引言
热带气旋（TC）是全球最具破坏性的自然灾害之一，造成严重的财产损失和人员伤亡（Emanuel, 2005; Liu and Chan, 2020; Pielke et al., 2008; Zhang et al., 2009）。TC的破坏潜力主要由其强度和外圈尺度决定，分别以最大持续风速和特定风速阈值半径来定义（Irish et al., 2008; Powell and Reinhold, 2007; Song et al., 2020a）。先前的研究发现TC强度与尺度之间存在弱相关性（Chan and Chan, 2012; Wu et al., 2015; Song et al., 2020a）。例如，1974年的特伦西飓风（Hurricane Trancy）为五级风暴，但其大风半径仅约100公里；而2012年的桑迪飓风（Hurricane Sandy）为三级风暴，但其大风半径接近1800公里（Schofield et al., 2010; Diakakis et al., 2015）。此外，具有相同强度的TC在尺度上可能存在显著差异，如1999年的弗洛伊德飓风（Hurricane Floyd）和2004年的查利飓风（Hurricane Charley）所示（Hill and Lackmann, 2009）。研究TC强度和尺度变化的机制以及影响二者关系的因素，对于TC相关灾害的预防至关重要。
大尺度的环境条件，特别是环境相对湿度（RH），对TC的强度和尺度具有显著影响（Knaff et al., 2005; Wang and Toumi, 2019）。基于观测数据，经历快速增强的TC通常与高相对湿度相关（Hendricks et al., 2010; Wu et al., 2012）。过去几十年中，全球沿海地区TC增强速率和快速增强事件呈增加趋势，也可归因于这些地区相对湿度的上升（Li et al., 2023; Balaguru et al., 2024）。潮湿的环境增强了TC内核的水汽饱和，促进深对流的发展，从而使TC增强（Xu and Wang, 2018; Chen et al., 2019）。另一方面，高湿度可能限制低熵空气侵入内核，从而削弱TC（Braun et al., 2012; Wu et al., 2012）。关于TC尺度，高相对湿度有利于TC外圈的潜热释放，导致气旋式涡度分布的绝热侧向扩张，促进尺度扩张（Hill and Lackmann, 2009）。相对湿度与TC尺度之间的正相关关系也得到了其他研究的支持（Kimball, 2006; Wang, 2009）。
需要注意的是，相关研究中研究者所考察的RH层位并不一致，且存在显著差异。例如，一些研究指定了300–400 hPa层（Wu et al., 2012），而另一些研究涉及500–700 hPa（Song et al., 2020b; Huang et al., 2024），或600–850 hPa（Shen et al., 2023）。此外，在全球海洋变暖的背景下，大气含水量预计将通过蒸发的增强而增加（Douville et al., 2021），而上层对流层则预计比近地面增温更快，因为对流层递减率趋于稳定（Shen et al., 2023）。这些综合效应可能导致不同层位的RH发生不同的变化。这引发了一个问题：不同层位的RH对TC强度和尺度的影响是否一致。基于观测数据，Knaff等（2005）发现，300–500 hPa附近的RH与TC强度变化的正相关性高于700–850 hPa附近的RH。Hendricks等（2010）也报告了类似的结果。Hill和Lackmann（2009）进行的数值模拟表明，整体环境湿化促进TC尺度增长，但其对强度的影响相对较小。Ying和Zhang（2012）发现，3.5公里（约700 hPa）以下的RH增加会增强台风塔利姆（2005年）的外圈雨带，促进尺度增长，但由于径向流入模式的改变而阻碍增强。此外，Wang和Toumi（2019）证明，中层环境干燥会增强TC外圈雨带的潜热释放水平梯度，从而增强次级环流并促进尺度扩张。相反，干空气侵入TC内核则会抑制其增强。
基于现有研究，可以明显看出不同层位的RH对TC发展具有不同的影响。然而，关于先前的发现及相关物理机制仍存在争议。本研究旨在通过研究三个关键问题来填补这些空白：(1) TC发展过程中，RH是否在垂直方向上同步变化？(2) 不同层位的RH如何影响TC的强度和尺度？(3) 这些效应背后的机制是什么？本研究表明，在TC发展过程中，中层和低层RH之间的相关性较弱，且它们的增强通过不同的物理过程分别驱动TC增强和尺度扩张。中层湿化主要增强TC强度，而低层湿化主要驱动TC尺度扩张。本文其余部分组织如下：第2节描述数据来源和方法；第3节展示垂直RH的变化、其对TC强度和尺度的影响、敏感性测试、复合分析和数值模拟结果；第4节提供讨论和主要结论。
