西北太平洋（WNP）是全球热带气旋（TC）活动最频繁的区域之一，每年发生的TC几乎占全球总量的三分之一（Chan, 2005）。此外，该地区形成的许多TC强度极高（Murakami et al., 2012），并且在达到峰值强度之前会经历强烈的增强过程。快速增强（RI）被定义为WNP地区的TC中心海平面气压以每天超过42 hPa的速度下降，或者大西洋地区的TC最大10米风速（Vmax）在24小时内增加30节（Holliday and Thompson, 1979）。在实际预报中，已经定义了不同的RI阈值，例如30节/24小时、35节/24小时、40节/24小时等（DeMaria et al., 2021）。关于TC增强的动力过程及其对环境条件的敏感性，已通过观测研究和模型模拟进行了探讨（Gray, 1968; Gray et al., 1992; Kaplan and DeMaria, 2003; Rogers, 2010; Chen and Zhang, 2013; Wang and Wang, 2014; Rogers et al., 2015; Chang and Wu, 2017; Kuo et al., 2019; Tsujino and Kuo, 2020; Shi and Chen, 2021）。
通过将轴对称涡动力学近似为三维非线性动力学，可以使用线性Sawyer-Eliassen（SE）方程来量化不同物理强迫作用下涡圈的增强过程（Shapiro and Willoughby, 1982）。SE方程被用于研究不同强迫源（如平均对流加热、涡动动量和热量传输以及湍流扩散）对涡圈增强的影响（Bui et al., 2009; Montgomery and Smith, 2017; Heng et al., 2017; Montgomery and Persing, 2021; Ji and Qiao, 2023; Nguyen and Huang, 2023; Nguyen et al., 2025）。Ji and Qiao（2023）发现，不假设平均涡圈热风平衡的扩展SE方程的非平衡解能够更好地捕捉边界层中的峰值气流，相比平衡SE解（Montgomery and Persing, 2021）和伪平衡SE解（Heng et al., 2017）。Nguyen and Huang（2023）还应用扩展SE方程来解释超强台风增强对假设配置的强迫源的敏感性。SE分析有助于量化不同强迫源对涡圈方位平均环流变化的贡献（Nguyen et al., 2025）。根据切向风倾向预算，可以进一步诊断这些强迫源对发展中的TC演变的贡献（Yau et al., 2004; Hardy et al., 2021; Nguyen and Huang, 2023; Nguyen et al., 2025）。Nguyen et al.（2025）表明，低对流层涡圈的快速增强是由边界层中的平均径向平流以及上方平均和涡动垂直平流引起的。
作为对TC演变过程中强迫的动态响应，TC环流中产生的位涡度（PV）可以揭示不同物理过程的相对贡献。PV预算诊断方法已被用于解释TC中存在强对流时的快速增强相关动态过程（Tsujino and Kuo, 2020; Shi and Chen, 2021）。先前的研究表明，TC中的PV分布包括眼壁PV塔、延伸至行星边界层顶部的PV桥，以及靠近低平流层的高PV核心（Yau et al., 2004; M?ller and Shapiro, 2005; Bell and Montgomery, 2008; Wang, 2009; Kieu and Zhang, 2010; Martinez et al., 2019; Tsujino and Kuo, 2020; Tsujino et al., 2021; Shi and Chen, 2021; Huang et al., 2022）。Shi and Chen（2021）基于PV预算分析指出，眼壁PV塔是由对流加热产生的，高PV桥是由PV混合形成的，而高PV核心是由平流层中的PV侵入引起的。观测结果支持这样的观点：增强中的TC总是以眼壁高PV和眼区低PV为特征（Kossin and Eastin, 2001; Martinez et al., 2019）。特别是2015年的飓风Patricia在快速增强期间，其眼壁PV塔超过140 PVU（1 PVU = 10?6 K kg?1 m?1 s?1），并延伸至低平流层，其中方位平均最大值约为200 PVU，代表了极端低平流层位涡度（LSPV）（Martinez et al., 2019）。
台风在快速增强阶段的增强与其内部涡圈核心的对流层位涡度（TPV）的发展和结构特征密切相关。基于准平衡涡动力学，分段PV反演（PPVI）分析表明，类似飓风的TC的增强主要由约20 PVU的TPV扰动驱动，而靠近平流层上方的上层眼附近的约5 PVU的局部PV扰动贡献较小（Kieu and Zhang, 2010）。对于2019年的超强台风Lekima，PPVI分析结合平衡动力学进一步表明，附近40-50 PVU的LSPV对涡圈增强的贡献远小于眼壁处同等强度的TPV（Shi and Chen, 2021; Huang et al., 2022）。对于超强TC的快速增强，对流层中眼壁和眼区之间的强PV扰动存在强烈混合（Tsujino and Kuo, 2020; Shi and Chen, 2021）。然而，在某些超强TC的快速增强阶段，当RI特别强时，与ω方程相关的平衡涡圈的PPVI解迭代并不总是收敛的（Tsujino and Kuo, 2020）。与PPVI相比，考虑了不平衡动力学的扩展SE方程可以更好地考虑不对称涡度强迫对非线性涡圈方位平均增强的贡献，这在理解不平衡动力学下的方位平均涡圈增强时非常有用。
在准平衡涡圈中，LSPV可能不会显著引起地表气压下降（Shi and Chen, 2021）。但是，当LSPV向下传输到对流层上层与TPV相互作用时，低层涡圈的增强是否会显著加快？在本研究中，我们将探讨不同LSPV发展阶段涡度强迫对快速增强的影响。为了理解非线性涡圈的方位平均增强，扩展SE方程的求解将是一种比PPVI更有效的方法。
本研究使用了海洋耦合的Hurricane Weather Research and Forecasting（HWRF）模型来研究2018年超强台风Yutu的快速增强过程。这里将严重快速增强定义为Vmax在24小时内增加超过45节，而轻微快速增强则指Vmax在24小时内增加30-45节，其中30节的阈值遵循Kaplan and DeMaria（2003）的传统定义。本研究采用45节的阈值作为严重快速增强的标准。HWRF模型也被用于研究大西洋飓风的快速增强过程（Chen and Gopalakrishnan, 2015; Zhang et al., 2017）。海洋耦合的HWRF模型以及实验设置和分析方法将在第2节中介绍。第3节将展示HWRF模拟结果，包括台风的路径和强度、方位平均环流以及相关的PV演变。第4节将介绍PV预算分析，以研究Yutu在快速增强阶段LSPV与TPV的相互作用。第5节将进一步讨论其他超强台风（包括2010年的Megi、2013年的Haiyan、2018年的Mangkhut和2020年的Goni）的快速增强过程，以突出TPV和LSPV在增强过程中的作用。最后，第6节将给出结论。
