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[理论研究] CISK的缺陷與誤用

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发表于 2013-7-17 22:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 methk 于 2013-10-26 22:02 编辑

每逢風季,總是看到一些文章寫著「CISK機制成功啟動」、「CISK運作良好」云云。CISK在1964年由Charney&Eliassen提出到1980年代初,都廣受支持及採用。可是其後已被一連串學者的研究(例如Smith 1997)質疑不能解釋TC的生成與增強。為甚麼到了今天,CISK仍然可見於一些TC教材或熱帶氣象學課程中呢?那是因為CISK清晰簡單易懂。

CISK的主要缺憾
(1)熱帶海洋的對流有效位能(CAPE)通常很小。CISK根本無法靠邊界層摩擦及埃克曼抽吸來激發持續對流
(2)CISK機制下增強率最不穗定的模態的尺度是非常小的,因此CISK機制下產生的TC是超級迷你型
(3)TC增強包括了非線性過程。CISK是一個線性理論模型,無法解釋這一點。
(4)CISK完全忽略了地面/海面水汽和熱通量往上的輸送。所以按照CISK的話,盛夏時份的中緯度大陸熱力和地形條件,理應普遍存在初生型TC。這個實際是不存在的。

用CISK來解釋TC增強又如何呢?
Craig&Gray在1996年測試過TC增強對於CISK和WISHE(簡單來說是考慮了表面通量的機制)之敏感性。結果,增加熱和水汽通量導致了明顯急速增強。相反,增大表面摩擦力卻沒有明顯分別。至少說明,TC的增強不該由CISK來解釋。WISHE是一個替代選擇。

有甚麼其他理論取代CISK?
最常見的是Ooyama在1964,1969和1982年持續研究的Cooperative Intensification機制、Emanuel在1986年發表的WISHE機制。還有當今前沿研究課題:熱塔機制。這三種機制聯合其他研究中的機制,可以解釋TC發展前的小渦形成、TC形成及增強。

所以,在此希望大家弄個明白,經過1980年代起學術界的多番爭論,CISK對於TC形成及增強的解釋已經過時。氣象愛好者應該與時並進,停止把CISK套在這些領域中。

參考文獻:
Ooyama, K. V., 1964: A dynamical model for the study of tropical cyclone development. Geophys. Int., 4, 187-198.
Ooyama, K. V., 1969: Numerical simulation of the life cycle of tropical cyclones. J. Atmos. Sci., 26, 3-40.
Ooyama, K. V., 1982: Conceptual evolution of the theory and modeling of the tropical cyclone. J. Meteor. Soc. Japan, 60, 369-380.
Emanuel, K. A., 1986: An air-sea interaction theory for tropical cyclones. Part I: Steady-state maintenance. J. Atmos. Sci., 43, 585-605.
Emanuel, K. A., 1991: The theory of hurricanes. Annu. Rev. Fluid Mech., 23, 179-196.
Craig, G. C. and S. L. Gray, 1996: CISK or WISHE as the mechanism for tropical cyclone intensification. J. Atmos. Sci., 53, 3528-3540.
Smith, R. K., 1997: On the theory of CISK. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 123, 407-418.

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本帖被以下淘专辑推荐:

发表于 2013-7-17 23:20 | 显示全部楼层
CISK理论之于热带气旋,可否视为三圈环流理论之于全球对流层大气的地位?
两者都已经过时并明显存在缺陷,但仍然见于教科书中(尤其是初学)
发表于 2013-7-18 00:58 | 显示全部楼层
这文章在大陆应该属于“前沿”了,运气不好还有可能被打入“伪科学” {:soso_e120:}

热塔以前略有了解,现在有两个疑问:

1、暖心机制是否属于CISK?

2、WISHE又是如何解释和验证?
 楼主| 发表于 2013-7-18 04:29 | 显示全部楼层
應該不用放在百家前沿了吧{:soso_e120:}

在微弱垂直風切變下,CISK和WISHE都描述有暖心形成。但如首樓所述,熱帶海洋上空的CAPE很小,在CISK機制下持續對流和暖心其實難以形成。

簡單來說,兩者概念上的分別是:
CISK正回饋是:初始擾動=>梯度風加上摩擦=>中心輻合產生上升運動=>CAPE釋放,對流繼續往上發展,水汽潛熱釋放,暖心形成=>表面氣壓降低,梯度風增強=>...
WISHE正回饋是:初始擾動=>其環流的邊界層空氣接收表面水汽、熱、動量通量(包括摩擦)=>中心輻合有上升運動=>對流性不穩定和條件性不穩定被激發,上升運動向上發展,水汽潛熱釋放,暖心形成=>擾動和其環流增強=>邊界層接收的各種表面通量加強=>更大對流性不穩定和條件性不穩定=>...

目前1996年,Craig& Gray的計算機模擬試驗顯示,按照WISHE,增加了40%表面水汽和熱通量可讓中心氣壓降低20hPa;減少40%表面通量則讓中心氣壓升高25hPa。他們按照CISK,分別加大和減少表面摩擦拖曳40%,結果TC中心氣壓沒有明顯變化。至於真實個案分析驗證,我目前想不到有什麼文獻可以查閱......

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发表于 2013-7-25 21:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 金杯 于 2013-7-26 09:07 编辑

怎么说呢,我们在实际应用中肯定考虑海温是一个非常重要的因素吧,也就是所谓“感热”,而如前所述,似乎CISK机制是只讲潜热,忽略感热的,这看起来不应是其本意,后者也不是任何一本教材、以及任何人在实际应用中所可以忽略的,不然传统教材还讲“26.5℃线”干什么呢?当然,这些“海洋表面的水汽能量”如何发挥作用,这些新提出的关于台风生成发展的机制也说的很好了。

那么为什么教材里还说CISK呢,我理解这可能是认为CISK是热带气旋的特征性机制。比方说一个TC,进入低海温区,甚至说登陆了,那么海水感热条件就直接不存在了,它显然一般来说是要减弱的,但虽说减弱,却不至于一下消失,有时候减弱的还很慢,比方说辐合辐散水汽条件很好的时候,这时候起作用的差不多可以说是CISK机制,当然BISHE可能也涵盖它了。想想看,没有人会说登陆了或者对流很差但仍存在暖心的TC就不是TC了,但是一旦变性为温带气旋了,CISK就不起重要作用了,这时候我们就会说,它确实不是TC了……
发表于 2013-7-26 10:04 | 显示全部楼层
《广东省天气预报技术手册》最新版里面对CISK的增补——CISK+AEVTA→多尺度组合理论

CISK01.PNG

CISK02.PNG
 楼主| 发表于 2013-7-29 23:47 | 显示全部楼层
谢谢大家热烈的讨论。WISHE当然不是完美理论,不过相对CISK来说,它除了涵盖了CISK之外,它把这个增强过程正回馈的决定性因子,从对流的本身改为表面各种物理通量的传递。WISHE也更好地描述了TC的非线性增强过程。看看3楼,在概念上,WISHE是从CISK上的修改。

目前国际主流研究认为/推测,是热塔,涡度跨尺度互动合并,加上WISHE来完成生成、增强过程。TC生成到增强,还没有一套完整学说,仍然是前沿题目,有很多发展空间呢。
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