飓风的解剖,从风眼到盘旋的风

这些巨大的风暴是如何形成的。
Joseph Smith

是什么让飓风得以形成?无论是杂乱的热带低压,还是像锯齿一样在海洋上旋转的完美的五级飓风,地球上形成的每一个热带气旋都有相同的基本结构。这些强大的风暴既脆弱又强大,大气愤怒与一团无害的云之间只有一线之隔。

原料

热带气旋——热带低压、热带风暴和飓风的统称——在形成时需要四种关键要素:已有的雷暴、温暖的、潮湿的空气和微弱的风。

这些风暴以温暖的海洋水域释放的热能为食,因此它们通常发生在海面温度至少为80°F的地方。空气中也必须有充足的水分,以帮助雷暴茁壮成长。风暴周围的风必须微弱,这样才不会扰乱系统的形成。所有这些条件都完美地结合在一起的情况很少见。但当它们发生时,我们可能会遇到像卡特里娜飓风或艾玛飓风这样的历史性风暴,它们登陆时会造成严重破坏。

A satellite image of Hurricane Jose, Tropical Storm Maria, and Tropical Depression Lee on September 17, 2017.
2017年9月17日,飓风何塞(左)、热带风暴玛丽亚(中)和热带低压李(右)的卫星图像。NOAA/NASA

火花

每一个热带气旋都始于一群雷暴。这些雷暴可能由任何因素引发,从一股强烈的扰动从西非海岸移出,到冷锋末端恰好停留在海洋上的合适位置。

涌入雷暴的气流会在地表留下较低的气压。周围的空气涌入填补空白,并因科里奥利效应而开始旋转,形成逆时针流动,从而产生一个闭合的低压系统。随着雷暴的增强,低压中心会变得更强,将更多的空气向上吸走。

这些新形成的风暴通常被称为热带低压。热带低压的风力很弱——低于39英里/小时——在卫星图像上看起来并不显眼。但热带低压往往有潜力发展成更强的风暴,并且仍然可以在其路径上产生大量的降雨。

A radar image of Hurricane Maria making landfall in Puerto Rico on September 20, 2017.
2017年9月20日,飓风玛丽亚登陆波多黎各的雷达图像。NWS/Gibson Ridge

眼墙

如果环境有利,热带低压中的雷暴将开始围绕着中心的环流旋转,因为低压中心会变得更强,雷暴本身也会变得更强。这种形成使得风速也随之增长。当风速在39到73英里/小时之间时,热带气旋就会增强为热带风暴。

随着强度的增加,热带风暴会迅速呈现出经典的形态。雨带会开始形成并围绕风暴螺旋状旋转。这些雨带就像细长的风暴线,在经过一个地区时会带来强降雨、破坏性大风和偶尔的龙卷风。随着风暴中心的临近,雨带的强度和频率会增加。

环流中心周围的强雷暴最终会形成一个称为眼墙的特征——这是驱动热带气旋的引擎。在热带气旋中,最强的风力出现在眼墙的东北部,那里风暴的前进运动增加了动量。

风眼

热带气旋眼墙中的雷暴吸入的所有空气都必须去某处。高层空气的堆积会形成一个反气旋,或一个高气压中心。这个反气旋发展在热带气旋的上方,就像一个排气管,帮助将空气过滤出去。这有助于风暴“呼吸”,保持其健康。反气旋也负责产生尖锐的、辐条状的卷云,使强飓风看起来像一个锯齿。

一部分空气最终会下降到风暴的中心,试图填补地表强大低压中心造成的巨大不平衡。这些空气在下降过程中会变暖并变干,从而形成从上方很容易识别的清晰的风眼。风暴的风眼可以有各种形状和大小。有些风眼比整个岛屿还宽,而有些直径只有几英里。随着风暴的增强,其风眼会变得越来越清晰。

Sea surface temperatures in the Atlantic Ocean on September 6, 2017.
2017年9月6日,大西洋海面温度图。Dennis Mersereau

温暖的海水如何为风暴提供能量

热带气旋与其他地球上的风暴不同之处在于,它们以温暖的海水为食。但是,温暖的海水是如何转化为巨大的飓风的呢?一种理论认为,飓风的强风有助于在正反馈循环中从海洋获取热量。热量有助于使风暴更强大,反过来,更强的风又会将更多的热量从温暖的海面向飓风输送。

温暖的海水通过潜热释放来为飓风提供能量。要直观地理解潜热,最简单的方法就是想想你在最热的夏日会有什么感觉。在外面待了很长时间后,你的第一反应就是去拿个风扇。风吹过你湿漉漉的皮肤,蒸发的汗水会帮助你降温。汗珠在你变成水蒸气时会吸收你皮肤表面的热量——这就是潜热。

当飓风旋转时,一个类似的过程也在海面上发生。WISHE理论认为,雷暴产生的强风会搅动温暖的海面并加速蒸发。蒸发的水分吸收了热带海洋表面的炎热,水蒸气则被输送到热带气旋核心的雷暴中。

当水蒸气凝结回水滴时,潜热就会释放到大气中,正是这个过程将海洋的热量输送给雷暴。新变暖的空气会迅速穿过风暴,帮助雷暴变得更强。更强的雷暴会将更多的空气吸入大气,导致地表气压更低。低气压有助于风力变得更强。风力更强会导致蒸发加剧。这个过程会一直持续下去,直到你得到一个强大、势不可挡的飓风;在理想的环境中,飓风的潜在强度仅受其下方水域的温度限制

海洋往往充满敌意

但理想的环境很少见。如果风暴在较冷水域上空旋转,它会很快开始瓦解。吸入干燥空气的热带气旋会挣扎并逐渐消散,因为它的雷暴会减弱和消散。风切变,即在短距离内风速或风向的变化,是许多风暴的“杀手”;过去几年在北大西洋形成的多数风暴都因为风切变而苦苦挣扎,并在几天内消亡。强风会撕裂风暴中心的雷暴,或者将风暴推离环流中心太远,以至于系统无法生存。在大多数情况下,这些因素会在萌芽状态就扼杀任何潜在的热带气旋。但当然,预报员必须保持警惕,留意那些相对罕见但可能造成灾难性后果的例外情况

 

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