摘要 利用高分辨率中尺度WRFARW模式，进行云辐射强迫效应对热带气旋（Tropical Cyclone，TC）发展和结构影响的敏感性试验研究。结果表明，云辐射强迫效应主要通过改变TC云区的辐射分布影响对流活动，进而影响TC的发展和结构。在TC发展阶段，TC内区对流云区云顶的强烈辐射冷却作用和云层内部的辐射增温过程降低了TC中上层的静力稳定度，中下层的变化相对不明显。总体上考虑云辐射效应的试验更易激发出更多更强的对流活动，有利于TC的发展及TC尺度的增大。鉴于云辐射强迫对TC的影响，在TC数值预报中需要更加重视云辐射强迫效应。
关键词云辐射强迫效应；热带气旋；气旋发展；气旋結构
热带气旋（Tropical Cyclone，TC）的强度和结构受很多因素的影响，相关研究一直受到气象学者的高度重视（王伟和余锦华，2013；李肖雅等，2014；李杭玥等，2015）。大量研究表明，TC的内部因子、环境气流与边界层的相互作用以及海洋热力变化等对TC的强度和结构具有重要影响。TC的内部因子包括眼墙及螺旋雨带的特征（陈联寿和丁一汇，1979）、眼墙的替换（Wang，2001；Sitkowski et al.，2012）以及对流的非对称分布（翁之梅等，2012）等；有关环境气流与边界层相互作用主要包括环境流场的垂直切变等对TC的作用（沈阳，2012）、下垫面等外界环境与TC环流的相互作用等（Duan et al.，2000）；热力过程主要包括TC热力结构变化（王瑾和江吉喜，2005）以及海洋热力变化（端义宏等，2005）对TC强度的影响等。
随着数值模式在天气预报中的广泛使用，各种物理过程的参数化方案的应用越来越受到重视。许多研究表明，各种模式物理参数化过程对TC模拟有显著的作用（Lord et al.，1984；Braun and Tao，2000；Wang，2002；Zhu and Zhang，2006）。Fovell and Su（2007）研究指出云微物理过程可以改变TC的结构和路径。Fovell et al.（2009）通过“半理想化模型”进一步发现：在TC区域内，不同云微物理参数化方案的选择会导致TC结构存在差异，特别是在眼墙附近的大风区范围内。基于“β漂移”效应对台风尺度的敏感性，这将进一步影响TC的路径（Holland，1983；Fiorino and Elsberry，1989；Fovell et al.，2010）。而云辐射强迫效应是一个复杂的过程，很大程度上取决于云微物理参数化。当水汽凝结物的浓度和分布不同时，云辐射强迫作用也必然不同（Bu et al.，2014）。Ge et al.（2014）发现太阳辐射日变化对TC发展和结构具有一定的影响。由此可见，云辐射强迫作用是当前模式预报中一个重要的不确定因素。因此，本文将开展云辐射强迫对TC作用的敏感性研究，主要探讨其对台风发展及结构的可能影响。
丁一汇和孔军（1988）基于三维数值模式研究了辐射对TC的影响，发现辐射过程使得模式气旋发展得更早、更强，但最后达到稳定状态的强度则差别不大。在发展阶段，有辐射的模式气旋有更快的地面气压加深率，更强的低空最大风速和上升运动，更明显的眼区和眼壁等。虽然该模型良好地再现了TC的发展过程，但这种较为简单的数值模型（水平和垂直方向分辨率较低，物理参数化过程不够完善）限制了对其物理机制的研究。为了解决这个问题，本研究使用了更为成熟的WRFARW数值模式，试图通过比较TC强度和结构的演化特征，揭示云辐射强迫效应对TC发展和结构影响的物理机制。
1 数值模式及试验方案设计
本文使用WRFARW（3.3.1版本）进行了两组理想试验。采用理想试验是为了能最大限度地避免某些不确定因素（如下垫面、TC与环境场的相互作用等）对云辐射强迫过程模拟的干扰，从而能突出云辐射强迫对TC的作用。试验中采用双向的双重嵌套，每重网格都包含了241×241个格点，水平分辨率分别为9 km和3 km，垂直方向上共有28层。云物理过程采用WSM6云微物理方案。模式初始场来自一个理想的对称气旋性涡旋，其初始时刻最大风速为8 m/s，最大风速半径为125 km。
初始涡旋切向风风速随高度呈现递减。为简化起见，本文采用f平面，中心纬度为15°N。下垫面是均匀的海洋（海表温度设为29 ℃），没有考虑大尺度环境气流影响（即静止大气）。环境场初始水汽和温度廓线均参照Jordan（1958）。根据设定的风场，通过求解非线性平衡方程可以得到质量场和热力学场要素。具体其他模式参数参照Ge et al.（2014）。通过改变WRF参数中icloud的取值可以反映云辐射强迫效应（CRF）的强迫作用。具体做法是，当icloud为1时，模拟中考虑了云辐射强迫效应；反之，当icloud为0则排除了云辐射效应。通过以上两组模拟试验的对比，可以得到云辐射强迫效应对TC发展的影响程度。具体试验方案如表1所示：
2 数值试验结果对比
2.1 TC发展特征
图1表征了两组TC强度随时间的变化。经过5 d积分时间，两组试验的初始涡旋均发展到台风强度。试验表明，两者进入快速发展的时间存在一定差别：在考虑云辐射强迫效应（CRFON）的试验中，涡旋大约在36 h后开始迅速发展；而在未考虑云辐射强迫效应（CRFOFF）的试验中，涡旋在48 h后才开始迅速发展。即CRFON比CRFOFF发展更快。这意味着云辐射强迫效应对涡旋的发展有明显的影响。需要指出的是，两组试验TC在快速发展后期，其强度差别不大，基于MPI（Maximum Possible Intensification）理论，台风发展阶段的最终强度很大可能上取决于海表面温度（Sea Surface Temperature，SST），两组试验有着相同的SST，也就有着接近的强度。