十九、世界的风-3(飓风和台风) - 海洋热带风暴

永不堕落 · 发表于海洋科普 2024-4-13 07:17:09

4.热带气旋：飓风和台风

2005年8月下旬，当卡特里娜飓风穿过南佛罗里达进入墨西哥湾，膨胀成一个巨大的怪物向新奥尔良驶去时，国家飓风中心的气象学家们知道麻烦就在眼前。最强的飓风和海浪到达了城市东部的海岸，并夷平了阿拉巴马州的沿海城镇。

尽管新奥尔良错过了最强的风，它也没有逃脱灾难。风暴引发的洪水进入了新奥尔良北部边缘的一个海湾：庞恰特雷恩湖，与该湖相连的运河水位上涨。一些与运河接壤的堤坝无法承受额外的压力而倒塌。洪水涌入城市，由于新奥尔良大部分地区低于海平面，整个社区都被淹没了。

飓风(在世界某些地区也被称为台风或旋风)是一种危险的风暴，不仅威胁着海上的水手，也威胁着热带和中纬度地区的沿海居民。在这里，我们对这种类型的风暴进行了分析，并解释了它为什么会形成以及它为什么会造成如此大的破坏。

2005年8月卡特里娜飓风

4.1什么是飓风

卡特里娜飓风是热带气旋(Tropical Cyclone)的一个例子，它是一种旋转的螺旋状风暴，起源于温暖的热带海域。弱热带气旋，持续风速在63-118km/h之间，被称为热带风暴(Tropical Storms)。如果北大西洋或太平洋东部的热带风暴增强到持续风速超过119km/h，它就成为飓风(Hurricane)。

在太平洋西北地区，同样类型的风暴被称为台风(Typhoon)，而在印度洋和整个南半球，它被称为气旋(Cyclone)。为了简单起见，我们在本章中将所有强烈的热带气旋统称为飓风。由于科里奥利力，北半球的飓风是逆时针旋转的，而南半球的飓风是顺时针旋转的。

在飓风中，只有中心地区，即直径100-200km或更小的区域，才会有飓风级的风力。但整个风暴可能覆盖500-1500km的区域，强风围绕中心盘旋，浓密的云层遮住了天空。因为飓风影响的范围如此之广，所以它是地球上最具破坏性的风暴。每年大约有100个热带气旋起源于热带海洋。

美国国家气象局的气象学家为大西洋和太平洋东部的飓风命名。这个季节的第一次飓风从字母A开始，而每一次连续的飓风都从字母表的下一个字母开始，跳过一些不常见的字母，比如Q。为了向公众传达这些风暴的严重程度，气象学家使用了Saffr-Simpson等级，它根据飓风的最大持续风速来分级。

4.2飓风里有什么？

发展良好的飓风具有独特的内部结构。在对流层顶部观察，飓风顶看起来就像一大片厚厚的云。在这片云团的中心是一个几乎无云的圆形区域，顶部的直径通常在10-50km之间，称为“风眼(Eye)”。在三维空间中，飓风眼就像一个垂直向下逐渐变细的漏斗，从风暴的对流层顶一直延伸到海平面以上不到1km的地方。

它的表面，即风眼壁(Eye Wall)，由密集的、快速旋转的云组成。螺旋性雨带(Spiral Rainbands)是由狭窄但高耸的云构成的明显弧线，其中一些包含雷暴，从眼壁向外延伸数百公里。正如它们的名字所暗示的，这些云决定了飓风的螺旋形。暴雨(Torrential Rain)从眼壁云落下来，非常大的雨从螺旋雨带落下来。龙卷风有时在雷暴的底部形成螺旋雨带。在雨带之间的缝隙中，雨少或不下雨。风眼下面根本没有雨。

飓风的内部结构：暴风云群盘旋向中心风眼。最强的风出现在风眼壁上

飞机上看的飓风的风眼和风眼壁

飓风的结构反映了风暴内空气的运动。靠近地球表面的空气向内盘旋，朝向飓风眼。当它这样做的时候，它会慢慢的加速移动，就像一个旋转的溜冰者，为了保持角动量，她会把胳膊向内拉，移动得更快。在风眼壁处，风达到了最大速度。

空气沿着风眼壁螺旋上升，直到到达对流层顶。从对流层顶开始，几乎所有上升的空气都向外盘旋并减速，最终下沉到远离飓风边缘的地表。少量空气从风眼壁流向风眼。在风睛内部，空气缓慢下降，在此过程中，空气受到压缩并变暖，因此相对湿度降低，这就是为什么眼睛仍然保持几乎透明的原因。空气也会在雨带中上升，然后在雨带之间慢慢下沉。

4.2飓风的能量来自哪里？

飓风不会在陆地上形成，也很少在热带之外形成。事实上，当飓风越过陆地或进入高纬度地区时，它就会消散。显然，温暖的海水为飓风提供了能量！飓风只能在温度超过26℃、深度至少为60m的海水上形成。

来自海洋的能量以两种方式进入大气层。飓风能量的一小部分来自温暖的海水向上方空气传导的热量。它的其余能量来自水的蒸发。产生的水蒸气储存了大量的潜热。蒸汽凝结形成飓风云和雨释放潜热，提供驱动风暴的热能。

换句话说，蒸发掉的海水融入到风暴中，为风暴提供能量。随着风速的增加，海水从海洋表面蒸发的速度大大增加。海风撕扯海洋表面产生的浪花和海浪上形成的白浪会使水蒸气向大气中转移的速度增加100到1000倍。

4.3飓风形成的过程是什么？

在温暖的海面上必须先有一簇雷暴，作为飓风生长的“种子”。雷暴的形成需要气流的汇聚。当气流在海平面聚集时，空气上升。在上升的空气中，水凝结成云。它的凝结释放出潜热，使空气变暖，密度更小，所以它上升得更高，更多的水凝结在那里，这个过程会产生雷暴。

在热带纬度的海洋上空形成雷暴的空气聚集通常有两个原因。首先，沿ITCZ发生辐合，在这里北半球的信风和南半球的信风交汇；这种辐合是太平洋台风和印度洋旋风的主要来源。第二，当东风波(Easterly Waves)在信风中形成时，就会发生辐合。

这些气流被称为东风环流，因为在地图上看到它们呈波浪状，逐渐地从东向西移动。所谓“浪(Waves)”，是因为它们是沿风向的南北振荡。你可以通过观察风向的变化图来看到它们波浪状的形状。

源自非洲的风暴向西进入大西洋时形成的东风波是大多数大西洋飓风的成因。在海洋表面以上，东风波内的空气会聚集，这是因为(在北半球)空气通过海浪的南部比通过北部要快一些。其结果是南向气流中的空气“堆积”，聚集，上升。

典型的大西洋飓风由非洲附近的雷暴群演变成热带低气压，然后是热带风暴，最后是飓风。雷暴与信风中的东风波辐合有关

是什么使海洋上的一簇雷暴发展成为热带风暴？随着雷暴的扩大，风会产生波浪和水花，更多的水蒸气进入空气。当水蒸气上升并凝结时，它释放出更多的潜热，从而使空气变暖，导致气压下降。这种下降使得气压梯度变得更陡，从而导致风变得更强。因此，总的来说，风暴增长是一个积极的反馈过程，意味着每一步都增强了这个过程。

对于强烈的复合风暴来说，要开始旋转并成为热带气旋，雷暴必须在赤道以北或以南至少5°以外，这样科里奥利力就足够强大，可以引起旋转。飓风不会在赤道上形成或穿过赤道，因为赤道上不存在科里奥利力。此外，热带风暴要想发展成飓风，高空的风力必须很弱，因为如果高空存在强风，风暴的螺旋循环就会被撕裂。

当热带风暴开始加速旋转时，风暴中心底部的气压会降低。这种减少开始发展是因为一个向外的离心力，由于风暴中空气的旋转，推动空气分子向外，远离风暴的中心。向外的空气运动，减少了风暴中心空气柱的重量，从而减少了风暴中心底部的压力。一旦这个过程开始，向下的引力就会超过风暴中心垂直压力梯度向上的推力。因此，来自高处的空气开始在风暴中心缓慢下沉。当这些空气下沉时，会受到压缩，因此会变暖变干。

气候变暖导致空气膨胀，膨胀使更多的空气分子侧向移动，离开风暴中心，进一步降低中心以下的空气压力。同时，干燥导致云消散，所以中心成为一个可见的风眼。当气压低到足以形成风眼时，在风暴中心和外部区域之间就会存在一个极端的气压梯度。正如我们前面所讨论的，风是由于压力梯度而产生的，压力梯度越大，风速就越快。穿过风眼壁的极端气压梯度加速了来自风眼壁的飓风强度，在较强的飓风中，风力可达到100km/h。

4.4飓风的路径是什么？

一旦飓风存在，只要它有“燃料”(温暖的海水)，而且在对流层上部的环境中没有强风，它的“引擎”就会运转。温暖海水的温度和供应，周围风的特征，飓风所在纬度处对流层的深度，以及与地球表面的摩擦，这些都控制着飓风的强度。

由于飓风形成于热带地区，在向西流动的信风带内，它们通常在形成和成熟时向西漂移。在北半球，由于科里奥利力的影响，飓风在向西移动的同时可能开始向北漂移。当它们到达纬度30°左右时，就会受到中纬度风(Mid-Latitude Winds)的影响。中纬度风通常从西向东吹。因此，飓风通常在北半球向东移动经过30°N。

有了这些原则，气象学家可以预测飓风的踪迹(Hurricane Track)，飓风将遵循的路径，他们甚至可以估计飓风级风力将会发生的宽度。然而，并非所有的飓风都表现得简单，在某些情况下，复杂的背景风会导致不规则的路径。

当飓风在冷水或陆地上移动并失去能量来源时，它会减弱并最终消散。与陆地的摩擦加速了它们的灭亡。如果它们在对流层上部遇到强风，也可能会被摧毁，因为这些风会破坏飓风循环的螺旋。

飓风踪迹：地图上的每条线代表飓风或热带风暴路径。浅蓝色的线表示较弱的风暴，黄色的线表示较强的风暴。请注意，这些轨道都没有穿过赤道

选定的飓风路径。大多数(黑线)首先向西，然后向北。一些(彩色线)沿着不规则的路径

1970年，当气旋移动到孟加拉湾上游的恒河三角洲时，风暴潮使海平面上升了约6m，巨浪顶上形成了10m高的巨浪。结果，洪水淹没了三角洲，30万人被淹死。如果风暴潮达到高潮，水位会变得更高。风暴潮是造成卡特里娜飓风期间新奥尔良防洪堤垮塌的原因，也是造成桑迪飓风期间新泽西沿岸破坏的原因。

风暴潮：伴随飓风而来的风暴潮淹没了沿海地区，并造成破坏

风和低气压结合在一起会产生水的膨胀

尽管飓风在登陆时风力减弱，但其云层仍能带来暴雨。例如，1998年，当飓风米奇在中美洲的山区搁浅时，它释放的暴雨造成了多次山洪暴发。雨水也渗入了地面，土壤变得饱和，导致不稳定的斜坡垮塌。

由此产生的泥石流顺着山坡流下，一些泥石流掩埋了整个城镇。由于飓风、台风和旋风对陆地上的人和海上的船只都构成威胁，许多国家都建立了热带气旋监测中心。

例如，美国国家飓风中心的工作人员观察世界海洋盆地，以监测热带风暴和旋风的发展和进展。利用来自卫星观测和雷达的数据，结合气象站和飞机的数据，该中心还使用了一套计算机模型来预测飓风轨迹和风速，以便向政府提供早期预警和疏散建议。

4.5飓风的哪一面更具破坏性？

飓风中某一地点的风速取决于两个因素：第一，飓风周围空气的螺旋运动导致的风速，这种风速随着距离风眼壁的距离而减小；第二，在区域大气环流的推动下，飓风在整个风暴漂移过程中的整体移动速度。典型的飓风前进速度在15-90km/h之间，尽管有些飓风会停止，所以飓风眼会保持静止一段时间。由于飓风的前进速度，逆时针旋转的飓风(从飓风移动的方向看)右边的风要比左边的风强。

例如,如果一个飓风旋转速度150km/h，移动速度40km/h，风右侧速度190km/h，左侧110km/h。由于这个原因，飓风沿其前进方向旋转的那一面比与它前进方向相反的那一面造成的风破坏更大。此外，当飓风登陆时，右边的风通常吹向海岸，左边的风吹向大海。因此，风暴潮在右侧形成，在左侧，海风将海水吹向大海，导致洪水造成的破坏较小。