。
• 通过非绝热加热产生的位涡异常，解释东风波的快速生成和热带气旋的增强机制。
• 证明由于经向非对称加热，反向位涡梯度在数日内形成，从而实现斜压-斜压不稳定。
• 通过展示一个持续演变、不稳定的位涡场，挑战传统关于Trade风槽和哈德莱环流的稳态观点。
• 强调非线性边界层动力学在生成强烈且局地化的抽吸作用中的作用，该作用塑造风眼结构并决定风暴强度。

提出的方法

• 采用位涡随纬向增加的轴对称背景态，以模拟热带环境。
• 应用非绝热加热分布 $ \dot{\Theta}(\Phi) = \dot{\Theta}_m \exp\left(-\frac{(\Phi - \Phi_m)^2}{\Phi_w^2}\right) $，表示中心位于 $ \Phi_m $、宽度为 $ \Phi_w $ 的Trade风槽加热。
• 利用时变加热分布求解位涡演变方程（46），计算 $ (\Phi, \theta) $-空间中随时间演化的位涡场。
• 推导位涡演变的时间尺度 $ \tau_c(\Phi) $，其中 $ \tau_c(\Phi_m) = \frac{\pi \dot{\Theta}_m \tau}{\theta_T - \theta_B} $，将加热率与位涡响应关联起来。
• 在不同时间分析 $ (\Phi, \theta) $-空间中的位涡等值线，可视化位涡塔和反向梯度的形成过程。
• 将非线性PV框架与经典线性理论（如Charney和Eliassen，1964）进行比较，强调非线性动力学在风暴增强中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Trade风槽中的非绝热加热如何产生位涡异常，进而引发不稳定和波的生成？
• RQ2 非线性位涡演变在热带气旋快速增强中扮演何种角色，特别是与边界层抽吸的关系如何？
• RQ3 在局地非绝热加热作用下，反向位涡梯度多快形成？其对不稳定性有何影响？
• RQ4 非线性PV框架与经典线性稳定性理论在解释热带气旋和Trade风槽动力学方面有何不同？
• RQ5 边界层动力学在多大程度上通过局地位涡异常控制风眼形成的位移与强度？

主要发现

• Trade风槽中的非绝热加热在 $ (\Phi, \theta) $-空间中产生瞬态、局地的位涡塔，最大位涡异常出现在最大加热的纬度处。
• 由于位涡异常的非线性演变，位涡的反向极地梯度在数日内形成，从而实现斜压-斜压不稳定。
• 在加热最大处的位涡演变 timescale 为 $ \tau_c(\Phi_m) = \frac{\pi \dot{\Theta}_m \tau}{\theta_T - \theta_B} $，将加热率与热力对比与位涡响应联系起来。
• PV框架解释东风波的增长，不仅依赖线性不稳定性，更依赖位涡异常的非线性发展及其与背景流的相互作用。
• 现代非线性观点超越经典线性模型，表明即使在固定非绝热加热条件下，主要环流仍可通过PV动力学实现指数增长。
• 非线性生成的边界层抽吸在定位风眼和决定热带气旋眼的大小方面起着关键作用。