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第3章 台风形成原理(2)

除了风云,还有其他物象可以用来判断台风是否会来。例如,台风入侵前两三天,海水表层会出现“海火”“浮灯”,在海面上一点点、一片片的磷光,闪闪烁烁,时浮时沉。其实这只是一些发光浮游生物(如磷虾、角藻、磷夜光虫、细菌等)以及寄生有磷细菌的某些鱼类,浮动在海水表层时呈现的景象。

有些鱼类,特别是浅海鱼类在台风前要上浮,如一种被称作“风台”的粤东沿海的小鱼,土名“仔”,台风出现前几天会特别的多。还有一些如海豚一样较大的鱼,也往往群集海面,深海鱼也随海流从深海来到浅海,有时也会看到鲸。

还有一些上浮的底栖生物、深层鱼类等,如海蛇也会上浮海面缠结成团。

首先,外海台风的风浪驱使这些鱼类及浮游生物上浮和少见的海洋生物趋集近海。其次,虽然人听不到低频的风暴声波,但海中鱼虾却可以感觉到,受到惊扰骚动,四处流窜。然后由于台风区内气压下降,海水中含氧量减少,所以要浮上海水表层。另外,有些海洋生物喜好在这种气象条件下加快繁殖,因此群浮海面。此外,还有一个促成浅海鱼类及底栖生物浮上海面的原因就是海水污浊、泥沙翻滚。

除了海中生物,海鸟的反常也是台风的预兆,如有时会出现大群海鸟惊恐地飞向陆地,或疲乏不堪地跌落在船上或海面,甚至不惧人地群歇在船上……这都是因为海鸟对台风的惊惧而形成。

除了看物象可以预测台风外,看海象也能预测台风。

台风涡旋区

1.涡旋区中的狂风

热带气旋的涡旋区,一般直径为200—400千米,风力常在8级以上。距中心区的直径可达100—150千米,风力可达10级,当距中心小于100千米时,风力向热带气旋中心急速增大,并在热带气旋眼壁处达最大。最大风速通常能够在60—70米/秒,也会超过100米/秒,并带有阵性,阵风一般比平均风速要大30%—50%。热带气旋中心眼区附近的最大风速带,宽度平均为10—20千米,与环绕台风眼的云墙相重合,是热带气旋破坏力最猛烈、最集中的区域。

2.涡旋区中的“云墙”

热带气旋的涡旋云墙在靠近眼区的周围,是由高大的对流云组成的,高8—9千米,宽10—20千米。“云墙”是热带气旋中天气最恶劣的区域,最常出现狂风暴雨。热带气旋发展到台风等级时,绕台风眼周围的“云墙”通常会比较完整,但也有不成形的。紧靠“云墙”的是呈螺旋状分布的积雨云带。在这里还会普遍产生浓厚的层状云。螺旋状积雨云带和层状云的外缘,还有塔状的层积云或浓积云,在热带气旋行进的方向上,塔状云更多,而且云体随风飘移,有时被强风吹散,民间称为“飞云”,俗称“和尚云”或“跑马云”。

3.涡旋区中的暴雨

在涡旋区8—9级风圈内,气压急剧下降,雨层云是下雨的云,灰暗浓厚且不规则,遮蔽天空后开始降大暴雨。雨层云不同于积雨云。积雨云下的是阵性的倾盆大雨,属于积状的直展云族。而雨层云是暗灰色的层状云,云体均匀成层,布满整个天空,遮蔽日月,云底常伴有碎雨云,下的是连续性的雨。当进入热带气旋“云墙”的10—12级风圈后,电闪雷鸣,狂风怒吼,降大暴雨到特大暴雨。其中的暴雨、大暴雨和特大暴雨都是降雨量的等级。下面来看一下我国气象部门规定的降雨量等级划分。

1975年8月,我国河南驻马店地区遭遇7503号热带气旋袭击,形成百年难见的特大暴雨,日最大降水量达1005.4毫米,1小时的最大降水量达235毫米,造成严重的经济损失和人员伤亡。

4.涡旋区中的巨浪

热带气旋中的中心气压极低,因此气旋内的大风使周围海面产生巨大的风浪和涌浪。风所引起波浪高度的大小与风速大小、大风持续时间成正比,风力达8级时一般可产生5米以上的巨浪,风力达到12级以上则可以产生波高达十几米的狂涛,越接近热带气旋的中心,风浪越高。

热带气旋逼近当地时,由于气压降低引起水位上升,平均气压每降低1百帕,会引起水位上升1厘米。热带气旋在沿海登陆时,伴随着暴雨和向岸风的影响,再遇到天文大潮,就会引起海面水位异常上涨,造成港湾内海水堵塞、堆积,有时冲毁海堤引起海水倒灌,淹没码头和陆地,造成无法估量的巨大损失。如1969年7月28日在广东惠来登陆的6903号台风,与天文潮叠加,于是风暴潮冲毁了海堤,海浪高达数层楼,五六十吨的船只被抛进内陆几十米。

台风“眼区”

1.“眼区”的形状

热带气旋的眼区一般是圆形的,也有椭圆形的。“眼区”直径的大小受热带气旋的强度影响,在热带气旋发展初期,“眼区”形状不规则,范围也较大。

当热带气旋强烈发展时,“眼区”缩小呈圆形,并成轴对称分布。

2.“眼区”的气温与气压热带气旋较温带气旋多一个暖中心结构,即中心温度最高,这也是两者最显著的差别。流入热带气旋中心区的辐合上升的气流中,具有充沛的水汽,当“眼区”经过时,气温有时会增高5—6益,甚至10益以上。凝结时就能释放出大量潜热,加上热带气旋“眼区”内下沉气流的绝热增温,因而使热带气旋附近强烈增温,形成热带气旋的暖中心结构。

热带气旋是热带地区的暖性低压涡旋。中心的气压值很低,通常在870—950百帕。气压明显地影响了天气的变化,当气压降低时,天气往往变坏,常伴随有大风、阴雨和低能见度等不良天气,当气压升高以后,天气也随之转好。我们现在经常看到的天气预报,就是由气象台根据气压的分布和变化情况分析出的。气象台每天分析几次地面天气图和高空天气图,即分析气压形势,然后以此为基础再来做天气预报。

气旋就是一个低气压,对应出现阴雨天气,而反气旋就是一个高压,对应出现晴朗天气。

气压也叫大气压力,是大气作用于地球表面单位面积上的力,是有重量的。由此可见,气压是指某地某高度起到大气顶的单位面积空气柱的重量。由于低层流入气旋的空气少,高层流出气旋的空气多,因此,整个气旋空气柱的重量轻了,所以,气旋中心的气压就低了。

3.“台风眼”内的“金字塔”浪和风暴潮台风内部有一个很神秘的地方,那就是“台风眼”。它的气温最高,气压最低。气压最低应当是云雨的天气,但是在台风眼中没有风雨,云淡风轻,可见蓝天。前面提到过的气旋也是一个低压,却会引发暴雨天气。同样的低压却有这样明显的区别,主要原因是,气旋中的低压会吸引周围空气产生上升气流,高度上升,气温随之降低,水汽凝结成云致雨。这里关键的是上升气流,要有上升气流才会有阴雨天气,有下沉气流就会有晴朗天气。“台风眼”内就是因为有下沉气流,所以是晴朗的天气。

台风地面的气流不同于气旋,它是逆时针向里吹的,风从四面八方吹来,但是都“挤在”地面,挤不下的自然地就产生了上升运动。离开地面的气流,摩擦力会减小,到一定高度就没有摩擦力了,而这时的气流由逆时针往里吹,变成了逆时针吹了。上升气流到一定高度后向四周流出,流出的气流在地球旋转的作用下,与地面做相反的旋转运动,即做顺时针的旋转运动。

这样一来,低层和中层的气流都进不了中心,这个中空的地方只有由台风的顶部来填补了。因此在台风的顶部有从四面八方来的气流,它们不能全都集聚在一起。于是形成“往下跑”的气流,这样下沉气流就形成了一个无风晴朗的“台风眼”。

“台风眼”内无风无云,但由于中心气压极低,所以海面却是波涛汹涌。

浪形状犹如“金字塔”,浪顶一经破裂,如悬崖崩堤,惊涛拍岸,对船舶的危害极大。

台风的形成

台风的形成原因

关于台风的成因,至今仍无一个确定说法,我们只能推测它是由热带大气内的扰动发展而来的。夏季时候,太阳直射区域从赤道向北移,致使南半球之东南信风越过赤道转向成西南季风侵入北半球,和原来北半球的东北信风相遇,压迫空气上升,增加对流作用,再因西南季风和东北信风方向不同,相遇时常造成波动和旋涡。这种西南季风和东北信风相遇所造成的辐合作用,加之原来的对流作用持续不断,使已形成的低气压旋涡继续加深,也就是使四周空气加快向旋涡中心流,流入愈快,其风速就愈大;当近地面最大风速达到或超过17.2米/秒时,就称它为台风。

热带海洋的海面上经常有许多弱小的热带涡旋,这是形成台风的“胚胎”,台风就是从这种弱的热带涡旋发展成长起来的。通过气象卫星已经查明,在洋面上出现的大量热带涡旋中,约有1/10会发展成台风。

台风形成理论

从前面分析可知,无组织的雷暴群要发展为一个台风,高低层条件必须密切配合。当所有表面条件看起来适合台风生成时(如暖水、潮湿空气和辐合风等),如果高空的天气条件不适合,风暴也就发展不起来。如副高空气下沉加热产生逆温(信风逆温),当逆温强的时候,可抑制雷暴和台风的形成。当高空风强的时候,破坏了对流组织形态并使热量疏散,台风也不能形成。

对于台风的形成,虽然经过近百年的探索,但科学界还没有完全达成共识。

对于台风形成的理论,最典型的和有代表性的是对流理论(也称为第二类条件不稳定理论,简称CISK理论)和热机理论。

什么叫对流理论

对流理论认为,台风形成时,雷暴必须变得有组织,以便驱动系统的潜热能够被限制在一个有限的区域内。如果沿ITCZ或沿东风波,雷暴组织起来,而且信风逆温弱,那么台风诞生的舞台就可建立。如果高层空气不稳定,台风发展的可能性就会加强。这种不稳定可由从中纬度移向风暴区的高空冷槽引起。

一旦这种形势建立,积雨云会快速发展并生长成巨大的雷暴云。

高层空气虽然开始时冷,但由于凝结过程释放的巨大潜热被迅速加热。当这股冷空气变成较暖的空气时,雷暴上部产生高压区。高层空气开始向外运动,远离发展的雷暴区。高层空气辐散伴随气层加热,使得表面气压下降,形成一个小的表面低压区。表面空气开始反时针旋转,并吹向低压区。当向里运动时,它的速度增加(角动量守恒)。风使海面变粗糙,增加了运动空气的摩擦阻力。

这种增加的摩擦力导致气流辐合,并使风暴中心周围的空气上升。

上升的空气,从波浪起伏的洋面携带更多的水汽和热量,供给雷暴更多“燃料”并释放更多热量,这样导致表面气压降低更多。中心附近低压产生较大摩擦,导致辐合加强和更多的上升空气。上升空气产生更多的雷暴,释放更多的热量,使表面气压降得更低,风也更强。这样一个正反馈的连锁反应机制建立了,即空气上升导致中心气压降低,中心气压降低导致更多的空气上升,反复直到一个成熟的台风诞生。

只要高层流出多于地面流入,风暴就会加强,表面气压就会降低。由于系统内,气压受向上伸展的暖空气控制,风暴只会加强到一定程度。控制因子是水温和潜热释放。因此,当风暴完全成熟后,它将耗尽所有可供的能量,空气温度不再上升,气压将不再降低。当中心附近辐合空气超过顶部流出时,表面气压开始增加,风暴逐渐消失。

对流理论突出了积云对流的作用,抓住了水汽凝结释放潜热是台风发展的主要能源这一本质,因此它对热带气旋的发展过程做出了较为合理的解释。但是,对于低层原先存在的低压扰动是如何发生的,该理论没有给出解释,这是一个需要进一步研究的问题。

什么叫热机理论

热机从高温端T1吸收热量,转变为功,在低温端T2放热。

热机理论认为,台风系统像一个热机,它从海面吸收热量,转变为台风发展需要的功(动能或风),然后在台风顶部通过辐射冷却放热。当台风发生时,洋面越暖,台风的最低气压就越低,而且风就越大。

在台风中,旋转涡旋从海面带感热和潜热进入上面空气中。水越暖、风越大,传输的感热和潜热就越多。因为,当空气向风暴中心运动时,靠近眼壁时风速增加,传输能量的速率增大。同样,大风导致蒸发率提高,传输效率也会增加。

在眼壁附近,暖湿空气上升,水汽凝结形成云。云中潜热的释放,导致眼壁区域气温比远离风暴中心同样高度处的气温高许多。这种形势导致高层形成水平气压梯度,促使空气向外运动,以积雨云的云砧形式吹离风暴中心。在风暴顶部,云向太空辐射红外能量。因此,在台风中,热量从海洋表面带来,转化为动能或风,在顶部通过辐射冷却散失。

台风的形成条件

要有足够广阔的热带洋面,这个洋面不仅要求海水表面温度高于26.5益,而且在60米深的海水层里,水温都要高于26.5益。其中,广阔的洋面还是形成台风的必要自然环境,台风内部空气分子之间互相摩擦,每平方厘米每天平均要消耗的能量很多,需要3100—4000卡,这个巨大的能量只有广阔的热带海洋释放出的潜热才可能供应。另外,热带气旋周围有旋转的强风,会造成中心附近的海水翻涌,气压甚至可以低到海洋表面向上涌起,继而又向四周散开,于是海水也就从台风中心向四周翻腾。台风里这种海水翻腾现象能影响到60米的深度。在海水温度低于26.5益的海面上,热能不够,台风很难维持。为了确保在这种翻腾作用过程中,海面温度始终在26.5益以上,必须有60米左右厚度的暖水层。

在台风形成之前,预先要有一个弱的热带涡旋存在。就如同机器的运转需要消耗能量来源一样。台风也是一部“热机”,自己制造能量来源。它以巨大的规模和速度在那里转动,要消耗大量的能量,而台风的能量来自热带海洋上的水汽。在一个事先已经存在的热带涡旋内的气压比四周低的时候,周围的空气流向涡旋中心并挟带着大量的水汽,在涡旋区内向上运动;湿空气上升,水汽凝结,释放出巨大的凝结潜热,促使台风运转。即使有了高温高湿的热带洋面供应水汽,如果没有空气强烈上升,产生凝结释放潜热过程,台风也不可能形成。因此,生成和维持台风的一个重要因素是空气的上升运动。先存在一个弱的热带涡旋则是台风形成的必要条件。

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