热带气旋

热带气旋是一种广为人知的恶劣天气现象，其特点是快速旋转。它由一个低压中心、低层闭合的强大气流以及强风组成，并伴有强降雨、阵风，有时还有冰雹。热带气旋有许多不同的名称，例如“飓风”、“旋风”、“气旋风暴”、“台风”、“热带风暴”等。

用来指代热带气旋的名称因该热带气旋的规模和发生区域而异。例如，在印度洋和南太平洋，风速达到每小时 120 公里或更高的强热带气旋被称为“热带气旋”，而在大西洋和东北太平洋则被称为“飓风”，在西北太平洋则被称为“台风”。热带气旋通常对生命和财产具有极大的破坏性。接下来的章节将详细介绍热带气旋。

热带气旋的形成

热带气旋通常在夏季形成，但实际上在这些风暴常见的地区，它们可以在一年中的任何时间发生。这些气旋通常起源于赤道附近的一个区域，称为赤道辐合带。在这个区域，来自东北或东南方向的风汇聚在一起。在这里，温暖的海洋加热其上方的空气，导致空气以小的、温暖的团块上升。

这些温暖的空气团块会形成雷阵雨，但往往很快消失。然而，有时这些阵雨会合并成更大的雷暴集群。当这种情况发生时，会导致大量温暖、潮湿的空气快速上升。当这些空气上升并与地球自转相互作用时，它就开始旋转，最终形成一个气旋系统。

热带气旋的形成本身就是一个广泛的话题，这个过程被称为“热带气旋形成”，它涵盖了大气系统中热带气旋的发展和加强。

热带气旋形成的要求

热带气旋在大气和海洋的特定条件下形成。目前有六个已明确的要求被认为是热带气旋发展所必需的。

• 首先，海面温度必须温暖，因为它们为热带气旋的发展提供了能量。
• 其次，必须存在大气不稳定，以便空气容易上升，从而启动气旋的增长。
• 第三，为了维持气旋的结构，对流层中低层的大气湿度必须很高。
• 第四，受地球自转影响的科里奥利力是必要的，因为它能够维持气旋围绕其低压中心旋转。
• 第五，需要大气低层有扰动作为形成的起点。
• 最后，为了使气旋保持其组织和增强，需要弱的垂直风切变。

需要注意的是，这些要求对气旋的形成是必要的，但即使它们存在，也不能保证气旋一定会形成。下面是这些要求的更详细解释。

1. 温暖的水域

已确定，海水温度必须至少达到 26.5 摄氏度（或 79.7 华氏度）或更高，同时至少延伸到海面以下 50 米的深度。这些温暖的条件之所以至关重要，是因为热带气旋系统需要一个暖核才能发展和持续。

海洋表面的温暖水域能够使这个“核”保持温暖并持续为气旋提供动力。应该注意的是，这种条件并不容易找到，因为全球海洋表面的平均温度为 16.1 摄氏度。

海拔的影响： 随着海拔的变化，海洋表面的温度要求也会随之变化。在较高海拔地区，最低温度要求会相应改变，即使温度低于上述定义，也允许热带气旋形成。大气需要一个特定的递减率来促进这一点，这取决于大气的湿度。

2. 大气不稳定或斜压性

不稳定的大气或大气的斜压性简单地指在给定的大气中，压力梯度和温度梯度“不稳定”或“不一致”的程度。如上所述，递减率将取决于大气的湿度，并且这个递减率将在决定大气有多不稳定方面起关键作用。例如，如果空气潮湿，则递减率为每公里高度 6.5 摄氏度；而如果大气中的湿度低于 100% 相对湿度，则此递减率将变为每公里 9.8 摄氏度。

3. 湿度

热带地区的干燥空气为湿球的形成提供了空间，而潮湿的空气冷却则为对流的发生提供了更支持的温度。为了在大气中引发对流，假定海面温度为 26.5 摄氏度，500 hPa 高度处的湿球温度必须达到 -13.2 摄氏度。此阈值会随着海面温度的变化而按比例调整。海面温度每增加或减少 1 摄氏度，500 hPa 处所需的湿球温度也会相应地移动 1 摄氏度。此外，在冷气旋存在期间，500 hPa 处的温度可能降至 -30 摄氏度。

4. 科里奥利力

科里奥利力是由于地球自转而施加在物体上的力。当我们向赤道移动时，它会变小，因此需要一些距离才能启动。目前认为，为了发生热带气旋形成，距离赤道至少需要 500 公里（310 英里）。当风开始向由已存在的大气扰动产生的低压区域移动时，这种力就会生效。

如果不存在科里奥利力或其强度不足，则起主导作用的大气力是气压梯度力和较小的摩擦力。气压梯度力负责驱动风从高压区域流向低压区域，而摩擦力是一种较小的力，作用是减慢这些风速。

然而，仅靠这两种力不足以产生形成热带气旋所需的大规模旋转运动。因此，科里奥利力的缺失意味着无法满足热带气旋形成所需的旋转大气条件。

此外，科里奥利效应使得梯度风得以平衡，从而使气旋核心能够在其开始集中在核心附近时获得潜热。正如前面所讨论的，暖核能够促进热带气旋的发展和维持。

5. 低层扰动

无论该地区存在何种低层扰动特征，都必须至少存在一种类型才能发生热带气旋形成，特别是需要具有足够涡度和汇聚大气运动的类型。低层特征可以是低压、热带波、出流边界或任何其他具有足够涡度的特征。

应注意，如果两个或更多较小的旋转特征合并形成一个足够强以促进热带气旋形成过程的更大特征，也可以形成气旋。没有低层扰动，就不可能形成对流，进而意味着热带气旋形成将无法进行。

6. 弱的垂直风切变

垂直风切变可以是弱、中等或强，其强度决定了它对热带气旋发展的影响。要成功发展气旋，需要弱风切变，且风切变低于 10 米/秒。

• 当垂直风切变较弱时，它有助于风暴更有效地向上构建，促进其生长和增强。这种向上发展对于风暴的加强和组织至关重要。
• 强烈的垂直风切变会将风暴的能量扩散到更大的区域，阻止其凝聚和增强。在极端情况下，高风切变可能导致风暴瓦解，因为其会造成中层暖核与地表环流的分离，并导致对流层中层变得干燥，从而有效阻止发展。
• 中等风切变有时可以帮助对流系统和地表低压区域的初始形成，类似于中纬度天气系统中看到的。然而，如果它最终未能减弱，那么它仍然被认为对热带气旋形成来说太强，并阻止了气旋的形成。

额外的辅助特征

虽然上述要求是气旋形成和发展的绝对必备条件，但仍有三个主要其他方面，尽管不是必需的，但仍可以为发展过程提供帮助。

1. 槽的作用

当高层槽或高层低压与热带扰动的尺寸大致相同时，它可以影响系统的运动，将其导向大气上部气流更分散的区域。这反过来可能导致扰动的进一步增长。

较小的高层气旋倾向于为这类相互作用创造更有利的条件。研究表明，在弱风切变下发展初期的热带气旋比经历风切变较少的热带气旋发展更快，尽管这往往会导致以较低的风速和较高的最低气压达到峰值强度。这个过程也称为“斜压启动”。

此外，天气系统之后跟随的后倾高层气旋和槽可以产生额外的空气外流通道，从而促进这些系统的加强。随着热带扰动的发展，它们有可能诱导在其后形成或加深高层槽或低压区域，这主要是由于发展中的热带系统或气旋产生的流出急流。

在某些情况下，当高层急流位于发展中的风暴西北部时，广阔的中纬度槽可能有助于这些热带气旋的形成。其主要原因是这种相互作用增强了高层空气的辐散并促进了地表流入，从而通过提供旋转来帮助气旋的发展。

2. 最大潜在强度 (MPI) 的作用

1988 年，Kerry Emanuel 建立了一个数学模型来估算热带气旋可能达到的最高强度。这个模型被称为最大潜在强度 (MPI)，它依赖于最近一次全球模型模拟的海面温度和大气数据。

MPI 模型会生成地图，根据最新模型数据的大气条件，突出显示热带风暴和飓风可能形成的区域。然而，需要注意的是，该模型不考虑垂直风切变对风暴发展的影响。

最大潜在强度表示为 vp，并使用以下公式

此处，

T_s = 海面温度

T_o = 流出温度

∆k = 表面与上方空气之间的焓差

C_k = 焓的表面交换系数

C_d = 动量的表面交换系数

3. 一年中的时间

在全球范围内，热带气旋最常出现在晚夏，此时海水温度最高。然而，每个地区都有其独特的气象季节模式。在全球范围内，五月的热带气旋最少，而九月则最繁忙。

• 在北大西洋，飓风季节从 6 月 1 日持续到 11 月 30 日，最活跃的时期在 8 月下旬至 10 月。这个飓风季节的统计高峰是 9 月 10 日。
• 东北太平洋的热带气旋发生时间范围较广，但其高峰季节与大西洋非常接近。相比之下，西北太平洋全年都有热带气旋，但二月最少，并在 9 月初达到高峰。
• 北印度洋盆地的大部分热带气旋发生在 4 月至 12 月之间，其中 5 月和 11 月活动最为显著。

在南半球，热带气旋季节通常从 11 月初开始，持续到 4 月底。活动高峰期是 2 月中旬至 3 月初。该地区的大部分热带气旋发生在南部非洲海岸，向东延伸至南美洲。

然而，在南大西洋和太平洋最东南部看到热带气旋是相当罕见的。气旋形成的可能性在南半球热带区域的中部和西部最高。

下表显示了气旋季节的长度

异常气旋形成条件

虽然这些要求几乎是确定的，并且被认为是热带气旋形成所必需的，但地球上有些地区尽管条件不利于热带风暴发展，却也形成了热带气旋。这是由于风暴系统发生的区域而导致的一个或另一个原因。一些需要注意的重要区域是：

1. 中纬度地区

当一个区域距离赤道超过 30° 时，该区域对热带气旋形成的支持性不高，除非存在暖流。当一个区域距离赤道超过 40° 时，它会阻碍气旋的形成。其原因在于较高的风切变和限制性的水体温度。

然而，从热带地区移动过来的热带气旋可能会进入这些区域。风暴很少在该地区形成或增强，但也有一些例外，例如 2019 年的Pablo、2004 年的Alex、1988 年的Alberto 以及 1975 年的太平洋西北飓风。通常，热带气旋在向极地弯曲时开始转变为温带气旋。一旦它们达到纬度 45° 到 50° 之间，这种转变通常就会完成。在转变为温带气旋后，这些气旋中的大多数倾向于重新获得强度并增强。

2. 靠近赤道

热带气旋通常形成于距离赤道至少 5 个纬度的地方，这相当于大约 300 海里，或约 556 公里或 345 英里。虽然，气旋发展的大部分要求都得到了满足——这些地区的海面温度通常足够温暖，风切变也足够低——但热带气旋的形成仍然很少见。

这种稀有性主要是因为科里奥利力，这是使气旋旋转所必需的，在靠近赤道的地区非常微弱，甚至在某些地区不存在。然而，在极少数情况下，热带气旋确实可以在赤道 5° 区域内发展。这种发生的情况在西北太平洋比在其他地区更常见。

3. 南大西洋

由于强烈的风切变以及缺乏赤道辐合带 (ITCZ) 的扰动，南大西洋很少出现热带气旋。这些条件使得热带风暴在该地区形成和加强非常困难。尽管存在这些挑战，南大西洋至少已有六个有记录的热带气旋。

• 1991 年，在非洲沿海安哥拉附近出现了一个弱热带风暴。
• 2004 年 3 月，飓风 Catarina 在巴西登陆，达到 2 级。
• 2010 年 3 月，热带风暴 Anita 出现。
• 2019 年 3 月，热带风暴 Iba 出现。
• 2021 年 2 月，观察到热带风暴 01Q。
• 2024 年 2 月，热带风暴 Akará 形成。

4. 类热带气旋

有时，在地中海会形成与热带气旋相似的风暴。这些天气事件，通常被称为“地中海热带气旋”，已被观察到多次。例如，1969 年 9 月有一个未命名的系统，随后有 1982 年的 Leucosia、1995 年的 Celeno、1996 年的 Cornelia、2006 年的 Querida、2011 年的 Rolf、2014 年的 Qendresa、2017 年的 Numa、2020 年的 Ianos 和 2023 年的 Daniel 等著名风暴。然而，专家们一直在争论这些风暴是否符合真正热带的性质。

除了地中海，黑海也记录有类似的环状风暴。这些风暴有时会发展出环状旋转，并表现出类似于地中海地区热带气旋的特征。值得注意的是，在 2002 年 8 月和 2005 年 9 月，有两个此类风暴分别加强为热带风暴和亚热带风暴级别。

5. 棕色海洋效应

棕色海洋效应是一种气象现象，科学家们在某些热带气旋登陆后观察到。通常，飓风和热带风暴一旦登陆就会减弱。然而，在发生棕色海洋效应的情况下，这些气旋在陆地上移动时能够保持强度，甚至变得更强。澳大利亚已被确定为该现象的特别有利地区，在那里，这种风暴系统被称为“agukabams”。

已确定棕色海洋效应发生的三个必要条件

• 第一，大气下部必须类似于热带大气，这意味着温度变化很小。这种稳定、温暖的空气与你在热带地区发现的空气相似。
• 第二，风暴周围土壤必须相当湿润。这意味着土壤中需要有大量的水来支持必要的进程。
• 最后，土壤中的水分必须蒸发，释放出所谓的潜热。科学家们发现，这种潜热平均需要至少 70 瓦/平方米，对于维持这种效应至关重要。

6. 其他地区

其他一些热带气旋形成不太可能且罕见的地区包括：

• 东南太平洋远洋
• 东太平洋（120°W 以东）
• 摩洛哥海岸附近
• 北美五大湖

热带气旋的结构

热带气旋的眼

在完全发展成熟的热带气旋中心，空气的运动方式与其他部分不同——它向下运动而不是向上运动。当风暴达到一定的强度时，这种下沉的空气可以穿过足够深的大气层，阻止云的形成。这种现象导致形成一个晴朗、无云的区域，称为风暴的“眼”。在风眼内部，天气通常平静，没有气旋其他部分常见的对流云。

然而，尽管风眼内部天气平静，但下方的海洋可能极其湍急和暴力。风眼本身通常是圆形的，其直径通常在 30 至 65 公里（19 至 40 英里）之间。尽管如此，热带气旋的风眼大小差异很大，有些直径小至 3 公里（1.9 英里），有些则膨胀到 370 公里（230 英里）。

热带气旋的眼墙

飓风风眼的外围部分称为“眼墙”。眼墙看起来像一个厚厚的、多云的屏障，围绕着风暴的平静中心。在眼墙中，风力最强，空气快速上升，云层形成于非常高的高度。这里也是降雨最集中的区域。当热带气旋登陆时，眼墙会造成最严重的风力破坏。这是因为它携带最强的风和最重的降雨，使其成为风暴中最强烈和最具破坏性的部分。

眼墙的变化

在强烈的热带气旋中，眼墙会通过一个称为眼墙替换周期的过程随时间发生变化。当眼墙外部的雨带（环绕眼墙的雨带和雷暴带）在原始眼墙外形成一个新的雷暴环时，就会发生这种情况。这个外环会缓慢向内移动，并开始从主眼墙中吸收水分和角动量。结果，原始眼墙开始减弱，导致风暴暂时失去部分强度。最终，雷暴的外环取代了原始眼墙。一旦新的眼墙完全建立，风暴就可以恢复其先前的强度。这种减弱和增强的周期可能在热带气旋的生命周期中发生多次。

热带气旋的护城河

热带气旋中的“护城河”是一个清晰的区域，在主眼墙外或两个同心眼墙之间形成一个环。该区域的特点是空气缓慢下沉（称为下沉），降雨很少或没有。护城河内的空气运动受两个关键因素的影响：拉伸和剪切。这些力塑造了该区域空气的行为。在眼墙之间的护城河中，随着远离风暴中心，旋转空气的速度会发生显著变化。这个区域，其中旋转速度随距离变化很大，也称为快速丝状化区域。

眼墙中尺度涡旋

眼墙中尺度涡旋是强大的热带风暴眼墙中发现的小型旋转气流。这些涡旋通常具有眼墙内最高风速。当热带气旋增强时，它们最常被观察到。通常，这些中尺度涡旋围绕风暴的低压中心旋转，但有时也会保持固定位置。

龙卷风形成的作用： 眼墙中尺度涡旋的重要作用之一是它们对热带气旋登陆后龙卷风的形成所做的贡献。这些中尺度涡旋可以在单个风暴单元或上升气流中产生旋转，形成中尺度气旋，进而导致龙卷风的形成。当热带气旋登陆时，气旋环流与地面之间的摩擦会导致这些中尺度涡旋向下延伸到地表，引发龙卷风。

影响热带气旋路径的因素

环境引导

环境引导是影响热带气旋最终路径的主要因素。它指的是影响热带风暴系统如何引导的各种环境条件。这些可以包括涡度、潜热和风流以及其他各种因素。

引导气流： 携带气旋周围的周围风被称为“引导气流”，它们在决定热带气旋路径方面起着最主要的作用。要估计引导气流的强度和方向，可以查看气旋周围不同高度的水平风，并考虑每个高度上风的强度。然而，由于不同高度的风会发生变化，准确确定引导气流可能相当具有挑战性。

引导层： “引导层”是指背景大气中的风对热带气旋运动影响最大的高度。对于更强的热带气旋，这种与背景风的相关性贯穿对流层（地球大气最底层）的更大垂直部分。相反，较弱的热带气旋的运动更紧密地与对流层较薄的低层部分的风相关。

当条件包括风切变（风速或风向随高度变化）和潜热释放（水汽凝结过程中释放的热量）时，热带气旋倾向于向位涡增加最快的区域移动，换句话说，即大气旋转迅速增强的区域。

不同区域的波浪和风

• 热带气旋通常由于信风而向西移动，信风在副热带高压带（副热带海洋上空的恒定高压区）的赤道侧从东向西吹。
• 在北大西洋和东北太平洋的热带地区，这些信风将非洲海岸的热带东风波从西向东推向加勒比海、北美洲，最终进入太平洋中部，这些波在那里减弱并消失。
• 在印度洋和西太平洋，热带气旋的形成受这些东风波的影响较小。相反，它更多地受到赤道辐合带和季风槽季节性变化的影响。

Beta 漂移

Beta 漂移是与环境引导并列影响热带气旋路径的另一种运动。Beta 漂移发生在热带气旋与科里奥利力随纬度变化的区域（如球形或 beta 平面）相互作用时。该漂移的速度通常在每秒 1 至 3 米之间，相当于每小时约 3.6 至 10.8 公里或每小时 2.2 至 6.7 英里。这种漂移运动通常在较强的气旋和位于较高纬度的气旋中更明显。

由于需要守恒角动量，空气在风暴周围以特定的模式运动。在赤道附近和风暴中心以西，形成一个气旋式涡旋，即与风暴方向相同的空气旋转的圆形运动。

相比之下，在风暴中心的极地侧和东侧，形成一个反气旋式涡旋，空气在该处反向运动。这两个涡旋协同作用，将风暴逐渐推向极地和西部的方向。即使环境中没有额外的风或气流影响风暴，这种运动也会发生。

由于 beta 漂移本身直接依赖于角动量，因此它对热带气旋的影响也取决于热带气旋的大小。如果风暴系统较小，beta 漂移的影响也较小；如果风暴系统较大，beta 漂移的影响也大得多。

藤原效应

这种效应最早由日本气象学家藤原咲平描述，并以他的名字命名。当两个气旋涡旋（本质上是旋转的风暴系统）彼此靠近时，就会发生这种情况。这些涡旋开始相互绕行，并逐渐减小它们各自低压中心之间的距离。当这些较小的环状系统相互作用时，它们会影响彼此的运动和行为。在某些情况下，这种相互作用会导致形成一个更大、更强的气旋。

受西风影响的回流

尽管热带气旋通常在热带地区向东向西移动，但它们的路径可能会改变方向，向极地和东方移动。这种转变可能出于两个主要原因。首先，当气旋移到副热带高压轴线以西时，它可能会开始转向。其次，气旋可能与中纬度地区的天气系统相互作用，例如急流或温带气旋，导致其改变路径。

这种方向改变被称为“回流”。回流通常发生在主要海洋盆地的西部边缘附近，因为在这些地区，急流倾向于向极地移动，并且温带气旋经常存在。因此，热带气旋更有可能遇到这些影响并相应地改变其路径。

热带气旋的影响

对气候和其他自然现象的影响

• 热带气旋在海上发生时，会产生巨浪、强降雨、洪水和强风。这些条件扰乱国际航运路线，有时甚至导致沉船。
• 随着气旋的移动，它会搅动海水，留下一个较冷的轨迹，使得另一个气旋不太可能在不久之后在该区域发生。
• 当热带气旋登陆时，其强风会造成重大破坏。它们会折断或掀翻车辆，摧毁建筑物和桥梁，并将室外物体变成危险的飞行碎片。
• 热带气旋登陆时最危险的影响之一是风暴潮，即海平面突然上升。这种潮汐可能具有毁灭性，历史上占热带气旋相关死亡人数的 90%。
• 大规模的旋转运动以及边缘周围的风速和风向差异会产生龙卷风。这些剧烈风暴也可能形成于气旋眼墙内较小的、强烈的环流，这些环流在风暴登陆前一直保持活跃。
• 热带气旋会产生闪电，在较强的风暴中，尤其是在眼墙附近和内部，闪电尤为强烈。
• 当热带气旋进入一个区域时，它会带来额外的湿气，导致该区域降雪增加。
• 这些风暴的强风也可能因火势蔓延更快、更广而加剧受影响地区附近的任何活跃野火。

对人类的影响

• 自 19 世纪以来，已有超过 200 万人死于热带气旋。
• 由于气旋带来的洪水，可能发生疫情，洪水是感染和传染病完美的繁殖条件。疏散避难所的情况只会恶化，因为疾病的传播变得非常容易。
• 热带气旋会造成重大服务破坏，例如通过摧毁桥梁、道路和发电站来破坏交通、通信和电力。
• 它们还会造成重大的公共和私人财产损失。强风和洪水很容易摧毁农作物并杀死牲畜。

对环境的影响

热带气旋可能对环境产生的一些重要影响是：

• 与它们的破坏性相比，它们有时可以为干旱地区带来急需的降水，并有助于恢复土壤中的水分。
• 热带气旋在平衡地球热量方面发挥着重要作用。它们通过将温暖、潮湿的空气从热带输送到气候较冷的地区，包括中纬度和极地地区。此外，它们还会影响热盐环流，这是海洋热量输送的关键部分。
• 这些风暴将热量传递到更深的海层，将温暖扩散到整个海洋。
• 这些强大的风暴搅动着沿海河口的水域，这些区域对于许多鱼类的繁殖至关重要。这种水的搅动有助于维持这些重要生态系统的健康和生产力。
• 热带气旋通过冲刷土地和撕扯植物，可能对盐沼和红树林等生态系统造成严重损害。
• 这些风暴还可能通过增加营养物质导致水中产生有害藻华。
• 这些气旋的强风会吹倒成千上万棵树木，破坏森林。
• 风暴袭击海岸时，会将盐水带入淡水区域。这会使某些栖息地无法承受的盐含量升高。
• 飓风登陆时会将有害化学物质和酸带到陆地上。飓风带来的洪水会从泄漏处卷起这些危险物质，并将其传播到它所经过的区域。