台风利奇马(1909)双眼墙特征及长时间维持机制

刘 涛 端义宏 冯佳宁 王 慧

(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081)

引 言

台风眼墙的变化往往会导致台风强度和风场结构突变，进而增加台风强度预报的不确定性[1-2]。观测和统计研究发现，大部分西太平洋的强台风(风速超过61.73 m·s-1)在其生命史中至少经历1次双眼墙过程，即在台风单眼结构外围，距离台风最大风速半径2～3倍处产生一个接近环状的深对流带，原来的眼墙被称为内眼墙，新生成的眼墙被称为外眼墙，外眼墙的生成通常还伴有切向风次极大风速的形成和剧烈的结构变化[3-5]，加强对此类台风的研究有利于提升对台风结构和强度变化的认识。

眼墙替换是双眼墙演化中的典型过程，即在双眼墙结构形成后，外眼墙逐渐加强收缩而内眼墙逐渐减弱消失并被外眼墙所取代，台风恢复到单眼结构[5-6]，然而并不是所有双眼墙台风都会发生眼墙替换过程[7-10]。Yang等[8]利用卫星微波图像研究1997—2011年西北太平洋台风的双眼墙特征，发现有23%双眼墙台风的结构演变属于双眼墙结构维持(concentric eyewalls maintenance，CEM)型，这种类型的台风没有发生眼墙替换，其内、外眼墙在演化过程中共存超过20 h，具有较大宽度的眼墙间隔(平均67.5 km)和外眼墙(平均70 km)，且其强度要强于经历眼墙替换过程的台风。因此，研究双眼墙维持时间对准确预测台风强度变化具有重要意义。

Kossin等[11]提出，外眼墙的收缩和内眼墙的耗散由内、外眼墙之间相互作用引起的正压不稳定所导致。因此，CEM型台风内、外眼墙之间的正压稳定结构可能是双眼墙维持时间较长的原因[8]。然而Kossin等[11]的研究基于无辐散的正压模型，未考虑非绝热加热和动、热力场随高度的变化，但在实际过程中，非绝热加热[12]和边界层的强径向入流[13-15]的作用不可忽略。

诸多研究讨论了非绝热加热引起的横向次级环流对双眼墙演变过程影响[9,16-19]。Willoughby等[16]提出，当外眼墙收缩时，外眼墙的非绝热加热引起内眼墙处的下沉运动，从而抑制其上升气流，并最终导致内眼墙的消亡。Zhu等[19]通过数值模拟和Sawyer-Eliassen方程诊断证明了上述结论，发现外雨带引起的下沉运动落在内眼墙处，其引起的径向流出抵消了内眼墙引起的径向流入，从而影响内眼墙演化。Yang等[8]基于上述理论提出，由于CEM型台风的内、外眼墙间隔较宽，因此可以减少内、外眼墙次级环流之间的干扰，有助于双眼墙结构维持。也有研究指出，内眼墙的维持与湿熵有关，如Zhou等[20]通过诊断轴对称相当位温发现，外眼墙形成后会在边界层处切断内眼墙的湿熵供应，导致内眼墙消亡，而当外眼墙形成的半径较大时，这种拦截作用减弱，眼墙替换过程需要更多的时间，该结论与统计事实相符[21]。Tsujino等[7]通过诊断CEM型台风Bolaven的相当位温也得到相同结论，其轨迹分析表明，对于外眼墙半径较大的台风，湿空气可以通过边界层向内输送，从而维持内眼墙的强度。还有研究指出台风的非对称结构也有助于双眼墙结构的维持，因为非对称的对流雨带不利于外眼墙的收缩，同时在弱对流区，湿熵向内眼墙的输送更易维持。此外，统计研究发现[9]，CEM型台风多发生在低垂直风切变、高海温和高相对湿度的环境中，因此，环境条件对于双眼墙结构的维持或许也有重要作用[8]。目前，关于双眼墙维持机制的相关文献仍较少，环境因子的影响尚不确定[22-26]，缺乏长时间维持双眼墙结构台风个例的验证，一方面由于双眼墙过程往往发生在海上，高时间和空间分辨率的观测资料难以获取，对构建准确的初始涡旋结构和验证模式结果造成了障碍；另一方面，目前对台风结构演化的物理过程理解不充分，难以在模式中建立准确的物理过程[27-29]。因此，使用数值模式和资料同化方法等进行真实双眼墙台风个例分析[30]，运用多种观测数据探究台风结构[31]对于深入探究双眼墙维持机制是有必要的。

本文以2019年登陆我国的台风利奇马(1909)为例，利用多种观测资料分析其双眼墙形成及消亡的过程和眼墙结构特征，并采取集合卡尔曼滤波同化方法，同化日本石垣岛雷达资料，重现台风利奇马(1909)双眼墙形成初期的三维结构，对其结构特征进行分析，提出利奇马台风双眼墙可能的维持机制。

1 资 料

1.1 个例简介

2019年第9号超强台风利奇马(简称利奇马)带来的强风、暴雨和风暴潮等灾害性天气，造成我国1402.4万人受灾，直接经济损失537.2亿元人民币[32]。利奇马生成于菲律宾吕宋岛以东的洋面，自8月4日起编，13日停止编号，生命史长达9 d。其生成后一直向西北方向移动，强度持续增强，7日15:00(世界时，下同)增强为超级台风，随后约于8日06:00形成双眼墙结构，并一直维持，直至9日17:45登陆我国浙江省温岭市城南镇，双眼墙结构消失，登陆时中心附近最大风速达52 m·s-1，登陆后台风继续向北移动，纵穿浙江、江苏两省并移入黄海海面，又于11日12:50在山东省青岛市黄岛区沿海再次登陆，此后移入渤海，强度不断减弱直至消失。

1.2 资 料

台风路径与强度取自中国气象局整编的热带气旋最佳路径数据集。

雷达反射率因子资料来自日本石垣岛多普勒天气雷达(简称石垣岛雷达，时间分辨率为10 min，空间分辨率为0.7°×0.5 km，最大探测距离为150 km)，资料时间范围为8月8日06:00—19:00，中国温州S波段多普勒天气雷达(简称温州雷达，时间分辨率为6 min，空间分辨率为1°×0.25 km，最大探测距离为230 km)，资料时间范围为 8月9日05:00—17:00，在这两个时段利奇马位于雷达观测覆盖范围内(图1)。另外使用了美国威斯康星大学气象卫星合作研究院(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies/University of Wisconsin-Madison,CIMSS)的集成微波图像产品(morphed integrated microwave imagery at CIMSS, MIMIC)，时间分辨率为15 min)。

图1 2019年8月3日18:00—14日12:00日本石垣岛雷达(蓝色圆圈)和中国温州雷达(红色圆圈)的扫描覆盖范围与台风利奇马(1909)实测路径示意图(3 h间隔)

海表温度资料选用美国国家海洋和大气管理局的AVHRR(advanced very high resolution radiometer)卫星数据，空间分辨率为0.25°×0.25°。

模式初始条件和边界条件使用美国NCEP FNL(National Center for Environmental Prediction，Final Operational Global Analysis Data)分析资料，其水平分辨率为1°×1°。同化资料为8月8日06:00—18:00石垣岛雷达逐小时的径向速度基数据，对资料进行了退模糊处理，为避免地面杂波干扰，剔除风速小于4 m·s-1和探测距离小于10 km的资料，参照文献[33]将雷达资料共4层仰角逐层稀疏化至2°×2 km分辨率，得到雷达超级观测资料，并将观测误差设置为5 m·s-1。

2 双眼墙演变过程

关于双眼墙结构形成的标准目前尚无普遍认同的定义[34-36]，在此采用Kossin等[34]基于外围对流的圆对称程度提出的定义：当外部环流与主眼墙分离，且外部环流大致封闭(至少达到75%圆周)时，则认为双眼墙形成。

由于微波信号能穿透云层，在通过与强对流有关的水汽凝结体过程中衰减最明显[37]，因此可以用时间连续性较好的MIMIC微波图像分析台风眼墙结构的演变特征(图略，http:∥tropic.ssec.wisc.edu/real-time/mimtc/2019_10W/web/mainpage.html)。2019年8月8日00:00利奇马仍为单眼结构，两条明显的螺旋云带旋向台风眼墙；8日03:00前后，外眼墙环流开始组织，螺旋云带已脱离内眼墙并与外眼墙相接，内、外眼墙之间开始出现晴空少云区；至8日06:00，内、外眼墙之间的云量变得更少，外眼墙基本闭合完整，双眼墙结构形成。随后外眼墙持续发展，约于8日12:00达到基本对称，此后，双眼墙结构继续维持，但外眼墙呈现出较明显的非对称特征，随着台风逐渐靠近陆地，9日06:00后内、外眼墙均明显减弱，9日17:00登陆后双眼墙结构完全消失。因此，卫星资料分析显示，利奇马的双眼墙结构约于8日06:00形成，9日17:00消失，期间内、外眼墙始终共存，外眼墙非对称特征明显。

通过雷达图像可以更清晰看到台风双眼墙结构演变的过程[38-39]。由石垣岛雷达在0.2°仰角和温州雷达在0.46°仰角的反射率因子图像(图2)可知，在利奇马双眼墙结构形成初期(图2a)，内眼墙直径维持在20～30 km，对流强度始终在40 dBZ以上；外眼墙直径维持在120～150 km，内、外眼墙的间隔宽度约为50 km，较平均尺度偏大。9日07:00内眼墙的尺度和强度无明显变化(图2b)，外眼墙相比于12 h之前明显收缩，直径约为70～80 km，内、外眼墙的间隔仅有10～20 km，外雨带结构紧密且较为对称。

图2 雷达反射率因子

3 双眼墙结构的数值分析

为了详细分析利奇马的动力和热力结构，本研究采取集合卡尔曼滤波同化方法对石垣岛雷达径向风资料进行同化，得到2019年8月8日06:00—18:00分析场，并基于分析场探究双眼墙形成初期阶段的三维结构。

3.1 同化方案

使用中尺度区域天气模式WRF4.1.2(麦卡托投影)。四重网格嵌套，水平分辨率分别为40.5 km，13.5 km，4.5 km，1.5 km，记为d01，d02，d03和d04，格点数分别为150×150，274×274，298×310，436×472，其中d02, d03和d04的网格采用自动跟随台风中心的移动方案。垂直方向上 sigma 坐标分为50层，对应模式层顶气压为50 hPa。模式的微物理过程使用 WSM6 方案，最外层网格采用 Kain-Fritsch积云参数化方案，边界层过程采用 YSU 方案，长波辐射过程采用RRTM方案，短波辐射过程采用Dudhia 方案。

雷达资料同化选用集合卡尔曼滤波同化系统[40-41]。循环同化中，为了避免滤波发散，使用Zhang等[42]提出的协方差膨胀法进行估计，松弛系数设为0.5。本研究仅对d03，d04网格进行了同化，使用顺序协方差局地化方法控制观测资料的影响范围[43]，水平方向影响半径分别为240 km，80 km。

数值试验使用NCEP FNL资料作为模式初始场，起报时间为8月8日00:00，结束时间为8日18:00。试验共设2组，其中，控制试验不同化雷达资料；同化试验从8日00:00开始进行6 h调整适应，8日06:00—18:00逐小时同化雷达径向速度资料，并逐小时输出同化后的分析场。

3.2 分析场验证

图3为经雷达资料同化分析后的利奇马路径、强度时间演变，与观测的对比。可以看到，同化分析时段内的利奇马路径与中国气象局整编的热带气旋最佳路径基本吻合(图3a)，误差平均为16.26 km，由于初始时刻台风眼尚未完全进入雷达探测范围，仅有部分台风环流观测资料，因此影响了对台风初始时刻位置的模拟效果。分析场的最低中心气压比最佳路径数据集平均偏强5.3 hPa，基本符合利奇马的强度变化趋势(图3b)。

图3 2019年8月8日台风利奇马(1909)同化结果与观测对比

雷达反射率因子与用于同化的径向风资料相互独立，可以用于验证分析场效果[44]，图4 为2 km高度反射率因子，可见14：00背景场中仅存在1个宽度较宽、强度较强的眼墙，未能模拟出双眼墙结构，与14：00石垣岛雷达最大反射率因子相差较大；而8月8日14:00分析场中，台风具有明显的双眼墙结构，南侧螺旋雨带的层云结构得到改进，外眼墙对流在台风中心西北部更为宽广，对流活动基本呈环状分布，反射率因子高达45 dBZ，较观测值明显偏强，这可能是因为雷达观测资料层数过少所致，在分布形态上二者较为接近。由8日16:00的分析场可知，台风外眼墙的东北侧对流活动相对较弱而西南侧较强，这种非对称的分布也与雷达观测结果一致。

图4 2019年8月8日台风利奇马(1909)反射率因子

总体而言，分析场较好地再现了利奇马的路径、强度和降水分布，因此可以认为利用上述方法同化雷达资料得到的利奇马三维结构可信。

3.3 轴对称结构特征

图5～图7给出轴对称平均计算后的台风结构，包括切向风、非绝热加热、径向风、垂直运动和惯性稳定度随半径和高度的分布。可以看到，8月8日15:00—18:00利奇马的切向风具有两个极大值(图5)，其中最大值超过60 m·s-1，出现在15 km半径、1～2 km高度位置，表明低层最大风速半径约在15 km附近，对应台风的内眼墙；切向风次极大值位于45～75 km半径、1～4 km高度位置，风速超过45 m·s-1，对应外眼墙。非绝热加热率的最大值产生在内眼墙，次极大值位于60 km 半径附近。图5清晰反映出外眼墙处雨带对流轴对称平均状态的减弱特征。在2 km高度以下，径向上具有两个强入流中心(图6)，入流速度分别超过18 m·s-1和12 m·s-1，强入流造成的边界层辐合对眼墙内侧的对流活动有重要意义，一方面能够直接加强对流，另一方面能够通过涡度拉伸项增强相对涡度，从而使得切向风倾向里的绝对涡度输送项因为入流和绝对涡度的增强进一步非线性增强，有利于外眼墙的切向风极值的形成和进一步增长。对应的上升运动分别集中在15 km和45～60 km半径，呈现出一定的倾斜，外眼墙处的上升运动也体现出逐渐减弱的趋势，较强的下沉运动集中在中高层8～16 km的眼心处。

图5 2019年8月8日轴对称的切向风速(等值线，单位：m·s-1)和非绝热加热(填色)

图6 2019年8月8日轴对称的径向风速(等值线，单位：m·s-1)和垂直速度(填色)

惯性稳定度参数反映了风速的水平切变变化，可以体现出对径向入流的阻力作用。由图7可知，利奇马在105 km半径内，尤其是在对流层低层具有较大的惯性稳定度，这表明涡旋结构在低层十分稳定。在15 km半径内，内眼墙附近具有极强的惯性稳定度，数值均在5×107s-2以上；在30～60 km半径低层，外眼墙也具有较高的惯性稳定度，随着时间的发展，4～10 km高度的惯性稳定度明显增大，这意味着外眼墙处有较多的非绝热加热转化为动能，切向风仍在增长。

图7 2019年8月8日分析场惯性稳定度

3.4 非对称结构及其演变

同化分析场较好地再现了利奇马外眼墙在8月8日15:00后的非对称变化过程。图8为分析场在2 km高度的雷达反射率因子。可以看到，8日16:00 台风结构整体较为对称，内、外眼墙的反射率因子高达45 dBZ，呈环状均匀分布；8日18:00台风已呈现出高度的非对称结构，西北侧的外围对流几乎消失，降水集中在台风的东南部，外眼墙呈半环状，其西北侧的反射率因子基本低于30 dBZ，东南侧的反射率因子高达45 dBZ以上。尽管台风具有明显的非对称结构，但结合3.3节分析可知，外眼墙的惯性稳定度始终很大，涡旋结构稳定，非对称外眼墙未发生收缩，因此台风依然保持双眼墙结构。

图8 2019年8月8日分析场2 km高度雷达反射率因子

4 双眼墙可能的维持机制

4.1 环境场的影响

利奇马双眼墙初步形成时位于台湾岛东部海域，AVHRR卫星资料显示该海域大部海温超过29℃，台风强度增强，并于2019年8月8日12:00达到最大强度。分析利奇马的环境场(图9～图10)发现，周围环境中的相对湿度较大，8日15:00 前环境垂直风切变维持在5～7 m·s-1，17:00突然增大至11.3 m·s-1，中高层的干空气侵入台风的西南部[45]，破坏台风外围雨带的对称结构，从而阻碍了外眼墙的增强和收缩，台风的强度也逐渐减弱。由于西南气流较强，利奇马依然具有充足的水汽供应，偏高的海温也为利奇马的发展和维持提供了充足的能量，整体环境仍有利于外围雨带对流的增长。结合动力结构可知，其在低层的涡旋结构十分稳定。可见，对于利奇马而言，强垂直风切变不足以破坏其双眼墙结构，外眼墙依然能够继续维持，这与Dougherty等[35]对飓风Bonnie的观测研究结果一致，可见，弱的垂直风切变不是双眼墙结构长期维持的必要条件。

图9 2019年8月8日垂直风切变

图10 2019年8月8日500 hPa相对湿度(填色)和风矢量(箭头)

4.2 次级环流诊断

为了理解非绝热加热及边界层摩擦强迫和台风双眼墙结构之间的联系，利用Sawyer-Eliassen方程对8月8日15:00的台风环流结构进行诊断。图11a为Sawyer-Eliassen方程诊断的径向风和垂直速度，可以看到诊断结果基本再现了台风的次级环流，虽然诊断结果低估了低层的径向入流的厚度，但高空出流及垂直运动的位置和大小均与同化分析场的结果相似。这表明利奇马次级环流主要由平衡过程决定。

为了进一步探究利奇马内、外眼墙次级环流之间的相互作用，将内、外眼墙的非绝热加热分开，分别对各自引起的次级环流单独进行诊断。图11b显示了仅由内眼墙加热引起的垂直运动和径向风，显然，最强的下沉运动发生在内眼的眼心，垂直速度达-0.25 m·s-1以上，但两个眼墙之间的下沉运动不明显。图11c显示仅由外眼墙加热引起的次级环流，可以发现，外眼墙非绝热加热引起的强下沉运动主要在内眼的眼心，在台风30～45 km半径处也有较弱的下沉运动，垂直速度为-0.1 m·s-1左右，小于眼心处的下沉。以上分析能够清楚地表明，内、外眼墙引起的最强下沉运动均发生在10～16 km 高度的内眼眼心处，内、外眼墙之间的下沉运动则主要由外眼墙的非绝热加热贡献。Zhu等[19]研究指出，对于发生眼墙替换过程的台风，其内、外眼墙次级环流之间较强的相互作用是导致内眼墙消亡的主要原因，经历眼墙替换过程的台风外眼墙处由非绝热加热引起的下沉运动的位置刚好落在内眼墙区域，且其引起的径向流出会抵消内眼墙引起的径向流入，从而对内眼墙的强度造成削弱作用，使其逐渐减弱直至消亡。而在利奇马的双眼墙结构中，其次级环流的分布显然与Zhu等[19]试验结果不同，利奇马内、外眼墙次级环流之间的相互作用很小，外眼墙引起的下沉运动并未对内眼墙带来削弱和抑制作用，内眼墙的强度得以维持，因此，这种特殊的次级环流分布可能是双眼墙结构长时间维持的可能机制之一。

图11 Sawyer-Eliassen方程诊断的2019年8月8日15:00径向风速(等值线，单位：m·s-1)和垂直速度(填色)

5 结论和讨论

本研究使用多种观测资料和集合卡尔曼滤波同化分析方法，对台风利奇马(1909)双眼墙结构的演变过程和眼墙三维结构特征进行详细分析，并探究双眼墙可能的维持机制。研究发现：

1)不同于典型的眼墙替换过程，利奇马的内眼墙始终未被外眼墙所取代，其内、外眼墙共存时间长达35 h，属于双眼墙结构维持型台风。内眼墙的直径约为20～30 km，强度较强，在双眼墙演变过程中强度和尺度未发生显著变化；外眼墙初步建立的位置距离台风中心较远，直径约为120～150 km，内、外眼墙的间隔较宽，12 h后出现明显收缩，直径约为70～80 km。

2)在双眼墙形成的初期阶段，利奇马的中低层的动力结构稳定，台风整体惯性稳定度较高，其外眼墙(45～60 km半径处)伴有明显的切向风次级大值中心，边界层的强入流中心和强盛的上升运动。尽管利奇马具有稳定的动力结构，但其外眼墙并未持续增强和收缩，2019年8月8日15:00—18:00利奇马外眼墙存在明显的减弱阶段，且非对称结构十分清晰。

3)偏高的海温和环境湿度为利奇马的持续发展提供了良好的热力条件，但受环境中强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响，台风外围雨带的对称结构在2019年8月8日17:00后受到较严重的破坏，从而阻碍了外眼墙增强和收缩的进程。结合Sawyer-Eliassen方程对次级环流的诊断结果可知，利奇马内、外眼墙之间的相互作用很小，外眼墙非绝热加热引起的次级环流并不能抑制内眼墙的上升运动。因此，利奇马的内眼墙得以长时间的维持，外眼墙未能将其取代。

需要指出的是，本文仅对利奇马双眼墙结构形成初期阶段的三维结构进行了详细分析，而利奇马双眼墙结构维持时间较长，对于2019年8月9日07:00以后的外眼墙收缩过程还需要深入研究。另外，双眼墙演变过程中，其动力、热力场变化受到多种因素的影响，本文仅从环境场和横向次级环流角度对利奇马双眼墙的维持原因进行讨论，后续可从内眼墙湿熵、眼墙之间弱对流区的正压稳定性等角度对其维持机制进行全面探究。

致谢：本文完成过程中得到了日本情报通信研究机构Shinsuke Satoh先生和中国气象科学研究院吴翀副研究员的帮助，在此表示感谢！