直面美國颶風(fēng)：科學(xué)解讀熱帶氣旋

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上，具有有組織的對流和確定氣旋性環(huán)流的非鋒面性渦旋的統(tǒng)稱。包括熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)(強(qiáng)臺風(fēng)和超強(qiáng)臺風(fēng))的統(tǒng)稱。

熱帶氣旋(英文名稱：tropical cyclone)發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上，具有有組織的對流和確定氣旋性環(huán)流的非鋒面性渦旋的統(tǒng)稱。包括熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)(強(qiáng)臺風(fēng)和超強(qiáng)臺風(fēng))的統(tǒng)稱。

熱帶氣旋

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)。熱帶氣旋通常在熱帶地區(qū)離赤道平均3-5個緯度外的海面(如西北太平洋，北大西洋，印度洋)上形成，其移動主要受到科氏力及其它大尺度天氣系統(tǒng)所影響，最終在海上消散、或者變性為溫帶氣旋，或在登陸陸地后消散。登陸陸地的熱帶氣旋會帶來嚴(yán)重的財產(chǎn)和人員傷亡，是自然災(zāi)害的一種。不過熱帶氣旋亦是大氣循環(huán)其中一個組成部分，能夠?qū)崮芗暗厍蜃赞D(zhuǎn)的角動量由赤道地區(qū)帶往較高緯度；另外，也可為長時間干旱的沿海地區(qū)帶來豐沛的雨水。

不同的地區(qū)習(xí)慣上對熱帶氣旋有不同的稱呼。西太平洋沿岸的中國、臺灣、日本、越南、菲律賓等地，習(xí)慣上稱當(dāng)?shù)氐臒釒庑秊榕_風(fēng)。而大西洋則習(xí)慣稱當(dāng)?shù)氐臒釒庑秊轱Z風(fēng)。其它地方對熱帶氣旋亦有不同稱呼，在澳大利亞，被稱為“威力-威力”。在氣象學(xué)上，則只有風(fēng)速達(dá)到某一程度的熱帶氣旋才會被冠以“臺風(fēng)”、“颶風(fēng)”等名字。

熱帶氣旋形成的因素包括一個預(yù)先存在的天氣擾動、高水溫、濕潤的空氣和在高空中相對較低的風(fēng)速。如果適合的環(huán)境持續(xù)，使熱帶氣旋正反饋的機(jī)制藉著大量的能量吸收被啟動，熱帶氣旋就可能形成。

生成的條件

熱帶氣旋是一個由云、風(fēng)和雷暴組成的巨型的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它的基本能量來源是在高空水汽冷凝時汽化熱的釋放。所以，熱帶氣旋可以被視為由地球的自轉(zhuǎn)和引力支持的一個巨型的熱力發(fā)動機(jī)，另一方面，熱帶氣旋也可被看成一種特別的中尺度對流復(fù)合體，不斷在廣闊的暖濕氣流來源上發(fā)展。因?yàn)楫?dāng)水冷凝時有一小部分釋放出來的能量被轉(zhuǎn)化為動能，水的冷凝是熱帶氣旋附近高風(fēng)速的原因。高風(fēng)速和其導(dǎo)致的低氣壓令蒸發(fā)增加，繼而使更多的水汽冷凝。大部分釋放出的能量驅(qū)動上升氣流，使風(fēng)暴云層的高度上升，進(jìn)一步加快冷凝。

熱帶氣旋的生成和發(fā)展需要海溫、大氣環(huán)流和大氣層三方面的因素結(jié)合。熱帶氣旋的能量來自水蒸氣凝固時放出的潛熱。一般認(rèn)為熱帶氣旋的生成須具備6個條件，（1）水的表面溫度不低于攝氏26.5°，且水深不少于50米。這個溫度的海水造成上層大氣足夠的不穩(wěn)定，因而能維持對流和雷暴。（2）大氣溫度隨高度迅速降低。這容許潛熱被釋放，而這些潛熱是熱帶氣旋的能量來源。（3）潮濕的空氣，尤其在對流層的中下層。大氣濕潤有利于天氣擾動的形成。（4）需在離赤道超過五個緯度的地區(qū)生成，否則科里奧利力(地轉(zhuǎn)偏向力)的強(qiáng)度不足以使吹向低壓中心的風(fēng)偏轉(zhuǎn)并圍繞其轉(zhuǎn)動，環(huán)流中心便不能形成。（5）不強(qiáng)的垂直風(fēng)切變變，如果垂直風(fēng)切變變過強(qiáng)，熱帶氣旋對流的發(fā)展會被阻礙，使其正反饋機(jī)制未能啟動。（6）一個預(yù)先存在的且擁有環(huán)流及低壓中心的天氣擾動。中對流層的大氣不能太干燥，相對濕度必須大于40%～50%。

生成地點(diǎn)

大多數(shù)熱帶氣旋在熱帶輻合帶形成，熱帶輻合帶是在全球熱帶地區(qū)出現(xiàn)的雷暴活動區(qū)。

熱帶氣旋在海水溫度高的地區(qū)生成，通常在27℃以上。它們在海洋的東部產(chǎn)生，向西移動，并在移動的過程中增強(qiáng)。這些系統(tǒng)大部分在南北緯10至30度之間形成，而有87%在20度以內(nèi)形成。因?yàn)榭评飱W利力給予并維持熱帶氣旋的旋轉(zhuǎn)，熱帶氣旋鮮有在科里奧利力最弱的南北緯五度之內(nèi)生成。但熱帶氣旋也有可能在這個地區(qū)形成，例如2001年的臺風(fēng)畫眉和2004年的熱帶氣旋Agni。

熱帶氣旋的最大特點(diǎn)是它的能量來自水蒸氣冷卻凝固時放出的潛熱。其它天氣系統(tǒng)如溫帶氣旋主要是靠冷北水平面上的空氣溫差所造成。熱帶氣旋登陸后，或者當(dāng)熱帶氣旋移到溫度較低的洋面上，便會因?yàn)槭嘏睗竦目諝夤?yīng)能量，而減弱消散或轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋。

熱帶氣旋的氣流受地轉(zhuǎn)偏向力的影響而圍繞著中心旋轉(zhuǎn)。在北半球，熱帶氣旋沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在南半球則以順時針旋轉(zhuǎn)。

熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)一個成熟的熱帶氣旋有以下的部分：

熱帶氣旋結(jié)構(gòu)

·地面低壓

熱帶氣旋的中心接近地面或海面部分是一個低壓區(qū)。地球海平面上所錄得最低的氣壓（870hPa）是在有紀(jì)錄以來最強(qiáng)的熱帶氣旋——臺風(fēng)泰培（Tip）中心所錄得的

·暖心

熱帶氣旋的暖濕空氣環(huán)繞著中心旋轉(zhuǎn)上升，過程中水汽凝結(jié)釋放大量潛熱，熱能在中心附近垂直分布。熱帶氣旋內(nèi)各高度（接近海面例外）的氣溫都比氣旋外為高。

·中心密集云層區(qū)

圍繞熱帶氣旋中心旋轉(zhuǎn)的密集云層區(qū)，通常是由雷暴產(chǎn)生的卷云。

·臺風(fēng)眼

強(qiáng)烈的熱帶氣旋的環(huán)流中心是下沉氣流，將形成一個風(fēng)眼。眼內(nèi)的天氣通常都是平靜無風(fēng)，無云，甚至?xí)r有陽光（但海面仍可能波濤洶涌）。風(fēng)眼通常都是呈圓形，直徑由2公里至370公里不等。較弱的熱帶氣旋的風(fēng)眼可能被中心密集云層區(qū)遮蔽，甚至沒有風(fēng)眼結(jié)構(gòu)。

·風(fēng)眼墻(或稱眼壁)

臺風(fēng)中，包圍風(fēng)眼的是圓桶狀的風(fēng)眼墻，風(fēng)眼墻內(nèi)對流非常強(qiáng)烈，其云層的高度在熱帶氣旋內(nèi)通常是最高的，降水的強(qiáng)度和風(fēng)力的強(qiáng)度在熱帶氣旋內(nèi)也是最大的。強(qiáng)烈的熱帶氣旋有眼壁置換周期，產(chǎn)生新的外眼壁替代內(nèi)壁。其成因?yàn)闊釒庑郾谕鈬穆菪陰е亟M，然后漸漸向內(nèi)移動， 熱帶氣旋竊取了眼壁的濕氣與能量。在這階段，熱帶氣旋進(jìn)入了一個減弱的過程。在外圍新的眼壁完全取代舊眼壁，如果環(huán)境許可，熱帶氣旋會重新增強(qiáng)。透過多頻微波掃描和雷達(dá)可以清楚觀測到眼墻更新周期中的熱帶氣旋出現(xiàn)雙重眼壁；如果熱帶氣旋眼壁置換的過程較為明顯，更可從可見光和紅外線衛(wèi)星云圖上觀測到。

·螺旋雨帶

螺旋雨帶是繞著熱帶氣旋中心運(yùn)動的強(qiáng)對流云和雷暴帶。在北半球，螺旋雨帶呈逆時針方向繞中心運(yùn)動。螺旋雨帶，會帶來狂風(fēng)暴雨，而在兩條雨帶之間則會較為平靜。在接近陸地的熱帶氣旋，螺旋雨帶中有時會形成龍卷風(fēng)。擁有多條螺旋雨帶的熱帶氣旋一般較強(qiáng)及發(fā)展成熟；但也有一些“輪狀颶風(fēng)”的主要特征是沒有螺旋雨帶。

·外散環(huán)流

所有低壓系統(tǒng)均需要高空輻散以持續(xù)增強(qiáng)，熱帶氣旋的輻散從所有方向 熱帶氣旋流出。因?yàn)榭评飱W利力的作用，熱帶氣旋的高空呈反氣旋式外散環(huán)流。地面或海面的風(fēng)強(qiáng)力向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，隨著高度上升減弱，最終改變方向。這個特點(diǎn)和熱帶氣旋中心的暖心結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以熱帶氣旋需要垂直風(fēng)切變微弱的環(huán)境維持暖心結(jié)構(gòu)，才能延續(xù)輻散。

移動路線

西北太平洋地區(qū)，是全世界熱帶氣旋發(fā)生次數(shù)最多、強(qiáng)度最大的海域。熱帶氣旋在西北太平洋生成后，一般有下列行動路線：

（1）最常見的路線，是向西北方向移動，登陸臺灣或東南沿海地區(qū)；

（2）向西方向移動，穿越菲律賓進(jìn)入中國南海海區(qū)，在海南、北部灣或者越南一帶登陸；

（3）由于受引導(dǎo)氣流、西風(fēng)帶、副熱帶高壓、鋒面或者附近其他熱帶氣旋的影響，出現(xiàn)各種異常路徑；

（4）不登陸中國大陸，而是呈拋物線形的軌跡穿越中國東海，向朝鮮半島、日本的方向移去，最終變性為溫帶氣旋。

熱帶氣旋的等級

中國氣象局（CMA）采用兩分鐘平均風(fēng)速：

（1）熱帶低壓，底層中心附近最大平均風(fēng)速10.8～17.1m/s，也即風(fēng)力為6～7級；

（2）熱帶風(fēng)暴，底層中心附近最大平均風(fēng)速17.2～24.4m/s，也即風(fēng)力8～9級；

（3）強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，底層中心附近最大平均風(fēng)速24.5～32.6m/s，也即風(fēng)力 10～11級 ；

（4）臺風(fēng)，底層中心附近最大平均風(fēng)速32.7～41.4m/s，也即12～13級；

（5）強(qiáng)臺風(fēng)，底層中心附近最大平均風(fēng)速41.5～50.9m/s，也即14～15級；

（6）超強(qiáng)臺風(fēng)，底層中心附近最大平均風(fēng)速≥51.0m/s，也即16級或以上。

注：實(shí)際上中國氣象局為了防止混亂，近幾年沒有報過風(fēng)力大于65m/s的臺風(fēng)。但對于2009年第22號超強(qiáng)臺風(fēng)妮妲破例給了70m/s的評價，對于2010年第13號臺風(fēng)鲇魚破例給出了72m/s的評價。

熱帶氣旋登陸

“登陸”的官方定義是風(fēng)暴的中心（環(huán)流的中心，而非邊緣）越過海岸線，但在熱帶氣登陸前數(shù)小時，沿岸和內(nèi)陸地區(qū)已會有風(fēng)暴的狀況。因?yàn)闊釒庑L(fēng)力最強(qiáng)的位置不在中心，即使熱帶氣旋沒有登陸，陸地上也可能感受到其最強(qiáng)的風(fēng)力。

熱帶氣旋也是影響我國的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一。在其活動過程中，伴隨有狂風(fēng)、暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮。因此，熱帶氣旋對經(jīng)過的地區(qū)雖有解除伏旱的作用，但也會造成人民生命財產(chǎn)的巨大損失。我國北起遼寧，南至兩廣的沿海一帶，每年都有可能遭受熱帶氣旋的襲擊，其中又以登陸廣東、福建和臺灣三省的熱帶氣旋次數(shù)為最多。

熱帶氣旋消散

熱帶氣旋一般在以下情況減弱消散，或喪失熱帶氣旋的特性，轉(zhuǎn)化為副熱帶氣旋或者溫帶氣旋。

移入陸地后，臺風(fēng)因?yàn)槭ゾS持能量的溫暖海水，而迅速減弱消散。絕大部分的強(qiáng)烈熱帶氣旋登陸后一至兩天即劇烈減弱，變成結(jié)構(gòu)松散的熱帶低壓區(qū)。但是若果能夠重新移到溫暖的洋面上，它們可能會重新發(fā)展。移經(jīng)山區(qū)的熱帶氣旋可以在短期內(nèi)迅速減弱。

如果臺風(fēng)在同一海面上滯留過久，翻起海平面30米以下較涼海水，使表面水溫下降，熱帶氣旋也會減弱。

移入水溫低于26℃的海洋，這會使熱帶氣旋失去其特性（中心附近的雷暴和暖心結(jié)構(gòu)），減弱為熱帶低壓。這是東北太平洋熱帶氣旋消散的主因。

臺風(fēng)遇上強(qiáng)烈垂直風(fēng)切變，對流組織也會受破壞。（如臺風(fēng)遇到冷鋒時，將會迅速減弱）與西風(fēng)帶的作用，例如與鄰近的鋒面融合，這使熱帶氣旋轉(zhuǎn)化為溫帶氣旋，這個過程會持續(xù)一至三日。但就算熱帶氣旋完成轉(zhuǎn)化，很多時候它們?nèi)阅芫S持熱帶風(fēng)暴的風(fēng)力和一定程度的降水。在太平洋和大西洋，由熱帶氣旋轉(zhuǎn)化而成的溫帶氣旋有時風(fēng)力會達(dá)到颶風(fēng)的水平，2006年的臺風(fēng)伊歐凱就是這樣的一個例子。