台风的形成原理及其影响
台风和飓风都是产生于热带洋面上的一种强烈的热带气旋,只是发生地点不同、名称不同。在美国附近称为飓风,在菲律宾、中国、日本附近叫台风。
在热带海洋面上经常有许多弱小的热带涡旋,我们称它们为台风的“胚胎”,因为台风都是由这种弱的热带涡旋发展成长起来的。通过气象卫星已经查明,在洋面上出现的大量热带涡旋中,大约只有10%能够发展成台风。
台风的成因,至今仍无法十分确定,但已知它是由热带大气内的扰动发展而来的。在热带海洋上,海面因受太阳直射而使海水温度升高,海水容易蒸发成水汽散布在空中,故热带海洋上的空气温度高、湿度大,这种空气因温度高而膨胀,致使密度减小、质量减轻,而赤道附近风力微弱,所以很容易上升,发生对流作用,同时周围较冷空气流入补充,然后再上升,如此循环不已,最终必使整个气柱皆为温度较高、重量较轻、密度较小之空气,这就形成了所谓的热带低压。然而空气之流动是自高气压流向低气压的,就好像是水从高处流向低处一样,四周气压较高处的空气必向气压较低处流动,而形成风。在夏季,因为太阳直射区域由赤道向北移,致使南半球之东南信风越过赤道转向成西南季风侵入北半球,和原来北半球的东北信风相遇,更迫挤此空气上升,增加对流作用,再因西南季风和东北信风方向不同,相遇时常造成波动和旋涡。这种西南季风和东北信风相遇所造成的辐合作用,和原来的对流作用继续不断,使已形成为低气压的旋涡继续加深,也就是使四周空气加快向旋涡中心流,流入越快时,其风速就越大;当近地面最大风速到达或超过17.2米/秒时,我们就称它为台风。
一般说来,一个台风的发生,需要具备以下几个基本条件。
(1)首先要有足够广阔的热带洋面,这个洋面不仅要求海水表面温度要高于26.5益,而且在60米深的一层海水里,水温都要超过这个数值。其中广阔的洋面是形成台风时的必要自然环境,因为台风内部空气分子间的摩擦,每天平均要消耗3100~4000卡/平方厘米(1卡=4.184焦耳)的能量,这个巨大的能量只有广阔的热带海洋释放出的潜热才可能供应。另外,热带气旋周围旋转的强风,会引起中心附近的海水翻腾,在气压降得很低的台风中心甚至可以造成海洋表面向上涌起,继而又向四周散开,于是海水从台风中心向四周翻腾。台风里这种海水翻腾现象能影响到60米的深度。在海水温度低于26.5益的海洋面上,因热能不够,台风很难维持。为了确保在这种翻腾作用过程中,海面温度始终在26.5益以上,这个暖水层必须有60米左右的厚度。
(2)在台风形成之前,预先要有一个弱的热带涡旋存在。
我们知道,任何一部机器的运转,都要消耗能量,这就要有能量来源。台风也是一部“热机”,它以如此巨大的规模和速度在那里转动,要消耗大量的能量,因此要有能量来源。台风的能量是来自热带海洋上的水汽。
在一个事先已经存在的热带涡旋里,涡旋内的气压比四周低,周围的空气携带大量的水汽流向涡旋中心,并在涡旋区内产生向上运动;湿空气上升,水汽凝结,释放出巨大的凝结潜热,才能促使台风这部大机器运转。所以,即使有了高温高湿的热带洋面供应水汽,如果没有空气强烈上升,产生凝结释放潜热过程,台风也不可能形成。所以,空气的上升运动是生成和维持台风的一个重要因素。然而,其必要条件则是先存在一个弱的热带涡旋。
(3)要有足够大的地球自转偏向力,因赤道的地转偏向力为零,而向两极逐渐增大,故台风发生地点大约离开赤道5个纬度以上。由于地球的自转,便产生了一个使空气流向改变的力,称为“地球自转偏向力”。在旋转的地球上,地球自转的作用使周围空气很难直接流进低气压,而是沿着低气压的中心进行逆时针方向旋转(在北半球)。
(4)在弱低压上方,高低空之间的风向风速差别要小。在这种情况下,上下空气柱一致行动,高层空气中热量容易积聚,从而增暖。气旋一旦生成,在摩擦层以上的环境气流将沿等压线流动,高层增暖作用也就能进一步完成。在北纬20°以北地区,气候条件发生了变化,主要是高层风很大,不利于增暖,台风不易出现。
什么地方能同时具备这四个条件呢?只有在热带的海洋上。那里气温非常高,又是地球上水汽最丰富的地方。据统计,产生台风的海洋,主要有菲律宾以东的海洋、我国南海、西印度群岛以及澳洲东海岸等。这些地方海水温度比较高,也是南北两半球信风相遇的区域,因此台风就很容易产生。
一个发展成熟的台风,按其结构和带来的天气,可分为台风眼、涡旋风雨区、外围大风区三部分,从中心向外呈同心圆状排列。台风眼位于台风中心,直径为5~10千米。台风眼内盛行下沉气流,故天气晴朗,风平浪静。台风眼外侧为涡旋风雨区,这里盛行强烈的辐合上升气流,形成浓厚的云层,出现狂风暴雨,风力常常在12级以上,是台风中天气最恶劣的区域。再向外为外围大风区,风速向外减小,风力通常在6级以上。台风过境常常带来狂风暴雨天气,引起海面巨浪,严重威胁航海安全。登陆后,可摧毁庄稼、各种建筑设施等,造成人民生命财产的巨大损失,是一种危害极大的灾害性天气。
台风给广大的地区带来了充足的雨水,成为与人类生活和生产关系密切的降雨系统。但是,台风也总是带来各种破坏,它具有突发性强、破坏力大的特点,是世界上最严重的自然灾害之一。其危害性主要有三个方面:
(1)大风。台风中心附近最大风力一般为8级以上,其风速都在17米/秒以上,甚至在60米/秒以上。据测,当风力达到12级时,垂直于风向平面上每平方米风压可达230千帕。
(2)暴雨。台风是非常强的降雨系统。一次台风登陆,降雨中心一天之中可降下100~300毫米的大暴雨,甚至可达500~800毫米。台风暴雨造成的洪涝灾害,是最具危险性的灾害。台风暴雨强度大,洪水出现频率高,波及范围广,来势凶猛,破坏性极大。1975年第3号台风在淮河上游产生的特大暴雨,创造了当时中国内地地区暴雨量极值,形成了河南“75·8”大洪水。
(3)风暴潮。所谓风暴潮,就是指当台风移向陆地时,由于台风的强风和低气压的作用,使海水向海岸方向强力堆积,潮位猛涨,水浪排山倒海般向海岸压去。强台风的风暴潮能使沿海水位上升5~6米。风暴潮与天文大潮高潮位相遇,产生高频率的潮位,导致潮水漫溢、海堤溃决、冲毁房屋和各类建筑设施、淹没城镇和农田,造成大量人员伤亡和财产损失。风暴潮还会造成海岸侵蚀、海水倒灌造成土地盐渍化等灾害。江苏省沿海最大增水可达3米。“9608”和“9711”号台风增水,使江苏省沿江沿海出现超历史的高潮位。
人们都知道,台风登陆会带来狂风暴雨,致使江河海堤被毁、大树连根拔起、房屋倒塌、洪水泛滥等严重自然灾害;但台风除了给登陆地区带来暴风雨等严重灾害外,也有一定的好处。
据统计,包括中国在内的东南亚各国和美国,台风降雨量约占这些地区总降雨量的1/4以上,因此如果没有台风,这些国家的农业困境不堪想象;此外台风对于调剂地球热量、维持热平衡更是功不可没。众所周知,热带地区由于接收的太阳辐射热量最多,因此气候也最为炎热,而寒带地区正好相反。由于台风的活动,热带地区的热量被驱散到高纬度地区,从而使寒带地区的热量得到补偿,如果没有台风就会造成热带地区气候越来越炎热,而寒带地区越来越寒冷,自然地球上温带也就不复存在了,众多的植物和动物也会因难以适应而将出现灭绝,那将是一种非常可怕的情景。
2004年6月26日起,广东省各地出现高温奇热天气,各地气温纷纷飙升,有23个市县日最高气温超过了38益。7月1日,江门市区最高气温达38.3益,打破气象资料以来的最高纪录;而广州市7月1日当天记录到39.1益的最高气温,也打破了1953年38.7益的历史纪录(广州曾出现多起高温导致人类死亡的案例)。而当年台风初次登陆的时间又较正常年份推迟了20天左右,直到7月16日,2004年第9号热带风暴“圆规”才姗姗来迟,登陆广东省后,全省持续的高温天气才结束,台风对气候的调节作用再次得到证明。
台风如何而来
台风就是在大气中围绕着自己的中心急速旋转同时又向前移动的空气涡旋,其构造很像汽车引擎。
这就是台风
台风是因为“热”而形成的热带气旋是地球上破坏力最大的天气系统。台风和飓风是指中心附近最大风力达到12级或以上的热带气旋,只是因产生的海域不同而有不同的称谓。
西太平洋沿岸的中国、日本、东南亚等地被称为“台风”,在大西洋、加勒比海和东太平洋地区则习惯称为“飓风”,在印度洋地区被称做“旋风”。实际上,台风就是在大气中绕着自己的中心急速旋转同时又向前移动的空气涡旋。
台风所到之处风吹狂烈,雨势滂沱,我们不禁要问,这么大的动力能源来自何处?答案揭晓,台风是因为“热”而产生,根源是温暖海面蒸发的水蒸气及水蒸气变成水时释放的热能。关于水蒸气、水与热能的关系,日常生活就有很多例子。比如,点燃煤气烧开水,燃烧能从水壶底部传递给里面的水,会使水沸腾产生水蒸气。也就是水吸收热能形成水蒸气。反之,水蒸气变成水会释放热,而台风就是利用这种热能形成的。
大体上,一个中型台风每天会让200亿吨水蒸气变成水。每1克水蒸气变成水,会释放约600卡路里(1卡路里=4.184焦耳)热能。这些热能排放到大气中,会是形成台风的能量。虽然这只是水蒸气散发热能的百分之几,但因为台风携带的水蒸气数量太庞大,所有能量加总起来竟可大到地震的10倍。
台风的巧妙构造
汽车引擎靠燃烧汽油产生热能,与此对照,台风靠水蒸气凝结水滴产生热能,其产生的基础是相同的。
汽车燃烧汽油的地方是“汽缸”,台风的“汽缸”则是包围台风眼、形状像花生的白色云朵,即所谓的“眼墙云”(eyewallcloud),高度有时达十几千米,气象学上的名称是“积雨云”。
这些积雨云往台风外侧延伸,宽度可达100~200千米,密密麻麻地堆积,外围则围绕许多螺旋状延伸的雨云“手臂”。
对流层风、云以及雨的互动那么,台风会像汽车“排废气”吗?答案是肯定的。那就是被对流层顶阻挡而往水平方向喷出,温度在零下60益至零下70益白色冰块结晶所形成的云,亦即“卷云”。台风高度有的达十几千米,其顶端可抵达对流层顶,而从台风中心点往上喷的气流,一开始会逆时针旋转,但离台风眼远一点,却变成顺时针方向。
接下来,车子都有车轴,引擎动力必须透过车轴传送,才能转动车轮。台风也有类似结构,那就是“气压梯度”,简单讲就是气压相对于距离的变化程度。其变化状况有点像山坡斜面的倾斜比例。一般而言,气压梯度愈高,风速增加,运动能量变大。
台风形成的过程是,积雨云内部水蒸气的潜热释出,形成柱状暖空气,这些空气较轻而不断上升,中心气压降低,气压梯度因此提高。
从以上几个角度来看,把台风比喻成汽车引擎,既贴切又传神。当然,两者还是有差异,相对于汽车能自己前进,台风只会原地打转。但为什么我们看到的台风都是一面打转一面前进?原因是,地面往上5~7千米处有大环境场的气流,台风是被这些气流带着移动的。
因此,台风也可视为一艘大海中的帆船。
台风的形成过程
台风的起因是热带海面的积雨云,受赤道偏东风形成愈来愈大的云簇,热带海面上产生空气旋涡,会吸引更多热空气卷进来,并且相互碰撞产生更强大回转气流,当风速愈来愈快时,台风就形成了。
台风的起因:积雨云
台风通常在热带海面形成,但不会在赤道产生。我们来认识一下台风诞生的过程。
包含赤道在内的热带海洋,夏季由于太阳直射海水,温度节节升高,快速蒸发。海水蒸发的气体吸收蒸发热变轻,会一直往高空上升。愈上升气压愈低,这些热空气团开始膨胀,并逐渐冷却。于是,饱和水蒸气的空气变成细小水滴,远远看就是云朵。
液体变成水蒸气必须吸收热能,相反的,高空水蒸气恢复成液体状态必须放热。因此,云朵产生意味着周边空气变暖。而云朵吸纳暖空气变得更轻、继续往上升,来到高空会突然全面冷却变成冰粒。这就是我们在地面上看到的积雨云。
另一方面,海面产生的水蒸气迅速升空之后,原先的位置空气变薄,会吸引周边湿暖空气进来填补。这样的过程反复进行,积雨云会愈累积愈大,最后变成黑压压的一大片。有积雨云的地方比较容易产生台风。
让台风产生回转的“科氏力”
地球上各地水域都可能产生积雨云,但只有热带海域的积雨云会发展成台风。夏季广大的热带温暖海洋,有的积雨云团会和其他积雨云团碰触,甚至几个聚积成一个,使上升气流更加剧烈,积雨云因此收缩成束,并以非常快的速度把远方空气吸进来。
此时被积雨云束吸引的热空气不会直线过来,而会受地球自转伴随产生的科氏力影响,以旋涡形状进入积雨云。科氏力不只会造成台风旋涡,也会影响偏西风、高气压以及低气压风的吹向。
如前述,以北半球为例,空气流动会受科氏力影响往右偏转,因为从北极上空看下来,地球呈现逆时针自转。台风旋涡之所以呈逆时针旋转,原因也在这里。
当然,这是北半球的情形,如果是南半球(南太平洋)的台风(当地称为“威烈威烈”),台风的旋涡会顺时针旋转。原因相同,当我们从南极上空看地面,地球是顺时针旋转的。
最常出现台风的地点
台风只会在海面温度超过26益的温暖海域产生,但是在最温暖的北纬5°到赤道一带海面,却不见台风形成。为什么会这样?
原因很简单,这里的空气通常呈水平运动,地球自转产生的科氏力几乎没有影响,无法产生台风旋涡。并且,科氏力在赤道为零,在北极与南极达到最大。
总之,台风大多数发生在北半球夏季,特别是北纬5°~20°一带,由此往西或往北前进。台风最容易形成处“热带辐合带”(ITCZ),也称为“赤道辐合带”,通常是北半球东北信风与南半球东南信风乃至于西南季风汇集之处。
台风产生的原因:云簇