初始外圍尺度與加熱對臺風(fēng)次眼墻形成的影響

林超然 談?wù)苊?/p>

(南京大學(xué) 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

引 言

臺風(fēng)發(fā)展過程伴隨著風(fēng)場、對流結(jié)構(gòu)變化[1-4]，約50%的強(qiáng)臺風(fēng)會出現(xiàn)雙眼墻結(jié)構(gòu)、眼墻替換[5]，引起臺風(fēng)強(qiáng)度的劇烈變化。臺風(fēng)雙眼墻具有兩個重要的結(jié)構(gòu)特征：一是典型的對流結(jié)構(gòu)特征，出現(xiàn)構(gòu)成主、次眼墻的對流環(huán)和二者之間以下沉運(yùn)動為主的moat區(qū)域；二是典型的風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征：存在與主眼墻相對應(yīng)的切向風(fēng)主極大值和與次眼墻相對應(yīng)的低層切向風(fēng)次極大值。

主眼墻和外圍雨帶的非絕熱加熱對臺風(fēng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。平衡動力學(xué)理論中，非絕熱加熱使臺風(fēng)在主環(huán)流上形成一個對流層低層徑向流入、眼墻處上升、對流層高層流出的次級環(huán)流結(jié)構(gòu)[6-8],其中低層入流向內(nèi)輸送絕對角動量，由于角動量在邊界層無摩擦?xí)r守恒，從而促使切向風(fēng)增強(qiáng)[9-10]。內(nèi)雨帶通常指3倍最大風(fēng)速半徑(Radius of Maximum Wind, RMW)以內(nèi)的雨帶，外雨帶指3倍RMW外的雨帶[4]，雨帶分布不同導(dǎo)致的加熱率分布差異會對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響。

同樣，非絕熱加熱對次眼墻發(fā)生、發(fā)展有著重要影響。WANG[4]指出增強(qiáng)外雨帶的非絕熱加熱有利于臺風(fēng)風(fēng)場擴(kuò)張和次眼墻的形成。Moon, et al[11]指出外雨帶對流和層云降水可以引發(fā)次切向風(fēng)極值出現(xiàn)。Rozoff, et al[12]指出臺風(fēng)外圍對流場加熱與風(fēng)場間存在正反饋?zhàn)饔?，即主眼墻增?qiáng)及外擴(kuò)風(fēng)場使慣性穩(wěn)定度增加，非絕熱加熱向動能的轉(zhuǎn)化率提高，促使切向風(fēng)次極值形成，角動量收支分析也表明臺風(fēng)外圍潛熱有利于次眼墻的形成。ZHU, et al[13]在模擬試驗(yàn)中抹去了臺風(fēng)外雨帶處2～3 km高度上的非絕熱加熱，發(fā)現(xiàn)次眼墻處的次切向風(fēng)極值無法形成，表明了外雨帶低層對流和加熱對次眼墻形成的重要性，而低層對流、切向風(fēng)加速和邊界層上層入流輻合、地表蒸發(fā)之間的正反饋能夠促進(jìn)外雨帶對流發(fā)展和次眼墻形成，且外雨帶加熱引起的內(nèi)側(cè)出流會導(dǎo)致主眼墻減弱。CHEN, et al[14]將臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)主眼墻外的低層非絕熱冷卻增加30%，發(fā)現(xiàn)內(nèi)核區(qū)低層存在低熵空氣和輻散下沉運(yùn)動，而外圍產(chǎn)生顯著輻合和活躍的對流雨帶，誘發(fā)了內(nèi)核風(fēng)場外擴(kuò)，有利于次眼墻的形成。

WANG, et al[15]提出了外雨帶驅(qū)動雙眼墻形成的關(guān)鍵動力機(jī)制：當(dāng)臺風(fēng)初始外圍尺度較大時，對流結(jié)構(gòu)和風(fēng)場結(jié)構(gòu)才能通過外雨帶和邊界層的相互作用耦合，形成完整次眼墻；如果初始外圍尺度較小，臺風(fēng)增強(qiáng)過程中主要以內(nèi)雨帶為主，無法出現(xiàn)明顯的外雨帶結(jié)構(gòu)，相應(yīng)只能在主眼墻外形成次對流環(huán)，無法形成切向風(fēng)次極大值結(jié)構(gòu)，即為“偽雙眼墻”；當(dāng)進(jìn)一步縮小初始外圍尺度時，主眼墻外無法形成外雨帶，主要以內(nèi)雨帶為主，相應(yīng)無法形成次對流環(huán)和切向風(fēng)次極大值結(jié)構(gòu)時，表明不存在雙眼墻。顯然，臺風(fēng)初始外圍尺度能夠影響外雨帶的建立，進(jìn)而控制著次眼墻形成。臺風(fēng)增強(qiáng)過程中，外雨帶出現(xiàn)時間和位置可由此決定。

非絕熱加熱對臺風(fēng)次眼墻的形成中至關(guān)重要，但目前為止，關(guān)于臺風(fēng)初始風(fēng)場結(jié)構(gòu)如何影響或者控制次眼墻形成位置和出現(xiàn)時間的討論尚不深入。初始外圍尺度如何通過影響雨帶及其非絕熱加熱分布進(jìn)而對次眼墻的形成產(chǎn)生影響?這一問題仍需深入探討。

本文基于一系列的臺風(fēng)理想數(shù)值模擬，探究不同初始外圍尺度的臺風(fēng)中次眼墻形成位置和出現(xiàn)時間特征，分析主眼墻、外雨帶加熱的分布及其對次眼墻形成的影響并探討其中的動力機(jī)制。

1 模式簡介和試驗(yàn)設(shè)計

本文采用熱帶氣旋數(shù)值模式TCM4[16]進(jìn)行臺風(fēng)雙眼墻的理想模擬試驗(yàn)。該模式使用多重嵌套可移動網(wǎng)格，是完全可壓、非靜力平衡的理想三維熱帶氣旋數(shù)值模式，在熱帶氣旋研究中有廣泛應(yīng)用[17-20]。模式層頂高度為38 km，無擾動地面氣壓為1 010 hPa。本文模擬均設(shè)定在北緯18°N的f平面下進(jìn)行，采用四層嵌套網(wǎng)格，隔層網(wǎng)格為雙向反饋，水平網(wǎng)格從外至內(nèi)的分辨率分別為54、18、6和2 km；相應(yīng)水平格點(diǎn)數(shù)分別為281×241、181×181、217×217、271×271。積分步長360 s，垂直方向?yàn)榉蔷鶆?2層，其中對流層低層分辨率較高。模擬試驗(yàn)均處于靜止環(huán)境場，海表面溫度為29 ℃，采用相同的參數(shù)化方案，具體設(shè)置如下：次網(wǎng)格垂直混合采用E-ε湍流閉合方案[21]、地面通量計算采用Monin-Obukhov通量方案[22]、微物理方案采用顯式混合相云微物理方案[23]，除質(zhì)量守恒方程以外，其他方程均采用非線性四階水平擴(kuò)散方案，位溫方程使用牛頓冷卻項來模擬輻射冷卻作用[24]。

模擬采用的初始風(fēng)廓線分布為[17]：

(1)

其中:r為模擬渦旋的半徑；R0為風(fēng)速為0的半徑；Vm為最大切向風(fēng)速半徑rm處的風(fēng)速；b為初始風(fēng)廓線形狀參數(shù)，表征初始渦旋最大風(fēng)速半徑外切向風(fēng)的徑向衰減速率，b值越大代表渦旋外圍風(fēng)速隨半徑衰減越快，相應(yīng)的渦旋外圍尺度越小。本文模擬試驗(yàn)中僅通過改變外圍風(fēng)廓線參數(shù)b來控制模擬臺風(fēng)的初始渦旋外圍尺度大小。

圖1為模擬試驗(yàn)中采用的部分初始渦旋廓線分布，其中展示的初始渦旋廓線的b值分別為0.2、0.27、0.34、0.41、0.48、0.55、0.6、0.7和0.8。實(shí)際模擬試驗(yàn)中b值改變范圍為0.1～1.0之間，模擬臺風(fēng)的總數(shù)為30個。初始最大切向風(fēng)速為30 m·s-1，初始最大風(fēng)速半徑為135 km。為此，b值分別設(shè)置為0.1、0.12、0.16、0.2、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.41、0.44、0.45、0.48、0.55、0.6、0.7和0.8，相應(yīng)的模擬臺風(fēng)試驗(yàn)名稱分別為C01、C012、C016、…、C07和C08。由于b值不同，模擬臺風(fēng)初始17 m·s-1風(fēng)圈半徑(R17)不同[25-26]，從1 200 km逐漸下降到300 km左右，表征臺風(fēng)初始外圍尺度的減小。針對不同的初始最大切向風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑的模擬試驗(yàn)均得到了類似結(jié)果。

圖1 模擬渦旋初始切向風(fēng)的徑向廓線

2 試驗(yàn)結(jié)果概述

表1給出部分模擬臺風(fēng)演變過程中重要特征參數(shù)。其中，次眼墻形成時間定義為最大切向風(fēng)速次極大值大于等于最大切向風(fēng)速主極大值的時間[27]。次眼墻形成位置定義為最大切向風(fēng)速次極大值的最初出現(xiàn)位置。Moat區(qū)寬度定義為最大切向風(fēng)速主、次極大值之間的距離。按照WANG, et al[15]，將臺風(fēng)演變過程中出現(xiàn)次對流環(huán)但沒有出現(xiàn)最大切向風(fēng)的次極大值的現(xiàn)象稱為“偽雙眼墻”。由于偽雙眼墻未形成與最大切向風(fēng)速主極大值分離的次極大值，因此，偽次眼墻生成時間和位置定義為為最大切向風(fēng)速半徑在外圍開始二次收縮時的時間和位置。

在表1所示的模擬臺風(fēng)中，C01—C038試驗(yàn)發(fā)生完整雙眼墻，C04—C055試驗(yàn)發(fā)生偽雙眼墻，C06—C08試驗(yàn)沒有出現(xiàn)雙眼墻。顯然，臺風(fēng)初始外圍尺度較大時，有利于次眼墻的出現(xiàn)。

表1 模擬臺風(fēng)的特征參數(shù)

2.1 次眼墻形成的徑向位置和時間

本節(jié)主要分析模擬臺風(fēng)中初始外圍尺度對次眼墻形成位置、時間的影響。圖2中r2表示切向風(fēng)次極大值建立時的徑向位置，r1表示此時切向風(fēng)主極大值的位置，r2-r1表示moat區(qū)寬度。隨著b值從0.1增加到0.55，臺風(fēng)初始外圍尺度減小，次眼墻建立位置更加靠近臺風(fēng)中心，從150 km下降到86 km，此時，主眼墻也逐步收縮。同時，moat區(qū)的寬度也呈現(xiàn)變小趨勢。當(dāng)初始外圍尺度減少一定大小時，無法出現(xiàn)完整雙眼墻。次眼墻出現(xiàn)位置和b值的線性擬合效果較好，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.92，具有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。因此，外圍風(fēng)廓線衰減率參數(shù)b所決定的臺風(fēng)初始外圍尺度大小，對雙眼墻的切向風(fēng)次極大值能否形成、形成位置具有主導(dǎo)作用。

圖2 主、次眼墻位置和b值的關(guān)系：r1為切向風(fēng)主極大值的徑向位置；r2為切向風(fēng)次極大值的徑向位置。紅色三角標(biāo)記偽雙眼墻試驗(yàn)

圖3給出了雙眼墻出現(xiàn)時間隨參數(shù)b的變化。可知，次眼墻出現(xiàn)時間隨臺風(fēng)初始外圍尺度減小而推遲。雙眼墻出現(xiàn)時間與參數(shù)b之間線性擬合較好，相關(guān)系數(shù)為0.82，有較高的正相關(guān)性。因此，模擬臺風(fēng)初始外圍尺度越小，次眼墻出現(xiàn)就越晚。

圖3 次眼墻形成時間和b值的關(guān)系(紅色三角標(biāo)記偽雙眼墻試驗(yàn))

不同初始風(fēng)廓線的臺風(fēng)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，次眼墻形成的時間、位置與渦旋初始外圍尺度密切相關(guān)：隨著初始外圍尺度遞減，模擬臺風(fēng)從能夠出現(xiàn)完整雙眼墻逐步過渡到偽雙眼墻、沒有雙眼墻。另外，對于出現(xiàn)次眼墻的臺風(fēng)，其雙眼墻出現(xiàn)時間也隨之推遲且位置更加靠近臺風(fēng)中心。顯然，初始外圍風(fēng)場大小對臺風(fēng)次眼墻的出現(xiàn)、出現(xiàn)的徑向位置和時間具有主導(dǎo)作用。

2.2 次眼墻的切向風(fēng)增強(qiáng)

上述模擬結(jié)果表明初始風(fēng)場外圍尺度對最大切向風(fēng)次極大值、次眼墻形成的位置和時間具有主導(dǎo)作用。下面具體分析初始風(fēng)場結(jié)構(gòu)對次眼墻形成的影響機(jī)制，為此選取了C02(完整雙眼墻)和C055(偽雙眼墻)試驗(yàn)作為分析對象。

圖4給出C02和C055試驗(yàn)降水率水平分布及軸對稱平均的加熱、切向風(fēng)垂直分布。C02試驗(yàn)在71.3 h存在內(nèi)外兩個對流環(huán)(圖4a)，77 h主眼墻對流逐漸消散。軸對稱平均切向風(fēng)垂直分布上存在兩個極值中心，外側(cè)切向風(fēng)速大值中心超過50 m·s-1(圖4c)，對應(yīng)次眼墻切向風(fēng)逐步建立的過程。74 h后次眼墻向內(nèi)收縮，主眼墻減弱，隨后發(fā)生眼墻替換。在C055試驗(yàn)中，外圍雨帶形成位置更加靠近主眼墻，moat區(qū)較狹窄，78 h左右主眼墻外的雨帶逐漸并入眼墻主雨帶(圖4b)，主雨帶逐漸豐厚。此時與眼墻相關(guān)的切向風(fēng)極大值中心向外擴(kuò)張非常緩慢，無法形成兩個分離的大值中心(圖4d)，在此意義上C055僅為偽雙眼墻。

圖4 臺風(fēng)降水率分布(單位：mm·h-1)(距離中心每50 km以灰色圓圈標(biāo)示)以及非絕熱加熱率(填色；單位：K·h-1)和切向風(fēng)(等值線；單位：m·s-1)分布:(a、c)C02(71.3 h);(b、d)C055(78 h)

圖5為C02、C055試驗(yàn)中軸對稱平均的切向風(fēng)、絕對渦度徑向輸送和非絕熱加熱隨時間的演變。加熱大值主要位于RMW外側(cè)，而絕對渦度徑向輸送大值位于RMW內(nèi)側(cè)。C02試驗(yàn)中次眼墻生成前，切向風(fēng)、絕對渦度徑向輸送、非絕熱加熱在主眼墻處隨時間減弱，而在次眼墻形成區(qū)域不斷增強(qiáng)，與WANG, et al[15]結(jié)果類似。與C02相比，C055有較大差別，盡管在主眼墻外側(cè)出現(xiàn)次加熱大值(圖5f)，但絕對渦度徑向輸送大值始終維持在主眼墻及RMW附近(圖5d)，導(dǎo)致主眼墻處的切向風(fēng)強(qiáng)度近乎不變，無法出現(xiàn)切向風(fēng)次極大中心(圖5b)，所以C055試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)完整雙眼墻，只出現(xiàn)了偽雙眼墻。

圖5 模擬臺風(fēng)C02、C055軸對稱平均結(jié)構(gòu)的時間演變：(a、b)模式底層切向風(fēng)(填色; 單位：m·s-1);(c、d)模式底層絕對渦度徑向輸送(填色; 單位：10-3 m·s-2)；(e、f)整層垂直積分的非絕熱加熱率(填色; 單位：K·h-1)。黑色實(shí)線為RMW

為進(jìn)一步討論雙眼墻的切向風(fēng)次極大值形成，對切向風(fēng)傾向進(jìn)行診斷。軸對稱切向風(fēng)傾向診斷方程為[28]:

(2)

圖6表明切向風(fēng)傾向的模式結(jié)果(圖6a、b)和診斷結(jié)果(圖6c、d)基本一致。平均平流和摩擦項之和的分布(圖6e、f)表明了其對次眼墻形成區(qū)域切向風(fēng)增長的貢獻(xiàn)較大。

圖6 C02在第66—72 h、C055在第72—78 h平均的(a、b)模式切向風(fēng)傾向，(c、d)切向風(fēng)診斷方程計算得到的切向風(fēng)傾向以及(e、f)平均平流與摩擦項之和(單位：m·s-1·h-1)

圖7、8分別為C02、C055試驗(yàn)中切向風(fēng)診斷方程右邊各項分布。在C02次眼墻形成前6 h(第66—72 h)，其切向風(fēng)收支分析表明平均絕對渦度徑向輸送對低層切向風(fēng)速增長、次眼墻形成具有重要貢獻(xiàn)(圖7a、g)。平均絕對渦度徑向輸送在邊界層內(nèi)是正貢獻(xiàn)，主眼墻附近最大，外雨帶處對應(yīng)次極大值，而在邊界層上方由于出流，絕對渦度輸送使切向風(fēng)減速(圖7a)。動量垂直輸送項的貢獻(xiàn)則相反，眼墻處邊界層內(nèi)為負(fù)，邊界層上為正，外雨帶處也有類似分布特征，但強(qiáng)度要弱(圖7b、e、h)。渦動相關(guān)項之和在邊界層主眼墻內(nèi)側(cè)為正，眼墻處為負(fù)，moat區(qū)為正，moat區(qū)以外為負(fù)貢獻(xiàn)(圖7f)。摩擦耗散在邊界層主要為負(fù)貢獻(xiàn)，邊界層上為正貢獻(xiàn)較小(圖7i)。平均平流項和摩擦項之和在眼墻外側(cè)為正貢獻(xiàn)，moat區(qū)為負(fù)貢獻(xiàn)，次眼墻處為正貢獻(xiàn)(圖6e)。

圖7 模擬臺風(fēng)C02在第66—72 h平均的：(a)平均絕對渦度徑向輸送項；(b)平均動量垂直輸送項；(c)平均絕對渦度徑向、平均動量垂直輸送項之和；(d)渦動絕對渦度徑向輸送項；(e)渦動動量垂直輸送項；(f)渦動絕對渦度徑向、垂直輸送項之和,(g)平均、渦動絕對渦度徑向輸送項之和；(h)平均、渦動動量的垂直輸送項之和；(i)摩擦耗散項(單位：m·s-1h-1)

切向風(fēng)診斷結(jié)果表明，次眼墻形成前低層絕對渦度徑向輸送對切向風(fēng)傾向的正貢獻(xiàn)較大，邊界層摩擦抵消這部分的貢獻(xiàn)，二者之和基本決定了外雨帶處切向風(fēng)增長，這些結(jié)果與QIU, et al[29]、WANG, et al[15]類似。

圖8為C055試驗(yàn)切向風(fēng)場向外圍擴(kuò)張前6 h(第72—78 h)的切向風(fēng)傾向方程中各項貢獻(xiàn)項分布。這一時間段中，外圍雨帶處形成的入流次極大值中心與主極大值很近，且由于平均絕對渦度徑向輸送次極大值未能與主眼墻的極大值中心分離(圖8a)，而恰恰這個區(qū)域與摩擦耗散大值區(qū)域相重疊(圖8i)，平均絕對渦度徑向輸送的正貢獻(xiàn)很大程度上被摩擦耗散的負(fù)貢獻(xiàn)所抵消，不利于次眼墻形成區(qū)域的切向風(fēng)增長，無法建立起切向風(fēng)的次極大值，相應(yīng)C055只能為偽雙眼墻。

圖8 同圖7，但為模擬臺風(fēng)C055在第72—78 h平均的切向風(fēng)診斷結(jié)果

綜上，平均絕對渦度徑向輸送和邊界層摩擦的位置、大小配置主要控制了雙眼墻形成區(qū)域的切向風(fēng)增強(qiáng)傾向。絕對渦度徑向輸送中渦度由切向風(fēng)場決定，入流由加熱和摩擦強(qiáng)迫得到，而非絕熱加熱發(fā)展較早、變化較快，對次眼墻形成和發(fā)展具有指示性作用。

3 主、次眼墻的非絕熱加熱對次眼墻演變的影響

前面分析可知，臺風(fēng)外圍尺度對次眼墻形成位置和時間具有主導(dǎo)作用。臺風(fēng)初始外圍尺度不同，導(dǎo)致主眼墻外側(cè)對流發(fā)展的位置和時間不同，相應(yīng)雙眼墻相關(guān)的次對流環(huán)、切向風(fēng)次極大值建立的位置和時間也不相同。臺風(fēng)外圍對流引起的非絕熱加熱可以通過影響邊界層入流進(jìn)而影響絕對渦度徑向輸送，進(jìn)一步促進(jìn)次眼墻形成區(qū)域的切向風(fēng)增長。切向風(fēng)次極大值形成與否、形成位置決定于絕對渦度徑向輸送是否被摩擦耗散抵消，因此，主眼墻和雨帶非絕熱加熱的分布對次眼墻的形成至關(guān)重要。

到目前為止，雙眼墻形成過程中非絕熱加熱對低層徑向入流、切向風(fēng)增長的貢獻(xiàn)和影響機(jī)制尚不夠清晰，也并未細(xì)致區(qū)分不同風(fēng)場結(jié)構(gòu)中主、次眼墻加熱對次眼墻形成發(fā)展的貢獻(xiàn)以及主、次眼墻加熱之間的相互作用。為此，本節(jié)將重點(diǎn)探討不同初始風(fēng)場結(jié)構(gòu)中主、次眼墻的非絕熱加熱對次眼墻形成的影響，從加熱率分布的角度分析外圍尺度對臺風(fēng)次眼墻發(fā)生發(fā)展的重要性。為此采用平衡動力學(xué)方法來討論不同雨帶加熱對邊界層入流、絕對渦度徑向輸送以及雙眼墻的切向風(fēng)次極大值增強(qiáng)的影響作用。

利用Sawyer-Eliassen(SE)方程診斷在不同加熱條件下臺風(fēng)的次級環(huán)流強(qiáng)度和切向風(fēng)傾向。SE方程如下[20]：

(3)

圖9表明SE方程診斷結(jié)果相比模式結(jié)果有一定的低估，但分布特征基本相似。從垂直速度來看(圖9a)，動量強(qiáng)迫(紅色虛線)在主眼墻處相比其他位置有較大貢獻(xiàn)，但總體貢獻(xiàn)比熱量強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)要?。辉诖窝蹓μ?，熱量強(qiáng)迫有貢獻(xiàn)峰值，但動量強(qiáng)迫貢獻(xiàn)較小。從絕對渦度徑向輸送來看(圖9b)，主眼墻處動量強(qiáng)迫貢獻(xiàn)較大，但在次眼墻形成區(qū)域，動量強(qiáng)迫與熱量強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)相當(dāng)。從入流分布來看(圖9c)，主眼墻處動量與熱量強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)大致相當(dāng)，但在次眼墻處，動量強(qiáng)迫貢獻(xiàn)要大于熱量強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)。

圖9 C02試驗(yàn)73 h，SE方程診斷出的物理量的徑向分布：(a)1.5 km高度垂直速度(單位：m·s-1)；(b)0～1 km高度平均的絕對渦度徑向輸送(單位：10-3 m·s-2)；(c)徑向風(fēng)速(單位：m·s-1)

圖10給出了C02、C035、C055試驗(yàn)的SE方程診斷得到的次級環(huán)流分布。C02、C035均選取次眼墻建立時刻，分別為第72 h和79 h，而C055形成偽雙眼墻，因此選取主眼墻停止向內(nèi)收縮、風(fēng)場外擴(kuò)后的時間，具體為第81 h。圖10a—c為熱量和動量共同強(qiáng)迫的結(jié)果，圖d-f僅為熱量強(qiáng)迫，圖10g—i僅為動量強(qiáng)迫。顯然，熱量強(qiáng)迫對垂直速度分布起主導(dǎo)作用，在主、次眼墻處有明顯大值區(qū)。C055只存在一個入流極大值中心，約為-12 m·s-1，位于內(nèi)雨帶加熱大值的外側(cè)。動量強(qiáng)迫對主眼墻及外圍入流貢獻(xiàn)較大，大值中心均分布在主眼墻處，在3個試驗(yàn)中大小相似(圖10c、f、i)，主眼墻處約為-6 m·s-1，次眼墻處約為-5～-6 m·s-1。

圖10 SE方程診斷的垂直速度(填色；單位：m·s-1)與徑向風(fēng)(等值線；單位：m·s-1)的次級環(huán)流分布：(a-c)C02試驗(yàn)(73 h);(d-f)C035試驗(yàn)(79 h);(g-i)C055試驗(yàn)(81 h)

為進(jìn)一步分析主、次眼墻加熱和動量強(qiáng)迫對邊界層入流的貢獻(xiàn)，分離動量強(qiáng)迫和主、次眼墻的加熱后重新計算SE方程，其中C02主眼墻范圍為40～80 km，次眼墻范圍為110～260 km；C035主、次眼墻范圍分別為40～78 km和80～260 km，C055分別為40～78 km和78～260 km。圖11為3個試驗(yàn)的次級環(huán)流分布。若僅保留主眼墻加熱，引起的邊界層入流徑向范圍很窄，其大值中心主要位于主眼墻附近(圖11a、g、m)。若僅有次眼墻加熱，會在次眼墻形成區(qū)域強(qiáng)迫出較明顯的入流，形成大值中心，在次眼墻內(nèi)側(cè)強(qiáng)迫出出流(圖11d、j、p)。若保留主眼墻處的熱量和動量強(qiáng)迫，主眼墻外的入流大小增加約一倍，但徑向范圍擴(kuò)張不大(圖11b、h、n)。若保留主眼墻加熱和整個徑向范圍的動量強(qiáng)迫，則主眼墻垂直速度增加，入流伸展到臺風(fēng)外圍，主眼墻外側(cè)入流增加，主眼墻外圍垂直速度也存在較小正值(圖11c、i、o)。若保留次眼墻加熱和動量強(qiáng)迫，雨帶垂直速度增加，在次眼墻外側(cè)引起較大入流，比僅有次眼墻加熱時的入流中心約大4 m·s-1，而次眼墻內(nèi)側(cè)的出流中心不再出現(xiàn)(圖11e、k、q)。若保留次眼墻加熱和全場動量強(qiáng)迫，次眼墻外圍入流的中心位置不會改變，內(nèi)側(cè)的出流中心轉(zhuǎn)變?yōu)槿肓髦行?圖11f、l、r)。

圖11 SE方程診斷的次級環(huán)流分布。強(qiáng)迫項分別為C02：試驗(yàn)(a)僅主眼墻加熱；(b)僅主眼墻處加熱和動量強(qiáng)迫；(c)主眼墻處加熱和全場動量強(qiáng)迫；(d)僅次眼墻處加熱；(e)僅次眼墻處加熱和動量強(qiáng)迫；(f)次眼墻處加熱和全場動量強(qiáng)迫。(g—l)C035試驗(yàn)；(m—r)C055試驗(yàn)

綜上，主眼墻加熱激發(fā)出的入流僅限于主眼墻外側(cè)較小范圍內(nèi)，對次眼墻外圍入流的影響較小。次眼墻加熱越大，能強(qiáng)迫出的外圍入流越大，且入流中心位置和模式結(jié)果對應(yīng)。C02、C035的主、次眼墻加熱中心徑向距離較遠(yuǎn)，能夠強(qiáng)迫出兩個徑向分離的低層入流中心。C055試驗(yàn)的內(nèi)雨帶加熱和主眼墻加熱距離很近，低層入流的極大值中心只有一個，位于內(nèi)雨帶加熱大值的外側(cè)。動量強(qiáng)迫引起的入流大值中心均僅有一個，位于主眼墻加熱率外側(cè)。由此可得，次眼墻處的加熱和動量強(qiáng)迫決定了次眼墻形成區(qū)域入流中心的位置和大小，對形成絕對渦度徑向輸送次極大值的貢獻(xiàn)較大。

從圖12中可以看到，與C02 相比(圖12b)，C055試驗(yàn)中偽次眼墻處熱量強(qiáng)迫出的入流峰值更靠近主眼墻(圖12e)，主眼墻加熱對外圍絕對渦度徑向輸送的貢獻(xiàn)很小(圖12f)，因而對外圍切向風(fēng)增長的影響較小，無法形成切向風(fēng)的次極大值。動量強(qiáng)迫對垂直速度的貢獻(xiàn)與加熱強(qiáng)迫相比要小(圖12a、d)，但對入流和絕對渦度徑向輸送有較大影響(圖12b、c、e、f)，然而由于動量強(qiáng)迫出的入流無法在次眼墻區(qū)域形成一個明顯的次極大值中心(圖10c、f、i)，此時考慮到動量強(qiáng)迫下的入流次極大值中心仍緊靠主眼墻，因此，次眼墻形成區(qū)域的絕對渦度徑向輸送大小同時受次眼墻加熱和動量強(qiáng)迫控制，但次眼墻出現(xiàn)的位置主要由次眼墻加熱主導(dǎo)。

圖12 C02試驗(yàn)(73 h)，1.5 km高度(a)垂直速度(單位：m·s-1)、(b)徑向風(fēng)速(m·s-1)與(c)0～1 km高度平均的絕對渦度徑向輸送(單位：10-3 m·s-2)的分布(黑線：主眼墻加熱，綠線：主眼墻加熱和動量強(qiáng)迫，紅線：次眼墻加熱，黃線：次眼墻加熱和動量強(qiáng)迫；(d—f): 同a—c,但為C055試驗(yàn)(81 h))

綜上，次眼墻處加熱對次眼墻處絕對渦度徑向輸送以及切向風(fēng)次極大值的出現(xiàn)位置具有主導(dǎo)影響，而切向風(fēng)次極大值大小與非絕熱加熱和動量強(qiáng)迫均有關(guān)。

4 結(jié)論

臺風(fēng)雙眼墻形成及其演變過程對臺風(fēng)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)變化有著重要影響作用，是臺風(fēng)預(yù)報的難點(diǎn)之一。臺風(fēng)次眼墻具有兩個基本結(jié)構(gòu)特征：一是主眼墻外側(cè)形成一個新閉合的對流環(huán)，二是在低層形成與切向風(fēng)主極大值相分離的切向風(fēng)次極大值。對于一個臺風(fēng)出現(xiàn)完整的次眼墻，必須同時出現(xiàn)次對流環(huán)和切向風(fēng)次極大值，且兩者完全耦合。已有研究表明，臺風(fēng)外雨帶是臺風(fēng)次眼墻形成的最重要強(qiáng)迫，外雨帶通過其對流引起的非絕熱加熱影響臺風(fēng)邊界層徑向入流，進(jìn)而對絕對渦度徑向輸送產(chǎn)生影響，導(dǎo)致在主眼墻外側(cè)形成一個切向風(fēng)次極大值。本文對控制次眼墻形成位置和時間的因素進(jìn)行討論，重點(diǎn)討論了初始風(fēng)場外圍尺度及次眼墻加熱對次眼墻形成與發(fā)展影響作用。主要結(jié)論如下：

(1)在一系列不同初始風(fēng)場結(jié)構(gòu)的臺風(fēng)理想模擬中，研究發(fā)現(xiàn)次眼墻形成的時間、位置與初始渦旋的外圍尺度顯著相關(guān)：隨著初始風(fēng)場外圍尺度遞減，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)從能夠形成完整雙眼墻向偽雙眼墻、沒有雙眼墻逐步過渡，且次眼墻出現(xiàn)時間逐步推遲、形成位置更加靠近臺風(fēng)中心。所以，渦旋初始外圍尺度大小對臺風(fēng)次眼墻形成位置和出現(xiàn)時間具有主導(dǎo)作用。

(2)動力學(xué)診斷分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，初始風(fēng)場結(jié)構(gòu)控制著臺風(fēng)外雨帶分布，雨帶的非絕熱加熱主導(dǎo)著主眼墻外側(cè)低層徑向入流和絕對渦度徑向輸送的分布和強(qiáng)度。而絕對渦度徑向輸送和摩擦耗散的相對大小及位置決定低層切向風(fēng)次極值(次眼墻)出現(xiàn)的位置和時間。此外，主眼墻加熱所引起的邊界層徑向入流其水平范圍較窄，對次眼墻形成區(qū)域的絕對渦度徑向輸送的貢獻(xiàn)較??；而次眼墻加熱主導(dǎo)了次眼墻外側(cè)的徑向入流和絕對渦度徑向輸送，二者大小受次眼墻加熱和動量強(qiáng)迫共同控制。非絕熱加熱對次眼墻形成區(qū)域的切向風(fēng)次極大值的出現(xiàn)位置具有主導(dǎo)影響，而非絕熱加熱和動量強(qiáng)迫共同貢獻(xiàn)切向風(fēng)次極大值大小。

(3)綜上，初始外圍尺度大小決定臺風(fēng)發(fā)展階段的外雨帶徑向分布，進(jìn)而決定與之相關(guān)的非絕熱加熱徑向分布，進(jìn)一步控制了邊界層入流和絕對渦度徑向輸送，主導(dǎo)了切向風(fēng)增強(qiáng)以及切向風(fēng)大值區(qū)的出現(xiàn)位置和時間，從而進(jìn)一步對次眼墻的建立和發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

由于臺風(fēng)雙眼墻的建立與發(fā)展具有非線性、復(fù)雜性，除了初始外圍尺度會對臺風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)演變、特別是對外雨帶發(fā)展產(chǎn)生影響，其他初始條件、環(huán)境條件也可對外雨帶等產(chǎn)生重要影響，在這些復(fù)雜條件下，臺風(fēng)雙眼墻形成的動力學(xué)機(jī)制需要進(jìn)一步的深入研究。