. h- q F6 P- }( l4 h 原创 滕伟霖 石头科普工作室 2021-07-27
4 Y6 h D: q0 W( e0 {8 [7 l3 { 任何事物都有自己的生命周期，台风也不例外。这期科普我们就来谈谈台风的诞生，成长，成熟和消亡。
3 J, p# n& Q4 a2 J( z! Z7 L 01台风的诞生& F2 L$ J6 g& D7 g
台风，是诞生在西北太平洋的热带气旋的简称。热带气旋在全球的许多海域都可以产生，其中在东太平洋和北大西洋的叫飓风，在印度洋和南太平洋的叫旋风，在西北太平洋的叫台风。它们虽然名称不同，但生成、运作的机理是相同的，也就属于同一类型的天气系统。那么，热带气旋是怎么诞生的呢？ ( ~& U+ B! c; r! r: p0 C
图1 世界热带气旋责任海区分布图。诞生于区域IV的热带气旋称为台风。
. Z( N. U& E( A! } 图2 1950-2018年各海区热带气旋轨迹图，可见台风的活动十分频繁，占据所有热带气旋中的重要地位。在广袤的热带海面上，海水经过阳光的暴晒，已经拥有了深厚的温暖水体。温暖的水面蒸发迅速，产生出大片湿润的水汽丰富的空气。这时，大气中发生一个扰动，可能是季风的吹拂，可能是热带大气的波动，可能是高空冷涡的影响，总之，暖湿空气开始向着一个中心运动。大量暖湿空气被扰动带来，堆积在中心，升腾到空中，因为高空温度较低，水蒸气遇冷凝结成小水滴。众所周知，水蒸气液化的过程是放热的，于是水蒸气在空中的液化，就加热了空气，使得空气变得更轻，也就更容易上升。上升气流越来越强，也就需要越来越多的空气从四面八方汇入，水汽便随之源源不断地汇入，更多的水汽凝结，也就释放更多的热量，促使上升气流变得更强。 0 i) Q( L6 W! l6 m
于是我们发现这里出现了一个正反馈调节：水汽凝结助长上升气流，上升气流带来更多水汽，更多水汽的凝结又产生更强的上升气流。随着循环的进行，上升气流越来越强，四周汇入的空气越来越多，受到地转偏向力的影响，汇入的空气开始绕中心旋转，当旋转的最大风速达到8级时，台风就诞生了。 ) E( H/ Y) x2 g
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图3 一个热带扰动发展为台风的过程云图，图源为向日葵-8号卫星红外增强云图，该台风名叫天鹅，后来在北京时间2020年11月1日登陆菲律宾，成为了21世纪登陆陆地的最强台风之一。从上面的论述我们可以看出，台风诞生的关键就是建立起水汽凝结和上升气流之间的正反馈调节（也叫台风的“发动机”），因此，我们也不难猜测，台风并不是在任何区域都可以生成的。在陆地上和较冷的海面上，因为没有足够的水汽，无法启动台风发动机，也就一般无法生成台风。在低空的风向和高空的风向差别很大的地区，台风的高低层被风吹“歪”了，台风发动机也随之变得畸形，高空的水汽凝结无法有效地引起低层上升气流汇入的增强，也就难以生成台风。另外，在纬度特别低的地区，由于没有足够的地转偏向力，汇入中心的气流无法旋转起来，台风也就退化成普通的对流云团，而不会酝酿更大的风暴。 4 i4 l+ U. H5 A4 h
因此，台风生成的区域需要具备以下条件：温暖的海面，高空低空风向差别不大，纬度不能太低。
% o% B* M: l0 `9 z" b 图4 高低层被“吹歪”的热带低压，右边的积云线显示出底层中心，而高层中心在左侧的深对流里。图源：向日葵-8号卫星可见光云图。02台风的成长" X" ~9 ^, [( W+ ?4 O( \
一个台风的加强过程会经历许多阶段，根据风速由小到大的不同，我们可以将其分为：热带风暴级、强热带风暴级、台风级、强台风级、超强台风级。风力依次增大。美国对于飓风有另外一种类似的分级方法，分别是热带风暴级、C1级、C2级、C3级、C4级、C5级。分级不同，目的却是相似的，即通过播报台风的级别，告诉人们台风强度的信息，以让人们做好心理和物质上的准备。 2 }$ s9 W( N- c9 \& }, E& l
图5 各种热带气旋分级方式。数据来源：中国气象局。那么，是否所有台风都会经历这些级别，从而到达最高级别呢？幸运地，答案是否定的。许多台风终其一生都呆在热带风暴级，有些台风缓慢地爬升到台风级，还有些台风稳步增强到超强台风级，甚至有台风连跳几级，在短短一天内冲上超强台风级。那么，约束和利于台风增强的因素有哪些呢？ 1 o+ s# j9 M2 s$ ]
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海洋热容量和海面温度
! j; N& Y9 x, P& p" a8 p 海面温度越高、海洋热容量越大，台风所能获得的能量就越多，对台风增强就越有利。如果台风滞留一处时间太长，把该处海温消耗殆尽，台风就会迅速减弱。 ; L# S! |/ ^) n& `; R
% Q& H3 [. k6 i! i2 ^# B1 c3 } 图6 2018年台风潭美滞留前后对比图可见其对流衰弱、风眼变得不规则，颜值和强度一起也直线下滑。
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5 x) t" W0 [6 S7 L0 q# Y% T 高空流出条件 , q. {/ l f. e7 Z
我们知道台风是把低层的空气抬升到高层，空气抬升上去之后，总要有地方去，所以空气向四面八方流走。如果四周的流出条件比较好，空气流出就顺畅，从而有利于更多暖湿空气的上升，有利于台风增强。
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图7 良好的高空流出条件是2019年2月奇迹台风蝴蝶增强的法宝。图中台风北侧飘逸的“头发”，正是其高空水汽随西风槽流出而形成的针状云。从动图中我们可以看到气流在北侧高速流出。 9 x( z1 W5 I7 a q1 K3 ^; P( A
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, T# D3 f6 ?" J7 j7 b 垂直风切变
' g) m4 Y3 Q c( G 这个名词的意思就是上一节中提到的高层风向与底层风向的不一致。如果垂直风切变过大，台风的高低层分离，身首异处的台风当然不会强到哪里去。 : ]. D; k$ [2 F/ x+ d
图8 图七所示台风一天后的样子。西风槽带来的垂直风切变使其身首异处，只留下一个底层环流中心苟延残喘，渐渐消亡。
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# a- v y4 d- g& X 水汽条件 % \8 g1 q" m3 O1 v1 |) g: l- k
台风的空气从低空的四面八方流入，如果周围的空气很干燥，那么台风就容易水汽不足，没有足够的水蒸气来凝结放热驱动“台风发动机”，也就难以快速增强。
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3 `8 C5 X8 v6 p+ P! I. j2 R s 图9 台风“梅花”卷入干空气导致其核心结构被破坏，强度大大减弱。图源：美国海军实验室。2 e r1 l# q, q9 B& j
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整合速度 $ H" i! p, k, E3 n* M
有时候，台风在形成时并不只产生了一个中心。如果台风雏形有多个中心，那么快速整合是加强到较高强度的必要条件。否则，就会“兄弟阋于墙”，中心内战导致台风整体强度的萎靡。 8 H9 e+ k& z, P% }' p$ {, L4 z1 j
图10 2017年台风兰恩：谁是大哥，谁是小弟？图源：向日葵-8号卫星红外云图。如果以上条件中的大多数都很良好，那么台风就有可能发展到超强台风级，成为一个真正成熟的台风。 ' P1 q. }( f) G9 D' ~6 {. j
03台风的成熟
6 p: A( Y4 q0 P6 i/ L5 j& p 随着台风不断增强，台风螺旋运动导致的惯性离心力使得对流区域逐渐甩离中心，台风的中心反而风雨变小，甚至露出蓝天白云。这一在台风强大后，在台风中心出现的对流衰弱区域被称为台风眼。在太空中看，台风眼就像台风狂风暴雨的云团簇拥下的一只平静的眼睛。台风眼的形成是一个台风真正成熟的标志。
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图11 成熟台风的台风眼与环流。台风眼是台风气压最低的区域，从台风眼向外，首先映入眼帘的是一堵高速旋转的云墙，这就是台风的眼墙（或称眼壁），这里是台风风速最大的区域。眼壁向外，有一片近似圆形的区域，那里对流旺盛，且被眼壁积雨云的云顶覆盖，这里被称为中心密集云区（CDO）。再向外，台风伸展出一条条的螺旋雨带，越向外，风雨越小。在台风的最外围区域，受到台风外围下沉气流的影响，往往晴空万里，酷热难耐，这种台风导致的高温天气被人们形象地称为“吃下沉”。 + n: w& z5 s# a$ m) C
图12 成熟台风台风眼以外的结构。如何判断一个台风的强度呢？根据德沃夏克热带气旋分析法，台风的强度主要考察两个因素：CDO云顶的温度和风眼的温度。如果CDO代表极其低温（一般低于零下六十度）的色阶成环且宽度足够，同时风眼温度达到较高温度（一般零度以上），可以说台风已经达到了极强的强度。
+ J# m2 l* J& I' @" Q, @0 z# v 图13 图3中的台风烟花登陆前的状态。其CDO的云顶温度冷却到了接近-90℃，同时风眼由于强烈的下沉气流，云顶温度达到20℃。110℃的温差，巨大的能量浓缩在百公里的尺度内，展现着自然的极端暴力之美。
& |9 I* `$ A' X1 g; d 台风成熟以后，经常会进行一个被称为眼壁置换的过程。成熟的台风就像是一个巨大的抽水机，将四面八方涌来的水汽吸入眼壁，抬升到高空再吹向四方。但是，总有一些水汽没等到达眼壁就提前上升激发强对流了。如果提前上升的水汽激发的强对流区围绕着眼壁形成了一个圆，台风便形成了“大眼套小眼”的双眼墙结构。出现双眼墙结构后，由于能量渐趋分散，台风会有一定程度的减弱，直到内眼在外眼的水汽隔绝下逐渐消失，外眼成为唯一的眼墙，台风才会重新加强。需要指出的是，不是所有的台风都能够眼壁置换成功，如果失败，台风就难以达到很高的强度。
8 D/ Z1 ?; X! Y; j/ ^ 图14 台风“利奇马”登陆前呈现“双眼皮”状态。若不是这种结构导致台风减弱，浙江将蒙受更大的损失。
) ]( ~ M0 ^6 U* l 04台风的消亡5 y- S d9 a( l; B+ G) ?/ `
万事万物有开始就有终结。台风的结局又是怎样的呢？
6 t, C# [' O% m. L$ O0 z' O+ R$ f 多种多样。有的台风登入陆地，在地形摩擦和水汽隔绝下渐渐消失；有的台风闯入温带，在锋面的作用下变性为温带气旋；有的台风不慎跌入垂直风切变的陷阱，被拦腰斩断迅速消亡；有的台风一头扎进冰冷的水域，发动机渐渐熄火抛锚……
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图15：2018年台风山竹登陆菲律宾，结构被破坏。一般的台风从生成到消亡有几天的生命周期，在这几天里，它们聚集能量，展露锋芒，裹挟狂风巨浪，最终悄然消亡。当然也有长寿的台风，比如2017年的台风奥鹿，在其它台风的牵扯下，徘徊了18天才登陆日本消亡殆尽。它中间经历了曲折坎坷，峰回路转的生命历程，有兴趣的朋友可以去看一下它的云图视频，感受台风带给我们的生命的力量。 c, N) N: s; F6 I3 \
图16：台风奥鹿曲折的一生。(来源：b站)最后，可能有人要问了，台风是灾害，你怎么描述得这么有爱。其实，这是片面的理解。台风对于人类，是利大于弊的存在。虽然台风会给登陆地带来风毁，带来不必要的暴雨洪涝等，但它还承担着平衡地球气候的重任。如果没有台风，温带会更加干旱、冰冷，而热带则会是一片蒸笼下的泽国。有时候，剧烈的现象之所以发生，是因为这是避免更剧烈的现象发生的手段。台风看似暴烈，实则维护着更深的和谐。
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石头档案·作者 PROFILE ! H7 a, ]% U: r3 n
滕伟霖 ; y9 k" h+ ?% ~! e: c1 n) k
中科院紫金山天文台硕士研究生， 专业太阳物理，爱好气象与热带气旋
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撰稿：滕伟霖 + J+ T# ~5 k; E, t- F% q
美编：可然 后期：江陵
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