程小平, 費(fèi)建芳, 李湘成, 黃小剛, 楊雯

1 國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410003 2 中國(guó)氣象科學(xué)院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

0 引言

臺(tái)風(fēng)雙眼墻，又名同心眼墻(Concentric Eyewalls，CEs)，是臺(tái)風(fēng)發(fā)展過程中同時(shí)出現(xiàn)內(nèi)外兩個(gè)閉合眼墻的現(xiàn)象(Fortner，1958)，也是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中經(jīng)常伴隨出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征.臺(tái)風(fēng)雙眼墻是指在臺(tái)風(fēng)發(fā)展過程中，螺旋雨帶內(nèi)的對(duì)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(duì)流環(huán)，同時(shí)出現(xiàn)切向風(fēng)的第二個(gè)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(qiáng)下沉氣流的晴空區(qū)(moat區(qū)).臺(tái)風(fēng)雙眼墻形成后往往會(huì)經(jīng)歷一次眼墻替換過程(Eyewall Replacement Cycle，ERC)，即外眼墻形成后會(huì)逐漸增強(qiáng)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_(tái)風(fēng)的過程(Willoughby et al.，1982).

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，西北太平洋上所有達(dá)到四級(jí)和五級(jí)強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)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(qiáng)臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)甚至經(jīng)歷了三次ERC過程(Molinari et al.，2019).ERC過程往往會(huì)造成臺(tái)風(fēng)海面氣壓、最大風(fēng)速和降水在短時(shí)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(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)的難度.比如，2019年第九號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”就是一個(gè)典型的雙眼墻臺(tái)風(fēng)，其在登陸前后擁有非常明顯的雙眼墻結(jié)構(gòu)和兩個(gè)強(qiáng)風(fēng)及強(qiáng)降水的大值區(qū)，給我國(guó)沿海地區(qū)造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失(如圖1).

圖1 2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸前的雷達(dá)回波圖(雷達(dá)站：溫州，時(shí)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(tái)風(fēng)雙眼墻受到大尺度環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)迫(如環(huán)境風(fēng)垂直切變和高空槽/急流等)、海氣相互作用和臺(tái)風(fēng)渦旋內(nèi)部熱動(dòng)力過程共同作用，雙眼墻的形成及其演變一直是臺(tái)風(fēng)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn).近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在雙眼墻的形成機(jī)理和數(shù)值預(yù)報(bào)方面開展了大量研究，由于影響CEs的物理過程復(fù)雜多樣，目前對(duì)于SEF和ERC的形成機(jī)制和理論尚未成熟，還存在很多爭(zhēng)議和討論.相對(duì)于臺(tái)風(fēng)雙眼墻頻發(fā)的現(xiàn)象，對(duì)雙眼墻生成和消亡的預(yù)報(bào)能力進(jìn)展緩慢，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式對(duì)SEF和ERC的預(yù)報(bào)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(huì)上(The 9th International Workshop on Tropical Cyclones，IWTC-9)，來(lái)自各國(guó)學(xué)術(shù)界和業(yè)務(wù)部門的科學(xué)家就臺(tái)風(fēng)雙眼墻形成和演變召開了專題研討，一致認(rèn)為需要要進(jìn)一步加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)雙眼墻形成演變機(jī)理和數(shù)值預(yù)報(bào)方面的研究(端義宏等，2020).

因此，本文著重梳理過去十余年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻SEF形成機(jī)制和ERC演變機(jī)理的發(fā)展現(xiàn)狀及最新研究進(jìn)展，討論分析雙眼墻研究中有待進(jìn)一步解決的問題和發(fā)展方向，以期為下一步臺(tái)風(fēng)雙眼墻研究提供有益的借鑒和參考.

1 大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻的影響

1.1 臺(tái)風(fēng)雙眼墻的統(tǒng)計(jì)特征

Kossin和Sitkowski利用微波成像資料以及颶風(fēng)概率統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型SHIPS(Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme)，對(duì)10年間(1997—2006)發(fā)生在大西洋和東北太平洋上的雙眼墻臺(tái)風(fēng)進(jìn)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(tái)風(fēng)最大潛在強(qiáng)度、低的環(huán)境風(fēng)垂直切變、弱的高空緯向風(fēng)、暖的海洋下墊面和高的中高層相對(duì)濕度(Kossin and Sitkowski，2009).但是，對(duì)于不同類型的雙眼墻臺(tái)風(fēng)，外部大尺度環(huán)境場(chǎng)作用也存在差別.

針對(duì)臺(tái)風(fēng)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(duì)應(yīng)外眼墻的尺寸也越大.統(tǒng)計(jì)分析表明，外眼墻較大的臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間維持(Zhou and Wang，2013).Yang等(Yang et al.，2013)針對(duì)雙眼墻維持時(shí)間和替換過程特征，利用西北太平洋15年的(1997—2011)雙眼墻臺(tái)風(fēng)微波成像資料，將雙眼墻臺(tái)風(fēng)分為ERC(分類標(biāo)準(zhǔn)：雙眼墻形成后，內(nèi)眼墻在20 h內(nèi)消失)、CEM(Concentric Eyewall Maintained，分類標(biāo)準(zhǔn)：雙眼墻共存超過20 h以上)和NRC(No Replacement Cycle，分類標(biāo)準(zhǔn)：外眼墻生成后，在20 h消散，未發(fā)生眼墻替換)三類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：ERC型臺(tái)風(fēng)共37個(gè)，占53%；NRC型共17個(gè)，占24%；CEM型共16個(gè)，占23%，且平均持續(xù)時(shí)間為31 h.CEM型雙眼墻臺(tái)風(fēng)具有高濕度、大外眼墻(寬moat區(qū))等特點(diǎn)，其平均值超過ERC和NRC型雙眼墻臺(tái)風(fēng)的50%.CEM型雙眼墻臺(tái)風(fēng)往往發(fā)生在低風(fēng)切變、高海溫和高濕度的環(huán)境中，可能受到臺(tái)風(fēng)內(nèi)部渦旋動(dòng)力學(xué)和外部環(huán)境強(qiáng)迫共同作用，而ERC型雙眼墻臺(tái)風(fēng)中，環(huán)境條件變化較小，可能以臺(tái)風(fēng)渦旋內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程為主.另外，Zhu和Yu(2019)將雙眼墻臺(tái)風(fēng)分為T-ERC(典型眼墻替換過程)和N-ERC(無(wú)眼墻替換過程)兩類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也發(fā)現(xiàn)，N-ERC型雙眼墻臺(tái)風(fēng)與環(huán)境相互作用劇烈，而T-ERC型雙眼墻臺(tái)風(fēng)發(fā)生在相對(duì)平靜的環(huán)境場(chǎng)中.

值得注意的是，雙眼墻臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)年發(fā)生數(shù)與ONI指數(shù)(Oceanic Nio Index)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.72.55%(50%)雙眼墻臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)在ENSO暖(中性)季，且臺(tái)風(fēng)雙眼墻持續(xù)時(shí)間(大于20 h)更長(zhǎng)，強(qiáng)度(尺度)也更強(qiáng)(大).然而，在ENSO冷季出現(xiàn)的雙眼墻臺(tái)風(fēng)只占到了25%.

ERC過程中臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度將發(fā)生劇烈變化，造成了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的巨大誤差.為了考慮ERC過程對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的影響，Kossin和Sitkowski(Sitkowski et al.，2011；Kossin and Sitkowski，2012；Kossin，2015)利用飛機(jī)加密觀測(cè)的19次ERC過程數(shù)據(jù)，將ERC過程中臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化劃分為三個(gè)階段：增強(qiáng)(SEF啟動(dòng)時(shí))、減弱(ERC啟動(dòng)階段)和再增強(qiáng)階段(ERC將完成時(shí)).并將該模型整合到美國(guó)大氣海洋局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)颶風(fēng)預(yù)報(bào)中心(National Hurricane Center，NHC)的颶風(fēng)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型SHIPS，形成適用于雙眼墻臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型E-SHIPS(ERC-SHIPS)，將雙眼墻颶風(fēng)的短時(shí)(<24 h)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)誤差降低了50%(Kossin and DeMaria，2016)，E-SHIPS也是當(dāng)前NHC開展雙眼墻颶風(fēng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)系統(tǒng).由于E-SHIPS統(tǒng)計(jì)模型需要事先給定SEF啟動(dòng)時(shí)間，因此判斷SEF是否啟動(dòng)成為制約該統(tǒng)計(jì)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(tái)風(fēng)ERC發(fā)生概率的實(shí)時(shí)分析模型M-PERC(Microwave Probability of ERC)，能夠提供SEF啟動(dòng)時(shí)間和ERC演變的概率預(yù)報(bào)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(zhǔn)業(yè)務(wù)化測(cè)試，未來(lái)將有望進(jìn)一步提高雙眼墻臺(tái)風(fēng)的實(shí)時(shí)分析和強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)能力.

1.2 垂直風(fēng)切變的影響

垂直風(fēng)切變(Vertical Wind Share，VWS)是影響臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的一個(gè)重要環(huán)境因子.環(huán)境風(fēng)垂直切變促使臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的傾斜和非對(duì)稱擾動(dòng)的發(fā)展，許多研究已經(jīng)證明較大的環(huán)境風(fēng)垂直切變不利于臺(tái)風(fēng)增強(qiáng).然而，臺(tái)風(fēng)雙眼墻常發(fā)生在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段，如西北太平洋上所有達(dá)到四級(jí)和五級(jí)強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)中，分別有57%和72%擁有CEs結(jié)構(gòu)(Kuo et al.，2009).因此，強(qiáng)VWS一般不利于外眼墻的形成，統(tǒng)計(jì)分析表明，SEF一般發(fā)生在中等強(qiáng)度(6 m·s-1)的環(huán)境風(fēng)垂直切變條件中(Kossin and Sitkowski, 2009；Yang et al.，2013).理想數(shù)值試驗(yàn)也表明，環(huán)境風(fēng)垂直切變破壞了外雨帶加熱引起的位渦組織化，進(jìn)而不利于SEF形成，但不同強(qiáng)度的VWS，對(duì)雙眼墻生成的影響程度也不相同(Menelaou et al.，2014).當(dāng)環(huán)境風(fēng)垂直切變達(dá)到6～10 m·s-1時(shí)，螺旋雨帶中的零散位渦塊(Potential Vorticity，PV)無(wú)法組織化為完整的PV環(huán)，將無(wú)法形成外眼墻；當(dāng)VWS為6 m·s-1時(shí)，SEF區(qū)域的方位平均切向風(fēng)將出現(xiàn)第二個(gè)大值區(qū)，而當(dāng)VWS為10 m·s-1時(shí)，該平均切向風(fēng)大值區(qū)消失.可見，強(qiáng)VWS的存在，會(huì)抑制外雨帶PV的組織化過程，不利于外眼墻的形成，這也說(shuō)明并不是所有的臺(tái)風(fēng)外螺旋雨帶都能形成雙眼墻.另外，由于VWS會(huì)造成臺(tái)風(fēng)具有較強(qiáng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即使SEF區(qū)域的方位平均切向風(fēng)形成第二個(gè)大值(從軸對(duì)稱角度認(rèn)為該特征是SEF形成的標(biāo)志之一)，也并不代表臺(tái)風(fēng)雙眼墻的形成，這表明要謹(jǐn)慎利用軸對(duì)稱理論解釋SEF的形成.另外，Zhang等(2017)在中等強(qiáng)度(6 m·s-1)VWS條件下，開展臺(tái)風(fēng)雙眼墻的對(duì)流可分辨集合預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明，臺(tái)風(fēng)的SEF和ERC過程對(duì)模式初始場(chǎng)隨機(jī)誤差及不確定性、濕物理過程引起的計(jì)算截?cái)嗾`差等具有較大敏感性，同時(shí)，模式水平分辨率對(duì)成功模擬臺(tái)風(fēng)眼墻替換過程也有一定影響(陳小宇等，2019).

雖然大量觀測(cè)分析、統(tǒng)計(jì)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(fēng)垂直切變條件下，但在實(shí)際大氣中也觀測(cè)到一些強(qiáng)VWS環(huán)境下依舊存在雙眼墻的臺(tái)風(fēng).如：Dougherty等(2018)利用飛機(jī)、雷達(dá)、下投式探空和衛(wèi)星微波圖像資料分析颶風(fēng)Bonnie(1998)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)環(huán)境風(fēng)垂直切條件下(12～16 m·s-1)，颶風(fēng)Bonnie依然出現(xiàn)了SEF，并且在ERC過程中，颶風(fēng)強(qiáng)度并沒有減弱.他們分析表明，強(qiáng)VWS促進(jìn)了外圍雨帶順風(fēng)切變方向的對(duì)流發(fā)展為外眼墻，這種非對(duì)稱眼墻又向逆風(fēng)切變方向擴(kuò)展，因此，相對(duì)典型雙眼墻臺(tái)風(fēng)，Bonnie具有更強(qiáng)的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu).

1.3 高空西風(fēng)急流的影響

高層大氣系統(tǒng)是影響SEF生成的另一個(gè)重要外部環(huán)境強(qiáng)迫因子.Dai等(2017)利用f平面理想試驗(yàn)開展了高空西風(fēng)急流-臺(tái)風(fēng)相互作用對(duì)臺(tái)風(fēng)外眼墻生成和眼墻替換過程的影響研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)臺(tái)風(fēng)北部(約1500 km)出現(xiàn)中等強(qiáng)度(35 m·s-1)的高空西風(fēng)急流時(shí)(12 km高度)，在高空急流的大尺度出流場(chǎng)的動(dòng)力強(qiáng)迫下，臺(tái)風(fēng)外圍出現(xiàn)了非對(duì)稱高層輻散場(chǎng)，為了滿足質(zhì)量守恒約束，低層空氣被強(qiáng)迫抬升到高空并凝結(jié)，在臺(tái)風(fēng)西北象限持續(xù)產(chǎn)生非對(duì)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(jìn)臺(tái)風(fēng)外圍新生對(duì)流的形成并發(fā)展為深對(duì)流，形成更加強(qiáng)盛的臺(tái)風(fēng)外雨帶.數(shù)值敏感試驗(yàn)表明，SEF對(duì)于高空急流強(qiáng)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(tái)風(fēng)之間的相對(duì)距離，當(dāng)兩者之間的距離大于2000 km時(shí)，將無(wú)法形成雙眼墻.

2 雙眼墻形成及替換的渦旋內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)制

許多靜止大氣的理想試驗(yàn)都能模擬出臺(tái)風(fēng)雙眼墻特征(Terwey and Montgomery，2008，Zhu and Zhu, 2015，Tyner et al.，2018)，因此，臺(tái)風(fēng)雙眼墻也被認(rèn)為主要由臺(tái)風(fēng)內(nèi)部渦旋動(dòng)力過程決定.圍繞著外眼墻生成過程中外眼墻的深對(duì)流環(huán)和次級(jí)大風(fēng)中心是如何形成的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從波動(dòng)理論、平衡與非平衡動(dòng)力過程、對(duì)稱與非對(duì)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(jī)制(或機(jī)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(dòng)力響應(yīng)(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(dòng)力學(xué)機(jī)制(Huang et al.，2012，2018；Sun et al.，2013；Wang et al.，2013，2016)、非對(duì)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(yàn)還表明輻射日變化作用(Tang et al.，2017)和臺(tái)風(fēng)初始渦旋結(jié)構(gòu)(Ge et al.，2016)對(duì)SEF過程也具有很大影響.

2.1 渦旋羅斯貝波理論

基于雷達(dá)和衛(wèi)星圖像，Macdonald(1968)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)雨帶活動(dòng)具有與羅斯貝波相似的擾動(dòng)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(huì)無(wú)限向外傳播，會(huì)停留在臺(tái)風(fēng)某個(gè)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(fēng)的次大值區(qū)，有助于外雨帶的形成甚至導(dǎo)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(jiǎn)單物理過程的理想試驗(yàn)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(dòng)可能不會(huì)直接影響SEF.Terwey和Montgomery(2008)提出了β-skirt軸對(duì)稱機(jī)制，他們指出外眼墻中的次極大風(fēng)速是由β-skirt區(qū)域中分散的對(duì)流產(chǎn)生的位勢(shì)渦度異常造成的.在此基礎(chǔ)上，Qiu和Tan(2010)指出持續(xù)活躍的 VRWs使得β-skirt向外擴(kuò)展，這為外雨帶中對(duì)流的軸對(duì)稱化提供了足夠的徑向空間.Corbosiero等(2012)推斷，來(lái)自內(nèi)眼墻的VRWs向外傳播時(shí)會(huì)調(diào)整PV的徑向分布，從而導(dǎo)致水汽在停滯半徑處累積，促進(jìn)對(duì)流的發(fā)展，但他也認(rèn)為這并不會(huì)直接導(dǎo)致SEF.Judt和Chen(2010)指出，在SEF之前，位勢(shì)渦度梯度接近于0，同時(shí)存在的下沉運(yùn)動(dòng)和形變效應(yīng)均不利于VRWs的向外傳播，他們認(rèn)為雨帶中對(duì)流活動(dòng)產(chǎn)生的局地位勢(shì)渦度異常，才是觸發(fā)外眼墻的關(guān)鍵.Sun等(2013)通過對(duì)臺(tái)風(fēng)Sinlaku進(jìn)行模擬，證明VRWs對(duì)SEF的貢獻(xiàn)其實(shí)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(dòng)力響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)雙眼墻往往形成于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段，具有較強(qiáng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征，許多學(xué)者在軸對(duì)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(dòng)力響應(yīng)機(jī)制.該機(jī)制最早是由Shapiro和Willoughby(1982)根據(jù)理想軸對(duì)稱橫向次級(jí)環(huán)流方程Sawyer-Eliassen(Eliassen，1951)提出，后來(lái)Rozoff等(2012)在包含全物理過程的實(shí)際數(shù)值模擬中進(jìn)行完善和發(fā)展.該機(jī)制認(rèn)為外眼墻形成過程中，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的非絕熱加熱是主導(dǎo)作用，在軸對(duì)稱平衡框架下，通過對(duì)持續(xù)性螺旋雨帶非絕熱加熱作用的平衡動(dòng)力響應(yīng)(熱成風(fēng)平衡)，邊界層上部的切向風(fēng)逐漸增大，邊界層徑向入流輻合也增大，促進(jìn)了低層對(duì)流的發(fā)展和切向風(fēng)徑向外擴(kuò).如果加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)，非絕熱加熱作用、低層對(duì)流、邊界層徑向入流輻合及切向風(fēng)加速之間形成正反饋?zhàn)饔茫龠M(jìn)了外眼墻深對(duì)流和邊界層切向風(fēng)次級(jí)大值中心的發(fā)展，進(jìn)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(jì)算表明，動(dòng)量強(qiáng)迫對(duì)外眼墻上升氣流的貢獻(xiàn)小于10%，且主要位于低層，而外眼墻的垂直上升運(yùn)動(dòng)主要是對(duì)外雨帶非絕熱加熱的動(dòng)力響應(yīng)引起.

另外，不同位置雨帶的非絕熱加熱作用對(duì)SEF的影響也不相同，根據(jù)螺旋雨帶距臺(tái)風(fēng)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(fēng)速半徑以外).數(shù)值試驗(yàn)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(dòng)能，加快切向風(fēng)的外擴(kuò)增強(qiáng)，促進(jìn)SEF的形成(Rozoff et al.，2012；Li et al.，2014).同時(shí)，數(shù)值試驗(yàn)表明螺旋雨帶的非絕熱加熱強(qiáng)度要達(dá)到一定量級(jí)，比如，雨帶最大加熱率需達(dá)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(yàn)也表明，增強(qiáng)外雨帶非絕熱加熱率(Wang，2009)，或者提高臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)低層大氣非絕熱冷卻率(Chen，2018)，都能夠增強(qiáng)外雨帶的對(duì)流活動(dòng)，產(chǎn)生更多的非絕熱潛熱釋放，有利于切向風(fēng)增強(qiáng)并形成臺(tái)風(fēng)外眼墻.但也有學(xué)者認(rèn)為平衡動(dòng)力學(xué)是基于熱成風(fēng)平衡假設(shè)，并不能用于解釋邊界層上方超梯度風(fēng)的形成和切向風(fēng)的擴(kuò)張.同時(shí)，該機(jī)制是在軸對(duì)稱框架下提出，無(wú)法解釋臺(tái)風(fēng)雙眼墻形成過程的螺旋雨帶的非對(duì)稱作用(Zhang and Perrie, 2018；Wang et al.，2019；Wang and Tan，2020).

SEF區(qū)域的深對(duì)流環(huán)和次級(jí)大風(fēng)中心是雙眼墻形成的典型標(biāo)志，Zhu和Zhu(2014)研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)具有很強(qiáng)內(nèi)雨帶時(shí)，甚至是內(nèi)雨帶對(duì)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(fēng)的大值區(qū)，或者切向風(fēng)大值出現(xiàn)在moat區(qū)，在海氣相互作用機(jī)制下使得moat區(qū)低層形成了對(duì)流活動(dòng)，使得外雨帶中高層對(duì)流迅速與內(nèi)眼墻合并形成一個(gè)更強(qiáng)的單眼墻臺(tái)風(fēng)，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(duì)流環(huán)和邊界層次級(jí)大風(fēng)中心的兩個(gè)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(dòng)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(yīng)是形成雙眼墻的根本機(jī)制.相反，內(nèi)雨帶驅(qū)動(dòng)的邊界層輻合較弱且靠近內(nèi)核區(qū)，絕對(duì)渦度輸送被較大的摩擦抵消，使得切向風(fēng)場(chǎng)的加速難以建立，形成“假雙眼墻”結(jié)構(gòu).

2.3 非對(duì)稱層云雨帶加熱作用

觀測(cè)表明臺(tái)風(fēng)外雨帶對(duì)流中主要存在對(duì)流云和層狀云兩種結(jié)構(gòu)特性完全不同的云系.對(duì)流云系中，非絕熱加熱和垂直上升運(yùn)動(dòng)基本占據(jù)整個(gè)對(duì)流層；而在層云云系中，非絕熱加熱位于對(duì)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(fēng)垂直切變作用，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶常形成非對(duì)稱雨帶復(fù)合體(Willoughby et al.，1984；Hence and Houze，2012)，在雨帶復(fù)合體(由對(duì)流云與層云共同組成)中，順切變右側(cè)主要以對(duì)流云(或?qū)α靼w)結(jié)構(gòu)為主(如圖2)，外雨帶沿順風(fēng)方向移動(dòng)，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(fù)合體從上風(fēng)段到下風(fēng)段有明顯的對(duì)流云到層云的轉(zhuǎn)變，且具有明顯的非對(duì)稱特征.然而，已有SEF形成機(jī)制多關(guān)注于臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱物理過程，強(qiáng)調(diào)外雨帶對(duì)流與臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流之間形成正反饋相互作用，增強(qiáng)外雨帶對(duì)流并形成外眼墻(Rozoff et al.，2012；Abarca and Montgomery, 2013；Kepert，2013).但是，這種正反饋?zhàn)饔每赡苁浅墒斓妮S對(duì)稱SEF過程的一種表現(xiàn)形式，并不能解釋非對(duì)稱外雨帶是如何演變?yōu)橥庋蹓?，或者說(shuō)是無(wú)法解釋何種物理機(jī)制啟動(dòng)了軸對(duì)稱SEF過程，尤其是SEF發(fā)生前非對(duì)稱雨帶的作用.

圖2 雙眼墻形成不同階段的臺(tái)風(fēng)眼墻和螺旋雨帶的概念圖(a) 單眼墻和螺旋雨帶復(fù)合體出現(xiàn)的初期; (b) 外眼墻環(huán)狀對(duì)流發(fā)展階段, 環(huán)境風(fēng)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(fù)合體內(nèi)的對(duì)流單體，灰色點(diǎn)線區(qū)域表示對(duì)流崩潰并產(chǎn)生圍繞臺(tái)風(fēng)的層云降水，在順切變左側(cè)的層云雨帶區(qū)域同時(shí)存在中尺度下沉入流(MDI)和加強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)(白色點(diǎn)線包圍區(qū)域);(c)垂直方向的動(dòng)力概念圖，細(xì)箭頭表示渦旋尺度的邊界層入流，實(shí)線寬箭頭表示伴隨層云雨帶的運(yùn)動(dòng)，MDI發(fā)生在潛熱冷卻區(qū)域，并且具有負(fù)浮力(B<0)，在MDI末端，激發(fā)出對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，沿著MDI內(nèi)側(cè)，空氣輻合且向上加速運(yùn)動(dòng)(?w/?t>0).白色圓環(huán)區(qū)域表示發(fā)展中的切向風(fēng)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(fù)合體的下風(fēng)末端較小范圍內(nèi)，雨帶復(fù)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(fēng)段的對(duì)流云(對(duì)流胞體)發(fā)揮更重要的作用.許多研究從非對(duì)稱角度出發(fā)，提出了非對(duì)稱層云加熱(或?qū)釉平邓鋮s)對(duì)外眼墻形成早期的觸發(fā)機(jī)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(yàn)表明，非對(duì)稱層云加熱作用引起的下沉入流，從對(duì)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(yùn)動(dòng)；另一方面會(huì)產(chǎn)生超梯度風(fēng)，并在下風(fēng)處產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)輻合，增強(qiáng)外眼墻處的上升運(yùn)動(dòng).這種持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)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(duì)稱層云作用是一種“自上而下”的過程，并通過改變?cè)浦泄虘B(tài)粒子下落末速度來(lái)調(diào)整層云降水冷卻的位置和強(qiáng)度，進(jìn)一步證實(shí)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(dú)立存在的，它與邊界層過程共同作用下觸發(fā)了SEF.從觀測(cè)角度出發(fā)，Didlake等(2018)對(duì)颶風(fēng)Rita(2005)和Earl(2010)的機(jī)載雷達(dá)資料分析發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱層云降水冷卻在順風(fēng)切變左象限達(dá)到最大(順風(fēng)切變右象限以對(duì)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(qiáng)，造成邊界層內(nèi)入流增強(qiáng)和對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而加速順風(fēng)切變左側(cè)象限的切向風(fēng)，最終觸發(fā)外雨帶對(duì)流形成外眼墻，這被認(rèn)為是外眼墻軸對(duì)化前的觸發(fā)因子.最近，Yu和Didlake(2019)以及Wang等(2019)又通過臺(tái)風(fēng)理想試驗(yàn)驗(yàn)證了非對(duì)稱的層云加熱(或降水冷卻)對(duì)SEF的觸發(fā)作用.Chen和Wu(2018)也通過不同強(qiáng)度的層云降水冷卻敏感試驗(yàn)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了具有負(fù)浮力下沉氣流的重要性.

Didlake等(2018)研究獨(dú)特之處在于，他們提供了一種基于觀測(cè)的動(dòng)力學(xué)假設(shè)，將非對(duì)稱層云與軸對(duì)稱SEF理論所需的初始擾動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，尤其是從觀測(cè)角度證實(shí)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(jī)制(Fang and Zhang，2012；Qiu and Tan，2013；Zhang et al.，2017；Tyner et al.，2018)，這些研究都強(qiáng)調(diào)了非對(duì)稱層狀云過程對(duì)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(shí)強(qiáng)調(diào)了與雨帶復(fù)合體相關(guān)的超梯度風(fēng)場(chǎng)以軸對(duì)稱不平衡邊界層外眼墻強(qiáng)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(duì)稱和非對(duì)稱理論解釋存在差異，但兩者都認(rèn)為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)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(shí)情況下，臺(tái)風(fēng)外雨帶對(duì)流的非絕熱加熱始終存在，那么為什么SEF只發(fā)生于臺(tái)風(fēng)演變過程中的某個(gè)階段？這還需要進(jìn)一步探索.

2.4 邊界層非平衡動(dòng)力學(xué)機(jī)制

邊界層頂附近的切向風(fēng)向外擴(kuò)展并在外眼墻位置形成次級(jí)大風(fēng)中心是雙眼墻形成的標(biāo)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(dòng)力機(jī)制為主導(dǎo)，形成方式是“自下而上”的.Wu等(2012)通過對(duì)Sinlaku臺(tái)風(fēng)的高分辨的集合卡爾曼同化試驗(yàn)表明，在SEF形成的前一天，臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)外的對(duì)流層低層就會(huì)出現(xiàn)切向風(fēng)的向外擴(kuò)張以及外圍徑向風(fēng)入流增強(qiáng)的現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上，Huang等(2012)提出邊界層非平衡動(dòng)力學(xué)機(jī)制(Smith et al.，2009)用來(lái)解釋雙眼墻形成前的切向外擴(kuò)增強(qiáng)的過程(Hence and Houze，2008；Judt and Chen，2010；Didlake and Houze，2011).該機(jī)制認(rèn)為，外圍切向風(fēng)的增強(qiáng)與邊界層內(nèi)流增強(qiáng)使絕對(duì)角動(dòng)量向內(nèi)輸送有關(guān).當(dāng)邊界層內(nèi)的內(nèi)流足夠強(qiáng)以致能夠彌補(bǔ)因摩擦造成的損耗時(shí)，動(dòng)量輻合會(huì)使切向風(fēng)得到快速的增強(qiáng)，空氣質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)過具有超梯度風(fēng)的區(qū)域時(shí)會(huì)受到向外的超梯度力的作用而減速并產(chǎn)生輻合，因此會(huì)在主眼墻外產(chǎn)生上升氣流，在熱力和動(dòng)力條件滿足時(shí)，該上升運(yùn)動(dòng)可能會(huì)引發(fā)持續(xù)的對(duì)流發(fā)展，甚至外眼墻的形成.在許多理想試驗(yàn)(Qiu and Tan，2013；Wang et al.，2013，2016；Huang et al.，2018)和觀測(cè)分析中(Abarca et al.，2016)都得到了驗(yàn)證.

但是，Kepert和Nolan(2014)利用靜止大氣的軸對(duì)稱颶風(fēng)邊界層模型研究發(fā)現(xiàn)，即使邊界層上方的切向風(fēng)區(qū)沒有擴(kuò)張，最大風(fēng)速半徑外的徑向渦度梯度較弱時(shí)，也能因摩擦效應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)的上升氣流，因此認(rèn)為切向風(fēng)的擴(kuò)張加強(qiáng)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(zhǔn)靜止背景場(chǎng)的理想中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)數(shù)值試驗(yàn)，分析了臺(tái)風(fēng)雙眼墻是由臺(tái)風(fēng)雨帶潛熱釋放加熱引起的動(dòng)力調(diào)整還是由邊界層非平衡動(dòng)力學(xué)引起.試驗(yàn)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(duì)稱雨帶的潛熱加熱也可以形成臺(tái)風(fēng)雙眼墻；并且通過邊界層超梯度風(fēng)診斷分析表明，雙眼墻主要是對(duì)非對(duì)稱螺旋雨帶凝結(jié)加熱的動(dòng)力響應(yīng)而產(chǎn)生，當(dāng)加熱率減小到5 K·h-1時(shí)，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(dòng)力機(jī)制強(qiáng)調(diào)的是切向風(fēng)外擴(kuò)過程中邊界層的非平衡響應(yīng)，但該機(jī)制無(wú)法解釋為什么切向風(fēng)在SEF之前會(huì)發(fā)生向外擴(kuò)張，同樣，該機(jī)制是建立在軸對(duì)稱框架，也無(wú)法解釋雙眼墻形成過程中非對(duì)稱螺旋雨帶的作用.雖然邊界層過程對(duì)SEF和ERC的具體貢獻(xiàn)作用仍存在激烈爭(zhēng)論(Montgomery et al.，2014；Kepert and Nolan，2014)，但所有這些研究都一致認(rèn)為邊界層過程是SEF的重要觸發(fā)機(jī)制.

3 海氣相互作用的影響

3.1 風(fēng)致海表熱交換機(jī)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(dòng)量交換很大程度上決定了臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和尺度(Emanuel，1986，1999).大量的觀測(cè)分析、理論研究和數(shù)值試驗(yàn)都表明，海氣相互作用是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的一個(gè)重要因子.Emanuel(1986)提出了基于海表熱通量與海面風(fēng)場(chǎng)之間正反饋?zhàn)饔玫娘L(fēng)致海表熱交換(Wind-Induced Surface Heat Exchange，WISHE)機(jī)制，該機(jī)制認(rèn)為臺(tái)風(fēng)邊界層內(nèi)除了攜帶自身水汽外，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)加大了海氣熱通量的上傳，海表熱通量又為臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)提供了能量，這樣通過一系列正反饋過程使臺(tái)風(fēng)得以維持和發(fā)展.觀測(cè)資料都顯示在SEF過程中邊界層切向風(fēng)都將外擴(kuò)增強(qiáng)(Didlake et al.，2018，Abarca et al.，2016，Wunsch and Didlake，2018)，隨著海面切向風(fēng)速增大，必然加大了海氣間熱通量的向上傳輸，通過WISHE機(jī)制導(dǎo)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(fēng)速大小來(lái)抑制海氣熱通量，即減弱WISHE作用，通過臺(tái)風(fēng)Sinlaku(2008)數(shù)值敏感試驗(yàn)表明，當(dāng)SEF區(qū)域及外圍的海表熱通量被限制的時(shí)候，SEF推遲且內(nèi)外眼墻的強(qiáng)度都明顯減弱；當(dāng)SEF區(qū)域的海表熱通量被強(qiáng)烈削減時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)SEF；而限制臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)(臺(tái)風(fēng)內(nèi)眼墻和內(nèi)螺旋雨帶所在區(qū)域)的海表熱通量對(duì)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(yīng)的反饋?zhàn)饔?/h3>

觀測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)條件下海洋響應(yīng)十分劇烈，對(duì)SEF過程前后24小時(shí)內(nèi)的海洋熱容量(Ocean Heat Content，OHC)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，OHC從88 kJ·cm-2降低為53 kJ·cm-2左右，降幅達(dá)39%(Yang et al.，2013)，以往研究表明OHC對(duì)臺(tái)風(fēng)獲得的海氣熱通量有顯著影響，是決定臺(tái)風(fēng)強(qiáng)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(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻的響應(yīng)及反饋?zhàn)饔貌蝗莺鲆?Yang等(2014)通過對(duì)衛(wèi)星、雷達(dá)和降水資料分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)Soulik(2013)發(fā)生ERC時(shí)，經(jīng)過了一片較小熱容量的海域，抑制了臺(tái)風(fēng)外眼墻向內(nèi)發(fā)展，削弱了外眼墻對(duì)內(nèi)眼墻的抑制作用，使ERC持續(xù)時(shí)間達(dá)到了34 h.目前已有的ERC數(shù)值模擬結(jié)果中，ERC持續(xù)時(shí)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(yàn)或個(gè)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(wú)法模擬三維海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的反饋?zhàn)饔?，尤其是臺(tái)風(fēng)雙眼墻條件下的海洋非均勻響應(yīng)，往往導(dǎo)致模擬的雙眼墻臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度過強(qiáng)，尺寸偏小(Tallapragada et al.，2016)，進(jìn)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(duì)雙眼墻臺(tái)風(fēng)Sinlaku(2008)開展了海氣耦合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)冷尾流和海浪引起的海表粗糙度變化等海洋響應(yīng)作用在不同程度上推遲了雙眼墻出現(xiàn)的時(shí)間并延長(zhǎng)了ERC過程，與觀測(cè)更加相符.試驗(yàn)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(diǎn).同時(shí)，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(duì)流的發(fā)展，有利于moat區(qū)的形成和維持，促進(jìn)雙眼墻的形成和維持.

當(dāng)考慮海洋響應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻的反饋?zhàn)饔脮r(shí)，一方面，海洋冷卻主要由內(nèi)眼墻強(qiáng)風(fēng)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(duì)流的發(fā)展，外雨帶需要更長(zhǎng)時(shí)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(duì)向內(nèi)發(fā)展的外雨帶對(duì)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?zhàn)饔孟拢庋蹓⑿枰L(zhǎng)時(shí)間并在更大半徑位置形成，具體形成位置和形成時(shí)間與臺(tái)風(fēng)(主眼墻)的強(qiáng)度、大小和移動(dòng)速度有關(guān).

4 討論與展望

近年來(lái)，針對(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻的SEF形成機(jī)制和ERC演變機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從波動(dòng)理論、WISHE機(jī)制、平衡動(dòng)力學(xué)、邊界層非平衡動(dòng)力學(xué)、非對(duì)稱和軸對(duì)稱等角度開展了大量研究，取得了一系列研究進(jìn)展，尤其是對(duì)于典型的SEF過程有了進(jìn)一步理解，并達(dá)成了一些共識(shí).首先，SEF的形成是在臺(tái)風(fēng)雨帶非絕熱加熱和邊界層摩擦輻合的正反饋機(jī)制作用下產(chǎn)生，SEF過程一般與初始非對(duì)稱外雨帶有關(guān)，通過非絕熱加熱增強(qiáng)了垂直渦度，從而增加了切向風(fēng)；其次，相伴于SEF過程，切向風(fēng)場(chǎng)將向外擴(kuò)展，而且許多研究發(fā)現(xiàn)這種風(fēng)場(chǎng)外擴(kuò)先于SEF；最后，邊界層動(dòng)力學(xué)多關(guān)注于SEF區(qū)域的動(dòng)量徑向輻合，且認(rèn)為SEF與邊界層上部的超梯度風(fēng)有關(guān).

雖然對(duì)臺(tái)風(fēng)雙眼墻形成機(jī)制有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，但還沒有形成一個(gè)廣泛認(rèn)可的SEF理論，對(duì)于觸發(fā)SEF過程的具體機(jī)制仍存在一些分歧，還有許多問題有待進(jìn)一步研究.

(1)當(dāng)前對(duì)于SEF的定義還沒有一個(gè)正式統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(Kossin and Sitkowski 2009；Dougherty et al.，2018)，不同研究采用了不同標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(fēng)的第二個(gè)大值區(qū)(Dougherty et al.，2018)；外眼墻風(fēng)速最大值超過內(nèi)眼墻風(fēng)速最大值的時(shí)刻(Miyamoto et al.，2018)；或是外部閉合環(huán)狀對(duì)流的形成(Kossin and Sitkowski，2009).由于采用了不同的外眼墻形成定義標(biāo)準(zhǔn)，確定SEF形成機(jī)制存在很大的不確定性，已提出的SEF形成機(jī)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(tái)風(fēng)雙眼墻形成機(jī)制，需要對(duì)雙眼墻形成的定義給出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有助于不同SEF形成機(jī)制進(jìn)行比較.

(2)以往大量的理想試驗(yàn)都試圖證明，SEF是以臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶非絕熱加熱作用主導(dǎo)的“自上而下”形成方式，還是以邊界層非平衡動(dòng)力過程主導(dǎo)的“自下而上”的形成方式.最近，F(xiàn)isher等(2020)利用機(jī)載的雙多普雷達(dá)對(duì)颶風(fēng)Irma(2017)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，颶風(fēng)Irma快速發(fā)展加強(qiáng)過程中經(jīng)歷了兩次SEF/ERC過程，第一次SEF過程是以順風(fēng)切變左側(cè)象限的臺(tái)風(fēng)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(fēng)引起的低層輻合造成.可見，理論研究和觀測(cè)事實(shí)之間還存在一些無(wú)法解釋的沖突.現(xiàn)實(shí)臺(tái)風(fēng)中，可能有多種機(jī)制共同作用產(chǎn)生了SEF，需要進(jìn)一步開展觀測(cè)分析和數(shù)值試驗(yàn)研究.

(3)臺(tái)風(fēng)雙眼墻往往發(fā)生在臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)階段，此時(shí)臺(tái)風(fēng)與海洋相互作用也更加劇烈，海氣相互作用對(duì)臺(tái)風(fēng)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(wú)論是“自上而下”還是“自下而上”形成方式都強(qiáng)調(diào)通過WISHE機(jī)制，臺(tái)風(fēng)從海洋獲得能量，而以往的臺(tái)風(fēng)雙眼墻研究中，大多關(guān)注于TC本身的內(nèi)部動(dòng)力和熱力學(xué)的作用，對(duì)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?zhàn)饔?Yang et al.，2020)，不論是理想試驗(yàn)還是實(shí)際臺(tái)風(fēng)個(gè)例的數(shù)值模擬試驗(yàn)，都將海面溫度設(shè)為常值或定常，忽略了臺(tái)風(fēng)冷尾流等海洋響應(yīng)對(duì)雙眼墻的反饋?zhàn)饔?對(duì)于雙眼墻臺(tái)風(fēng)，冷尾流對(duì)雙眼墻的形成、維持和替換過程的影響變得更加復(fù)雜，對(duì)內(nèi)(外)眼墻和moat區(qū)的貢獻(xiàn)各不相同，冷尾流對(duì)內(nèi)(外)眼墻的非平衡貢獻(xiàn)，將造成ERC啟動(dòng)和維持時(shí)間的變化以及相應(yīng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化.

綜上，目前已經(jīng)可以對(duì)少數(shù)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的雙眼墻特征進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)，但是對(duì)于SEF和ERC的啟動(dòng)時(shí)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(qiáng)率)等過程的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)還是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、理論分析和理想(實(shí)際)臺(tái)風(fēng)的數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步理解SEF形成機(jī)制及ERC理論，為提高臺(tái)風(fēng)雙眼墻的精細(xì)化預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.