[论文解读] Can Existing Theory Predict the Response of Tropical Cyclone Intensity to Idealized Landfall?

Jie Chen, Daniel R. Chavas|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2021

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 65被引用 11

一句话总结

本研究检验了现有用于热带气旋（TC）强度的理论模型——最初为海洋条件开发——是否能预测理想化模拟中陆地登陆后的强度衰减。通过采用轴对称f平面模拟，瞬时施加地表粗糙化和干燥作用，结果表明：通过将Emanuel（2012）的强化理论推广至减弱过程，可预测瞬态强度衰减；而初始的快速衰减则可通过摩擦性减速模型准确捕捉。理论预测与经验衰减模型高度一致，表明理论预测内陆TC强度演变具有强大潜力。

ABSTRACT

Tropical cyclones cause significant inland hazards, including wind damage and freshwater flooding, that depend strongly on how storm intensity evolves at and after landfall. Existing theoretical predictions for the time-dependent and equilibrium response of storm intensity have been tested over the open ocean but not yet to be applied to storms after landfall. Recent work examined the transient response of the tropical cyclone low-level wind field to instantaneous surface roughening or drying in idealized axisymmetric f-plane simulations. Here, experiments testing combined surface roughening and drying with varying magnitudes of each are used to test theoretical predictions for the intensity response. The transient response to combined surface forcings can be reproduced by the product of their individual responses, in line with traditional potential intensity theory. Existing intensification theory is generalized to weakening and found capable of reproducing the time-dependent inland intensity decay. The initial (0-10min) rapid decay of near-surface wind caused by surface roughening is not captured by existing theory but can be reproduced by a simple frictional spin-down model, where the decay rate is a function of surface roughness. Finally, the theory is shown to compare well with the prevailing empirical decay model for real-world storms. Overall, results indicate the potential for existing theory to predict how tropical cyclone intensity evolves after landfall.

研究动机与目标

• 评估既有的海洋TC强度理论模型是否能预测登陆后的强度响应。
• 研究地表粗糙化与干燥对TC强度的综合影响是否可通过其各自响应的乘积进行预测。
• 评估现有时间依赖强度理论是否能再现登陆后TC强度的瞬态衰减。
• 确定理论预测是否适用于近地面风速与边界层风速。
• 将理论预测与现实TC中广泛采用的经验衰减模型进行比较。

提出的方法

• 对成熟热带气旋进行理想化轴对称f平面模拟，通过粗糙化和干燥实现瞬时地表强迫。
• 应用E86潜在强度理论，预测地表变化引起的平衡强度响应。
• 将E12时间依赖强化理论推广至减弱情景，以预测瞬态衰减动力学。
• 采用摩擦性减速模型解释E12理论未能捕捉的初始快速衰减阶段。
• 将理论预测与模拟结果中近地面风速和边界层风速的对比。
• 将理论模型与广泛使用的经验指数衰减模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统潜在强度理论（E86）能否预测同时发生地表干燥与粗糙化时的平衡响应？
• RQ2 联合地表干燥与粗糙化引起的瞬态响应是否可通过各自响应的乘积进行预测？
• RQ3 现有强化理论（E12）能否预测地表干燥和/或粗糙化引起的瞬态衰减响应？
• RQ4 理论预测是否适用于近地面风速与边界层风速响应？
• RQ5 理论预测与现实风暴中广泛采用的经验衰减模型相比，表现如何？

主要发现

• 联合地表粗糙化与干燥引起的平衡强度响应可被E86潜在强度理论良好预测，证实其在海洋以外条件下的适用性。
• 同时地表强迫引起的瞬态响应可通过其各自响应的乘积准确再现，支持理论框架中的线性假设。
• 基于E12的理论成功推广至减弱过程，可预测登陆后近地面风速的时间依赖性衰减，尤其在中长期时间尺度上表现良好。
• 由于地表粗糙化引起的初始0–10分钟近地面风速快速衰减阶段，E12理论无法捕捉，但可通过一个简单的摩擦性减速模型准确再现，其衰减速率与地表粗糙度成正比。
• 由E12理论推导出的理论衰减解在多种初始强度下与广泛采用的经验指数衰减模型具有强定量一致性。
• 纯摩擦性减速与E12理论在最终强度为零时的衰减解具有相同的数学形式，仅在交换系数（Ck与2Cd）上不同，表明存在从摩擦主导到热力学平衡衰减的物理过渡。