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台风是一种的流动

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2020 年8 月25 日,强台风“巴威”的中心位于东海的海面上。它已经在海上徘徊了几天,并很有可能北上,成为罕见的登陆辽宁的强台风。如果它登陆并造成了巨大损失,“巴威”将很有可能被除名。


导  读

台风是中国东南沿海常见的气候灾害,但并不是所有沿海地区都有这种天气。本文将从流体力学的角度分析台风的流动特征和生成机理。

01

台风、飓风和热带气旋

台风是指发生在热带或副热带洋面上的气流旋涡,这类旋涡统称为热带气旋,当其中心附近的风力足够大时就称为台风。台风(Typhoon)这个名称主要在中国、日本和东南亚一带使用,在美国一般称为飓风(Hurrican),在南太平洋和印度洋则习惯称为热带气旋(Tropical cyclone)。

台风是一个大范围的的低气压系统,它的主要流动是旋转,并伴随着底层的汇聚流动和顶层的发散流动。台风的直径可达上千公里,并且台风内部有着复杂的分层结构。

要形成台风需要两个重要的地理条件:一是要有广阔的高温、高湿的大气;二是要有足够大的有利于旋涡生成的地球自转偏向力(即科氏力)作用。满足这两个条件的位置只分别存在于北纬和南纬5~15℃以内的广阔大洋上,其中西太平洋地区是热带气旋发生最频繁的海域。东南亚各国、中国和日本经常遭遇台风灾害。美国的东南沿海是受台风影响第二多的地区,澳大利亚东海岸和印度洋地区也偶有台风发生,而欧洲、南美和非洲则较少有台风发生。


2018年9月袭击东南亚的超强台风山竹


2019年8月袭击美国的超强飓风多利安



02

台风的细节

台风的范围跨度很大,携带大量的水汽,组成庞大的云团,从内到外有多层结构,依次为:台风眼区、云墙区、螺旋雨带区。台风眼区直径有几十公里,这里风力很小,且通常天气晴朗。从台风眼区向四外望去,外面的天空有着像峭壁一样高耸的云层围绕,这就是云墙区。云墙区在台风眼外层,宽几十公里、高十几公里,这里云层高耸,地面上狂风呼啸,大雨如注,海水翻腾,是天气最恶劣的区域。云墙区的外层是螺旋雨带区,通常有几条云带呈螺旋状从云墙区向四周辐射开来,每条云带宽几十公里到几百公里,长度可达几千公里,云带所经之处会降阵雨,并出现大风天气。

台风的流动特征除了旋转外还有上升和下降气流,在各级云墙中的气流都是螺旋上升的,而云墙之间的空隙内气流则是下降的。台风眼内的大气压力可以比外部低5% 左右,会把高空的冷气流吸下来,使气温产生较大下降。


从太空看台风眼


在台风眼内部看到的云墙



03

台风的形成

台风的形成有四个缺一不可的必要条件,除此之外受很多偶然天气因素影响。

  1. 要有足够广阔的热带洋面,表面60 米深的海水温度都要超过26.5℃,这样的海水蒸发才可以提供足够的上升气流,所以台风只发生在南北纬15°以内的洋面上。

  2. 要有足够大的地转偏向力作用,地转偏向力在赤道附近为零,向南北两极逐渐增大。这个偏向力给大范围的空气一个力矩作用,是形成气流初始旋涡的驱动力,所以台风只发生在南北纬5°以外的洋面上。

  3. 要先有一个弱的涡旋,涡旋内的气压比四周低,周围的空气挟带大量的水汽加速流向涡旋中心,并在那里产生向上运动。弱旋涡的产生有很大的偶然性,多数时候大量的小旋涡都会各自消散掉,只在某些特殊条件下(比如某处有积雨云或海水异常蒸发产生强烈的上升气流,四周空气过来补充),这些小旋涡会聚集起来形成大范围的旋涡。

  4. 对流层内上下层空气的风速不能相差太大,相对运动很小,这样初始的垂直旋涡可以较长时间保持而不被吹散,从而吸收周围的旋涡壮大起来。




2017年9月,飓风艾尔玛的登陆与消散



04

总结

1. 台风是一种极端天气,本质上就是一种大气的漩涡运动,这种流动的特殊性是有地球自转科氏力和海水相变产生的温度变化参与。

2. 台风虽然产生很大的风速,但不是地球上风速最大的风,风速最大的风是龙卷风。


科普风能流体基础
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首次发布时间:2020-09-04
最近编辑:4年前
王洪伟
博士 | 教师 教书,也做科研,但主要是学习。
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