热带气旋增强新理论中的物理机制质疑：未阐明角动量源引发的理论完整性探讨

本文针对Wang et al. (2021)和Li et al. (2024)提出的热带气旋时间依赖性增强理论展开物理机制分析，指出该理论存在未阐明绝对角动量(M)来源的核心缺陷。研究人员通过对比经典Ooyama-Shapiro理论框架，揭示新理论中Vm增强必须依赖非物理的M源，且上边界条件参数A′的空间非依赖性假设缺乏现实基础，对使用全物理模型验证的方法论提出质疑，为热带气旋强度预测模型的物理完整性评估提供重要依据。

　　

在气象学研究领域，热带气旋的强度预测始终是困扰科学家的重大难题。传统理论认为，热带气旋的增强主要源于边界层内角动量(M)的辐合与自由大气中M的守恒这一物理过程。然而近年来，Wang et al.和Li et al.相继提出基于Emanuel模型框架的新时间依赖性理论，声称通过引入上流出层湍流混合等机制，可以更好地解释热带气旋的增强过程。这些理论在学界引发广泛讨论的同时，其物理基础却始终存在诸多未解之谜。

针对这一争议性问题，德国慕尼黑大学气象研究所（Meteorological Institute, Ludwig-Maximilians University of Munich）的Roger K. Smith和Michael T. Montgomery团队在《Tropical Cyclone Research and Review》发表重要研究。通过系统分析新理论的物理框架，研究人员揭示其核心矛盾：在假定径向流入仅存在于边界层的情况下，最大梯度风速(V_m)的增强必须依赖未被阐明的角动量源，这与经典理论中M守恒的基本原则相悖。这一发现对当前热带气旋强度预测模型的发展方向提出了根本性质疑。

研究主要采用理论推导与模型对比方法：首先解析新理论中关于M和饱和比熵(s*)守恒的隐含假设；其次通过热力学-动力学耦合分析，揭示V_m增强方程中各项的物理意义；最后对比全物理模型与新理论在守恒定律方面的本质差异。特别关注边界层顶(z=h)处流动连续性与M守恒的关键矛盾。

【2. The new intensification theory in brief】研究指出，新理论延续Emanuel模型的基本架构：浅层摩擦边界层(h恒定)内发生径向流入，自由大气中假定M与s*面全局重合。但推导出的V_m增强方程(类似原文式1)显示，其右端第一项必须足够大以抵消负定的第二项，这意味着增强过程本质上依赖上流出层湍流混合参数化。然而Montgomery和Smith早前已证明该混合机制实际与理论无关。

【2.1. The new modifications】Wang et al.的改进版本放弃湍流混合假设，转而引入两个关键参数：β表征边界层热力学准平衡态，A′描述M与s*面的非重合程度。但A′被处理为空间常数，与Peng et al.观测到的显著空间依赖性相矛盾。更关键的是，新理论仍无法解释M-surfaces向内运动的物理驱动机制。

【3. The physics of the new intensification theory】物理机制分析表明，在边界层顶无径向流入的几何构型下，V_m增强必然要求存在M的物质源。这与Smith et al.论证的"边界层顶M守恒是涡旋增强基础"原则直接冲突。虽然Wang et al.声称该过程由眼墙表面焓通量驱动，但其理论框架中并未包含相应物理项。

【4. The comparison with a full-physics model】研究质疑使用全物理模型验证新理论的合理性：前者严格保持M和s*守恒，后者则允许非物理的M源存在。这种基本物理原理的差异使得比较结果难以验证新理论的真实性，参数调节过程可能掩盖理论缺陷。

【5. Conclusions】结论部分强调，新理论最严重的缺陷在于未能阐明V_m增强所需的角动量来源。在经典Ooyama-Shapiro理论中，自由大气层的径向流入自然导致M-surfaces内移；而新理论在仅边界层有流入的情况下，必须假设额外的M源，这使得其物理完整性存疑。此外，使用A′等空间常数参数描述实际具有复杂空间分布的现象，以及用物理原理不同的模型进行验证的方法论，都降低了新理论的可信度。

这项研究的意义在于，通过严格的物理原理分析，揭示了当前热带气旋增强理论发展中的关键瓶颈问题。它不仅对Wang-Li理论提出建设性批评，更重要的是为未来模型开发指明了方向：任何可行的增强理论都必须妥善处理角动量守恒这一基本原则。该成果将为改进热带气旋强度预测的物理框架提供重要参考。