潜在强度用于估计给定海洋和大气热力环境下,热带气旋能够达到的理论强度上限。它不是实际强度预报,因为风切变、干空气、内核结构和海洋冷却等过程都可能使实际强度低于这一上限。
PI 与 MPI
PI 是 Potential Intensity,MPI 是 Maximum Potential Intensity。文献中的命名和具体实现可能不同,但二者通常都指热带气旋在理想化热力平衡下的潜在最大强度。
一种常见表达为:
$$
V_{PI}^2=\frac{C_k}{C_D}\frac{T_s-T_o}{T_o}\left(k_s^*-k\right)
$$
其中:
- $C_k$ 是海气焓交换系数;
- $C_D$ 是海面阻力系数;
- $T_s$ 是海表温度;
- $T_o$ 是出流层温度;
- $k_s^*$ 是海表温度下的饱和空气焓;
- $k$ 是近海面边界层空气焓。
从公式可以看出,较暖的海表、较冷的出流层和较大的海气焓差通常对应更高的潜在强度,但实际解释必须结合完整的大气垂直廓线和计算方案。
DPI
DPI 是 Dynamic Potential Intensity,即动态潜在强度。传统 PI 常使用台风到来前的海表温度,但强风会混合上层海洋,把较冷的次表层海水卷入混合层,使台风下方海表降温。这会减少海洋向台风提供的热量和水汽,形成负反馈。
DPI 的思路是先估算台风能够混合到的深度 $L$,再计算这一深度内的有效温度:
$$
T_{dy}=\frac{1}{L}\int_0^L T(z),dz
$$
随后用 $T_{dy}$ 替代传统 PI 中的海表温度。混合深度不是固定值,而是由初始混合层、风应力、作用时间以及温盐控制的密度层结共同决定。
盐度为什么重要
盐度层结可以抑制垂直混合。若表层存在较淡、较轻的水层,即使温度层结不强,密度层结也可能阻止冷水被卷到海面,从而减弱台风引起的海表降温。
研究中可以分别使用真实温盐剖面和仅保留温度贡献的密度剖面计算 DPI,两者差异可用于估计盐度层结的影响。但“去掉盐度影响”的具体实验设置应严格按照所采用论文的方法说明。
三者的关系
- PI/MPI:描述理想化海气热力环境提供的强度上限。
- DPI:在 PI 框架中进一步考虑台风诱导的上层海洋混合和冷却。
- 实际台风强度:还会受环境风切变、湿度、内核过程、移动速度等因素限制。
参考文献
- Emanuel, K. A. (1987), The dependence of hurricane intensity on climate.
- Balaguru, K. et al. (2015), Dynamic Potential Intensity: An improved representation of the ocean’s impact on tropical cyclones.