台风双眼墙形成及眼墙替换过程的研究进展

程小平, 费建芳, 李湘成, 黄小刚, 杨雯

1 国防科技大学气象海洋学院, 长沙 410003 2 中国气象科学院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081

0 引言

台风双眼墙，又名同心眼墙(Concentric Eyewalls，CEs)，是台风发展过程中同时出现内外两个闭合眼墙的现象(Fortner，1958)，也是强台风中经常伴随出现的结构特征.台风双眼墙是指在台风发展过程中，螺旋雨带内的对流迅速发展并逐渐包裹住主眼墙，形成近似闭合的圆形对流环，同时出现切向风的第二个极大值区和moat区，最终形成外眼墙(Secondary Eyewall Formation，SEF).CEs的结构主要包括内眼墙(主眼墙)、外眼墙(第二眼墙)以及两者之间具有较强下沉气流的晴空区(moat区).台风双眼墙形成后往往会经历一次眼墙替换过程(Eyewall Replacement Cycle，ERC)，即外眼墙形成后会逐渐增强并向内收缩，从而抑制内眼墙的发展并最终取代内眼墙，重新演变为单眼墙台风的过程(Willoughby et al.，1982).

统计结果表明，西北太平洋上所有达到四级和五级强度的台风中，分别有57%和72%拥有CEs结构(Kuo et al.，2009).同样，Hawkins研究指出(Hawkins et al.，2004)西北太平洋上80%的强台风拥有双眼墙结构，在其发展过程中至少经历一次ERC过程，少数台风甚至经历了三次ERC过程(Molinari et al.，2019).ERC过程往往会造成台风海面气压、最大风速和降水在短时间内发生剧烈变化(Houze et al.，2007；Kuo et al.，2009；Sitkowski et al.，2011；Huang et al., 2021)，从而大大增加了台风强度和结构预报的难度.比如，2019年第九号超强台风“利奇马”就是一个典型的双眼墙台风，其在登陆前后拥有非常明显的双眼墙结构和两个强风及强降水的大值区，给我国沿海地区造成了巨大的人员伤亡和经济损失(如图1).

图1 2019年台风“利奇马”登陆前的雷达回波图(雷达站：温州，时间：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)

台风双眼墙受到大尺度环境场强迫(如环境风垂直切变和高空槽/急流等)、海气相互作用和台风涡旋内部热动力过程共同作用，双眼墙的形成及其演变一直是台风研究中的热点和难点.近年来，国内外在双眼墙的形成机理和数值预报方面开展了大量研究，由于影响CEs的物理过程复杂多样，目前对于SEF和ERC的形成机制和理论尚未成熟，还存在很多争议和讨论.相对于台风双眼墙频发的现象，对双眼墙生成和消亡的预报能力进展缓慢，数值天气预报模式对SEF和ERC的预报能力十分有限(Zhu and Zhu，2014；Zhang et al.,2015；Zhang et al.，2017).2018年11月世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)组织的第九届热带气旋研讨会上(The 9th International Workshop on Tropical Cyclones，IWTC-9)，来自各国学术界和业务部门的科学家就台风双眼墙形成和演变召开了专题研讨，一致认为需要要进一步加强台风双眼墙形成演变机理和数值预报方面的研究(端义宏等，2020).

因此，本文着重梳理过去十余年来，国内外学者对台风双眼墙SEF形成机制和ERC演变机理的发展现状及最新研究进展，讨论分析双眼墙研究中有待进一步解决的问题和发展方向，以期为下一步台风双眼墙研究提供有益的借鉴和参考.

1 大尺度环境场对台风双眼墙的影响

1.1 台风双眼墙的统计特征

Kossin和Sitkowski利用微波成像资料以及飓风概率统计预报模型SHIPS(Statistical Hurricane Intensity Prediction Scheme)，对10年间(1997—2006)发生在大西洋和东北太平洋上的双眼墙台风进行大尺度环境特征分析发现，SEF的出现往往伴随着高的台风最大潜在强度、低的环境风垂直切变、弱的高空纬向风、暖的海洋下垫面和高的中高层相对湿度(Kossin and Sitkowski，2009).但是，对于不同类型的双眼墙台风，外部大尺度环境场作用也存在差别.

针对台风外眼墙的大小，根据moat区平均宽度，双眼墙可以分为窄moat区(17.8 km)和宽moat区(66.1 km)两类，由于moat区宽度与内眼墙没有明显相关性(Kuo et al.，2009)，moat区越宽对应外眼墙的尺寸也越大.统计分析表明，外眼墙较大的台风容易在较高纬度(约22.4°N)、湿度较大且海面气压较低的环境中形成，外眼墙大小与台风强度和环境低层涡度呈反相关，并且外眼墙越大(moat区范围越宽)，越有利于双眼墙的长时间维持(Zhou and Wang，2013).Yang等(Yang et al.，2013)针对双眼墙维持时间和替换过程特征，利用西北太平洋15年的(1997—2011)双眼墙台风微波成像资料，将双眼墙台风分为ERC(分类标准：双眼墙形成后，内眼墙在20 h内消失)、CEM(Concentric Eyewall Maintained，分类标准：双眼墙共存超过20 h以上)和NRC(No Replacement Cycle，分类标准：外眼墙生成后，在20 h消散，未发生眼墙替换)三类进行统计分析表明：ERC型台风共37个，占53%；NRC型共17个，占24%；CEM型共16个，占23%，且平均持续时间为31 h.CEM型双眼墙台风具有高湿度、大外眼墙(宽moat区)等特点，其平均值超过ERC和NRC型双眼墙台风的50%.CEM型双眼墙台风往往发生在低风切变、高海温和高湿度的环境中，可能受到台风内部涡旋动力学和外部环境强迫共同作用，而ERC型双眼墙台风中，环境条件变化较小，可能以台风涡旋内部动力学过程为主.另外，Zhu和Yu(2019)将双眼墙台风分为T-ERC(典型眼墙替换过程)和N-ERC(无眼墙替换过程)两类进行统计分析也发现，N-ERC型双眼墙台风与环境相互作用剧烈，而T-ERC型双眼墙台风发生在相对平静的环境场中.

值得注意的是，双眼墙台风SEF形成的前后24 h内，三维海洋变化剧烈(Yang et al.，2013)，因此，Yang等(2014)分析了双眼墙台风与ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同相态之间的关系发现，双眼墙台风年发生数与ONI指数(Oceanic Nio Index)具有很强的相关性，相关系数达到了0.72.55%(50%)双眼墙台风出现在ENSO暖(中性)季，且台风双眼墙持续时间(大于20 h)更长，强度(尺度)也更强(大).然而，在ENSO冷季出现的双眼墙台风只占到了25%.

ERC过程中台风强度将发生剧烈变化，造成了台风强度预报的巨大误差.为了考虑ERC过程对台风强度变化的影响，Kossin和Sitkowski(Sitkowski et al.，2011；Kossin and Sitkowski，2012；Kossin，2015)利用飞机加密观测的19次ERC过程数据，将ERC过程中台风强度变化划分为三个阶段：增强(SEF启动时)、减弱(ERC启动阶段)和再增强阶段(ERC将完成时).并将该模型整合到美国大气海洋局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)飓风预报中心(National Hurricane Center，NHC)的飓风统计预报模型SHIPS，形成适用于双眼墙台风的统计预报模型E-SHIPS(ERC-SHIPS)，将双眼墙飓风的短时(<24 h)强度统计预报误差降低了50%(Kossin and DeMaria，2016)，E-SHIPS也是当前NHC开展双眼墙飓风强度统计预报的业务系统.由于E-SHIPS统计模型需要事先给定SEF启动时间，因此判断SEF是否启动成为制约该统计模型有效利用的瓶颈.最近，利用85 GHz的卫星微波资料，Wimmers和Velden采用ARCHER反演算法(the Automated Rotational Center Hurricane Retrieval)发展了一种双眼墙台风ERC发生概率的实时分析模型M-PERC(Microwave Probability of ERC)，能够提供SEF启动时间和ERC演变的概率预报产品(Wimmers and Velden 2016；Wimmers et al.，2018)，目前，该模型已在CIMSS(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies Space Science and Engineering Center)中心开展准业务化测试，未来将有望进一步提高双眼墙台风的实时分析和强度统计预报能力.

1.2 垂直风切变的影响

垂直风切变(Vertical Wind Share，VWS)是影响台风结构和强度的一个重要环境因子.环境风垂直切变促使台风垂直结构的倾斜和非对称扰动的发展，许多研究已经证明较大的环境风垂直切变不利于台风增强.然而，台风双眼墙常发生在强台风阶段，如西北太平洋上所有达到四级和五级强度的台风中，分别有57%和72%拥有CEs结构(Kuo et al.，2009).因此，强VWS一般不利于外眼墙的形成，统计分析表明，SEF一般发生在中等强度(6 m·s-1)的环境风垂直切变条件中(Kossin and Sitkowski, 2009；Yang et al.，2013).理想数值试验也表明，环境风垂直切变破坏了外雨带加热引起的位涡组织化，进而不利于SEF形成，但不同强度的VWS，对双眼墙生成的影响程度也不相同(Menelaou et al.，2014).当环境风垂直切变达到6～10 m·s-1时，螺旋雨带中的零散位涡块(Potential Vorticity，PV)无法组织化为完整的PV环，将无法形成外眼墙；当VWS为6 m·s-1时，SEF区域的方位平均切向风将出现第二个大值区，而当VWS为10 m·s-1时，该平均切向风大值区消失.可见，强VWS的存在，会抑制外雨带PV的组织化过程，不利于外眼墙的形成，这也说明并不是所有的台风外螺旋雨带都能形成双眼墙.另外，由于VWS会造成台风具有较强的非对称结构，即使SEF区域的方位平均切向风形成第二个大值(从轴对称角度认为该特征是SEF形成的标志之一)，也并不代表台风双眼墙的形成，这表明要谨慎利用轴对称理论解释SEF的形成.另外，Zhang等(2017)在中等强度(6 m·s-1)VWS条件下，开展台风双眼墙的对流可分辨集合预报试验表明，台风的SEF和ERC过程对模式初始场随机误差及不确定性、湿物理过程引起的计算截断误差等具有较大敏感性，同时，模式水平分辨率对成功模拟台风眼墙替换过程也有一定影响(陈小宇等，2019).

虽然大量观测分析、统计结果和数值模拟研究表都表明SEF和ERC一般出现在弱(或中等)环境风垂直切变条件下，但在实际大气中也观测到一些强VWS环境下依旧存在双眼墙的台风.如：Dougherty等(2018)利用飞机、雷达、下投式探空和卫星微波图像资料分析飓风Bonnie(1998)发现，在强环境风垂直切条件下(12～16 m·s-1)，飓风Bonnie依然出现了SEF，并且在ERC过程中，飓风强度并没有减弱.他们分析表明，强VWS促进了外围雨带顺风切变方向的对流发展为外眼墙，这种非对称眼墙又向逆风切变方向扩展，因此，相对典型双眼墙台风，Bonnie具有更强的非对称性结构.

1.3 高空西风急流的影响

高层大气系统是影响SEF生成的另一个重要外部环境强迫因子.Dai等(2017)利用f平面理想试验开展了高空西风急流-台风相互作用对台风外眼墙生成和眼墙替换过程的影响研究，试验结果表明，当台风北部(约1500 km)出现中等强度(35 m·s-1)的高空西风急流时(12 km高度)，在高空急流的大尺度出流场的动力强迫下，台风外围出现了非对称高层辐散场，为了满足质量守恒约束，低层空气被强迫抬升到高空并凝结，在台风西北象限持续产生非对称的层状云系.层云降水引起的低层非绝热冷却加大了大气低层的不稳定，促进台风外围新生对流的形成并发展为深对流，形成更加强盛的台风外雨带.数值敏感试验表明，SEF对于高空急流强度不太敏感(高空急流大于15 m·s-1)，但是，SEF的触发取决于高空急流与台风之间的相对距离，当两者之间的距离大于2000 km时，将无法形成双眼墙.

2 双眼墙形成及替换的涡旋内部动力学机制

许多静止大气的理想试验都能模拟出台风双眼墙特征(Terwey and Montgomery，2008，Zhu and Zhu, 2015，Tyner et al.，2018)，因此，台风双眼墙也被认为主要由台风内部涡旋动力过程决定.围绕着外眼墙生成过程中外眼墙的深对流环和次级大风中心是如何形成的问题，国内外学者从波动理论、平衡与非平衡动力过程、对称与非对称过程等不同角度开展研究，提出了许多双眼墙形成的可能机制(或机理)，如：涡旋罗斯贝波理论(Montgomery and Kallenbach，1997；Qiu et al.，2010)、外雨带非绝热加热的平衡动力响应(Shapiro and Willoughby，1982；Wang，2009；Rozoff et al.，2012；Menelaou et al.，2013；Zhu and Zhu，2014；Wang et al.，2019)、边界层非平衡动力学机制(Huang et al.，2012，2018；Sun et al.，2013；Wang et al.，2013，2016)、非对称层云雨带加热(降水冷却)作用(Chen，2018；Didlake et al.，2017，2018；Tyner et al.，2018；Wang and Tan，2020).另外，数值试验还表明辐射日变化作用(Tang et al.，2017)和台风初始涡旋结构(Ge et al.，2016)对SEF过程也具有很大影响.

2.1 涡旋罗斯贝波理论

基于雷达和卫星图像，Macdonald(1968)发现台风雨带活动具有与罗斯贝波相似的扰动特征，并提出了涡旋罗斯贝波(Vortex Rossby Waves，VRWs)的概念.类似于行星系统中的罗斯贝波，VRWs的传播与涡度梯度密切相关.Montgomery和Kallenbach(1997)建立了完整的VRWs理论模型，并提出VRWs并不会无限向外传播，会停留在台风某个半径处，即停滞半径.此后相继有研究指出，在波流相互作用下，VRWs的停滞半径附近存在能量积累，形成切向风的次大值区，有助于外雨带的形成甚至导致SEF形成(Chen et al.，2001；Corbosiero et al.，2006，Martinez et al.，2010；Menelaou et al.，2013；Qiu et al.，2010).上述结论大多是基于简单物理过程的理想试验结果得到的，随着模式的发展，基于高分辨率和全物理过程的模式输出结果表明，VRWs活动可能不会直接影响SEF.Terwey和Montgomery(2008)提出了β-skirt轴对称机制，他们指出外眼墙中的次极大风速是由β-skirt区域中分散的对流产生的位势涡度异常造成的.在此基础上，Qiu和Tan(2010)指出持续活跃的 VRWs使得β-skirt向外扩展，这为外雨带中对流的轴对称化提供了足够的径向空间.Corbosiero等(2012)推断，来自内眼墙的VRWs向外传播时会调整PV的径向分布，从而导致水汽在停滞半径处累积，促进对流的发展，但他也认为这并不会直接导致SEF.Judt和Chen(2010)指出，在SEF之前，位势涡度梯度接近于0，同时存在的下沉运动和形变效应均不利于VRWs的向外传播，他们认为雨带中对流活动产生的局地位势涡度异常，才是触发外眼墙的关键.Sun等(2013)通过对台风Sinlaku进行模拟，证明VRWs对SEF的贡献其实是十分有限的.这些研究表明利用VRWs理论解释SEF仍存在很多问题.

2.2 雨带非绝热加热的平衡动力响应

台风双眼墙往往形成于强台风阶段，具有较强的对称结构特征，许多学者在轴对称平衡框架下讨论外眼墙的形成原因，提出了螺旋雨带非绝热加热的平衡动力响应机制.该机制最早是由Shapiro和Willoughby(1982)根据理想轴对称横向次级环流方程Sawyer-Eliassen(Eliassen，1951)提出，后来Rozoff等(2012)在包含全物理过程的实际数值模拟中进行完善和发展.该机制认为外眼墙形成过程中，台风螺旋雨带的非绝热加热是主导作用，在轴对称平衡框架下，通过对持续性螺旋雨带非绝热加热作用的平衡动力响应(热成风平衡)，边界层上部的切向风逐渐增大，边界层径向入流辐合也增大，促进了低层对流的发展和切向风径向外扩.如果加热时间足够长，非绝热加热作用、低层对流、边界层径向入流辐合及切向风加速之间形成正反馈作用，促进了外眼墙深对流和边界层切向风次级大值中心的发展，进而形成外眼墙(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)诊断计算表明，动量强迫对外眼墙上升气流的贡献小于10%，且主要位于低层，而外眼墙的垂直上升运动主要是对外雨带非绝热加热的动力响应引起.

另外，不同位置雨带的非绝热加热作用对SEF的影响也不相同，根据螺旋雨带距台风中心位置可分为内雨带(活跃在快速涡丝化区域)和外雨带(2～3倍最大风速半径以外).数值试验表明，内雨带附近的加热效率更高，有利于潜热能转化为动能，加快切向风的外扩增强，促进SEF的形成(Rozoff et al.，2012；Li et al.，2014).同时，数值试验表明螺旋雨带的非绝热加热强度要达到一定量级，比如，雨带最大加热率需达到内眼墙最大加热率的10%以上(Zhu and Zhu，2014)或加热率超过5 K·h-1(Menelaou et al.，2014)，才能触发外眼墙的生成.敏感性试验也表明，增强外雨带非绝热加热率(Wang，2009)，或者提高台风内核区低层大气非绝热冷却率(Chen，2018)，都能够增强外雨带的对流活动，产生更多的非绝热潜热释放，有利于切向风增强并形成台风外眼墙.但也有学者认为平衡动力学是基于热成风平衡假设，并不能用于解释边界层上方超梯度风的形成和切向风的扩张.同时，该机制是在轴对称框架下提出，无法解释台风双眼墙形成过程的螺旋雨带的非对称作用(Zhang and Perrie, 2018；Wang et al.，2019；Wang and Tan，2020).

SEF区域的深对流环和次级大风中心是双眼墙形成的典型标志，Zhu和Zhu(2014)研究发现台风具有很强内雨带时，甚至是内雨带对流已经发展为环状结构，然而在外眼墙区域并未出现切向风的大值区，或者切向风大值出现在moat区，在海气相互作用机制下使得moat区低层形成了对流活动，使得外雨带中高层对流迅速与内眼墙合并形成一个更强的单眼墙台风，这种现象被称为“虚假SEF”或“夭折的ERC”.Wang和Tan(2020)指出，外眼墙的深对流环和边界层次级大风中心的两个基本特征并不是完全等同的，但都是由于外雨带加热驱动作用下形成，分析表明，外雨带通过其内侧的边界层辐合触发的边界层非平衡响应是形成双眼墙的根本机制.相反，内雨带驱动的边界层辐合较弱且靠近内核区，绝对涡度输送被较大的摩擦抵消，使得切向风场的加速难以建立，形成“假双眼墙”结构.

2.3 非对称层云雨带加热作用

观测表明台风外雨带对流中主要存在对流云和层状云两种结构特性完全不同的云系.对流云系中，非绝热加热和垂直上升运动基本占据整个对流层；而在层云云系中，非绝热加热位于对流层中高层，低层由于层云降雨的蒸发冷却表现为非绝热冷却.由于环境风垂直切变作用，台风螺旋雨带常形成非对称雨带复合体(Willoughby et al.，1984；Hence and Houze，2012)，在雨带复合体(由对流云与层云共同组成)中，顺切变右侧主要以对流云(或对流胞体)结构为主(如图2)，外雨带沿顺风方向移动，在切变左部区域形成大片层状云结构(Black et al.，2002；Hence and Houze，2012；Didlake and Houze，2013b).这种雨带复合体从上风段到下风段有明显的对流云到层云的转变，且具有明显的非对称特征.然而，已有SEF形成机制多关注于台风轴对称物理过程，强调外雨带对流与台风涡旋环流之间形成正反馈相互作用，增强外雨带对流并形成外眼墙(Rozoff et al.，2012；Abarca and Montgomery, 2013；Kepert，2013).但是，这种正反馈作用可能是成熟的轴对称SEF过程的一种表现形式，并不能解释非对称外雨带是如何演变为外眼墙，或者说是无法解释何种物理机制启动了轴对称SEF过程，尤其是SEF发生前非对称雨带的作用.

图2 双眼墙形成不同阶段的台风眼墙和螺旋雨带的概念图(a) 单眼墙和螺旋雨带复合体出现的初期; (b) 外眼墙环状对流发展阶段, 环境风切变方向指向上，DL和DR表示顺切变的左右象限，UL和UR表示逆切变的左右象限，反射率等值线(20和35 dBZ)表示嵌入在雨带复合体内的对流单体，灰色点线区域表示对流崩溃并产生围绕台风的层云降水，在顺切变左侧的层云雨带区域同时存在中尺度下沉入流(MDI)和加强的上升运动(白色点线包围区域);(c)垂直方向的动力概念图，细箭头表示涡旋尺度的边界层入流，实线宽箭头表示伴随层云雨带的运动，MDI发生在潜热冷却区域，并且具有负浮力(B<0)，在MDI末端，激发出对流上升运动，沿着MDI内侧，空气辐合且向上加速运动(∂w/∂t>0).白色圆环区域表示发展中的切向风急流区(VT)，也就是外眼墙生成的位置.引自Didlake等(2018)的图17和图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).

由于层云汇聚在雨带复合体的下风末端较小范围内，雨带复合体末端的层状云有可能与涡旋环流发生剧烈相互作用，并且在SEF早期可能比上风段的对流云(对流胞体)发挥更重要的作用.许多研究从非对称角度出发，提出了非对称层云加热(或层云降水冷却)对外眼墙形成早期的触发机制(Qiu and Tan，2013；Chen, 2018；Didlake and Houze，2013a；Didlake et al.，2017；Tyner et al.，2018).理想数值试验表明，非对称层云加热作用引起的下沉入流，从对流中层持续不断地向下注入边界层，一方面使得边界层内径向速度梯度增大，产生辐合上升运动；另一方面会产生超梯度风，并在下风处产生径向运动辐合，增强外眼墙处的上升运动.这种持续的上升运动可能是SEF早期的触发原因(Qiu and Tan，2013).Tyner等(2018)指出这种非对称层云作用是一种“自上而下”的过程，并通过改变云中固态粒子下落末速度来调整层云降水冷却的位置和强度，进一步证实了SEF是通过“由上向下”传播方式形成，但这种“由上向下”的方式并不是独立存在的，它与边界层过程共同作用下触发了SEF.从观测角度出发，Didlake等(2018)对飓风Rita(2005)和Earl(2010)的机载雷达资料分析发现，非对称层云降水冷却在顺风切变左象限达到最大(顺风切变右象限以对流云为主)，层云降水冷却引起的持续中尺度径向下沉入流(Mesoscale Descending Inflow，MDI，如图2)也最强，造成边界层内入流增强和对流上升运动，进而加速顺风切变左侧象限的切向风，最终触发外雨带对流形成外眼墙，这被认为是外眼墙轴对化前的触发因子.最近，Yu和Didlake(2019)以及Wang等(2019)又通过台风理想试验验证了非对称的层云加热(或降水冷却)对SEF的触发作用.Chen和Wu(2018)也通过不同强度的层云降水冷却敏感试验，进一步强调了具有负浮力下沉气流的重要性.

Didlake等(2018)研究独特之处在于，他们提供了一种基于观测的动力学假设，将非对称层云与轴对称SEF理论所需的初始扰动联系起来，尤其是从观测角度证实了之前的数值模拟研究所提出的“自上而下”方式的SEF形成机制(Fang and Zhang，2012；Qiu and Tan，2013；Zhang et al.，2017；Tyner et al.，2018)，这些研究都强调了非对称层状云过程对于SEF形成的重要性.虽然Qiu和Tan(2013)较早发现了类似的结果，但他们同时强调了与雨带复合体相关的超梯度风场以轴对称不平衡边界层外眼墙强迫作用的重要性(Huang et al.，2012).

从以上分析可以知道，虽然SEF的对称和非对称理论解释存在差异，但两者都认为台风最大风速半径(Radius of Maximum Winds，RMW)外围的雨带非绝热加热起到了关键作用.然而，真实情况下，台风外雨带对流的非绝热加热始终存在，那么为什么SEF只发生于台风演变过程中的某个阶段？这还需要进一步探索.

2.4 边界层非平衡动力学机制

边界层顶附近的切向风向外扩展并在外眼墙位置形成次级大风中心是双眼墙形成的标志之一，因此Huang等(2012)首先提出外眼墙形成过程中是以边界层非平衡动力机制为主导，形成方式是“自下而上”的.Wu等(2012)通过对Sinlaku台风的高分辨的集合卡尔曼同化试验表明，在SEF形成的前一天，台风内核区外的对流层低层就会出现切向风的向外扩张以及外围径向风入流增强的现象.在此基础上，Huang等(2012)提出边界层非平衡动力学机制(Smith et al.，2009)用来解释双眼墙形成前的切向外扩增强的过程(Hence and Houze，2008；Judt and Chen，2010；Didlake and Houze，2011).该机制认为，外围切向风的增强与边界层内流增强使绝对角动量向内输送有关.当边界层内的内流足够强以致能够弥补因摩擦造成的损耗时，动量辐合会使切向风得到快速的增强，空气质点在经过具有超梯度风的区域时会受到向外的超梯度力的作用而减速并产生辐合，因此会在主眼墙外产生上升气流，在热力和动力条件满足时，该上升运动可能会引发持续的对流发展，甚至外眼墙的形成.在许多理想试验(Qiu and Tan，2013；Wang et al.，2013，2016；Huang et al.，2018)和观测分析中(Abarca et al.，2016)都得到了验证.

但是，Kepert和Nolan(2014)利用静止大气的轴对称飓风边界层模型研究发现，即使边界层上方的切向风区没有扩张，最大风速半径外的径向涡度梯度较弱时，也能因摩擦效应产生较强的上升气流，因此认为切向风的扩张加强不是形成外眼墙的直接原因，而是SEF过程的伴随现象.Menelaou等(2014)利用准静止背景场的理想中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting)数值试验，分析了台风双眼墙是由台风雨带潜热释放加热引起的动力调整还是由边界层非平衡动力学引起.试验表明，在缺少环境背景流的前提下，即使不考虑边界层物理过程，非对称雨带的潜热加热也可以形成台风双眼墙；并且通过边界层超梯度风诊断分析表明，双眼墙主要是对非对称螺旋雨带凝结加热的动力响应而产生，当加热率减小到5 K·h-1时，将不产生外眼墙，这表明外雨带加热率的大小决定了SEF是否能形成.

需要注意的是，边界层非平衡动力机制强调的是切向风外扩过程中边界层的非平衡响应，但该机制无法解释为什么切向风在SEF之前会发生向外扩张，同样，该机制是建立在轴对称框架，也无法解释双眼墙形成过程中非对称螺旋雨带的作用.虽然边界层过程对SEF和ERC的具体贡献作用仍存在激烈争论(Montgomery et al.，2014；Kepert and Nolan，2014)，但所有这些研究都一致认为边界层过程是SEF的重要触发机制.

3 海气相互作用的影响

3.1 风致海表热交换机制

海洋是热带气旋生成和发展的源地，大气和海洋之间的热量、水汽和动量交换很大程度上决定了台风的强度和尺度(Emanuel，1986，1999).大量的观测分析、理论研究和数值试验都表明，海气相互作用是影响台风强度变化的一个重要因子.Emanuel(1986)提出了基于海表热通量与海面风场之间正反馈作用的风致海表热交换(Wind-Induced Surface Heat Exchange，WISHE)机制，该机制认为台风边界层内除了携带自身水汽外，台风强风加大了海气热通量的上传，海表热通量又为台风加强提供了能量，这样通过一系列正反馈过程使台风得以维持和发展.观测资料都显示在SEF过程中边界层切向风都将外扩增强(Didlake et al.，2018，Abarca et al.，2016，Wunsch and Didlake，2018)，随着海面切向风速增大，必然加大了海气间热通量的向上传输，通过WISHE机制导致双眼墙形成(Nong and Emanuel，2003).Cheng和Wu(2018)通过在SEF区域(或外雨带区域)不同程度限制海面风速大小来抑制海气热通量，即减弱WISHE作用，通过台风Sinlaku(2008)数值敏感试验表明，当SEF区域及外围的海表热通量被限制的时候，SEF推迟且内外眼墙的强度都明显减弱；当SEF区域的海表热通量被强烈削减时，则不会出现SEF；而限制台风内核区(台风内眼墙和内螺旋雨带所在区域)的海表热通量对SEF影响不大.可见，海气相互作用在双眼墙形成和演变中具有十分重要作用.

3.2 三维海洋响应的反馈作用

观测表明，台风强风条件下海洋响应十分剧烈，对SEF过程前后24小时内的海洋热容量(Ocean Heat Content，OHC)统计分析发现，OHC从88 kJ·cm-2降低为53 kJ·cm-2左右，降幅达39%(Yang et al.，2013)，以往研究表明OHC对台风获得的海气热通量有显著影响，是决定台风强度的重要因素(陈大可等，2013；Chih and Wu，2020；Lin et al.，2008).可见，三维海洋对台风双眼墙的响应及反馈作用不容忽视.Yang等(2014)通过对卫星、雷达和降水资料分析发现，台风Soulik(2013)发生ERC时，经过了一片较小热容量的海域，抑制了台风外眼墙向内发展，削弱了外眼墙对内眼墙的抑制作用，使ERC持续时间达到了34 h.目前已有的ERC数值模拟结果中，ERC持续时间大约在6～18 h(Terwey and Montgomery，2008；Qiu et al.，2010；Zhu and Zhu，2014；Chen，2018；Cheng and Wu，2018).这可能是由于现有理想试验或个例数值模拟大都采用单一的大气模式，且SST(Sea Surface Temperature)一般取为常数(28～29℃)或采用定常的海表温度，单一大气模式无法模拟三维海洋对台风的反馈作用，尤其是台风双眼墙条件下的海洋非均匀响应，往往导致模拟的双眼墙台风强度过强，尺寸偏小(Tallapragada et al.，2016)，进而外眼墙形成后迅速收缩.Yang等(2020)率先采用大气-海浪-洋流耦合模式COAWST(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对双眼墙台风Sinlaku(2008)开展了海气耦合试验发现，台风冷尾流和海浪引起的海表粗糙度变化等海洋响应作用在不同程度上推迟了双眼墙出现的时间并延长了ERC过程，与观测更加相符.试验还表明，双眼墙形成前后，内外眼墙处的SST冷却程度各不相同，具有很明显的非均匀特点.同时，双眼墙形成前和ERC过程，moat区始终存在SST冷却，抑制moat低层对流的发展，有利于moat区的形成和维持，促进双眼墙的形成和维持.

当考虑海洋响应对台风双眼墙的反馈作用时，一方面，海洋冷却主要由内眼墙强风引起，伴随内眼墙的冷尾流，减小了海气热通量，减弱了外雨带的潜热加热作用，不利于外雨带对流的发展，外雨带需要更长时间从海洋获取能量，并累积到满足外眼墙形成的潜热加热条件.另一方面，与冷尾流相伴的稳定边界层有利于moat区形成和加宽，对向内发展的外雨带对流产生了阻挡作用，使得外雨带与主眼墙的分离，可能在更大半径位置形成外眼墙.在这两种海洋冷尾流反馈作用下，外眼墙将需要更长时间并在更大半径位置形成，具体形成位置和形成时间与台风(主眼墙)的强度、大小和移动速度有关.

4 讨论与展望

近年来，针对台风双眼墙的SEF形成机制和ERC演变机理，国内外学者从波动理论、WISHE机制、平衡动力学、边界层非平衡动力学、非对称和轴对称等角度开展了大量研究，取得了一系列研究进展，尤其是对于典型的SEF过程有了进一步理解，并达成了一些共识.首先，SEF的形成是在台风雨带非绝热加热和边界层摩擦辐合的正反馈机制作用下产生，SEF过程一般与初始非对称外雨带有关，通过非绝热加热增强了垂直涡度，从而增加了切向风；其次，相伴于SEF过程，切向风场将向外扩展，而且许多研究发现这种风场外扩先于SEF；最后，边界层动力学多关注于SEF区域的动量径向辐合，且认为SEF与边界层上部的超梯度风有关.

虽然对台风双眼墙形成机制有了进一步认识，但还没有形成一个广泛认可的SEF理论，对于触发SEF过程的具体机制仍存在一些分歧，还有许多问题有待进一步研究.

(1)当前对于SEF的定义还没有一个正式统一标准(Kossin and Sitkowski 2009；Dougherty et al.，2018)，不同研究采用了不同标准来确定外眼墙的形成，比如，在内眼墙以外，出现方位平均切向风的第二个大值区(Dougherty et al.，2018)；外眼墙风速最大值超过内眼墙风速最大值的时刻(Miyamoto et al.，2018)；或是外部闭合环状对流的形成(Kossin and Sitkowski，2009).由于采用了不同的外眼墙形成定义标准，确定SEF形成机制存在很大的不确定性，已提出的SEF形成机制可能是SEF的触发原因，也可能是SEF产生的结果.因此，为了更好研究台风双眼墙形成机制，需要对双眼墙形成的定义给出统一标准，有助于不同SEF形成机制进行比较.

(2)以往大量的理想试验都试图证明，SEF是以台风螺旋雨带非绝热加热作用主导的“自上而下”形成方式，还是以边界层非平衡动力过程主导的“自下而上”的形成方式.最近，Fisher等(2020)利用机载的双多普雷达对飓风Irma(2017)进行观测发现，飓风Irma快速发展加强过程中经历了两次SEF/ERC过程，第一次SEF过程是以顺风切变左侧象限的台风外雨带下沉入流急流引起，而第二次SEF过程是由于边界层超梯度风引起的低层辐合造成.可见，理论研究和观测事实之间还存在一些无法解释的冲突.现实台风中，可能有多种机制共同作用产生了SEF，需要进一步开展观测分析和数值试验研究.

(3)台风双眼墙往往发生在台风快速加强阶段，此时台风与海洋相互作用也更加剧烈，海气相互作用对台风发生发展包括双眼墙形成和演变具有不容忽视的影响.无论是“自上而下”还是“自下而上”形成方式都强调通过WISHE机制，台风从海洋获得能量，而以往的台风双眼墙研究中，大多关注于TC本身的内部动力和热力学的作用，对于海气相互作用关注较少，目前几乎所有的SEF/ERC理论都未考虑的海洋反馈作用(Yang et al.，2020)，不论是理想试验还是实际台风个例的数值模拟试验，都将海面温度设为常值或定常，忽略了台风冷尾流等海洋响应对双眼墙的反馈作用.对于双眼墙台风，冷尾流对双眼墙的形成、维持和替换过程的影响变得更加复杂，对内(外)眼墙和moat区的贡献各不相同，冷尾流对内(外)眼墙的非平衡贡献，将造成ERC启动和维持时间的变化以及相应的台风强度的变化.

综上，目前已经可以对少数台风个例的双眼墙特征进行数值模拟和预报，但是对于SEF和ERC的启动时间，外眼墙形成区域和向内收缩速度、内(外)眼墙的减弱率(加强率)等过程的准确预报还是一个巨大的挑战，需要进一步开展观测实验、理论分析和理想(实际)台风的数值模拟研究，进一步理解SEF形成机制及ERC理论，为提高台风双眼墙的精细化预报提供理论依据和技术支撑.