臺風雙眼墻形成及眼墻替換過程的研究進展

程小平, 費建芳, 李湘成, 黃小剛, 楊雯

1 國防科技大學氣象海洋學院, 長沙 410003 2 中國氣象科學院災害天氣國家重點實驗室, 北京 100081

0 引言

臺風雙眼墻，又名同心眼墻(Concentric Eyewalls，CEs)，是臺風發(fā)展過程中同時出現(xiàn)內(nèi)外兩個閉合眼墻的現(xiàn)象(Fortner，1958)，也是強臺風中經(jīng)常伴隨出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征.臺風雙眼墻是指在臺風發(fā)展過程中，螺旋雨帶內(nèi)的對流迅速發(fā)展并逐漸包裹住主眼墻，形成近似閉合的圓形對流環(huán)，同時出現(xiàn)切向風的第二個極大值區(qū)和moat區(qū)，最終形成外眼墻(Secondary Eyewall Formation，SEF).CEs的結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)眼墻(主眼墻)、外眼墻(第二眼墻)以及兩者之間具有較強下沉氣流的晴空區(qū)(moat區(qū)).臺風雙眼墻形成后往往會經(jīng)歷一次眼墻替換過程(Eyewall Replacement Cycle，ERC)，即外眼墻形成后會逐漸增強并向內(nèi)收縮，從而抑制內(nèi)眼墻的發(fā)展并最終取代內(nèi)眼墻，重新演變?yōu)閱窝蹓ε_風的過程(Willoughby et al.，1982).

統(tǒng)計結(jié)果表明，西北太平洋上所有達到四級和五級強度的臺風中，分別有57%和72%擁有CEs結(jié)構(gòu)(Kuo et al.，2009).同樣，Hawkins研究指出(Hawkins et al.，2004)西北太平洋上80%的強臺風擁有雙眼墻結(jié)構(gòu)，在其發(fā)展過程中至少經(jīng)歷一次ERC過程，少數(shù)臺風甚至經(jīng)歷了三次ERC過程(Molinari et al.，2019).ERC過程往往會造成臺風海面氣壓、最大風速和降水在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化(Houze et al.，2007；Kuo et al.，2009；Sitkowski et al.，2011；Huang et al., 2021)，從而大大增加了臺風強度和結(jié)構(gòu)預報的難度.比如，2019年第九號超強臺風“利奇馬”就是一個典型的雙眼墻臺風，其在登陸前后擁有非常明顯的雙眼墻結(jié)構(gòu)和兩個強風及強降水的大值區(qū)，給我國沿海地區(qū)造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失(如圖1).

圖1 2019年臺風“利奇馬”登陸前的雷達回波圖(雷達站：溫州，時間：2019年8月9日15 ∶ 29)http:∥www.nmc.cn/publish/radar/zhe-jiang/wen-zhou.htmFig.1 Radar reflectivity of typhoon Lekima (2019) before landing(Radar station: Wenzhou，time：15 ∶ 29 August 9 2019)

臺風雙眼墻受到大尺度環(huán)境場強迫(如環(huán)境風垂直切變和高空槽/急流等)、海氣相互作用和臺風渦旋內(nèi)部熱動力過程共同作用，雙眼墻的形成及其演變一直是臺風研究中的熱點和難點.近年來，國內(nèi)外在雙眼墻的形成機理和數(shù)值預報方面開展了大量研究，由于影響CEs的物理過程復雜多樣，目前對于SEF和ERC的形成機制和理論尚未成熟，還存在很多爭議和討論.相對于臺風雙眼墻頻發(fā)的現(xiàn)象，對雙眼墻生成和消亡的預報能力進展緩慢，數(shù)值天氣預報模式對SEF和ERC的預報能力十分有限(Zhu and Zhu，2014；Zhang et al.,2015；Zhang et al.，2017).2018年11月世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)組織的第九屆熱帶氣旋研討會上(The 9th International Workshop on Tropical Cyclones，IWTC-9)，來自各國學術(shù)界和業(yè)務部門的科學家就臺風雙眼墻形成和演變召開了專題研討，一致認為需要要進一步加強臺風雙眼墻形成演變機理和數(shù)值預報方面的研究(端義宏等，2020).

因此，本文著重梳理過去十余年來，國內(nèi)外學者對臺風雙眼墻SEF形成機制和ERC演變機理的發(fā)展現(xiàn)狀及最新研究進展，討論分析雙眼墻研究中有待進一步解決的問題和發(fā)展方向，以期為下一步臺風雙眼墻研究提供有益的借鑒和參考.

1 大尺度環(huán)境場對臺風雙眼墻的影響

1.1 臺風雙眼墻的統(tǒng)計特征

Kossin和Sitkowski利用微波成像資料以及颶風概率統(tǒng)計預報模型SHIPS(Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme)，對10年間(1997—2006)發(fā)生在大西洋和東北太平洋上的雙眼墻臺風進行大尺度環(huán)境特征分析發(fā)現(xiàn)，SEF的出現(xiàn)往往伴隨著高的臺風最大潛在強度、低的環(huán)境風垂直切變、弱的高空緯向風、暖的海洋下墊面和高的中高層相對濕度(Kossin and Sitkowski，2009).但是，對于不同類型的雙眼墻臺風，外部大尺度環(huán)境場作用也存在差別.

針對臺風外眼墻的大小，根據(jù)moat區(qū)平均寬度，雙眼墻可以分為窄moat區(qū)(17.8 km)和寬moat區(qū)(66.1 km)兩類，由于moat區(qū)寬度與內(nèi)眼墻沒有明顯相關(guān)性(Kuo et al.，2009)，moat區(qū)越寬對應外眼墻的尺寸也越大.統(tǒng)計分析表明，外眼墻較大的臺風容易在較高緯度(約22.4°N)、濕度較大且海面氣壓較低的環(huán)境中形成，外眼墻大小與臺風強度和環(huán)境低層渦度呈反相關(guān)，并且外眼墻越大(moat區(qū)范圍越寬)，越有利于雙眼墻的長時間維持(Zhou and Wang，2013).Yang等(Yang et al.，2013)針對雙眼墻維持時間和替換過程特征，利用西北太平洋15年的(1997—2011)雙眼墻臺風微波成像資料，將雙眼墻臺風分為ERC(分類標準：雙眼墻形成后，內(nèi)眼墻在20 h內(nèi)消失)、CEM(Concentric Eyewall Maintained，分類標準：雙眼墻共存超過20 h以上)和NRC(No Replacement Cycle，分類標準：外眼墻生成后，在20 h消散，未發(fā)生眼墻替換)三類進行統(tǒng)計分析表明：ERC型臺風共37個，占53%；NRC型共17個，占24%；CEM型共16個，占23%，且平均持續(xù)時間為31 h.CEM型雙眼墻臺風具有高濕度、大外眼墻(寬moat區(qū))等特點，其平均值超過ERC和NRC型雙眼墻臺風的50%.CEM型雙眼墻臺風往往發(fā)生在低風切變、高海溫和高濕度的環(huán)境中，可能受到臺風內(nèi)部渦旋動力學和外部環(huán)境強迫共同作用，而ERC型雙眼墻臺風中，環(huán)境條件變化較小，可能以臺風渦旋內(nèi)部動力學過程為主.另外，Zhu和Yu(2019)將雙眼墻臺風分為T-ERC(典型眼墻替換過程)和N-ERC(無眼墻替換過程)兩類進行統(tǒng)計分析也發(fā)現(xiàn)，N-ERC型雙眼墻臺風與環(huán)境相互作用劇烈，而T-ERC型雙眼墻臺風發(fā)生在相對平靜的環(huán)境場中.

值得注意的是，雙眼墻臺風SEF形成的前后24 h內(nèi)，三維海洋變化劇烈(Yang et al.，2013)，因此，Yang等(2014)分析了雙眼墻臺風與ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同相態(tài)之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，雙眼墻臺風年發(fā)生數(shù)與ONI指數(shù)(Oceanic Nio Index)具有很強的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到了0.72.55%(50%)雙眼墻臺風出現(xiàn)在ENSO暖(中性)季，且臺風雙眼墻持續(xù)時間(大于20 h)更長，強度(尺度)也更強(大).然而，在ENSO冷季出現(xiàn)的雙眼墻臺風只占到了25%.

ERC過程中臺風強度將發(fā)生劇烈變化，造成了臺風強度預報的巨大誤差.為了考慮ERC過程對臺風強度變化的影響，Kossin和Sitkowski(Sitkowski et al.，2011；Kossin and Sitkowski，2012；Kossin，2015)利用飛機加密觀測的19次ERC過程數(shù)據(jù)，將ERC過程中臺風強度變化劃分為三個階段：增強(SEF啟動時)、減弱(ERC啟動階段)和再增強階段(ERC將完成時).并將該模型整合到美國大氣海洋局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)颶風預報中心(National Hurricane Center，NHC)的颶風統(tǒng)計預報模型SHIPS，形成適用于雙眼墻臺風的統(tǒng)計預報模型E-SHIPS(ERC-SHIPS)，將雙眼墻颶風的短時(<24 h)強度統(tǒng)計預報誤差降低了50%(Kossin and DeMaria，2016)，E-SHIPS也是當前NHC開展雙眼墻颶風強度統(tǒng)計預報的業(yè)務系統(tǒng).由于E-SHIPS統(tǒng)計模型需要事先給定SEF啟動時間，因此判斷SEF是否啟動成為制約該統(tǒng)計模型有效利用的瓶頸.最近，利用85 GHz的衛(wèi)星微波資料，Wimmers和Velden采用ARCHER反演算法(the Automated Rotational Center Hurricane Retrieval)發(fā)展了一種雙眼墻臺風ERC發(fā)生概率的實時分析模型M-PERC(Microwave Probability of ERC)，能夠提供SEF啟動時間和ERC演變的概率預報產(chǎn)品(Wimmers and Velden 2016；Wimmers et al.，2018)，目前，該模型已在CIMSS(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies Space Science and Engineering Center)中心開展準業(yè)務化測試，未來將有望進一步提高雙眼墻臺風的實時分析和強度統(tǒng)計預報能力.

1.2 垂直風切變的影響

垂直風切變(Vertical Wind Share，VWS)是影響臺風結(jié)構(gòu)和強度的一個重要環(huán)境因子.環(huán)境風垂直切變促使臺風垂直結(jié)構(gòu)的傾斜和非對稱擾動的發(fā)展，許多研究已經(jīng)證明較大的環(huán)境風垂直切變不利于臺風增強.然而，臺風雙眼墻常發(fā)生在強臺風階段，如西北太平洋上所有達到四級和五級強度的臺風中，分別有57%和72%擁有CEs結(jié)構(gòu)(Kuo et al.，2009).因此，強VWS一般不利于外眼墻的形成，統(tǒng)計分析表明，SEF一般發(fā)生在中等強度(6 m·s-1)的環(huán)境風垂直切變條件中(Kossin and Sitkowski, 2009；Yang et al.，2013).理想數(shù)值試驗也表明，環(huán)境風垂直切變破壞了外雨帶加熱引起的位渦組織化，進而不利于SEF形成，但不同強度的VWS，對雙眼墻生成的影響程度也不相同(Menelaou et al.，2014).當環(huán)境風垂直切變達到6～10 m·s-1時，螺旋雨帶中的零散位渦塊(Potential Vorticity，PV)無法組織化為完整的PV環(huán)，將無法形成外眼墻；當VWS為6 m·s-1時，SEF區(qū)域的方位平均切向風將出現(xiàn)第二個大值區(qū)，而當VWS為10 m·s-1時，該平均切向風大值區(qū)消失.可見，強VWS的存在，會抑制外雨帶PV的組織化過程，不利于外眼墻的形成，這也說明并不是所有的臺風外螺旋雨帶都能形成雙眼墻.另外，由于VWS會造成臺風具有較強的非對稱結(jié)構(gòu)，即使SEF區(qū)域的方位平均切向風形成第二個大值(從軸對稱角度認為該特征是SEF形成的標志之一)，也并不代表臺風雙眼墻的形成，這表明要謹慎利用軸對稱理論解釋SEF的形成.另外，Zhang等(2017)在中等強度(6 m·s-1)VWS條件下，開展臺風雙眼墻的對流可分辨集合預報試驗表明，臺風的SEF和ERC過程對模式初始場隨機誤差及不確定性、濕物理過程引起的計算截斷誤差等具有較大敏感性，同時，模式水平分辨率對成功模擬臺風眼墻替換過程也有一定影響(陳小宇等，2019).

雖然大量觀測分析、統(tǒng)計結(jié)果和數(shù)值模擬研究表都表明SEF和ERC一般出現(xiàn)在弱(或中等)環(huán)境風垂直切變條件下，但在實際大氣中也觀測到一些強VWS環(huán)境下依舊存在雙眼墻的臺風.如：Dougherty等(2018)利用飛機、雷達、下投式探空和衛(wèi)星微波圖像資料分析颶風Bonnie(1998)發(fā)現(xiàn)，在強環(huán)境風垂直切條件下(12～16 m·s-1)，颶風Bonnie依然出現(xiàn)了SEF，并且在ERC過程中，颶風強度并沒有減弱.他們分析表明，強VWS促進了外圍雨帶順風切變方向的對流發(fā)展為外眼墻，這種非對稱眼墻又向逆風切變方向擴展，因此，相對典型雙眼墻臺風，Bonnie具有更強的非對稱性結(jié)構(gòu).

1.3 高空西風急流的影響

高層大氣系統(tǒng)是影響SEF生成的另一個重要外部環(huán)境強迫因子.Dai等(2017)利用f平面理想試驗開展了高空西風急流-臺風相互作用對臺風外眼墻生成和眼墻替換過程的影響研究，試驗結(jié)果表明，當臺風北部(約1500 km)出現(xiàn)中等強度(35 m·s-1)的高空西風急流時(12 km高度)，在高空急流的大尺度出流場的動力強迫下，臺風外圍出現(xiàn)了非對稱高層輻散場，為了滿足質(zhì)量守恒約束，低層空氣被強迫抬升到高空并凝結(jié)，在臺風西北象限持續(xù)產(chǎn)生非對稱的層狀云系.層云降水引起的低層非絕熱冷卻加大了大氣低層的不穩(wěn)定，促進臺風外圍新生對流的形成并發(fā)展為深對流，形成更加強盛的臺風外雨帶.數(shù)值敏感試驗表明，SEF對于高空急流強度不太敏感(高空急流大于15 m·s-1)，但是，SEF的觸發(fā)取決于高空急流與臺風之間的相對距離，當兩者之間的距離大于2000 km時，將無法形成雙眼墻.

2 雙眼墻形成及替換的渦旋內(nèi)部動力學機制

許多靜止大氣的理想試驗都能模擬出臺風雙眼墻特征(Terwey and Montgomery，2008，Zhu and Zhu, 2015，Tyner et al.，2018)，因此，臺風雙眼墻也被認為主要由臺風內(nèi)部渦旋動力過程決定.圍繞著外眼墻生成過程中外眼墻的深對流環(huán)和次級大風中心是如何形成的問題，國內(nèi)外學者從波動理論、平衡與非平衡動力過程、對稱與非對稱過程等不同角度開展研究，提出了許多雙眼墻形成的可能機制(或機理)，如：渦旋羅斯貝波理論(Montgomery and Kallenbach，1997；Qiu et al.，2010)、外雨帶非絕熱加熱的平衡動力響應(Shapiro and Willoughby，1982；Wang，2009；Rozoff et al.，2012；Menelaou et al.，2013；Zhu and Zhu，2014；Wang et al.，2019)、邊界層非平衡動力學機制(Huang et al.，2012，2018；Sun et al.，2013；Wang et al.，2013，2016)、非對稱層云雨帶加熱(降水冷卻)作用(Chen，2018；Didlake et al.，2017，2018；Tyner et al.，2018；Wang and Tan，2020).另外，數(shù)值試驗還表明輻射日變化作用(Tang et al.，2017)和臺風初始渦旋結(jié)構(gòu)(Ge et al.，2016)對SEF過程也具有很大影響.

2.1 渦旋羅斯貝波理論

基于雷達和衛(wèi)星圖像，Macdonald(1968)發(fā)現(xiàn)臺風雨帶活動具有與羅斯貝波相似的擾動特征，并提出了渦旋羅斯貝波(Vortex Rossby Waves，VRWs)的概念.類似于行星系統(tǒng)中的羅斯貝波，VRWs的傳播與渦度梯度密切相關(guān).Montgomery和Kallenbach(1997)建立了完整的VRWs理論模型，并提出VRWs并不會無限向外傳播，會停留在臺風某個半徑處，即停滯半徑.此后相繼有研究指出，在波流相互作用下，VRWs的停滯半徑附近存在能量積累，形成切向風的次大值區(qū)，有助于外雨帶的形成甚至導致SEF形成(Chen et al.，2001；Corbosiero et al.，2006，Martinez et al.，2010；Menelaou et al.，2013；Qiu et al.，2010).上述結(jié)論大多是基于簡單物理過程的理想試驗結(jié)果得到的，隨著模式的發(fā)展，基于高分辨率和全物理過程的模式輸出結(jié)果表明，VRWs活動可能不會直接影響SEF.Terwey和Montgomery(2008)提出了β-skirt軸對稱機制，他們指出外眼墻中的次極大風速是由β-skirt區(qū)域中分散的對流產(chǎn)生的位勢渦度異常造成的.在此基礎上，Qiu和Tan(2010)指出持續(xù)活躍的 VRWs使得β-skirt向外擴展，這為外雨帶中對流的軸對稱化提供了足夠的徑向空間.Corbosiero等(2012)推斷，來自內(nèi)眼墻的VRWs向外傳播時會調(diào)整PV的徑向分布，從而導致水汽在停滯半徑處累積，促進對流的發(fā)展，但他也認為這并不會直接導致SEF.Judt和Chen(2010)指出，在SEF之前，位勢渦度梯度接近于0，同時存在的下沉運動和形變效應均不利于VRWs的向外傳播，他們認為雨帶中對流活動產(chǎn)生的局地位勢渦度異常，才是觸發(fā)外眼墻的關(guān)鍵.Sun等(2013)通過對臺風Sinlaku進行模擬，證明VRWs對SEF的貢獻其實是十分有限的.這些研究表明利用VRWs理論解釋SEF仍存在很多問題.

2.2 雨帶非絕熱加熱的平衡動力響應

臺風雙眼墻往往形成于強臺風階段，具有較強的對稱結(jié)構(gòu)特征，許多學者在軸對稱平衡框架下討論外眼墻的形成原因，提出了螺旋雨帶非絕熱加熱的平衡動力響應機制.該機制最早是由Shapiro和Willoughby(1982)根據(jù)理想軸對稱橫向次級環(huán)流方程Sawyer-Eliassen(Eliassen，1951)提出，后來Rozoff等(2012)在包含全物理過程的實際數(shù)值模擬中進行完善和發(fā)展.該機制認為外眼墻形成過程中，臺風螺旋雨帶的非絕熱加熱是主導作用，在軸對稱平衡框架下，通過對持續(xù)性螺旋雨帶非絕熱加熱作用的平衡動力響應(熱成風平衡)，邊界層上部的切向風逐漸增大，邊界層徑向入流輻合也增大，促進了低層對流的發(fā)展和切向風徑向外擴.如果加熱時間足夠長，非絕熱加熱作用、低層對流、邊界層徑向入流輻合及切向風加速之間形成正反饋作用，促進了外眼墻深對流和邊界層切向風次級大值中心的發(fā)展，進而形成外眼墻(Moon and Nolan，2010；Wang，2009；Fang and Zhang，2012；Sun et al.，2013；Zhu and Zhu，2014；Zhang et al.，2017).Rozoff等(2012)診斷計算表明，動量強迫對外眼墻上升氣流的貢獻小于10%，且主要位于低層，而外眼墻的垂直上升運動主要是對外雨帶非絕熱加熱的動力響應引起.

另外，不同位置雨帶的非絕熱加熱作用對SEF的影響也不相同，根據(jù)螺旋雨帶距臺風中心位置可分為內(nèi)雨帶(活躍在快速渦絲化區(qū)域)和外雨帶(2～3倍最大風速半徑以外).數(shù)值試驗表明，內(nèi)雨帶附近的加熱效率更高，有利于潛熱能轉(zhuǎn)化為動能，加快切向風的外擴增強，促進SEF的形成(Rozoff et al.，2012；Li et al.，2014).同時，數(shù)值試驗表明螺旋雨帶的非絕熱加熱強度要達到一定量級，比如，雨帶最大加熱率需達到內(nèi)眼墻最大加熱率的10%以上(Zhu and Zhu，2014)或加熱率超過5 K·h-1(Menelaou et al.，2014)，才能觸發(fā)外眼墻的生成.敏感性試驗也表明，增強外雨帶非絕熱加熱率(Wang，2009)，或者提高臺風內(nèi)核區(qū)低層大氣非絕熱冷卻率(Chen，2018)，都能夠增強外雨帶的對流活動，產(chǎn)生更多的非絕熱潛熱釋放，有利于切向風增強并形成臺風外眼墻.但也有學者認為平衡動力學是基于熱成風平衡假設，并不能用于解釋邊界層上方超梯度風的形成和切向風的擴張.同時，該機制是在軸對稱框架下提出，無法解釋臺風雙眼墻形成過程的螺旋雨帶的非對稱作用(Zhang and Perrie, 2018；Wang et al.，2019；Wang and Tan，2020).

SEF區(qū)域的深對流環(huán)和次級大風中心是雙眼墻形成的典型標志，Zhu和Zhu(2014)研究發(fā)現(xiàn)臺風具有很強內(nèi)雨帶時，甚至是內(nèi)雨帶對流已經(jīng)發(fā)展為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，然而在外眼墻區(qū)域并未出現(xiàn)切向風的大值區(qū)，或者切向風大值出現(xiàn)在moat區(qū)，在海氣相互作用機制下使得moat區(qū)低層形成了對流活動，使得外雨帶中高層對流迅速與內(nèi)眼墻合并形成一個更強的單眼墻臺風，這種現(xiàn)象被稱為“虛假SEF”或“夭折的ERC”.Wang和Tan(2020)指出，外眼墻的深對流環(huán)和邊界層次級大風中心的兩個基本特征并不是完全等同的，但都是由于外雨帶加熱驅(qū)動作用下形成，分析表明，外雨帶通過其內(nèi)側(cè)的邊界層輻合觸發(fā)的邊界層非平衡響應是形成雙眼墻的根本機制.相反，內(nèi)雨帶驅(qū)動的邊界層輻合較弱且靠近內(nèi)核區(qū)，絕對渦度輸送被較大的摩擦抵消，使得切向風場的加速難以建立，形成“假雙眼墻”結(jié)構(gòu).

2.3 非對稱層云雨帶加熱作用

觀測表明臺風外雨帶對流中主要存在對流云和層狀云兩種結(jié)構(gòu)特性完全不同的云系.對流云系中，非絕熱加熱和垂直上升運動基本占據(jù)整個對流層；而在層云云系中，非絕熱加熱位于對流層中高層，低層由于層云降雨的蒸發(fā)冷卻表現(xiàn)為非絕熱冷卻.由于環(huán)境風垂直切變作用，臺風螺旋雨帶常形成非對稱雨帶復合體(Willoughby et al.，1984；Hence and Houze，2012)，在雨帶復合體(由對流云與層云共同組成)中，順切變右側(cè)主要以對流云(或?qū)α靼w)結(jié)構(gòu)為主(如圖2)，外雨帶沿順風方向移動，在切變左部區(qū)域形成大片層狀云結(jié)構(gòu)(Black et al.，2002；Hence and Houze，2012；Didlake and Houze，2013b).這種雨帶復合體從上風段到下風段有明顯的對流云到層云的轉(zhuǎn)變，且具有明顯的非對稱特征.然而，已有SEF形成機制多關(guān)注于臺風軸對稱物理過程，強調(diào)外雨帶對流與臺風渦旋環(huán)流之間形成正反饋相互作用，增強外雨帶對流并形成外眼墻(Rozoff et al.，2012；Abarca and Montgomery, 2013；Kepert，2013).但是，這種正反饋作用可能是成熟的軸對稱SEF過程的一種表現(xiàn)形式，并不能解釋非對稱外雨帶是如何演變?yōu)橥庋蹓?，或者說是無法解釋何種物理機制啟動了軸對稱SEF過程，尤其是SEF發(fā)生前非對稱雨帶的作用.

圖2 雙眼墻形成不同階段的臺風眼墻和螺旋雨帶的概念圖(a) 單眼墻和螺旋雨帶復合體出現(xiàn)的初期; (b) 外眼墻環(huán)狀對流發(fā)展階段, 環(huán)境風切變方向指向上，DL和DR表示順切變的左右象限，UL和UR表示逆切變的左右象限，反射率等值線(20和35 dBZ)表示嵌入在雨帶復合體內(nèi)的對流單體，灰色點線區(qū)域表示對流崩潰并產(chǎn)生圍繞臺風的層云降水，在順切變左側(cè)的層云雨帶區(qū)域同時存在中尺度下沉入流(MDI)和加強的上升運動(白色點線包圍區(qū)域);(c)垂直方向的動力概念圖，細箭頭表示渦旋尺度的邊界層入流，實線寬箭頭表示伴隨層云雨帶的運動，MDI發(fā)生在潛熱冷卻區(qū)域，并且具有負浮力(B<0)，在MDI末端，激發(fā)出對流上升運動，沿著MDI內(nèi)側(cè)，空氣輻合且向上加速運動(?w/?t>0).白色圓環(huán)區(qū)域表示發(fā)展中的切向風急流區(qū)(VT)，也就是外眼墻生成的位置.引自Didlake等(2018)的圖17和圖18.Fig.2 Plan view schematic of rainband and eyewall structures at two stages of secondary eyewall development(a) The early stage with a singular eyewall and a spiral rainband complex present, and (b) the later stage with a developing circular ring of secondary eyewall convection. The environmental wind shear vector points upward and defines the four storm quadrants. Reflectivity contours (20 and 35 dBZ) show embedded convective cells in the rainband complex that collapse (gray dashes) and form stratiform precipitation traveling around the storm. Mesoscale Descending Inflow (MDI) and an enhanced updraft (white dashes) both occur in the downshear-left stratiform rainband, and the collocated gray line marks the cross section in (c). (c) Cross section schematic of the kinematics from (a). Reflectivity contours are drawn. The line arrow shows vortex-scale boundary layer inflow, and the broad solid arrows show motions associated with the stratiform rainband. The mesoscale descending inflow (MDI) occurs in a region of latent cooling and is negatively buoyant (B<0). At its end, a convective updraft occurs. Convergence and upward acceleration (?w/?t>0) lie along the inner side of the MDI. The plus signs indicate regions of increasing tangential velocity by the secondary circulation. The circled region indicates the location of a developing tangential jet (VT), which is located in the radial range of the developing secondary eyewall. From Figs. 17 and 18 of Didlake et al. (2018).

由于層云匯聚在雨帶復合體的下風末端較小范圍內(nèi)，雨帶復合體末端的層狀云有可能與渦旋環(huán)流發(fā)生劇烈相互作用，并且在SEF早期可能比上風段的對流云(對流胞體)發(fā)揮更重要的作用.許多研究從非對稱角度出發(fā)，提出了非對稱層云加熱(或?qū)釉平邓鋮s)對外眼墻形成早期的觸發(fā)機制(Qiu and Tan，2013；Chen, 2018；Didlake and Houze，2013a；Didlake et al.，2017；Tyner et al.，2018).理想數(shù)值試驗表明，非對稱層云加熱作用引起的下沉入流，從對流中層持續(xù)不斷地向下注入邊界層，一方面使得邊界層內(nèi)徑向速度梯度增大，產(chǎn)生輻合上升運動；另一方面會產(chǎn)生超梯度風，并在下風處產(chǎn)生徑向運動輻合，增強外眼墻處的上升運動.這種持續(xù)的上升運動可能是SEF早期的觸發(fā)原因(Qiu and Tan，2013).Tyner等(2018)指出這種非對稱層云作用是一種“自上而下”的過程，并通過改變云中固態(tài)粒子下落末速度來調(diào)整層云降水冷卻的位置和強度，進一步證實了SEF是通過“由上向下”傳播方式形成，但這種“由上向下”的方式并不是獨立存在的，它與邊界層過程共同作用下觸發(fā)了SEF.從觀測角度出發(fā)，Didlake等(2018)對颶風Rita(2005)和Earl(2010)的機載雷達資料分析發(fā)現(xiàn)，非對稱層云降水冷卻在順風切變左象限達到最大(順風切變右象限以對流云為主)，層云降水冷卻引起的持續(xù)中尺度徑向下沉入流(Mesoscale Descending Inflow，MDI，如圖2)也最強，造成邊界層內(nèi)入流增強和對流上升運動，進而加速順風切變左側(cè)象限的切向風，最終觸發(fā)外雨帶對流形成外眼墻，這被認為是外眼墻軸對化前的觸發(fā)因子.最近，Yu和Didlake(2019)以及Wang等(2019)又通過臺風理想試驗驗證了非對稱的層云加熱(或降水冷卻)對SEF的觸發(fā)作用.Chen和Wu(2018)也通過不同強度的層云降水冷卻敏感試驗，進一步強調(diào)了具有負浮力下沉氣流的重要性.

Didlake等(2018)研究獨特之處在于，他們提供了一種基于觀測的動力學假設，將非對稱層云與軸對稱SEF理論所需的初始擾動聯(lián)系起來，尤其是從觀測角度證實了之前的數(shù)值模擬研究所提出的“自上而下”方式的SEF形成機制(Fang and Zhang，2012；Qiu and Tan，2013；Zhang et al.，2017；Tyner et al.，2018)，這些研究都強調(diào)了非對稱層狀云過程對于SEF形成的重要性.雖然Qiu和Tan(2013)較早發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，但他們同時強調(diào)了與雨帶復合體相關(guān)的超梯度風場以軸對稱不平衡邊界層外眼墻強迫作用的重要性(Huang et al.，2012).

從以上分析可以知道，雖然SEF的對稱和非對稱理論解釋存在差異，但兩者都認為臺風最大風速半徑(Radius of Maximum Winds，RMW)外圍的雨帶非絕熱加熱起到了關(guān)鍵作用.然而，真實情況下，臺風外雨帶對流的非絕熱加熱始終存在，那么為什么SEF只發(fā)生于臺風演變過程中的某個階段？這還需要進一步探索.

2.4 邊界層非平衡動力學機制

邊界層頂附近的切向風向外擴展并在外眼墻位置形成次級大風中心是雙眼墻形成的標志之一，因此Huang等(2012)首先提出外眼墻形成過程中是以邊界層非平衡動力機制為主導，形成方式是“自下而上”的.Wu等(2012)通過對Sinlaku臺風的高分辨的集合卡爾曼同化試驗表明，在SEF形成的前一天，臺風內(nèi)核區(qū)外的對流層低層就會出現(xiàn)切向風的向外擴張以及外圍徑向風入流增強的現(xiàn)象.在此基礎上，Huang等(2012)提出邊界層非平衡動力學機制(Smith et al.，2009)用來解釋雙眼墻形成前的切向外擴增強的過程(Hence and Houze，2008；Judt and Chen，2010；Didlake and Houze，2011).該機制認為，外圍切向風的增強與邊界層內(nèi)流增強使絕對角動量向內(nèi)輸送有關(guān).當邊界層內(nèi)的內(nèi)流足夠強以致能夠彌補因摩擦造成的損耗時，動量輻合會使切向風得到快速的增強，空氣質(zhì)點在經(jīng)過具有超梯度風的區(qū)域時會受到向外的超梯度力的作用而減速并產(chǎn)生輻合，因此會在主眼墻外產(chǎn)生上升氣流，在熱力和動力條件滿足時，該上升運動可能會引發(fā)持續(xù)的對流發(fā)展，甚至外眼墻的形成.在許多理想試驗(Qiu and Tan，2013；Wang et al.，2013，2016；Huang et al.，2018)和觀測分析中(Abarca et al.，2016)都得到了驗證.

但是，Kepert和Nolan(2014)利用靜止大氣的軸對稱颶風邊界層模型研究發(fā)現(xiàn)，即使邊界層上方的切向風區(qū)沒有擴張，最大風速半徑外的徑向渦度梯度較弱時，也能因摩擦效應產(chǎn)生較強的上升氣流，因此認為切向風的擴張加強不是形成外眼墻的直接原因，而是SEF過程的伴隨現(xiàn)象.Menelaou等(2014)利用準靜止背景場的理想中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)數(shù)值試驗，分析了臺風雙眼墻是由臺風雨帶潛熱釋放加熱引起的動力調(diào)整還是由邊界層非平衡動力學引起.試驗表明，在缺少環(huán)境背景流的前提下，即使不考慮邊界層物理過程，非對稱雨帶的潛熱加熱也可以形成臺風雙眼墻；并且通過邊界層超梯度風診斷分析表明，雙眼墻主要是對非對稱螺旋雨帶凝結(jié)加熱的動力響應而產(chǎn)生，當加熱率減小到5 K·h-1時，將不產(chǎn)生外眼墻，這表明外雨帶加熱率的大小決定了SEF是否能形成.

需要注意的是，邊界層非平衡動力機制強調(diào)的是切向風外擴過程中邊界層的非平衡響應，但該機制無法解釋為什么切向風在SEF之前會發(fā)生向外擴張，同樣，該機制是建立在軸對稱框架，也無法解釋雙眼墻形成過程中非對稱螺旋雨帶的作用.雖然邊界層過程對SEF和ERC的具體貢獻作用仍存在激烈爭論(Montgomery et al.，2014；Kepert and Nolan，2014)，但所有這些研究都一致認為邊界層過程是SEF的重要觸發(fā)機制.

3 海氣相互作用的影響

3.1 風致海表熱交換機制

海洋是熱帶氣旋生成和發(fā)展的源地，大氣和海洋之間的熱量、水汽和動量交換很大程度上決定了臺風的強度和尺度(Emanuel，1986，1999).大量的觀測分析、理論研究和數(shù)值試驗都表明，海氣相互作用是影響臺風強度變化的一個重要因子.Emanuel(1986)提出了基于海表熱通量與海面風場之間正反饋作用的風致海表熱交換(Wind-Induced Surface Heat Exchange，WISHE)機制，該機制認為臺風邊界層內(nèi)除了攜帶自身水汽外，臺風強風加大了海氣熱通量的上傳，海表熱通量又為臺風加強提供了能量，這樣通過一系列正反饋過程使臺風得以維持和發(fā)展.觀測資料都顯示在SEF過程中邊界層切向風都將外擴增強(Didlake et al.，2018，Abarca et al.，2016，Wunsch and Didlake，2018)，隨著海面切向風速增大，必然加大了海氣間熱通量的向上傳輸，通過WISHE機制導致雙眼墻形成(Nong and Emanuel，2003).Cheng和Wu(2018)通過在SEF區(qū)域(或外雨帶區(qū)域)不同程度限制海面風速大小來抑制海氣熱通量，即減弱WISHE作用，通過臺風Sinlaku(2008)數(shù)值敏感試驗表明，當SEF區(qū)域及外圍的海表熱通量被限制的時候，SEF推遲且內(nèi)外眼墻的強度都明顯減弱；當SEF區(qū)域的海表熱通量被強烈削減時，則不會出現(xiàn)SEF；而限制臺風內(nèi)核區(qū)(臺風內(nèi)眼墻和內(nèi)螺旋雨帶所在區(qū)域)的海表熱通量對SEF影響不大.可見，海氣相互作用在雙眼墻形成和演變中具有十分重要作用.

3.2 三維海洋響應的反饋作用

觀測表明，臺風強風條件下海洋響應十分劇烈，對SEF過程前后24小時內(nèi)的海洋熱容量(Ocean Heat Content，OHC)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，OHC從88 kJ·cm-2降低為53 kJ·cm-2左右，降幅達39%(Yang et al.，2013)，以往研究表明OHC對臺風獲得的海氣熱通量有顯著影響，是決定臺風強度的重要因素(陳大可等，2013；Chih and Wu，2020；Lin et al.，2008).可見，三維海洋對臺風雙眼墻的響應及反饋作用不容忽視.Yang等(2014)通過對衛(wèi)星、雷達和降水資料分析發(fā)現(xiàn)，臺風Soulik(2013)發(fā)生ERC時，經(jīng)過了一片較小熱容量的海域，抑制了臺風外眼墻向內(nèi)發(fā)展，削弱了外眼墻對內(nèi)眼墻的抑制作用，使ERC持續(xù)時間達到了34 h.目前已有的ERC數(shù)值模擬結(jié)果中，ERC持續(xù)時間大約在6～18 h(Terwey and Montgomery，2008；Qiu et al.，2010；Zhu and Zhu，2014；Chen，2018；Cheng and Wu，2018).這可能是由于現(xiàn)有理想試驗或個例數(shù)值模擬大都采用單一的大氣模式，且SST(Sea Surface Temperature)一般取為常數(shù)(28～29℃)或采用定常的海表溫度，單一大氣模式無法模擬三維海洋對臺風的反饋作用，尤其是臺風雙眼墻條件下的海洋非均勻響應，往往導致模擬的雙眼墻臺風強度過強，尺寸偏小(Tallapragada et al.，2016)，進而外眼墻形成后迅速收縮.Yang等(2020)率先采用大氣-海浪-洋流耦合模式COAWST(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)對雙眼墻臺風Sinlaku(2008)開展了海氣耦合試驗發(fā)現(xiàn)，臺風冷尾流和海浪引起的海表粗糙度變化等海洋響應作用在不同程度上推遲了雙眼墻出現(xiàn)的時間并延長了ERC過程，與觀測更加相符.試驗還表明，雙眼墻形成前后，內(nèi)外眼墻處的SST冷卻程度各不相同，具有很明顯的非均勻特點.同時，雙眼墻形成前和ERC過程，moat區(qū)始終存在SST冷卻，抑制moat低層對流的發(fā)展，有利于moat區(qū)的形成和維持，促進雙眼墻的形成和維持.

當考慮海洋響應對臺風雙眼墻的反饋作用時，一方面，海洋冷卻主要由內(nèi)眼墻強風引起，伴隨內(nèi)眼墻的冷尾流，減小了海氣熱通量，減弱了外雨帶的潛熱加熱作用，不利于外雨帶對流的發(fā)展，外雨帶需要更長時間從海洋獲取能量，并累積到滿足外眼墻形成的潛熱加熱條件.另一方面，與冷尾流相伴的穩(wěn)定邊界層有利于moat區(qū)形成和加寬，對向內(nèi)發(fā)展的外雨帶對流產(chǎn)生了阻擋作用，使得外雨帶與主眼墻的分離，可能在更大半徑位置形成外眼墻.在這兩種海洋冷尾流反饋作用下，外眼墻將需要更長時間并在更大半徑位置形成，具體形成位置和形成時間與臺風(主眼墻)的強度、大小和移動速度有關(guān).

4 討論與展望

近年來，針對臺風雙眼墻的SEF形成機制和ERC演變機理，國內(nèi)外學者從波動理論、WISHE機制、平衡動力學、邊界層非平衡動力學、非對稱和軸對稱等角度開展了大量研究，取得了一系列研究進展，尤其是對于典型的SEF過程有了進一步理解，并達成了一些共識.首先，SEF的形成是在臺風雨帶非絕熱加熱和邊界層摩擦輻合的正反饋機制作用下產(chǎn)生，SEF過程一般與初始非對稱外雨帶有關(guān)，通過非絕熱加熱增強了垂直渦度，從而增加了切向風；其次，相伴于SEF過程，切向風場將向外擴展，而且許多研究發(fā)現(xiàn)這種風場外擴先于SEF；最后，邊界層動力學多關(guān)注于SEF區(qū)域的動量徑向輻合，且認為SEF與邊界層上部的超梯度風有關(guān).

雖然對臺風雙眼墻形成機制有了進一步認識，但還沒有形成一個廣泛認可的SEF理論，對于觸發(fā)SEF過程的具體機制仍存在一些分歧，還有許多問題有待進一步研究.

(1)當前對于SEF的定義還沒有一個正式統(tǒng)一標準(Kossin and Sitkowski 2009；Dougherty et al.，2018)，不同研究采用了不同標準來確定外眼墻的形成，比如，在內(nèi)眼墻以外，出現(xiàn)方位平均切向風的第二個大值區(qū)(Dougherty et al.，2018)；外眼墻風速最大值超過內(nèi)眼墻風速最大值的時刻(Miyamoto et al.，2018)；或是外部閉合環(huán)狀對流的形成(Kossin and Sitkowski，2009).由于采用了不同的外眼墻形成定義標準，確定SEF形成機制存在很大的不確定性，已提出的SEF形成機制可能是SEF的觸發(fā)原因，也可能是SEF產(chǎn)生的結(jié)果.因此，為了更好研究臺風雙眼墻形成機制，需要對雙眼墻形成的定義給出統(tǒng)一標準，有助于不同SEF形成機制進行比較.

(2)以往大量的理想試驗都試圖證明，SEF是以臺風螺旋雨帶非絕熱加熱作用主導的“自上而下”形成方式，還是以邊界層非平衡動力過程主導的“自下而上”的形成方式.最近，F(xiàn)isher等(2020)利用機載的雙多普雷達對颶風Irma(2017)進行觀測發(fā)現(xiàn)，颶風Irma快速發(fā)展加強過程中經(jīng)歷了兩次SEF/ERC過程，第一次SEF過程是以順風切變左側(cè)象限的臺風外雨帶下沉入流急流引起，而第二次SEF過程是由于邊界層超梯度風引起的低層輻合造成.可見，理論研究和觀測事實之間還存在一些無法解釋的沖突.現(xiàn)實臺風中，可能有多種機制共同作用產(chǎn)生了SEF，需要進一步開展觀測分析和數(shù)值試驗研究.

(3)臺風雙眼墻往往發(fā)生在臺風快速加強階段，此時臺風與海洋相互作用也更加劇烈，海氣相互作用對臺風發(fā)生發(fā)展包括雙眼墻形成和演變具有不容忽視的影響.無論是“自上而下”還是“自下而上”形成方式都強調(diào)通過WISHE機制，臺風從海洋獲得能量，而以往的臺風雙眼墻研究中，大多關(guān)注于TC本身的內(nèi)部動力和熱力學的作用，對于海氣相互作用關(guān)注較少，目前幾乎所有的SEF/ERC理論都未考慮的海洋反饋作用(Yang et al.，2020)，不論是理想試驗還是實際臺風個例的數(shù)值模擬試驗，都將海面溫度設為常值或定常，忽略了臺風冷尾流等海洋響應對雙眼墻的反饋作用.對于雙眼墻臺風，冷尾流對雙眼墻的形成、維持和替換過程的影響變得更加復雜，對內(nèi)(外)眼墻和moat區(qū)的貢獻各不相同，冷尾流對內(nèi)(外)眼墻的非平衡貢獻，將造成ERC啟動和維持時間的變化以及相應的臺風強度的變化.

綜上，目前已經(jīng)可以對少數(shù)臺風個例的雙眼墻特征進行數(shù)值模擬和預報，但是對于SEF和ERC的啟動時間，外眼墻形成區(qū)域和向內(nèi)收縮速度、內(nèi)(外)眼墻的減弱率(加強率)等過程的準確預報還是一個巨大的挑戰(zhàn)，需要進一步開展觀測實驗、理論分析和理想(實際)臺風的數(shù)值模擬研究，進一步理解SEF形成機制及ERC理論，為提高臺風雙眼墻的精細化預報提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.