简介
龙卷风
龙卷风是一种由水蒸气导致的气流变化而产生的大气中最强烈的涡旋现象。
龙卷风常发生于夏季的雷雨天气时,尤以下午至傍晚最为多见。袭击范围小,龙卷风的直径一般在十几米到数百米之间。龙卷风的生存时间一般只有几分钟,最长也不超过数小时。风力特别大,在中心附近的风速可达100-200米/秒。
热带气旋
热带气旋是发生在热带、亚热带地区海面上的气旋性环流。
一般只产生于水温26摄氏度及以上的大洋洋面,所以,热带气旋只在地球的几个区域生成。如:东北太平洋热带、西北太平洋热带、西南太平洋、印度洋孟加拉湾附近、南印度洋、西北大西洋等热带、亚热带洋面。
不同的地区热带气旋有不同的称呼。人们称西北太平洋及其沿岸地区(例如中国东南沿岸,韩国,香港,日本,台湾,越南,菲律宾等地)的热带气旋为“台风”,而大西洋和东北太平洋及其沿岸地区的热带气旋则依强度称为热带低气压、热带风暴或飓风(Hurricane)。
气象学上,则只有中心风力达到每秒18米或以上(飓风程度)的热带气旋才会被冠以“台风”或“飓风”等名字。
龙卷风
形成
龙卷风多发生在高温高湿的不稳定气团中。那里空气扰动得非常厉害,上下温度差相当悬殊。
当地面上的温度约为30℃时,到8000米的高空时温度已降至-30℃。这种温度差使冷空气急剧下降,热空气迅速上升,上下层空气对流速度过快,从而形成许多小旋涡。当这些小旋涡逐渐扩大,再加上激烈的震荡,就容易形成大旋涡,成为袭击地面或海洋的风害。
龙卷风是云层中雷暴的产物。具体的说,龙卷风就是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。
龙卷风的形成可以分为四个阶段:
(1)大气的不稳定性产生强烈的上升气流,由于急流中的最大过境气流的影响,它被进一步加强。
(2)由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用,上升气流在对流层的中部开始旋转,形成中尺度气旋。
(3)随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展,它本身变细并增强。同时,一个小面积的增强辐合,即初生的龙卷在气旋内部形成,产生气旋的同样过程,形成龙卷核心。
(4)龙卷核心中的旋转与气旋中的不同,它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时,地面气压急剧下降,地面风速急剧上升,形成龙卷风。
EF分级
龙卷风按它的破坏程度不同,分为0-5增强藤田级数,简单来说就称为EF级,由1971年芝加哥大学的藤田哲也博士所提出。
EF0级
风速在65-85mph,约合105-137km/h,虽然较弱,但还是足以把树枝吹断,把较轻的碎片卷起来击碎玻璃,一些烟囱会被吹断。(出现几率极高,53.5%)
EF1级
风速在每小时86-110mph,约合138-177km/h,它们可以把屋顶吹走,把活动板房给吹翻,一些较轻的汽车会被吹翻或刮离路面。(出现几率较高,31.6%)
EF2级
风速在111-135mph,约合178-217km/h,它们可以把沉重的甘草包吹出去几百米远,把一棵大树连根拔起,货车可以刮离路面。(出现几率中等偏低,10.7%)
EF3级
风速在136-165mph,约合218-266km/h它们可以把一辆较重汽车吹翻,树木被吹离地面,房屋一大半被毁,火车脱离轨道。(出现几率低 ,3.4%)
EF4级
风速在166-200mph,约合267-322km/h,它们可以把一辆汽车刮飞,把一幢牢固的房屋夷为平地,树木被刮到几百米高空。(出现几率很低,0.7%)
EF5级
EF5级风速超过每小时200mph,也就是超过了322km/h,房屋完全吹毁,汽车完全刮飞,路面上的沥青也会被刮走,货车、火车、列车全部脱离地面。(出现几率较低偏高,20%—45%)
龙卷风并没有EF6级。那是绝对不可能的,这是根据物理和气象学推算出来的,所以,1999年5月3日俄克拉荷马城的龙卷风不是EF6级,而是EF5级,但是电视台也报道过当天超过每小时512公里的风速,而且在一个雷达上估测到了318mph的大风,这就表明龙卷风的破坏力量很大,不要相信有EF6级龙卷风,那是虚构。
除此之外,龙卷风还可以分为4个形状:
- 烟囱龙卷风:轮廓直,比较粗壮,强度中等,一般在EF2—EF4级左右。
- 绳形龙卷风:纤细,轮廓教弯,强度弱,一般在EF0—EF2左右。
- 楔形龙卷风:长度较宽,可达1.5公里,宽度超过高度,强度强,一般在EF4—EF5左右。
- 双胞胎龙卷风:两个龙卷风,有的粗,有的细,强度不定。
龙卷风依其型态有「下曳龙卷风」和「上升龙卷风」两大类:
- 下曳龙卷风——上层积雨云与中心之间的气压差距递增,造成气流向下曳出,即所谓的「下曳气型」龙卷风;亦称为「喷出型」龙卷风。
- 上升龙卷风——龙卷风中上升之气流,宛如吸尘器吸入地面上的各种物质,即所谓的「上升气流型」龙卷风;亦称为「吸进型」龙卷风。
防范措施
最安全的地方是由混凝土建筑的地下室。龙卷风有跳跃性前行的特点,往往是一会儿着地又一会儿腾空。人们还发现,龙卷风过后会留下一条狭窄的破坏带,在破坏带旁边的物体即使近在咫尺也安然无恙,所以人们在遇到龙卷风时,要镇定自若,积极想法躲避,切莫惊慌失措。要知道混凝土建筑的地下室才是最安全的地方。人应尽量往低处走,尤其不能呆在楼房上面。另外相对来说,小房屋和密室要比大房间安全。
寻找与龙卷风路径垂直方向的低洼区藏身。有人如果正巧乘汽车在野外遇到了龙卷风,那是非常危险的。因为龙卷风不仅可以将沿途的汽车和人吸起“吞食”,还能使汽车内外产生很大的气压差而引起爆炸,所以这时车上的人应火速弃车奔向附近的掩蔽处。倘若已经来不及逃远,也应当机立断,迅速找一个与龙卷风路径垂直方向的低洼区(如田沟)隐身。龙卷风总是“直来直去”,好像百米冲刺的运动员一样,它要急转弯是十分困难的。
跑进靠近大树的房屋内躲避。人们只见到大树被龙卷风连根拔起或拦腰折断而未发现被“抛”到远处,这大概是树木有一定的挡风作用吧。1985年6月27日,内蒙古农民丁凤霞家一棵直径1米多粗、高10多米的大树被龙卷风连根拔起,附近另两棵大树也被折断,而距离大树3米远的房屋却秋毫无损,但距离她家30米远处的6间新盖砖瓦房因旁边未植树而遭毁。由此可见,房前屋后多植树可抵御龙卷风袭击。
热带气旋
形成
热带气旋(飓风)的形成受到科里奥利力(地球自转)的影响。驱动热带气旋运动的原动力一个低气压中心与周围大气的压力差,周围大气中的空气在压力差的驱动下向低气压中心定向移动,这种移动受到科里奥利力的影响而发生偏转,从而形成旋转的气流,这种旋转在北半球沿着逆时针方向而在南半球沿着顺时针方向,由于旋转的作用,低气压中心得以长时间保持。
条件
热带气旋的生成和发展需要海温、大气环流和大气层三方面的因素结合。热带气旋的能量来自水蒸气凝结时放出的潜热。对于热带气旋的形成条件,至今尚在研究之中,未被完全了解。一般认为热带气旋的生成须具备6个条件,但热带气旋也可能在这6个条件不完全具备的情况下生成。
- 海水的表面温度不低于摄氏26.5℃,且水深不少于50米。这个温度的海水造成上层大气足够的不稳定,因而能维持对流和雷暴。
- 大气温度随高度迅速降低。这容许潜热被释放,而这些潜热是热带气旋的能量来源。
- 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。
- 需在离赤道超过五个纬度的地区生成,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。
- 不强的垂直风切变变,如果垂直风切变变过强,热带气旋对流的发展会被阻碍,使其正反馈机制未能启动。
- 一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。
- 中对流层的大气不能太干燥,相对湿度必须大于40~50个百分点。
生成的地点
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℃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至30度之间形成,而有87%在20度以内形成。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五度之内生成。
正反馈系统
结构上来说,热带气旋是一个由云、风和雷暴组成的巨型的旋转系统,它的基本能量来源是在高空水汽冷凝时汽化热的释放。所以,热带气旋可以被视为由地球的自转和引力支持的一个巨型的热力发动机。
另一方面,热带气旋也可被看成一种特别的中尺度对流复合体(英语:Mesoscale Convective Complex),不断在广阔的暖湿气流来源上发展。因为当水冷凝时有一小部分释放出来的能量被转化为动能,水的冷凝是热带气旋附近高风速的原因。高风速和其导致的低气压令蒸发增加,继而使更多的水汽冷凝。大部分释放出的能量驱动上升气流,使风暴云层的高度上升,进一步加快冷凝。
热带气旋因此能够取得足够的能量自给自足,这是一个正回授的循环,使得只要暖湿气流和较高的水温可以维持,越来越多的能量便会被热带气旋吸收。
结构
风眼
风眼是由风眼墙内壁包围的中心部分。热带气旋是一个自组织的旋转系统,风眼墙及内壁是由科氏力、离心力及旋体旋转的协同作用形成的。强度不大时,热带气旋风眼的旋根部附近部分集聚着一些暖湿空气,由于此时气旋的抽吸力较小,由旋根部内传的抽吸力分量也很小,无法将旋根部的暖湿空气抽干,强度不大的气旋的风眼是很模糊的;强度较大时,气旋的抽吸力也较大,由旋根部内传的抽吸力分量也较大,把旋根部的暖湿空气抽吸干净,置换为未来得及被加热的由眼的上部下沉的较冷空气。此时的风眼从顶部一贯到底,是一个非常清晰的眼。此时风眼中的空气温度较风眼墙稍低。
暖心
暖心是风眼墙中温度最高的一片或几片区域。暖心的高温度是由同段旋体中旋转气体的速差导致摩擦增热造成的,而速差由同段外缘的冷凝强度决定。从气旋的整体结构来看,暖心被称作暖环更合适些。通常,在强度不大时,暖环的位置较低,位于500hPa附近,即5.5km附近;在强度较大时,气旋可能有几个暖环,最高的位于200—300hPa附近,即8.5—9.5km附近。
风眼墙(或称眼壁)
包围风眼的是圆桶状的风眼墙,是热带气旋旋转动力形成的部位,是水汽冷凝释放潜热进而转化为旋转动能的部位,是气旋的心脏。风眼墙内空气+水汽的螺旋上升运动是非常强烈的,这是气旋眼墙中最主要的气体运动形式,相对来说,眼墙中的对流运动却不是很大。眼壁可分为三段。
辐合段
从水面0—4.5km段,主要起输送水汽的作用。由中段形成的抽吸力沿眼壁下传至旋根部并外传,将外围海面上的弥散水汽抽入旋体中,沿辐合段螺旋上升。当气旋处于强势状,抽吸力是较大的,其少部分将由旋根部内传,对眼内的空气具有一定的抽吸作用。由于外部温差条件不足,辐合段很少发生冷凝,所以,在该段水汽以螺旋上升运动为主。
冷凝段4.5—8km段
该段的外缘是水汽冷凝释放潜热并转化为旋转动能的执行段,是气旋的心脏。该段承担着维持气旋运转的三个作用:1、水汽冷凝潜热转化为旋转动能,对旋体旋转运动的维持和增速起主要作用。2、由冷凝潜热增温的气体分子的热运动速度很大,大量地加入到旋体当中,对旋体形成宏观上的挤压和聚拢的作用,即聚拢力,是维持气旋旋柱的柱状的根本原因。该段冷凝强度增大,则聚拢力增强,旋柱外缘及内壁直径收小;冷凝强度减小,则聚拢力减弱,旋柱外缘及内壁直径增大。3、潜热增温的气体分子位能+该段高速旋转的空气摩擦产生热的位能,形成气旋向下的抽吸力及向上的推升力。
辐散段
在强度较弱时,热带气旋的7.5–8km以上是辐散部分;强度较强时,冷凝段将向上延伸到300-200hPa层,即8.5—9.5km高度。该段以上,水汽已很少,而冰晶逐步增多,冷凝几乎不发生,聚拢作用减小,旋柱的柱状结构逐步张开,形成伞状的辐散盖。
外散环流
从动力形成机制看,所有热带气旋的辐散部分均是耗能部分,该部分的上升动力由中段冷凝段提供,不可能反过来对提供动力的部位有抽吸作用。这个特点和热带气旋眼墙中的暖心结构有关,即辐散部分的最大推升力来自暖心。
热带气旋的爆发性增强及眼壁置换
很多的资料显示,强度较大的热带气旋的眼墙最高温度在25℃以上,个别强度很大的达30℃。这个温度比海面水汽的温度高,其维持高温的热量来源是冷凝潜热的内传。在整个眼墙上,冷凝强度最剧烈的部位就是眼墙内侧温度最高的部位。冷凝强度增大,聚拢力增大,外缘收缩程度较内壁收缩更大些,眼墙会变薄,即缩颈。由于气旋是一个动态系统,暖心的增温使眼墙中空气旋速增大的同时,上升速度也增大,引起冷凝段向上延伸,冷凝最强段也上移。此时的气旋表象则是,眼墙的冷凝段直径收得很小,旋速增大,喇叭内口也收得很小。但缩颈的影响使该段的水汽通量将减少,限制缩颈段上部的冷凝,也就限制冷凝段向上延伸的尺度。短时间内,增温和缩颈作用达到一个新的平衡。这个平衡阶段,就是TC处于巅峰的阶段,及爆发性增强阶段。
处于爆发性增强阶段的热带气旋,需要较大的水汽通量来支撑。此时,气旋的总高度明显增高,可达11–12km,原因是相对较大的抽吸力将大量水汽抽吸进入眼墙,进而促使中段冷凝增强的同时,剩余水汽继续上行使冷凝段上移;由于抽吸力增大,气旋中心低压值也处于最低值;由于总冷凝强度增大,聚拢力也随之增大,风眼墙的内眼及外壁均收得很小。处于这个阶段时,相对应海面的水汽蒸发的速率小于气旋的水汽通量。当该阶段的气旋维持一段时间后,造成海面上水汽的透支,部分干空气作为补充被吸入眼墙。这部分空气上升至中段时,由于水汽的不足,使冷凝段的中上部冷凝强度急剧降低,引发以上部分局部崩散,原强势状风眼失去支撑的动力,游离在原来的位置,形成所谓的“内眼”。此时,气旋的强度已大幅减弱,实际辐散段将较爆发性增强阶段的高度降低,回归到8km左右,甚至更低。处于低强度的气旋将重新构筑起眼墙结构,由于聚拢力较小,眼墙直径较爆发性阶段大出很多。这就是所谓的眼壁置换。较低强度气旋的水汽通量较小,通过较小强度的维持后,与海面水汽蒸发量逐步达到平衡,环境条件合适的情况下,气旋将重新转强。眼壁置换是由于水汽通量的急剧降低引发的。
分级
美国的萨菲尔-辛普森飓风等级(SSHS)
一级
最高持续风速:33-42 m/s,74-95 mph,64-82 kt,118-153 km/h
风暴潮:4-5 ft,1.2-1.5 m
中心最低气压:28.94 inHg,980 mBar
二级
最高持续风速:43-49 m/s,96-110 mph,83-95 kt,154-177 km/h
风暴潮:6-8 ft,1.8-2.4 m
中心最低气压:28.50-28.91 inHg,965-979 mBar
三级
最高持续风速:50-58 m/s,111-130 mph,96-113 kt,178-209 km/h
风暴潮:9-12 ft,2.7-3.7 m
中心最低气压:27.91-28.47 inHg,945-964 mBar
四级
最高持续风速:59-69 m/s,131-155 mph,114-135 kt,210-250 km/h
风暴潮:13-18 ft,4.0-5.5 m
中心最低气压:27.17-27.88 inHg,920-944 mBar
五级
最高持续风速:≥70 m/s,≥156 mph,≥136 kt,≥251 km/h
风暴潮:≥19 ft,≥5.5 m
中心最低气压:<27.17 inHg,<920 mbar
中国气象局
热带低压:底层中心附近最大平均风速10.8—17.1米/秒,即风力为6—7级;
热带风暴:底层中心附近最大平均风速17.2—24.4米/秒,即风力8—9级;
强热带风暴:底层中心附近最大平均风速24.5—32.6米/秒,即风力10—11级;
台风:底层中心附近最大平均风速32.7-41.4米/秒,即12—13级;
强台风:底层中心附近最大平均风速41.5—50.9米/秒,即14—15级;
超强台风:底层中心附近最大平均风速≥51.0米/秒,即16级或以上。
运动
科里奥利力(简称科氏力),是惯性系统(空气流动为直线运动)在非惯性系统(地球自转为旋转运动)上移动而产生的一种现象。科氏力并非真实存在,而是对于一个位在非惯性系统上观察者而言,会认为惯性系统的行进路径发生偏移,因而假想出一个加速度,此加速度乘上物体质量便成为一个假想力。
科氏力在地球上的特例称做地转偏向力,对气旋运动的影响主要有两个,一方面决定了气旋系统的旋转方式;另一方面则是决定气旋的前进方向。
当空气沿气压梯度进入低压中心,由于大气流动与地球自转方式的差异,会使大气流动发生一定程度的偏离。在北半球,当低压中心以北的空气南移,会向与地球自转相反的方向(西方)偏离;其以南的空气北移时则会向地球自转的方向(东方)偏离,而南半球空气偏离的方向相反。因为科氏力与空气向低压中心的速度相垂直,这便创造了气旋系统旋转的原动力:北半球的气旋逆时针方向转动,南半球的气旋则顺时针方向转动。
科氏力也使气旋系统在没有强引导气流影响下移向两极。热带气旋向两极旋转的部分会受科氏力影响轻微增加向两极的分量,而其向赤道旋转的部分则会被轻微增加向赤道的分量。在地球上越接近赤道科氏力会越弱,所以科氏力影响热带气旋向两极的分量会较向赤道的分量为多。因此,在没有其他引导气流抵消科氏力的情况下,北半球的热带气旋一般会向北移动,而南半球的热带气旋则会向南移动。
角动量守恒
科氏力虽然决定了气旋旋转的方向,但其高速旋转的主要动力却非科氏力,而是角动量守恒的结果:空气从远大于气旋范围的区域抽入低气压中心,由于旋转半径减小而角动量不变,因此导致气旋旋转时的角速度大大地增加。
热带气旋云系最明显的运动是向着中心的,而角动量守恒原理也使外部流入的气流,在接近低气压中心的时候会逐渐加速。当气流到达中心之后会开始向上、向外流动,因此高层的云系也会向外流出(辐散)。这是源于已经释放湿气的空气在高空从热带气旋的“烟囱”被排出。辐散使薄的卷云在高空形成,并在热带气旋外部旋转,这些卷云可能就是热带气旋来临的首个警号。
除了热带气旋本身的旋转,角动量守恒也影响了气旋的移动路径。低纬度地区的地球自转半径较大,因此气体流动的偏移较小;高纬度地区的地球自转半径较小,所以气体流动的偏移较大。这样的力量也是热带气旋在北半球往北移动,南半球往南移动的原因之一。
藤原效应
藤原效应或称双台效应,是指两个或多个距离不远的气旋互相影响的状态,往往会造成热带气旋移动方向或速度的改变。藤原效应常见的影响依照热带气旋之间的强弱程度不同而大致分为两种:若两个热带气旋有强弱差距,则较弱者会绕着较强者的外围环流作旋转移动(在北半球为逆时针旋转,南半球则是顺时针旋转),直到两者距离大到藤原效应消失,或到两者合并为止。如果两个热带气旋的强弱差不多,则会以两者连线的中心为圆心,共同绕着这个圆心旋转,直到有其他的天气系统影响,或其中之一减弱为止。
消散
热带气旋一般在以下情况减弱消散,或丧失热带特性。
- 移入陆地。因为失去维持能量的温暖海水,而迅速减弱消散。绝大部分的强烈热带气旋登陆后一至两天即变成组织松散的低压区。但是若果能够重新移到温暖的洋面上,它们可能会重新发展。移经山区的热带气旋可以在短期内迅速减弱。
- 在同一海面上滞留过久,翻起海平面30米以下较凉海水,热量吸干,使表面水温下降,无法维持强度,热带气旋因而减弱。
- 移入水温低于26摄氏度的海洋,这会使热带气旋失去其特性(中心附近的雷暴和暖心结构),减弱为低压区。这是东北太平洋热带气旋消散的主因。
- 遇上强烈垂直风切变,对流组织受破坏。
- 与西风带的作用,例如与邻近的锋面融合,这使热带气旋转化为温带气旋,这个过程会持续一至三日。但就算热带气旋完成转化,很多时候它们仍能维持热带风暴的风力和一定程度的降水。在太平洋和大西洋,由热带气旋转化而成的温带气旋有时风力会达到飓风的水平,严重影响美国西岸或欧洲。2006年的台风伊欧凯就是这样的一个例子。
- 弱的热带气旋被另一低压区影响,受破坏而成为非气旋性雷暴,或被另一个较强的热带气旋吸收。