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任何事物都有自己的生命周期，臺風(fēng)也不例外。這期科普我們就來談談臺風(fēng)的誕生，成長，成熟和消亡。
臺風(fēng)，是誕生在西北太平洋的熱帶氣旋的簡稱。熱帶氣旋在全球的許多海域都可以產(chǎn)生，其中在東太平洋和北大西洋的叫颶風(fēng)，在印度洋和南太平洋的叫旋風(fēng)，在西北太平洋的叫臺風(fēng)。它們雖然名稱不同，但生成、運作的機理是相同的，也就屬于同一類型的天氣系統(tǒng)。那么，熱帶氣旋是怎么誕生的呢？圖1 世界熱帶氣旋責(zé)任海區(qū)分布圖。誕生于區(qū)域IV的熱帶氣旋稱為臺風(fēng)。 圖2 1950-2018年各海區(qū)熱帶氣旋軌跡圖，可見臺風(fēng)的活動十分頻繁，占據(jù)所有熱帶氣旋中的重要地位。 在廣袤的熱帶海面上，海水經(jīng)過陽光的暴曬，已經(jīng)擁有了深厚的溫暖水體。溫暖的水面蒸發(fā)迅速，產(chǎn)生出大片濕潤的水汽豐富的空氣。這時，大氣中發(fā)生一個擾動，可能是季風(fēng)的吹拂，可能是熱帶大氣的波動，可能是高空冷渦的影響，總之，暖濕空氣開始向著一個中心運動。大量暖濕空氣被擾動帶來，堆積在中心，升騰到空中，因為高空溫度較低，水蒸氣遇冷凝結(jié)成小水滴。眾所周知，水蒸氣液化的過程是放熱的，于是水蒸氣在空中的液化，就加熱了空氣，使得空氣變得更輕，也就更容易上升。上升氣流越來越強，也就需要越來越多的空氣從四面八方匯入，水汽便隨之源源不斷地匯入，更多的水汽凝結(jié)，也就釋放更多的熱量，促使上升氣流變得更強。于是我們發(fā)現(xiàn)這里出現(xiàn)了一個正反饋調(diào)節(jié)：水汽凝結(jié)助長上升氣流，上升氣流帶來更多水汽，更多水汽的凝結(jié)又產(chǎn)生更強的上升氣流。隨著循環(huán)的進行，上升氣流越來越強，四周匯入的空氣越來越多，受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響，匯入的空氣開始繞中心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的最大風(fēng)速達到8級時，臺風(fēng)就誕生了。圖3 一個熱帶擾動發(fā)展為臺風(fēng)的過程云圖，圖源為向日葵-8號衛(wèi)星紅外增強云圖，該臺風(fēng)名叫天鵝，后來在北京時間2020年11月1日登陸菲律賓，成為了21世紀登陸陸地的最強臺風(fēng)之一。 從上面的論述我們可以看出，臺風(fēng)誕生的關(guān)鍵就是建立起水汽凝結(jié)和上升氣流之間的正反饋調(diào)節(jié)（也叫臺風(fēng)的“發(fā)動機”），因此，我們也不難猜測，臺風(fēng)并不是在任何區(qū)域都可以生成的。在陸地上和較冷的海面上，因為沒有足夠的水汽，無法啟動臺風(fēng)發(fā)動機，也就一般無法生成臺風(fēng)。在低空的風(fēng)向和高空的風(fēng)向差別很大的地區(qū)，臺風(fēng)的高低層被風(fēng)吹“歪”了，臺風(fēng)發(fā)動機也隨之變得畸形，高空的水汽凝結(jié)無法有效地引起低層上升氣流匯入的增強，也就難以生成臺風(fēng)。另外，在緯度特別低的地區(qū)，由于沒有足夠的地轉(zhuǎn)偏向力，匯入中心的氣流無法旋轉(zhuǎn)起來，臺風(fēng)也就退化成普通的對流云團，而不會醞釀更大的風(fēng)暴。因此，臺風(fēng)生成的區(qū)域需要具備以下條件：溫暖的海面，高空低空風(fēng)向差別不大，緯度不能太低。圖4 高低層被“吹歪”的熱帶低壓，右邊的積云線顯示出底層中心，而高層中心在左側(cè)的深對流里。圖源：向日葵-8號衛(wèi)星可見光云圖。 一個臺風(fēng)的加強過程會經(jīng)歷許多階段，根據(jù)風(fēng)速由小到大的不同，我們可以將其分為：熱帶風(fēng)暴級、強熱帶風(fēng)暴級、臺風(fēng)級、強臺風(fēng)級、超強臺風(fēng)級。風(fēng)力依次增大。美國對于颶風(fēng)有另外一種類似的分級方法，分別是熱帶風(fēng)暴級、C1級、C2級、C3級、C4級、C5級。分級不同，目的卻是相似的，即通過播報臺風(fēng)的級別，告訴人們臺風(fēng)強度的信息，以讓人們做好心理和物質(zhì)上的準備。圖5 各種熱帶氣旋分級方式。 數(shù)據(jù)來源：中國氣象局。 那么，是否所有臺風(fēng)都會經(jīng)歷這些級別，從而到達最高級別呢？幸運的，答案是否定的。許多臺風(fēng)終其一生都呆在熱帶風(fēng)暴級，有些臺風(fēng)緩慢地爬升到臺風(fēng)級，還有些臺風(fēng)穩(wěn)步增強到超強臺風(fēng)級，甚至有臺風(fēng)連跳幾級，在短短一天內(nèi)沖上超強臺風(fēng)級。那么，約束和利于臺風(fēng)增強的因素有哪些呢？海面溫度越高、海洋熱容量越大，臺風(fēng)所能獲得的能量就越多，對臺風(fēng)增強就越有利。如果臺風(fēng)滯留一處時間太長，把該處海溫消耗殆盡，臺風(fēng)就會迅速減弱。 圖6 2018年臺風(fēng)潭美滯留前后對比圖，可見其對流衰弱、風(fēng)眼變得不規(guī)則，顏值和強度一起也直線下滑。 我們知道臺風(fēng)是把低層的空氣抬升到高層，空氣抬升上去之后，總要有地方去，所以空氣向四面八方流走。如果四周的流出條件比較好，空氣流出就順暢，從而有利于更多暖濕空氣的上升，有利于臺風(fēng)增強。 圖7 良好的高空流出條件是2019年2月奇跡臺風(fēng)蝴蝶增強的法寶。圖中臺風(fēng)北側(cè)飄逸的“頭發(fā)”，正是其高空水汽隨西風(fēng)槽流出而形成的針狀云。從動圖中我們可以看到氣流在北側(cè)高速流出。 這個名詞的意思就是上一節(jié)中提到的高層風(fēng)向與底層風(fēng)向的不一致。如果垂直風(fēng)切變過大，臺風(fēng)的高低層分離，身首異處的臺風(fēng)當(dāng)然不會強到哪里去。 圖8 圖七所示臺風(fēng)一天后的樣子。西風(fēng)槽帶來的垂直風(fēng)切變使其身首異處，只留下一個底層環(huán)流中心茍延殘喘，漸漸消亡。 臺風(fēng)的空氣從低空的四面八方流入，如果周圍的空氣很干燥，那么臺風(fēng)就容易水汽不足，沒有足夠的水蒸氣來凝結(jié)放熱驅(qū)動“臺風(fēng)發(fā)動機”，也就難以快速增強。 圖9 臺風(fēng)“梅花”卷入干空氣導(dǎo)致其核心結(jié)構(gòu)被破壞，強度大大減弱。圖源：美國海軍實驗室。 有時候，臺風(fēng)在形成時并不只產(chǎn)生了一個中心。如果臺風(fēng)雛形有多個中心，那么快速整合是加強到較高強度的必要條件。否則，就會“兄弟鬩于墻”，中心內(nèi)戰(zhàn)導(dǎo)致臺風(fēng)整體強度的萎靡。 圖10 2017年臺風(fēng)蘭恩：誰是大哥，誰是小弟？ 圖源：向日葵-8號衛(wèi)星紅外云圖。 如果以上條件中的大多數(shù)都很良好，那么臺風(fēng)就有可能發(fā)展到超強臺風(fēng)級，成為一個真正成熟的臺風(fēng)。 隨著臺風(fēng)不斷增強，臺風(fēng)螺旋運動導(dǎo)致的慣性離心力使得對流區(qū)域逐漸甩離中心，臺風(fēng)的中心反而風(fēng)雨變小，甚至露出藍天白云。這一在臺風(fēng)強大后，在臺風(fēng)中心出現(xiàn)的對流衰弱區(qū)域被稱為臺風(fēng)眼。在太空中看，臺風(fēng)眼就像臺風(fēng)狂風(fēng)暴雨的云團簇擁下的一只平靜的眼睛。臺風(fēng)眼的形成是一個臺風(fēng)真正成熟的標志。圖11 成熟臺風(fēng)的臺風(fēng)眼與環(huán)流。 臺風(fēng)眼是臺風(fēng)氣壓最低的區(qū)域，從臺風(fēng)眼向外，首先映入眼簾的是一堵高速旋轉(zhuǎn)的云墻，這就是臺風(fēng)的眼墻（或稱眼壁），這里是臺風(fēng)風(fēng)速最大的區(qū)域。眼壁向外，有一片近似圓形的區(qū)域，那里對流旺盛，且被眼壁積雨云的云頂覆蓋，這里被稱為中心密集云區(qū)（CDO）。再向外，臺風(fēng)伸展出一條條的螺旋雨帶，越向外，風(fēng)雨越小。在臺風(fēng)的最外圍區(qū)域，受到臺風(fēng)外圍下沉氣流的影響，往往晴空萬里，酷熱難耐，這種臺風(fēng)導(dǎo)致的高溫天氣被人們形象地稱為“吃下沉”。
圖12 成熟臺風(fēng)臺風(fēng)眼以外的結(jié)構(gòu)。 如何判斷一個臺風(fēng)的強度呢？根據(jù)德沃夏克熱帶氣旋分析法，臺風(fēng)的強度主要考察兩個因素：CDO云頂?shù)臏囟群惋L(fēng)眼的溫度。如果CDO代表極其低溫（一般低于零下六十度）的色階成環(huán)且寬度足夠，同時風(fēng)眼溫度達到較高溫度（一般零度以上），可以說臺風(fēng)已經(jīng)達到了極強的強度。圖13 圖三中的臺風(fēng)煙花登陸前的狀態(tài)。其CDO的云頂溫度冷卻到了接近-90℃，同時風(fēng)眼由于強烈的下沉氣流，云頂溫度達到20℃。110℃的溫差，巨大的能量濃縮在百公里的尺度內(nèi)，展現(xiàn)著自然的極端暴力之美。 臺風(fēng)成熟以后，經(jīng)常會進行一個被稱為眼壁置換的過程。成熟的臺風(fēng)就像是一個巨大的抽水機，將四面八方涌來的水汽吸入眼壁，抬升到高空再吹向四方。但是，總有一些水汽沒等到達眼壁就提前上升激發(fā)強對流了。如果提前上升的水汽激發(fā)的強對流區(qū)圍繞著眼壁形成了一個圓，臺風(fēng)便形成了“大眼套小眼”的雙眼墻結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)雙眼墻結(jié)構(gòu)后，由于能量漸趨分散，臺風(fēng)會有一定程度的減弱，直到內(nèi)眼在外眼的水汽隔絕下逐漸消失，外眼成為唯一的眼墻，臺風(fēng)才會重新加強。需要指出的是，不是所有的臺風(fēng)都能夠眼壁置換成功，如果失敗，臺風(fēng)就難以達到很高的強度。圖14 臺風(fēng)“利奇馬”登陸前呈現(xiàn)“雙眼皮”狀態(tài)。若不是這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致臺風(fēng)減弱，浙江將蒙受更大的損失。 萬事萬物有開始就有終結(jié)。臺風(fēng)的結(jié)局又是怎樣的呢？多種多樣。有的臺風(fēng)登入陸地，在地形摩擦和水汽隔絕下漸漸消失；有的臺風(fēng)闖入溫帶，在鋒面的作用下變性為溫帶氣旋；有的臺風(fēng)不慎跌入垂直風(fēng)切變的陷阱，被攔腰斬斷迅速消亡；有的臺風(fēng)一頭扎進冰冷的水域，發(fā)動機漸漸熄火拋錨……圖15：2018年臺風(fēng)山竹登陸菲律賓，結(jié)構(gòu)被破壞。 一般的臺風(fēng)從生成到消亡有幾天的生命周期，在這幾天里，它們聚集能量，展露鋒芒，裹挾狂風(fēng)巨浪，最終悄然消亡。當(dāng)然也有長壽的臺風(fēng)，比如2017年的臺風(fēng)奧鹿，在其它臺風(fēng)的牽扯下，徘徊了18天才登陸日本消亡殆盡。它中間經(jīng)歷了曲折坎坷，峰回路轉(zhuǎn)的生命歷程，有興趣的朋友可以去看一下它的云圖視頻，感受臺風(fēng)帶給我們的生命的力量。最后，可能有人要問了，臺風(fēng)是災(zāi)害，你怎么描述得這么有愛。其實，這是片面的理解。臺風(fēng)對于人類，是利大于弊的存在。雖然臺風(fēng)會給登陸地帶來風(fēng)毀，帶來不必要的暴雨洪澇等，但它還承擔(dān)著平衡地球氣候的重任。如果沒有臺風(fēng)，溫帶會更加干旱、冰冷，而熱帶則會是一片蒸籠下的澤國。有時候，劇烈的現(xiàn)象之所以發(fā)生，是因為這是避免更劇烈的現(xiàn)象發(fā)生的手段。臺風(fēng)看似暴烈，實則維護著更深的和諧。 DR.STONE · 致力于地球和空間科學(xué)科普
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