飓风

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October 19, 2021

热带气旋(飓风、飓风或台风)是地球上的一种气象现象,由强风和大量降雨组成。飓风可持续数天或数周,在美国东部、东南亚和澳大利亚北部很常见。与媒体报道的强风摧毁其路径上的一切相反,陆地上的飓风比我们的波拉要弱得多,尽管在沿海地区由于海平面上升,它们具有更大的破坏力。热带气旋是一种快速旋转的风暴系统,其特点是一个低压中心,有强风,以及产生大雨的雷暴螺旋排列。根据它的位置和强度,热带气旋被命名为飓风、飓风(法语ouragan,源自西班牙语huracan)、台风(英语typhoon, / taɪˈfuːn /)、热带风暴、气旋风暴、热带低气压,简称为气旋。热带气旋通常在大片相对较热的水域上形成。它们从海洋表面的水蒸发中获得能量,当潮湿的空气上升并冷却至饱和时,云和雨会通过冷凝形成。这种能源不同于中纬度气旋风暴,例如东北风暴和欧洲风暴,后者主要由水平温差驱动。热带气旋的强旋转风是地球自转引起的角动量守恒的结果,空气流向自转轴。因此,它们很少在赤道周围的 5° 带中形成。热带气旋的直径通常在 100 到 4,000 公里之间。热带一词是指这些系统的地理起源。它们几乎完全形成于热带海域之上。气旋这个词来自它们的循环性质,在北半球逆时针吹,在南半球顺时针吹。循环的相反方向是科里奥利效应的结果。除了强风和大雨,热带气旋还会产生巨浪、破坏性风暴和龙卷风。它们通常在陆地上迅速减弱,在那里它们与主要能源被切断。因此,沿海地区特别容易受到相对于内陆地区的热带气旋造成的破坏。然而,大雨会导致内陆严重洪水泛滥,风暴潮会在距海岸 40 公里的地方产生大范围的沿海洪水。尽管它们对人类的影响通常是毁灭性的,但热带气旋可以缓解干旱。它们还可以将热带的热能输送到气候较温带的地区,在区域和全球气候调节中发挥重要作用。

物理结构

热带气旋是对流层中气压相对较低的区域,在低空、离地表不远的地方气压扰动最大。在热带气旋中心记录的压力是地球上在海平面上测得的最低压力之一。热带气旋的中心带在所有高度都比周围地区温暖,因此被称为“暖核”系统。

风场

靠近地表的热带气旋风场的特点是风围绕环流中心快速旋转,同时径向向内和向上移动。在风暴的外围,空气几乎可以平静下来。由于地球自转,空气的绝对角动量不为零。随着空气的径向向内流动,发生气旋旋转(北半球逆时针旋转,南半球顺时针旋转)以保持角动量。在某个内径处,空气开始爬升到对流层顶部。这个直径通常与眼壁的内径重合,并且在整个风暴中地表附近的风最强;因此,它被称为最大风的直径。当它起泡时,空气会远离风暴的中心,产生卷云盾。在飓风顶部附近,环流改变方向,在北半球开始顺时针移动,上述过程导致风场几乎呈轴对称。中心风速较低,向最大风速直径方向快速增加,然后随着直径的进一步增加而逐渐减小。然而,由于局部过程的影响,例如风暴活动和水平流不稳定,风场经常表现出额外的空间和时间变化。在垂直方向上,靠近地表的风最强,并随着对流层内高度的增加而减弱。上述过程导致几乎轴向对称的风场。中心风速较低,向最大风速直径方向快速增加,然后随着直径的进一步增加而逐渐减小。然而,由于局部过程的影响,例如风暴活动和水平流不稳定,风场经常表现出额外的空间和时间变化。在垂直方向上,靠近地表的风最强,并随着对流层内高度的增加而减弱。上述过程导致几乎轴向对称的风场。中心风速较低,向最大风速直径方向快速增加,然后随着直径的进一步增加而逐渐减小。然而,由于局部过程的影响,例如风暴活动和水平流不稳定,风场经常表现出额外的空间和时间变化。在垂直方向上,靠近地表的风最强,并随着对流层内高度的增加而减弱。例如风暴活动和水平流不稳定。在垂直方向上,靠近地表的风最强,并随着对流层内高度的增加而减弱。例如风暴活动和水平流不稳定。在垂直方向上,靠近地表的风最强,并随着对流层内高度的增加而减弱。

眼睛和中心

在形成的热带气旋的中心,空气不升而下沉。在足够强大的风暴中,空气可以下沉到足够深的一层以抑制云的形成,从而形成一个清晰的“眼睛”。在眼中,天气通常是平静的,没有泥泞,尽管大海可能会极度不安。眼睛通常呈圆形,直径通常为 30-65 公里,但也有仅 3 公里和 370 公里的情况。眼睛的多云外缘被称为“眼壁” ”。它通常随着高度的增加而向外扩展,类似于足球场的竞技场;这种现象有时被称为舞台效应。在眼壁上,风速最高,空气上升最快,云层最高,降水最难。最严重的风害发生在热带气旋眼壁穿过大陆的区域。眼壁可以随时间以可变周期的形式变化。强烈的热带气旋尤其如此。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。眼睛可能会被中央​​密集的云层遮住,这是卷云盾的上层,与热带气旋中心附近的强风暴活动集中区域相关。眼睛的壁可以随着时间的推移而变化可变循环的形式。强烈的热带气旋尤其如此。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。眼睛可能会被中央​​密集的云层遮住,这是卷云盾的上层,与热带气旋中心附近的强风暴活动集中区域相关。眼睛的壁可以随着时间的推移而变化可变循环的形式。强烈的热带气旋尤其如此。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。这是卷云盾的上层,与热带气旋中心附近的强风暴活动集中区域有关。眼壁可以随时间以可变周期的形式变化。强烈的热带气旋尤其如此。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。这是卷云盾的上层,与热带气旋中心附近的强风暴活动集中区域有关。眼壁可以随时间以可变周期的形式变化。强烈的热带气旋尤其如此。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。外部雨带可以以风暴环的形式组织起来,向内陆缓慢移动。据信,这会降低眼睛初级壁的水分含量和角动量。当初级眼壁减弱时,热带气旋会暂时消退。在周期结束时,风眼的外壁最终取代了主要的风眼,之后风暴的强度可以恢复到初始水平。

强度

“风暴强度”定义为风暴中的最大风速。该速度被确定为标准参考高度 10 米处一分钟或十分钟的平均值。平均时间段的选择以及风暴分类的名义惯例在预报中心和海洋盆地之间有所不同。

尺寸

有很多方法可以表达风暴的大小。最常用的包括直径和最大风速,34节的风径(即风暴力),最远封闭等压线(ROCI)的直径,风消失的直径。另一项测量是相对涡旋场减小到 1 × 10−5 s − 1 时的直径。在地球上,热带气旋的大小范围很广,从 100 到 2000 公里,以消失的风的直径测量。平均而言,它们在西北太平洋最大,在东太平洋最小。如果最远封闭等压线的直径小于纬度两度(222 公里),则气旋“非常小”或“矮”。 3-6 纬度(333-670 公里)的直径被认为是“平均尺寸”。 “非常大”的热带气旋直径大于 8 度(888 公里)。观测表明,震级与风暴强度(即最大风速)、最大风径、纬度和最大潜在强度等变量略有相关。大小在调节风暴破坏中起着重要作用。如果其他一切都相同,更大的风暴将在更长的时间内影响更大的区域。此外,由于风暴露时间更长、持续时间更长和海浪更大,更强的地面风场可以产生更高的风暴潮。例如,2012年袭击美国东部的飓风桑迪在到达大陆之前几乎没有达到飓风强度,但由于其规模极其庞大,它是美国历史上造成最大物质损失的陆地飓风之一。强飓风的高层环流延伸到大气的对流层顶,它位于低纬度 15,000-18,000 米。

物理和能源

热带气旋的三维风场可分为一次环流和二次环流两部分。初级循环是流动的旋转部分;它纯粹是圆形的。二次循环是流动的翻转部分;它作用于径向和垂直方向。初级环流包括最强的风,是风暴造成的大部分破坏的原因,而次级环流虽然风暴的能量占主导地位,但速度较慢。

二次循环:卡诺热机

热带气旋的主要能量来源是海洋表面的水蒸发,当热空气上升并冷却至饱和时,水最终会重新凝结成云和雨。能源系统可以理想化为大气卡诺热机。首先,进入海面附近的空气主要通过水在热海面温度下的蒸发(即潜热)获得热量(在蒸发过程中,海洋变冷,空气变热)。其次,加热的空气在眼壁内上升和冷却,同时保持总热含量(潜热在冷凝过程中简单地转换为显热)。第三,在冷对流层顶的温度下,空气在开放空间中以红外辐射的形式逸出并散失热量。最后,空气在风暴的外缘沉降并升温,同时保持总热量。第一步和第三步几乎是等温的,而第二步和第四步几乎是等熵的。这种上下翻转流被称为二次循环。卡诺的观点给出了风暴可以达到的最大风速的上限。科学家估计,热带气旋以每天 50 至 200 艾焦耳(1018 J)的速度释放热能,相当于约 1 PW(1015 瓦)。能量释放的速度比世界人的能源消耗高出70倍,比世界电容量高出200倍。相当于每20分钟爆炸一次10兆吨的核弹。这种上下翻转流被称为二次循环。卡诺的观点给出了风暴可以达到的最大风速的上限。科学家估计,热带气旋以每天 50 至 200 艾焦耳(1018 J)的速度释放热能,相当于约 1 PW(1015 瓦)。能量释放的速度比世界人的能源消耗高出70倍,比世界电容量高出200倍。相当于每20分钟爆炸一次10兆吨的核弹。这种上下翻转流被称为二次循环。卡诺的观点给出了风暴可以达到的最大风速的上限。科学家估计,热带气旋以每天 50 至 200 艾焦耳(1018 J)的速度释放热能,相当于约 1 PW(1015 瓦)。能量释放的速度比世界人的能源消耗高出70倍,比世界电容量高出200倍。相当于每20分钟爆炸一次10兆吨的核弹。能量释放的速度比世界人的能源消耗高出70倍,比世界电容量高出200倍。相当于每20分钟爆炸一次10兆吨的核弹。能量释放的速度比世界人的能源消耗高出70倍,比世界电容量高出200倍。相当于每20分钟爆炸一次10兆吨的核弹。

初级环流:旋转风

热带气旋的主要旋转流是二次环流角动量守恒的结果。旋转行星 M {\ displaystyle M} 的绝对角动量由表达式 M 1 2 fr 2 + vr {\ displaystyle M {\ frac {1} {2}} fr ^ {2} + vr} 给出,其中 f {\ displaystyle f} 表示科里奥利参数, v {\ displaystyle v} 是方位角(即旋转)风速, r {\ displaystyle r} 是到旋转轴的半径。右边的第一项是投影到局部垂线(即旋转轴)上的行星角动量分量。第二项是循环本身相对于旋转轴的相对角动量。由于行星角动量成员在赤道附近消失(其中 f 0 {\ displaystyle f0}),热带气旋很少在赤道 5° 范围内形成。类似地,快速旋转的气流在对流层顶附近径向向上移动,导致气旋旋转减少并最终在足够大的半径处改变方向,导致上层出现反气旋。结果是一个垂直结构,其特征是低层有强气旋,而对流层顶附近有强反气旋。从热风平衡的角度来看,这对应于一个系统,在所有高度(即“暖核”)的中心都比环境中的温度更高。从流体静力平衡的角度来看,温暖的核心在所有高度都转化为中心的较低压力,靠近表面的压力降最大。

最大潜在强度

由于表面摩擦,流入仅部分地保持其角动量。因此,作为下限的海面作为能源系统的来源(由于蒸发)和消费者(由于摩擦)。这一事实的结果是存在热带气旋所能达到的最高风力强度的理论上限。由于蒸发量随风速呈线性增加(因为在刮风的日子离开水池感觉更冷),对系统的能量输入存在正反馈,称为风致表面热交换效应(Wind-Induced Surface Heat Exchange) . 希望)。当与风速的立方成正比的摩擦耗散变得足够大时,这种耦合会显着降低。上限称为“最大电位强度”,v p {\displaystyle v_{p}} ,i data je sa vp 2 C k C d T s − T o To o Δ k {\displaystyle v_{p}^{2}{\frac {C_{k}}{C_{d}}}{\frac { T_{s}-T_{o}}{T_{o}}}\Delta k}其中 T s {\ displaystyle T_ {s}} 表示海面温度,T o {\ displaystyle T_ {o}} 是流出温度([K]),Δ k {\ displaystyle \ Delta k} 是表面和重叠空气之间的焓 ([J / kg]),C k {\ displaystyle C_ {k}} 和 C d {\ displaystyle C_ {d}} 是交换系数(无量纲)和动量,分别。假设表面和空气的焓差为 Δ kks ∗ - k {\ displaystyle \ Delta kk_ {s} ^ {*} - k},其中 ks ∗ {\ displaystyle k_ {s} ^ {*}}是海温和海平面压力下的空气饱和焓,k {\ displaystyle k} 是覆盖表面的空气边界层的焓。最大潜在强度主要取决于环境本身(即没有热带气旋),因此,该数量可用于确定地球上可以支持给定强度的热带气旋的区域,以及这些区域随时间演变的方式。具体来说,最大电位强度具有三个分量,尽管其空间和时间的可变性主要是由表面和空气之间的焓差分量 Δ k {\ displaystyle \ Delta k} 的可变性引起的。

结论

热带气旋可以看作是一种热机,它将从地表传入的热能转化为机械能,机械能可用于对抗地表摩擦进行机械功。在平衡状态下,系统的净能量产生率必须等于由于表面摩擦耗散引起的能量损失率,即 W in W out {\ displaystyle W_ {in} W_ {out}} 每单位能量损失率单位面积由于表面摩擦,W out {\ displaystyle W_ {out}},由 W o t C d ρ | 给出你| 3 {\ displaystyle W_ {out} C_ {d} \ rho | \ mathbf {u} | ^ {3}} 其中 ρ {\ displaystyle \ rho} 是表面附近的空气密度 ([kg / m3]) 和 |你| {\ displaystyle | \ mathbf {u} |} 是表面附近的风速([m / s])。单位面积能量释放率,W in {\ displaystyle W_ {in}} 由 W in ϵ Q in {\ displaystyle W_ {in} \ epsilon Q_ {in}} 给出,其中 ϵ {\ displaystyle \ epsilon} 是热机的效率,Q in {\ displaystyle Q_ {in}} 是系统单位面积的总热量输入率。由于热带气旋可以理想地被认为是卡诺热机,卡诺热机的效率由 ϵ T s - T o T s {\ displaystyle \ epsilon {\ frac {T_ {s} -T_ {o}} {T_ {s}}}} Heat (enthalpy) per单位质量是具有 k C p T + L vq {\ displaystyle kC_ {p} T + L_ {v} q} 的数据,其中C p {\ displaystyle C_ {p}} 空气热容,T {\ displaystyle T} 是空气温度,L v {\ displaystyle L_ {v}} 是汽化潜热,q {\ displaystyle q} 是水蒸气浓度。第一个分量对应于显热,第二个分量对应于潜热。有两个热源。主要来源是来自地表的热量输入,主要是由于蒸发。单位面积热输入率的空气动力学公式,Q 和 n:k {\ displaystyle Q_ {in: k}}, 由 Q 和 n 给出: k C k ρ |你| Δ k {\ displaystyle Q_ {in: k} C_ {k} \ rho | \ mathbf {u} | \ Delta k} 其中 Δ kks ∗ - k {\ displaystyle \ Delta kk_ {s} ^ {*} - k}表示海洋表面和上覆空气之间的焓差。另一个来源是摩擦耗散产生的内部感官热量(由 W o u t {\ displaystyle W_ {out}} 表示),它发生在热带气旋的地表附近,并在系统中循环使用。 Q i n: f r i c t i o n C d ρ |你| 3 {\ displaystyle Q_ {in:摩擦} C_ {d} \ rho | \ mathbf {u} | ^ {3}} 因此,单位面积净能量产生的总速率由 W 在 T s - T o T s (C k ρ | u |Δ k + C d ρ |你| 3 ) {\displaystyle W_{in}{\frac {T_{s}-T_{o}}{T_{s}}}\left(C_{k}\rho |\mathbf {u} |\Delta k+ C_{d}\rho |\mathbf {u} |^{3}\right)} Постављајући W in W out {\displaystyle W_{in}W_{out}} и узимајући |你| ≈ v {\ displaystyle | \ mathbf {u} | \ approx v}(即旋转风速占主导)导致上述 v p {\ displaystyle v_ {p}} 的解决方案。这个推导意味着系统内的总能量输入及其损失可以通过它们在最大风半径上的值来近似。输入效果 Q i n: f r i c t i o n {\ displaystyle Q_ {in:摩擦}} 是总热量输入乘以因子 T s T o {\ displaystyle {\ frac {T_ {s}} {T_ {o}}}}。在数学上,这具有在卡诺效率的分母中将 T 替换为 {\ displaystyle T_ {s}} 和 T o {\ displaystyle T_ {o}} 的效果。最大电位强度的替代导数,在数学上与上述公式等效,vе v p T s T o C k C d (C A P E s ∗- C A P E b) | m {\ displaystyle v_ {p} {\ sqrt {{\ frac {T_ {s}} {T_ {o}}} {\ frac {C_ {k}} {C_ {d}}} (CAPE_ {s} ^ {*} - CAPE_ {b}) | _ {m}}}} 其中 CAPE 代表对流可用势能,CAPE with ∗ {\ displaystyle CAPE_ {s} ^ {*}} 是 CAPE 是从与环境探测相关的海平面饱和度,C A P E b {\ displaystyle CAPE_ {b}} 是空气边界层的CAPE,两个值都是在最大风的半径上计算的。

地球上的特征值和变异性

在地球上,T s {\ displaystyle T_ {s}} 的特征温度为 300 K,T o {\ displaystyle T_ {o}} 的特征温度为 200 K,这对应于 ϵ 1/3 {\ displaystyle \ epsilon 1/3}。表面交换系数的比值 C k / C d {\ displaystyle C_ {k} / C_ {d}} 通常假定为 1。然而,观测表明,阻力系数 C d {\ displaystyle C_ {d}} 随风速变化,并且可以在形成的飓风边界层内的强风中减小。此外,由于海浪对边界层内蒸发的影响,C k {\ displaystyle C_ {k}} 可以随高风速变化。最大潜在强度的特征值,vp {\ displaystyle v_ {p}} , 是 80 m/s 。然而,这个震级在时间和空间上变化很大,特别是在季节性气旋中,覆盖范围为 0-100 m/s。这种变化主要是由于地表焓不平衡(Δ k {\ displaystyle \ Delta k})的变化,以及对流层热力学结构的变化,这些结构受大范围热带气候的动力学控制。这些过程受到许多因素的调节,包括海面温度(和初始海洋动力学)、近海面的背景风和大气辐射变暖的垂直结构。这种调制的性质很复杂,尤其是在气候天气尺度(几十年或更长时间)上。在较短的时间尺度上,最大潜在强度的变化通常与海面温度相对于热带平均值的扰动有关,因为水相对较热的地区的热力学状态比水相对较冷的地区更容易发生热带气旋。然而,这种关系受到大尺度热带动态的间接影响;相比之下,海面绝对温度对 v p {\ displaystyle v_ {p}} 的直接影响较弱。

与海洋的互动

热带气旋穿越海洋会导致海洋上层显着冷却,这会影响气旋的后续发展。这种冷却主要是由于风将来自海洋深处的冷水与温暖的地表水混合造成的。这种效应会导致负面反馈过程,从而抑制进一步发展,或导致削弱。来自雨水的冷水流入会导致额外的冷却(发生这种情况是因为海拔较高的大气较冷)。云层覆盖也可以影响海洋冷却,在风暴过去之前和之后稍微保护海洋表面免受阳光直射。所有这些影响可以结合起来,在短短几天内使大面积的海面温度急剧下降。

蓝宝石-辛普森飓风等级

类别 1 - 风速 119-153 公里/小时。损坏:独立的大篷车、灌木、树木 2 类 - 风速 153-177 公里/小时。损坏:损坏房屋结构(一些瓷砖),撞倒一些大树,沿海类别 3 中的洪水 - 风速 178-209 公里/小时。损坏:损坏房屋结构(重大损坏),撞倒大树,沿海地区大洪水 4 类 - 风速 210-249 公里/小时。破坏:拆除屋顶结构,连根拔起树木、灌木、标志、洪水和沿海岸 10 公里的大规模疏散。类别 5 - 风速超过 249 公里/小时。损害:屋顶、建筑物倒塌、沿海岸 15 公里的大规模疏散

参考

文学

外部链接

Ловци на урагане (РТС Образовно-научни програм - Званични канал) 美国国家飓风中心 - 北大西洋、东太平洋 中太平洋飓风中心 - 中太平洋日本气象局 - 中太平洋 - 印度贝恩加尔 - 北大西洋– 留尼汪岛 – 南印度洋从 30°E 到 90°E 斐济气象局 – 南太平洋 160°E 以西,25°S 以北 热带气旋活动趋势:印度洋 1998-2014 印度尼西亚气象局 – 南印度洋从 90°E 到 125°E,以北 10°S 澳大利亚气象局(TCWC 的珀斯、达尔文和布里斯班)。– 南印度洋和南太平洋从 90°E 到 160°E,10°S Meteorological Service of New Zealand Limited 以南 – 南太平洋 160°E 以西,25°S 以南