北京大学大气与海洋科学系聂绩课题组与南京大学谈哲敏院士课题组合作研究，揭示了热带中尺度对流系统的“对流耦合内在振荡”这一重要的内在动力模态，为理解热带对流系统，如热带气旋、季风扰动等的演化特征提供了新的理论支撑，对观测现象的理解提出了新的视角。相关成果以“热带中尺度对流系统的内在振荡”( Internal Oscillations of Tropical Mesoscale Convective Disturbances)为题，于2025年11月发表于 Journal of the atmospheric sciences。
热带中尺度对流系统的观测和数值模拟中，人们常发现其强度表现出一定的准周期性信号：例如在热带气旋和季风扰动中，降水等对流活动呈现显著的准日循环周期；又如在热带西北太平洋一些对流云团中，也经常能观测到周期2天左右的对流振荡。前人普遍认为，这些周期性主要是由周期性外强迫引起的，如辐射日循环或大尺度波动的强迫。另一方面，一些研究表明热带中尺度对流系统即便在没有周期性外强迫的情况下，仍可呈现出显著的准周期性特征；然而，这派观点由于缺乏理论支撑并未获得广泛的关注。
本研究通过数值试验阐明，纵然没有周期性外强迫，热带中尺度对流系统依然能够自发产生显著的周期性对流振荡（图1）；此振荡的物理机制是对流耦合的惯性重力振荡，是系统的内在振荡模态，我们称之为中尺度对流系统的对流耦合内在振荡 (Convectively coupled internal oscillation)。
图1：无外强迫的理想试验中，中尺度对流系统的垂直运动和非绝热加热的时间-高度演变图。图中可见周期为15至28小时的振荡模态。
中尺度对流系统的生命史通常由浅对流-深对流-层云的演变规律组成。作为收尾阶段的层云结构会在系统低层产生辐散和降温，不利于后续对流的进一步发展，进而结束对流系统的生命史。因此理解热带中尺度对流系统周期性演变的核心在于，层云降水后对流如何得到恢复。通过对降水和对流活动的分析，我们发现对流活动的兴衰由热力学变量‘低层浮力’(low-level buoyancy)所主导（图2）。进一步分析表明，层云结构的强迫虽然会在短时间内降低低层浮力，不利于对流产生，但是低层浮力很快得到恢复并激发下一波对流。这个恢复机制来源于层云加热所触发的惯性重力振荡。值得一提的是，虽然从量级上来说，深对流加热比层云加热更加显著，但是深对流加热由于其垂直波数较小，对激发惯性重力振荡的效果却微乎其微；相比之下，层云加热产生的惯性重力振荡起更主要的作用。
据此，我们提出了热带中尺度对流系统的内在振荡机制：当中尺度对流系统产生一波深对流活动后，对流的消散会产生层云结构；虽然层云结构的同期效果是抑制对流发展，但是其后续激发的惯性重力振荡会使得系统内部产生有效的低层浮力恢复，进而激发下一波深对流，形成周期性振荡。和干大气经典理论中的惯性重力振荡不同，在此内在振荡中，湿对流、边界层过程、和波动紧密耦合在一起，共同推动系统演化。模拟和理论计算一致表明，振荡的周期主要受到科氏参数、层结稳定度、和中尺度对流系统的尺度决定（图3）。
图2：模拟中对流系统的降水率和使用低层浮力估算的降水率。
图3：模拟中的层云激发的振荡周期和惯性重力振荡理论计算得到的周期对比图。
论文第一作者为南京大学南赫学院杨博雷助理教授，通讯作者为北京大学大气与海洋科学系聂绩长聘副教授，合作者为加州大学伯克利分校William Boos教授和南京大学大气科学学院谈哲敏院士。
论文信息：
Bolei Yang, William R. Boos, Zhe-Min Tan, and Ji Nie (2025). Internal Oscillations of Tropical Mesoscale Convective Disturbances, Journal of the Atmospheric Sciences, 82, 2611–2629, https://doi.org/10.1175/JAS-D-24-0282.1
