基于卡诺（Carnot）热机的热带气旋加强的理论研究

Tropical cyclone (TC) track forecasts have improved steadily during the past three decades, due mainly to the availability of observations from satellites and airborne dropsondes, improvements in numerical weather prediction models, and advances in data assimilation techniques as well as improved understanding of the physical processes governing the motion of TCs. However, little improvement has occurred in predicting TC intensity. This is due partly to the fact that the dynamical and physical processes controlling TC intensity change are much more complicated than those governing TC motion, and partly to our lacked understanding and theoretical measure of those processes. Based on the concept of a nonsteady Carnot heat engine, this project attempts to develop a theoretical dynamical model system that can quantitatively estimate TC intensity change by introducing a dynamical-efficiency coefficient to the TC heat engine system. This coefficient is assumed to be a function of the TC inner- and outer-core inertial stability, the inner-core asymmetry, and environmental vertical wind shear (EVWS), and etc, and will be quantitatively determined by data analyses and ensemble numerical experiments. The theoretical model system so developed can help not only qualitatively understand the dynamical and physical processes controlling TC intensity change but also quantitatively estimate the relative and combined contributions of individual processes to TC intensity change. Based on the theoretical dynamical model system to be constructed, a new dynamical prediction scheme for real TC intensity will also be developed and tested, with an ultimate goal to provide an alternative operational TC intensity forecast guidance.

近三十多年来，由于观测，特别是卫星和下投式探空观测、数值模式和资料同化技术的改进以及对控制热带气旋（TC）移动物理过程理解的深入，TC移动路径预报的技巧得到了持续的改进，然而对TC强度预报的改进相对缓慢。其主要原因是控制TC强度变化的动力和物理过程比控制TC移动的动力和物理过程复杂得多，人们对其认识还不够深入，且缺少定量的理论估计。本项目将基于非定常卡诺热机的概念，通过引入TC热机的动力效率建立一个可用于定量估计TC强度变化的理论模型，其动力效率是TC内、外核惯性稳定性、非轴对称性结构、和环境风垂直切变等的函数，将通过观测资料分析和数值模拟定量地确定。由此建立的理论模型既能定性地解释影响TC强度变化的动力和热 力学机理，又能定量地估计不同动力和热力过程对TC强度变化的相对贡献及综合影响。基于这一理论模型，本项目拟发展一可用于实际TC强度预报的新的动力预报方案，为TC强度的业务预报服务。

近三十多年来，由于观测，特别是卫星和下投式探空观测、数值模式和资料同化技术的改进以及对控制热带气旋（TC）移动物理过程理解的深入，TC移动路径预报的技巧得到了持续的改进，然而对TC强度预报的改进相对缓慢。其主要原因是控制TC强度变化的动力和物理过程比控制TC移动的动力和物理过程复杂得多，人们对其认识还不够深入，且缺少定量的理论估计。本项目基于非定常的卡诺热机原理，发展和完善了一个新的TC增强的动力系统模型，该模型能用于定量估计理想数值模拟和实际TC的增强率（强度变化率），最终用于实际TC的强度预报。将TC视为非定常的卡诺热机，涉及到诸多TC动力和热力过程，充分认识和理解各种不同过程及其相互联系是建立TC强度变化动力系统模型的理论基础，与此同时，所发展的理论模型也需要得到观测的检验。因此，我们围绕TC强度和结构变化的内部热动力机理、影响TC强度变化的环境热动力因子及TC登陆后的强度衰减开展了广泛的研究。重点开展了TC强度变化机理和基于卡诺热机发展的动力系统模型的深入研究，初步建立了基于能量学和动力学的TC增强的动力系统模型，探讨了TC内核尺度变化和TC快速增强的关系以及TC最大可能强度对海温的依赖及机理，对TC双眼墙的形成及暖心演变和双TC相互作用下的强度变化机理开展了创新性研究。还在TC边界层理论、环境场影响TC强度变化的机理、TC影响下的海气相互作用、岛屿地形对TC眼墙的影响以及登陆TC强度和降水变化等诸多方面取得了显著进展，为发展和完善TC强度变化动力系统模型提供了坚实的理论基础和观测支撑。在此基础上建立的理论模型不仅具有重要的理论意义，而且对TC强度的预报提供了一个新的动力系统模型方法，具有实际应用前景，因此研究成果将对提升我国台风强度预报水平和防灾减灾具有指导意义。