[论文解读] Hurricane's Maximum Potential Intensity and the Gravitational Power of Precipitation

Anastassia M. Makarieva, V. G. Gorshkov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2018

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文通过分析凝结和降水过程中重力功的作用，重新评估了飓风最大潜在强度（MPI）理论。研究证明，尽管原始MPI公式已考虑潜热释放和气块抬升，但功率法速度估算中遗漏重力功率，仅导致约10%或更小的修正，而非此前声称的10–30%的高估。

ABSTRACT

The concept of Maximum Potential Intensity (MPI) is widely used in tropical cyclone research to estimate the minimum central pressure and the maximum velocity of tropical storms from environmental parameters. The MPI pressure derives from consideration of an idealized thermodynamic cycle, while the MPI velocity additionally requires information about real-time power and heat flows within the storm. Recently MPI velocity was proposed to be a substantial overestimate (by 10-30 percent) presumably neglecting the power needed to lift precipitating water (the gravitational power of precipitation). This conclusion did not involve a theoretical analysis of the MPI concept but was based on observed hurricane rainfall to estimate gravitational power of precipitation. However, since the MPI pressure estimate does explicitly account for lifting water, and the MPI velocity derives from this pressure, the question arises whether a correction to MPI velocity is required. Here we represent and examine the MPI derivations in their most general form and show that although a correction to MPI velocity is justified, it is an order of magnitude or so smaller than originally proposed. We show that the neglect of gravitational power of precipitation in the MPI velocity estimate was caused by the incomplete formulation of the general relationship between pressure work and dissipation of kinetic energy, taken per unit time and integrated over the storm. We highlight the importance of an internally consistent framework to estimate both storm energy and power and provide some perspectives for further investigating the role of moisture.

研究动机与目标

• 解决飓风最大潜在强度（MPI）理论中热力学功法与实时功率法之间存在的不一致。
• 探究在MPI速度估算中忽略降水重力功率是否导致显著高估。
• 阐明在相变和垂直运动存在的情况下，压力功与动能耗散之间的关系。
• 建立一个统一能量与功率的框架，特别关注水汽与凝结在热带气旋能量学中的作用。
• 评估近期关于MPI风速因未计入重力功而被高估10–30%的说法是否具有物理依据。

提出的方法

• 以最一般形式推导MPI概念，同时采用功（单位质量的能量）和功率（单位时间的功）两种公式。
• 应用伯努利方程和连续性方程，关联稳态大气环流中的压力梯度、动能与垂直运动。
• 使用物质导数的体积分和散度定理，分析封闭大气控制体内的能量与功平衡。
• 引入并评估降水重力功率作为能量预算中的一个项，将其与潜热释放区分开。
• 比较包含抬升功的功法MPI压力估算与忽略降水重力功的功率法MPI速度估算。
• 证明不一致源于在功率方法中对压力功与动能耗散关系的公式不完整。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何功率法MPI速度估算未考虑降水重力功，而功法公式中却已包含？
• RQ2 由于降水重力功率导致的MPI风速修正量有多大？
• RQ3 功法与功率法在处理垂直运动和相变方面有何不同？
• RQ4 能否构建一个统一热力学与动力学特征的一致能量-功率框架，以描述飓风强度？
• RQ5 此前声称因忽略降水功导致MPI风速高估10–30%的说法在物理上是否成立？

主要发现

• 降水重力功率在能量预算中不可忽略，但其在功率法MPI速度估算中被遗漏，仅导致约10%或更小的修正，远低于此前声称的10–30%。
• 功法MPI压力估算正确包含了抬升空气与凝结物所需的能量，但功率法速度估算未包含与降水相关的重力功。
• 不一致源于在相变存在条件下，对压力功与动能耗散关系的公式不完整。
• 方程A.6中的降水重力功率项（C）具有显著意义，应在功率平衡中予以包含，但其量级相对于其他项较小。
• 方程A.6中的凝结动能产生项（D）可忽略不计，因为即使在风速约60 m/s的强飓风中，gz ≫ K 依然成立。
• 结合功法与功率法的统一框架表明，当正确应用时，原始MPI理论在内部是自洽的，仅需对降水功进行微小修正。