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第2章 台风形成原理(1)

热带气旋

热带气旋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。

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他大尺度天气系统所影响,最终在海上消散,或者变为温带气旋,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的一个组成部分,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。

不同的地区习惯上对热带气旋有不同的称呼。西太平洋沿岸的中国、日本、越南、菲律宾等地,习惯上称当地的热带气旋为台风。而大西洋则习惯称当地的热带气旋为飓风。其他地方对热带气旋亦有不同称呼,在澳大利亚,被称为“威力———威力”。气象学上,则只有风速达到某一程度的热带气旋才会被冠以“台风”“飓风”等名字。

热带气旋形成条件

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,尚未完全了解。一般认为热带气旋的生成需具备六个条件,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。

(1)海水表面温度不低于26.5益,且水深不少于50米。这个温度的海水足够造成上层大气不稳定,因而能维持对流和雷暴。

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

(3)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。

(4)需在离赤道超过5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。

(5)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。

(6)一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。

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益以上。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°—30°内形成,而有87%在南北纬20°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5°之内生成但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”。

造成的灾害

成熟的热带气旋释放的功率可达6伊1014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,造成的破坏更大。大风亦可以把杂物吹到半空,使户外环境变得非常危险。

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,倘若适逢天文高潮,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一种灾害。

大雨:热带气旋可以引起持续的倾盆大雨。在山区的雨势更大,并且可能引起河水泛滥、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,包括以下几方面。

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,阻碍救援工作。

农业:风、雨可能破坏鱼、农产物,引致粮食短缺。

盐风:海水的盐分随着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。

认识台风

台风(或飓风)特指热带海洋发生的强烈热带气旋。世界各地对台风有不同的称呼,因为发生地点不同,叫法也不同。发生在北太平洋西部、国际日期变更线以西,包括中国南海范围内就叫台风;而发生在大西洋或北太平洋东部时,则被称为飓风。在印度洋和孟加拉湾称为热带风暴,在澳大利亚则称为热带气旋。换句话说,在菲律宾、中国、日本一带叫台风,在美国一带就叫飓风了,南半球则称它为“气旋”。

热带气旋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。像在流动江河中前进的涡旋一样,它能够一边围绕自己的中心急速旋转,一边随周围大气向前移动。热带气旋的气流受科氏力的影响而围绕着中心旋转。在北半球,热带气旋沿逆时针方向旋转,在南半球则以顺时针旋转。气旋中心附近,气压最低,风力最大。但是发展强烈的热带气旋则不同,如台风,台风眼却是一片风平浪静的晴空区。

热带海洋气候对热带气旋的强度差异影响很大。国际上以其中心附近的最大风力来确定强度并进行分类。

热带低压:热带气旋中心附近最大风力小于8级。

热带风暴:热带气旋中心附近最大风力为8级或9级。

强热带风暴:热带气旋中心附近最大风力为10级或11级。

台风:热带气旋中心附近最大风力为12级或以上才可以被称为台风。

世界上平均每年都会发生80—100次台风,大多数都发生在太平洋和大西洋上。经统计发现,西太平洋台风发生主要集中在以下四个地区:

(1)菲律宾群岛以东和琉球群岛附近海面。这一带是西北太平洋台风多发地区,全年几乎任何时候都有台风发生。1—6月份北纬15°以南的菲律宾萨马岛和棉兰老岛以东的附近海面;6月以后由此区域向北伸展;7—8月份出现在菲律宾吕宋岛到琉球群岛附近海面;9月又向南移到吕宋岛以东附近海面;10—12月份又移到菲律宾以东的北纬15°以南的海面上。

(2)关岛以东的马里亚纳群岛附近。群岛四周海面的台风多发季节在7—10月份,5月以前很少,6月、11月和12月则主要发生在群岛以南附近海面上。

(3)马绍尔群岛附近海面上。台风多集中在该群岛的西北部和北部。10月最为频繁,1—6月份则少有台风生成。

(4)我国南海的中北部海面。受我国气候影响,6—9月份为台风的多发季节,1—4月份则少有发生,5月逐渐增多,10—12月份又减少,发生规律呈抛物线状,但发生地点则比较集中,多发生在北纬15°以南的北部海面上。

台风的发生难以控制,它是一种破坏力很强的灾害性天气系统,其强大危害性主要表现在以下三个方面。

大风:台风中心附近最大风力一般为8级以上。

暴雨:台风的发生都会伴随暴雨的出现,在台风经过的地区,一般能产生150—300毫米的强降雨,少数台风能产生1000毫米以上的特大暴雨。

风暴潮:台风的发生也使得其发生地区的海水水位上升,近几年的数场台风使我国江苏省沿海最大增水达到3米,超过历史最高潮位,严重威胁到了人民群众的生命与财产安全。

台风的登陆方向

我国主要受西北太平洋形成的台风影响,这些台风受东风影响,并以大约5米/秒的速度,在一周左右时间内向西或西北方向移动。有时它们绕副热带高压向极地方向移动,当它们移到足够北时,被西风气流捕获,使它们弯曲向北方或东北方移动。在中纬度,台风前进速度一般会增加,有时超过20米/秒。台风的实际路径(由风暴的结构和风暴与环境的相互作用决定)变化显著。正常情况下,台风移动路径平滑、稳定。

但少数台风移动路径曲折多变,有停滞、打转,突然转向,移速突然变化,路径飘移不定等多种形式。这些奇怪的路径和不确定的转向,让预报人员感到诧异,例如,一股台风向陆地前进时,有时会忽然转向离去,使陆地区域免受某种灾难。

影响我国的台风有3种路径:

(1)西移路径。台风从菲律宾以东一直向偏西方向移动,经南海在华南沿海、海南岛或越南一带登陆。它对我国华南沿海地区影响很大。

(2)西北路径。台风从菲律宾以东向西北偏西方向移动,在我国台湾、福建一带登陆;或从菲律宾以东向西北方向移动,穿过琉球群岛,在浙江一带登陆。台风登陆后在我国消失。它对我国华东地区影响较大。

(3)转向路径。台风从菲律宾以东向西北方向移动,到达我国东部海面或在我国沿海地面登陆,然后转向东北方向移去,路径呈抛物线状,对我国东部沿海地区及日本影响最大。

台风的结构

根据台风区内低空风速大小的分布可以将台风分为三个区域,分别为外围区(风力8级以下)、涡旋区和眼区。

台风眼区很容易辨别,直径约40千米,涡旋区半径约250千米,是近似圆形的螺旋密蔽云区,从涡旋区向外就是外围区,外围区的风力一般都在8级以下。

台风云图根据拍摄角度的不同,有斜拍和直拍之分。斜拍的角度开阔,范围较广,可以看到地球的形状,但不易确定其中心位置和范围;直拍也就是垂直拍摄,可以确定眼区中心范围一般在10—150千米,比较常见的通常直径在30—50千米。而台风的直径一般是在600—1000千米,甚至有些达到2000千米。

根据台风云图,我们能够及时准确地跟踪台风,但是,台风专业云图需要专业人员来识别。非专业人员可以看电视里的后期制作的台风云图,经计算机处理后形象地向非专业人员展示有关的天气预报。多了解一些有关的知识,我们可以粗略地判断台风是否会影响本地,及早采取预防措施。在人造卫星未出现之前,人们对台风的结构、天气分布、移动规律等已经有所了解。我们可以根据前人对台风认识的经验总结和台风来临之前的预兆做好防范工作。

台风外围区

1.台风外围区的卷云台风来临前,云有预兆。我们可以先简单地了解一下有关云的基本知识,看看云是怎样预兆台风的。

云是由尘埃在空中遇到悬浮在空中的小水滴或小冰晶凝结而成。云有各种各样的产生原因和各种各样的高度,所以形成云的形状也是千变万化的。云的分类方法很多,而通用的国际分类法是将云分为高云、中云、低云和直展云四族,每族又分若干属,共10属。

其中一属是卷云,卷云又分毛卷云、钩卷云和密卷云三种。当台风外围接近本地时,天空会出现辐射状的毛卷云,辐射点以台风中心为原点,并逐渐变厚、变密。随着台风的移近,逐渐出现了卷层云、高层云和层积云,低空有随风急驶的碎层云和碎积云。中纬度地区高空盛行偏西风,高空的卷云也随之自西向东移动,而影响我国的来自菲律宾以东的热带洋面台风却是自东向西移动的,由此可知,当高空出现了自东向西移动的辐射状卷云时,则是台风到来的预兆。按照卷云前缘相距台风中心600千米左右推算,如果台风中心移动的速度是20千米/小时,而且以直径路线行进的话,那么30小时后,台风中心就可来到当地。

2.台风外围区的大风

台风的出现,预示着热带气旋的近中心风力已达到12级。由于地球自转和地面存在的摩擦作用,在北半球气旋中的地面风向是“逆时针往里吹”的。当台风逐渐接近当地时,会影响当地的盛行风向。我国是季风气候,6—7月份盛行东南季风,所以,如果在台风来临前几天吹北风、东北风或西北风,就说明当地已受到了台风外围气旋性环流的影响了,因为它破坏了正常的季风规律。

因此,根据人们长期以来的经验,广东、福建和浙江沿海一带民间流传着这样的谚语:“六七月里刮北风,一二日内有台风”“六七月东风不过午,过午必台风”等,这种民间说法符合台风发生规律的科学原理,所以,看风向可以判断有无台风的到来。

判断台风,除了根据风向外,还可以根据风速,当风速逐渐增大时,可以推断台风逐渐逼近。这是由于台风中心气压低,最大风速形成在靠近中心附近的地方,越靠近中心风速越大。但奇怪的是在台风真正的中心反倒没有风了,这一个很神秘的地方,我们在后面将详细介绍。如果风速增大的同时,当地偏北风,风向不变,那么台风将从东南方向向西北方向移动。如果风速增大的同时,当地偏北风转变为东北风,那么台风将向西移动,从当地的南面驶过。如果风速增大的同时,当地偏北风转变为西北风,那么台风将向北移动,从当地的东面驶过。依靠风向预测台风方便而准确,所以,我们可以简单了解一下关于风的知识,以了解其原理。

风是因空气流动而形成,而大范围的空气运动,有垂直运动和水平运动的区别。气象学把空气的上下垂直运动叫对流,向上的叫做上升运动,下降的叫做下沉运动;而空气的水平运动就是风。风向是指风吹来的来向。如东北风,是指从东北方向吹来的风。西北风是从西北方向吹来的风。单位时间空气流过的距离叫做风速。常用的单位有米/秒、千米/小时和海里/小时。风速根据风力(风对物体的作用力)的大小划分为18个等级,即0—17级。

3.台风外围区的长浪

“无风不起浪”生动的说明了风的直接作用引起水面波动。可以根据浪高来辨别风力的大小。风力越大浪也就越大,如7级风对应浪高4米,10级风对应浪高9米,并且风的运动区域越大,运行时间越长,风浪也就越大。当风力作用停止后,风浪不会马上停止,会受到重力和摩擦力影响而慢慢减弱。

“无风三尺浪”则指的是涌浪,是指风区里的风停止后所遗留下来的波浪,或者风浪离开风区后传至远处。与风浪相比,涌浪的波面比较光滑,波长较长。

涌浪在传播过程中,能量会逐渐消耗,波高逐渐降低,同时周期和波长也逐渐增加。涌浪的波长(相邻两波峰间的水平距离)比其波高(相邻波峰与波谷间的垂直距离)长40—100倍,个别的甚至可超过1000倍以上,所以涌浪也叫做“长浪”。因为涌浪的大范围平滑运动,使得它在海上是难以被发觉的,观察涌浪需要在靠近岸边的地方。波长越长的浪传播速度越快,速度超过台风,能在台风未到之前浪先到,所以“长浪”也是台风来临前可供评测的一个重要征兆。

风浪和涌浪的形成主要是因为热带气旋中的大风和中心的极低气压作用以及周围环境的海面产生。涌浪的速度是热带气旋的2—3倍,距离可达1000—2000千米。当传播方向与热带气旋移动方向相同时,则高于其他传播方向的涌浪的高度。涌浪一般提前台风2—3天到达。我国黄海和东海沿岸观测到的台风涌浪,波浪高度一般在3米以下,周期仅为10秒左右。

4.台风外围区的物象

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