文章链接：https://jtm.itmm.org.cn/en/article/doi/10.3724/j.1006-8775.2024.011

导读：

图 1 北半球热带气旋的双眼墙水平结构特征（引自Houze, 2010）

双眼墙（即热带气旋内眼墙和外眼墙同时存在）是一种特殊的结构（图1），通常出现在热带气旋成熟阶段；双眼墙替换（Eyewall Replacement Cycle，ERC）是指外眼墙形成后逐渐增强并向内收缩，内眼墙减弱直至消失的过程。在双眼墙替换过程中，热带气旋强度往往发生剧烈变化，这种变化是热带气旋业务预报的难点也是国际学术界研究的热点之一。以前的研究主要关注外眼墙的形成机制，重点探讨影响内眼墙减弱和消失的热动力过程及机理，对决定双眼墙结构维持时间的长短、双眼墙强度变化幅度的因子以及在ERC过程中外眼墙可能起到的作用等机理方面的研究相对较少。

杨昕玮等（Yang et al, 2024）基于高分辨率数值模式的理想模拟试验，研究了不同初始涡旋尺度下热带气旋ERC过程中，热带气旋的强度变化特征及其可能的影响机理；首次提出了外眼墙增强和收缩的快慢，是决定双眼墙维持时间长短和相应热带气旋强度变化的关键因素；而初始涡旋尺度不仅决定外眼墙形成的时间，对其形成后增强和收缩的快慢也至关重要。

本研究发现，初始尺度大的涡旋外围风速较大，对应的海面焓通量更大，有利于外雨带的生成；活跃的外雨带使得边界层入流向外眼墙角动量和水汽的输送减小，因此不利于外眼墙的增强和向内收缩，使得双眼墙结构维持的时间延长，从而导致热带气旋强度变化变缓（图2）。本研究确定了外眼墙雨带活动在双眼墙形成及其后的演变所起的重要作用，为进一步理解ERC过程中热带气旋强度和结构变化的影响因素提供了新的视角，相关研究成果已在《Journal of Tropical Meteorology》2024年第2期发表。

图 2 不同的初始涡旋尺度在热带气旋双眼墙替换过程中的结构和强度变化影响示意图

主要内容：

本研究发现，热带气旋ERC过程中的强度变化与初始涡旋尺度有关，初始涡旋尺度较小（大）的热带气旋（图3）的双眼墙结构维持的时间较短（长），与之对应的是ERC过程中热带气旋强度变化较剧烈（较缓）（图4）。当热带气旋初始涡旋尺度较大时，由于外眼墙外侧切向风偏大，海表焓通量较大，有效地促进外雨带的发展，这有利于外眼墙的形成。外眼墙形成后，外眼墙外侧雨带更活跃（图5）。活跃的外眼墙外侧雨带对角动量和水汽向内输送起到一定的阻碍作用，减缓了外眼墙的增强和向内的收缩过程，导致热带气旋强度变化相对缓慢，使得双眼墙结构维持的时间偏长。

相反，初始涡旋尺度较小的热带气旋，内核区惯性稳定度较大，外围区域惯性稳定度较小，使得径向入流增大，外雨带发展较慢使得外眼墙形成较晚；外眼墙一旦形成后，其外侧快速的涡丝化过程又抑制了外雨带的活动。这个过程有利于外眼墙的增强和快速收缩，从而加速内眼墙的减弱和消失，导致眼墙替换过程中热带气旋强度变化幅度偏大，双眼墙维持时间偏短。

本研究阐明了初始涡旋尺度不仅决定了外眼墙形成时间的早晚，同时也决定了在外眼墙形成后其外侧的雨带活跃程度。这些因素是引起ERC时间尺度和强度变化的关键。本研究结果表明热带气旋初始涡旋结构对数值预报模式中眼墙替换过程的模拟及热带气旋强度预报具有重要意义。

图 3 exp1和exp2初始涡旋切向风径向分布（m s^-1）。exp1和exp2分别对应初始涡旋尺度较大和较小的情况。

图 4 （a）exp1和（b）exp2中模拟的 10-m 高度最大风速（红色线，m s^-1）以及最大风速半径（蓝色线，km）。其中灰色实线为外眼墙形成时刻，灰色虚线为 10-m 高度最大风速达最低值时刻。

图 5 （a）exp1 和（b）exp2 中 3 km 高度轴对称垂直速度（填色，m s^-1）和 1.5 km 高度轴对称切向风速（黑色等值线，间隔 5 m s^-1）径向分布随时间的变化。其中灰色实线为外眼墙形成时刻，灰色虚线为 10-m 高度最大风速达最低值时刻。

总结与展望：

本研究讨论了热带气旋初始涡旋尺度与ERC过程中双眼墙结构维持的时间长短及相应的热带气旋强度变化幅度的关系，首次提出了关注外眼墙演变在ERC过程中的重要作用，并揭示了外眼墙外侧的雨带活跃程度是决定外眼墙增强和收缩的关键因素，加深了我们对双眼墙热带气旋强度变化的认识。

但本研究仅为理想数值模拟试验，在真实环境大气中热带气旋眼墙替换过程的强度和结构变化更为复杂，除受外眼墙外侧雨带活动的影响，也受到环境垂直风切变等因素的影响。未来本文研究团队将结合实际观测数据，进一步探讨在真实热带气旋眼墙替换过程中，影响外眼墙强度变化的因素，进一步验证本研究发现的外雨带在ERC过程中的重要作用。

文章标题：

Effect of the Initial Vortex Structure on Intensity Change During Eyewall Replacement Cycle of Tropical Cyclones: A Numerical Study

初始涡旋结构对双眼墙替换过程中热带气旋强度变化影响的数值研究

文章作者：

YANG Xin-wei, WANG Yu-qing, WANG Hui, XU Jing, ZHAN Rui-fen

杨昕玮，王玉清，王慧，徐晶，占瑞芬

第一作者介绍：

杨昕玮 硕士

中国气象科学研究院

杨昕玮，中国气象科学研究院硕士，主要从事台风动力学方面的研究。

通讯作者介绍：

王玉清 教授

夏威夷大学

王玉清，美国夏威夷大学大气科学系终身教授，博导，夏威夷大学国际太平洋研究中心资深研究员、指导委员会委员及模式团队的领衔科学家，是国际知名的热带气旋（台风）和数值预报模式专家。王玉清教授历任美国气象学会飓风和热带气象委员会委员，世界气候研究计划（WCRP）下属VOCALS科学工作组成员，美国气象学会《天气和预报》（WAF）杂志、《日本气象学会气象集誌》（JMSJ）、《大气科学进展》（AAS）和《Journal of Tropical Meteorology》等国际学术刊物主编或编委。多次担任国际学术会议召集人或分会主席或作特邀报告。在热带气旋（台风）机理研究、台风气候和台风数值模拟及预报，天气数值模式物理过程的诊断和参数化改进及区域气候研究和模拟等基础和应用方面取得了一系列高影响研究成果。