热带气旋 热带气旋(Tropical Cyclone)是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋,是一种强大而深厚的热带天气系统。

一、定义

      热带气旋(Tropical Cyclone)是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋,是一种强大而深厚的热带天气系统。

 

二、形成原因

      热带气旋通常在热带地区离赤道平均3-5个纬度外的海面(如西北太平洋,北大西洋,印度洋)上形成,其移动主要受到科氏力及其它大尺度天气系统所影响,最终在海上消散、或者变性为温带气旋,或在登陆陆地后消散。登陆陆地的热带气旋会带来严重的财产和人员伤亡,是自然灾害的一种。不过热带气旋亦是大气循环其中一个组成部分,能够将热能及地球自转的角动量由赤道地区带往较高纬度;另外,也可为长时间干旱的沿海地区带来丰沛的雨水。

 

三、热带气旋的结构

      一个成熟的热带气旋有以下的部分:

    1、地面低压

      热带气旋的中心接近地面或海面部分是一个低压区。地球海平面上所录得最低的气压(870hPa)是在有纪录以来最强的热带气旋——台风泰培(Tip)中心所录得的。

 

    2、暖心

      热带气旋的暖湿空气环绕著中心旋转上升,过程中水汽凝结释放大量潜热,热能在中心附近垂直分布。热带气旋内各高度(接近海面例外)的气温都比气旋外围高。

 

    3、中心密集云层区

      围绕热带气旋中心旋转的密集云层区,通常是由雷暴产生的卷云。

 

      4、台风眼

      强烈的热带气旋的环流中心是下沉气流,将形成一个风眼。眼内的天气通常都是平静无风,无云,甚至时有阳光(但海面仍可能波涛汹涌)。风眼通常都是呈圆形,直径由2公里至370公里不等。较弱的热带气旋的风眼可能被中心密集云层区遮蔽,甚至没有风眼结构。

 

      5、风眼墙(或称眼壁)

      台风中,包围风眼的是圆桶状的风眼墙,风眼墙内对流非常强烈,其云层的高度在热带气旋内通常是最高的,降水的强度和风力的强度在热带气旋内也是最大的。强烈的热带气旋有眼壁置换周期,产生新的外眼壁替代内壁。其成因为热带气旋眼壁外围的螺旋雨带重组,然后渐渐向内移动,窃取了眼壁的湿气与能量。在这阶段,热带气旋进入了一个减弱的过程。在外围新的眼壁完全取代旧眼壁,如果环境许可,热带气旋会重新增强。透过多频微波扫描和雷达可以清楚观测到眼墙更新周期中的热带气旋出现双重眼壁;如果热带气旋眼壁置换的过程较为明显,更可从可见光和红外线卫星云图上观测到。

 

      6、螺旋雨带

      螺旋雨带是绕著热带气旋中心运动的强对流云和雷暴带。在北半球,螺旋雨带呈逆时针方向绕中心运动。螺旋雨带,会带来狂风暴雨,而在两条雨带之间则会较为平静。在接近陆地的热带气旋,螺旋雨带中有时会形成龙卷风。拥有多条螺旋雨带的热带气旋一般较强及发展成熟;但也有一些“轮状飓风”的主要特征是没有螺旋雨带。

 

      7、外散环流

      所有低压系统均需要高空辐散以持续增强,热带气旋的辐散从所有方向流出。因为科里奥利力的作用,热带气旋的高空呈反气旋式外散环流。地面或海面的风强力向内旋转,随著高度上升减弱,最终改变方向。这个特点和热带气旋中心的暖心结构有关,所以热带气旋需要垂直风切变微弱的环境维持暖心结构,才能延续辐散。

 

四、热带气旋产生的灾害的特点

      1、热带气旋灾害的严重性

      我国遭受热带气旋侵袭十分频繁,灾害相当严重。我国东部濒临太平洋西北部,而太平洋以其西北部热带气旋灾害多而驰名。据统计,全球热带海洋上热带气旋四分之三发生在北半球的海洋上,而靠近我国的西北太平洋则占全球热带气旋总数的38%,居全球6个热带气旋发生区之首,对我国影响最为严重,受到影响的每年约有20个,登陆我国的平均每年约有9个,约为美国的4倍、日本的2倍。

 

      2、热带气旋灾害的季节性

      热带气旋在海上的生成和活动具有明显的季节性。热带气旋的生成一般要满足高海温、低气压、较大的地转偏向力和较小的风速垂直切变等条件。夏季,西北太平洋海温比较高,会蒸发出大量水汽,使低层空气变成高温高湿,此时,如果其他三个条件同时出现,则就容易生成热带气旋。所以,夏季是热带气旋的多发季节由于西北太平洋生成的热带气旋在夏季最多,因此,登陆我国的热带气旋也在夏季最多,尤其是7~9月份,登陆数量占全年登陆总数的76%。所以人们把7~9月称为“台风季节”。

 

      3、热带气旋灾害的地域性

      热带气旋侵袭我国具有明显的地域性。我国东南部南北海岸线长达数千公里,每年都遭热带气旋侵袭,但南北省份受热带气旋影响的差异很大,尽管都是沿海地区,南部地区的热带气旋灾害要比北部地区严重得多,最严重的地区是广东,其次是海南,第三是台湾,第四是福建省,上述4省登陆的热带气旋占全国11个省市登陆热带气旋的84%。

 

      4、热带气旋灾害的年际变化

      热带气旋灾害有年际变化的特点,有的年份热带气旋灾害比较严重,有的年份灾害程度要轻一些。据西北太平洋上的热带气旋统计,年平均为35.2个,但年际变化较大,多的年份要超过50个,少的年份不足25个,一般来说,西北太平洋上的热带气旋多,对我国的影响就会比较严重,西北太平洋上的热带气旋少,对我国的影响也就轻一些,如1982年和1997年,西北太平洋上的热带气旋均是29个,比年均数35.2个少,因而登陆我国的热带气旋也少,两年都只有5个热带气旋登陆我国,比年均数9个要少。太平洋上热带气旋的多少,其中一个重要原因是与太平洋上发生的厄尔尼诺(ElNino)和拉尼娜(LaNina)有很大关系。厄尔尼诺是西班牙语,原意为“圣婴”,现指发生在太平洋东部、厄瓜多尔南部和秘鲁北部沿岸海面温度升高的现象,如果那儿的海水温度偏低,则称反厄尔尼诺,又称为拉尼娜。厄尔尼诺发生时,由于东太平洋海温高,西太平洋海温低,不利于西太平洋热带气旋生成,所以西北太平洋的热带气旋也就少,如1982年、1997年都是发生厄尔尼诺的年份,因此西北太平洋上的热带气旋比正常年份少;而发生拉尼娜时,由于东太平洋海温低,西太平洋海温高,有利于西太平洋热带气旋生成、发展,因此,西北太平洋热带气旋就多。如1967年、1970年是发生拉尼娜的年份,所以,西北太平洋上的热带气旋分别多达53个和48个,远远超过35.2个的年平均数。

 

五、生成情况

      在温暖的海洋上,当水汽冷凝,能量的释放启动正反馈迥圈,热带气旋得以形成。美国国家大气研究中心的科学家估计一个热带气旋每天释放5×10^13至2×10^14焦耳的能量,比所有人类的发电机加起来高二百倍,或等于每20分钟引爆一颗1000万吨的核弹。

      结构上来说,热带气旋是一个由云、风和雷暴组成的巨型的旋转系统,它的基本能量来源是在高空水汽冷凝时汽化热的释放。所以,热带气旋可以被视为由地球的自转和引力支持的一个巨型的热力发动机,另一方面,热带气旋也可被看成一种特别的中尺度对流复合体,不断在广阔的暖湿气流来源上发展。因为当水冷凝时有一小部分释放出来的能量被转化为动能,水的冷凝是热带气旋附近高风速的原因。高风速和其导致的低气压令蒸发增加,继而使更多的水汽冷凝。大部分释放出的能量驱动上升气流,使风暴云层的高度上升,进一步加快冷凝。

      飓风卡特里娜和飓风丽塔经过墨西哥湾,该区的水温下降。热带气旋因此能够取得足够的能量自给自足,这是一个正反馈的迥圈,使得只要暖湿气流和较高的水温可以维持,越来越多的能量便会被热带气旋吸收。其他因素例如空气持续地不均衡分布也会给予热带气旋能量。地球的自转使热带气旋旋转并影响其路径,这就是科里奥利力的作用。综合以上叙述,使热带气旋形成的因素包括一个预先存在的天气扰动、高水温、湿润的空气和在高空中相对较低的风速。如果适合的环境持续,使热带气旋正反馈的机制藉著大量的能量吸收被启动,热带气旋就可能形成。

      深层对流作为一种驱动力是热带气旋与其他气旋系统的主要分别,因为深层对流在热带气候地区中最强,所以热带气旋大多在热带地区生成。相对地,中纬度气旋的主要能量来源是大气中的已存在的水平温度梯度。如果热带气旋要维持强度,就必须留在温暖的海面上,使正反馈机制得以持续。因此,当热带气旋移入内陆,强度便会迅速减弱。

      当热带气旋经过一片海洋,该处海域的表面温度会下降,从而影响热带气旋后来的发展。温度的下降主要是因为热带气旋带来的大风使海水翻滚,海底较冷的海水涌上。较凉的雨水的下降、云层的遮蔽使海洋减少吸收太阳的辐射,也是表面海水温度下降的原因。以上因素相辅相成,会使一大片海洋的表面温度在几天内戏剧性地下降。大西洋信风带的波动——在盛行风路径上移动的辐合气流使大气变得不稳定,热带气旋因而有机会形成。

 

      生成的条件

      热带气旋的能量来自水蒸气凝固时放出的潜热。对于热带气旋的形成条件,至今尚在研究之中,未被完全了解。一般认为热带气旋的生成须具备六个条件,但热带气旋也可能在这六个条件不完全具备的情况下生成。

      海水表面温度不低于26.5℃,且水深不少于五十米。这个温度的海水造成上层大气足够的不稳定,因而能维持对流和雷暴。

      大气温度随高度迅速降低。这容许潜热被释放,而这些潜热是热带气旋的能量来源。

      潮湿的空气,尤其在对流层的中下层。大气湿润有利于天气扰动的形成。

      需在离赤道超过五个纬度的地区生成,否则科里奥利力的强度不足以使吹向低压中心的风偏转并围绕其转动,环流中心便不能形成。

      不强的垂直风切变,如果垂直风切变过强,热带气旋对流的发展会被阻碍,使其正反馈机制未能启动。

      一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。

 

      生成的地点

      大多数热带气旋在热带辐合带形成,热带辐合带是在全球热带地区出现的雷暴活动区。

      热带气旋在海水温度高的地区生成,通常在27℃以上。它们在海洋的东部产生,向西移动,并在移动的过程中增强。这些系统大部分在南北纬10至30度之间形成,而有87%在20度以内形成。因为科里奥利力给予并维持热带气旋的旋转,热带气旋鲜有在科里奥利力最弱的南北纬五度之内生成。[20]但热带气旋也有可能在这个地区形成,例如2001年的台风画眉和2004年的热带气旋Agni。

 

      运动引导气流

      热带气旋的路径主要受大尺度的引导气流影响,热带气旋的运动被前美国国家飓风中心主管尼尔·法兰克博士(Dr. Neil Frank)形容为“叶子被水流带动”。

      在南北纬大约20度左右的热带气旋主要被副热带高压(一个长年在海洋上维持的高压区)的引导气流引导而向西移,这样由东向西的气流称为信风。在北大西洋和东北太平洋,热带波动会被信风从非洲西岸引导至加勒比海及北美洲,最终到达太平洋中部直至引导气流减弱,这些波动(称为东风波)是这区域很多热带气旋的前身。而在印度洋和西太平洋,风暴的形成主要被热带辐合带和季风槽的季度变化影响,相对于大西洋和东北太平洋,东风波形成热带气旋的比例较小。

 

      科里奥利力(地转偏向力)

      科里奥利力(简称科氏力),是惯性系统(空气流动为直线运动)在非惯性系统(地球自转为旋转运动)上移动而产生的一种现象。科氏力并非真实存在,而是对于一个位在非惯性系统上观察者而言,会认为惯性系统的行进路径发生偏移,因而假想出一个加速度,此加速度乘上物体质量便成为一个假想力。虽然科氏力只需要地球自转就可以产生,不过考虑地球的球体形状,需要加入一个与纬度有关的系数。因此地球上的科里奥利加速度为:其中v为地球自转速度的水平分量。由此公氏可知纬度愈高,科里奥利加速度愈大,在赤道则为零(因此赤道上通常不会生成热带气旋)。科氏力在地球上的特例称做地转偏向力,对气旋运动的影响主要有两个,一方面决定了气旋系统的旋转方式;另一方面则是决定气旋的前进方向。当空气沿气压梯度进入低压中心,由于大气流动与地球自转方式的差异,会使大气流动发生一定程度的偏离。在北半球,当低压中心以北的空气南移,会向与地球自转相反的方向(西方)偏离;其以南的空气北移时则会向地球自转的方向(东方)偏离,而南半球空气偏离的方向相反。因为科氏力与空气向低压中心的速度相垂直,这便创造了气旋系统旋转的原动力:北半球的气旋逆时针方向转动,南半球的气旋则顺时针方向转动。科氏力也使气旋系统在没有强引导气流影响下移向两极。热带气旋向两极旋转的部分会受科氏力影响轻微增加向两极的份量,而其向赤道旋转的部分则会被轻微增加向赤道的份量。在地球上越接近赤道科氏力会越弱,所以科氏力影响热带气旋向两极的份量会较向赤道的份量为多。因此,在没有其他引导气流抵消科氏力的情况下,北半球的热带气旋一般会向北移动,而南半球的热带气旋则会向南移动。

 

      角动量守恒

      科氏力虽然决定了气旋旋转的方向,但其高速旋转的主要动力却非科氏力,而是角动量守恒的结果:空气从远大于气旋范围的区域抽入低气压中心,由于质量增加而角动量不变,因此导致气旋旋转时的角速度大大地增加。

      热带气旋云系最明显的运动是向著中心的,而角动量守恒原理也使外部流入的气流,在接近低气压中心的时候会逐渐加速。当气流到达中心之后会开始向上、向外流动,因此高层的云系也会向外流出(辐散)。这是源于已经释放湿气的空气在高空从热带气旋的“烟囱”被排出。辐散使薄的卷云在高空形成,并在热带气旋外部旋转,这些卷云可能就是热带气旋来临的第一个警号。

      除了热带气旋本身的旋转,角动量守恒也影响了气旋的移动路径。低纬度地区的地球自转半径较大,因此气体流动的偏移较小;高纬度地区的地球自转半径较小,所以气体流动的偏移较大。这样的力量也是热带气旋在北半球往北移动,南半球往南移动的原因之一。

 

      与中纬度西风带的作用

      1973年时,飓风Ione(左)及飓风Kirsten(右)之间发生了藤原效应当热带气旋移到较高纬度,其围绕副高活动的路径会被位于高纬度的低压区所改变。当热带气旋向两极移近低压区,会逐渐出现偏东向量,这是热带气旋转向的过程。例如一个正向西往亚洲大陆移动的台风可能会因为中国或西伯利亚上空出现低压区而逐渐转向北方,继而加速转向东北,擦过日本的海岸。台风转向东北,是因为当其位于副高北缘,引导气流是从西往东。

 

      藤原效应

      藤原效应或称双台效应,是指两个或多个距离不远的气旋互相影响的状态,往往会造成热带气旋移动方向或速度的改变。藤原效应常见的影响依照热带气旋之间的强弱程度而不同而大致分为两种:若两个热带气旋有强弱差距,则较弱者会绕著较强者的外围环流作旋转移动(在北半球为逆时针旋转,南半球则是顺时针旋转),直到两者距离大到藤原效应消失,或到两者合并为止。如果两个热带气旋的强弱差不多,则会以两者连线的中心为圆心,共同绕著这个圆心旋转,直到有其他的天气系统影响,或其中之一减弱为止。

 

      登陆

     “登陆”的官方定义是风暴的中心(环流的中心,而非边缘)越过海岸线,但在热带气登陆前数小时,沿岸和内陆地区已会有风暴的状况。因为热带气旋风力最强的位置不在中心,即使热带气旋没有登陆,陆地上也可能感受到其最强的风力。

 

六、热带气旋带来的影响

      1、正面影响:

      飓风卡特里娜吹袭后的美国密西西比州。成熟的热带气旋释放的功率可达6x1014瓦,在海上的热带气旋引起滔天巨浪,狂风暴雨。有时会令船只沉没,国际航运受影响。但是热带气旋以登陆陆地时所造成的破坏最大,主要的直接破坏包括以下三点:

      大风:飓风级的风力足以损坏以至摧毁陆地上的建筑、桥梁、车辆等。特别是在建筑物没有被加固的地区,造成破坏更大。大风亦可以把杂物吹到半空,使户外环境变成非常危险。

      风暴潮:因为热带气旋的风及气压造成的水面上升,可以淹没沿海地区,倘若适逄天文高潮,危害更大。风暴潮往往是热带气旋各种破坏之中夺去生命最多的。

      大雨:热带气旋可以引起持续的倾盘大雨。在山区的雨势更大,并且可能引起河水氾滥,土石流及山泥倾泻。

      热带气旋也为登陆地造成若干间接破坏,包括:

      疾病:热带气旋过后所带来的积水,以及下水道所受到的破坏,可能会引起流行病。

      破坏基建系统:热带气旋可能破坏道路,输电设施等等,阻碍救援的工作。

      农业:风、雨可能破坏鱼、农产物,引致粮食短缺。

      盐风:海水的盐分随著热带气旋引起的巨浪被带到陆上,附在农作物的叶面可导致农作物枯萎,附在电缆上则可能引起漏电。

 

      2、负面影响:

      热带气旋所造成的人命损失是无法估量的,但是热带气旋亦为干旱地区带来重要的雨水。不少地区的每年雨量中的重要部分都是来自热带气旋。例如东北太平洋的热带气旋为干旱的墨西哥和美国西南带来雨水;日本甚至全年近半的雨量都是来自热带气旋。

      热带气旋亦是维持全球热量和动量平衡分布的一个重要机制。热带气旋把太阳投射到热带,转化成海水热量的能量,带到中纬度及接近极地的地区。热带气旋亦作为一强烈涡旋扰动,把赤道所积存的东风角动量输送往中纬度地区的西风带内。

 

七、如何观测热带气旋

      各海域及世界气象组织监测机构

      海域区域专责气象中心或热带气旋警报中心

      北大西洋美国国家飓风中心

      东北太平洋美国国家飓风中心

      北太平洋中部中太平洋飓风中心

      西北太平洋 日本气象厅

      北印度洋印度气象部

      西南印度洋法国气象局(留尼汪岛)

      南及西南太平洋斐济气象部

      新西兰气象部

      巴布亚新几内亚气象部

      澳洲气象局

      东南印度洋澳洲气象局

      代表热带气旋警报中心

      热带气旋的移动受外力影响,所以要准确地预测其路径,便要知道邻近的高压和低压系统的位置和强度,以及它们将会如何改变并影响热带气旋。由超级电脑和精密的情景模拟软件组成的电脑数值模式,就能够透过电脑模拟做到这一点,从而预测热带气旋的路径。结合这些数值模式与人类对影响热带气旋外力的认识,以及气象卫星和其他感应器,近数十年来科学家对热带气旋路径预测的准确率正逐渐提高;但科学家表示,因为气象学界对影响热带气旋发展的因素了解仍未全面,所以他们对于预测热带气旋的强度较没有把握。

 

      预报中心

    现时世界上共有六个区域专责气象中心,这些组织负责追踪所属区域内的热带气旋并发出热带气旋公报和警告;另外还有五个热带气旋警报中心为较小的地区提供资讯。但区域专责气象中心和热带气旋警报中心不是唯一向大众发布热带气旋消息的机构,例如美国的联合台风警报中心会为除北大西洋外全球的热带气旋作出发布;中国气象局也会为位于国际换日线以西的北太平洋的热带气旋作出发布;加拿大飓风中心会为影响加拿大的热带气旋或热带气旋的残余发出公报。

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