热带气旋快速强度变化的微物理与边界层参数化方案组合敏感性研究

针对热带气旋(TC)快速增强(RI)和减弱(RW)预测难题，研究人员通过WRF模型结合不同微物理(MP)和行星边界层(PBL)参数化方案，对台风"彩虹"(2015)开展高分辨率模拟。研究发现，RI期间靠近气旋中心的潜热释放是关键驱动因素，而Goddard_YSU方案组合能最准确模拟RI和RW过程，为TC强度预报提供了重要理论依据。

　　

在全球气候变暖背景下，热带气旋(TC)呈现出"数量减少但强度增强"的显著特征。尤其令人担忧的是，东亚沿海地区遭遇快速增强(Rapid Intensification, RI)台风登陆的频率逐年攀升。尽管数值预报技术不断进步，但TC强度预测尤其是24小时内中心气压骤降42 hPa或最大风速骤增15 m/s的RI过程，仍是气象学界公认的"预报难题"。这种预报不确定性主要源于数值模型中微物理(Microphysics, MP)和行星边界层(Planetary Boundary Layer, PBL)参数化方案的选择差异——就像试图用不同品牌的零件组装精密仪器，每个部件的微小差异都可能导致最终性能的巨大波动。

中国科学院的科研人员以2015年强台风"彩虹"(Mujigae)为研究对象，这个在南海秋季创下建国以来10月最强登陆记录的TC，其戏剧性的RI近岸增强过程为研究提供了绝佳样本。研究团队运用Weather Research and Forecasting (WRF) V4.3模型，创新性地组合三种MP方案(WSM6、WSM7、Goddard)与三种PBL方案(YSU、QNSE、BouLac)，构建了九组高分辨率(3 km)模拟实验。通过对比全球预报系统(GFS)初始场和联合台风警报中心(JTWC)最佳路径数据，结合GPM卫星雷达反射率等多源观测验证，揭示了参数化方案影响TC强度的物理机制。

关键技术方法包括：采用双向交互的双重嵌套网格(9 km和3 km分辨率)进行区域模拟；通过计算对流爆发(CB)指数量化深对流活动；基于39个垂直层级的动力框架分析边界层能量输送；利用WRF-Chem模块追踪水成物分布与相变过程。

RI时期的动力学特征
Goddard_YSU组合最精确再现了观测的RI过程，其成功关键在于模拟出靠近TC中心的强潜热释放。这种"能量内爆"效应促使眼墙对流指数(CB)飙升，快速形成紧凑结构，切向动能增加导致气压骤降。有趣的是，表面焓通量在触发RI中仅起次要作用——就像助燃剂无法点燃湿柴，充足的海气能量交换仅能强化已开始的RI过程。

RW过程的能量断供机制
登陆后RI组的TCs表现出明显的能量断供：边界层潜热输送锐减50%，中层惯性稳定性崩溃导致暖心结构瓦解。这与WSM6/WSM7方案组持续的高焓通量但弱对流形成鲜明对比，揭示RW本质是"能量供应链"的突然断裂。

参数化方案的性能排序
通过亮度温度、反射率等多指标验证，方案组合的优劣排序为：Goddard_YSU > Goddard_QNSE > WSM7_BouLac。特别值得注意的是，包含霰粒相的Goddard方案通过调控眼墙上升流的水成物分布，产生比WSM系列方案更合理的潜热垂直分布。

这项发表在《Dynamics of Atmospheres and Oceans》的研究，首次系统阐释了MP-PBL方案组合影响TC快速变化的物理链条：微物理过程主导的潜热空间分布→对流爆发强度→边界层动能输送效率→最终决定RI/RW进程。该成果不仅为台风强度预报提供了"Goddard_YSU"这一优选参数化方案组合，更重要的是建立了"能量内爆-断供"的概念模型，为理解TC突变过程提供了新视角。正如审稿专家指出，这种多参数化方案协同效应的研究思路，对改进其他极端天气事件的数值预报具有范式意义。