熱帶氣旋強度研究

--熱帶氣旋的垂直結構--

•垂直高度的定義

熱帶氣旋的垂直範圍是由地面直至其高空有氣流輻散的高度為止。熱帶氣旋的厚度和強度成正比,就一個成熟的熱帶氣旋而言,其高度將可到達對流層頂(即15000米左右);而一發展中的熱帶氣旋(約熱帶風暴級數),其高度約到達10000米左右(對流層高層)。

 

•垂直結構概要

熱帶氣旋垂直結構圖

高度 氣流 水平渦度 溫度場 雲系
高層

(9至15公里)
水平輻散 負渦 冷心 卷雲
中層

(4至8公里)
垂直上升 弱正渦 暖心 層雲、積雲
低層

(地面至3公里)
水平輻合 正渦 冷心 層雲、積雲

•垂直氣流及渦度分佈的特徵

熱帶氣旋的低層大致是水平輻合的運動,其特徵我們已在上一部份詳述,在此不加詳談。

低空的空氣在中心匯聚後被逼抬升,所以垂直高度的中部為盛行上升氣流,我們稱之為中間上升層。整個熱帶氣旋的氣流上升最大區域也是僅集中在熱帶氣旋中心附近的,特別是在風眼牆處,但由於空氣甚難通過眼牆,因而風眼內的氣流活動相對是不明顯的。至於眼牆以外,空氣的上升活動並不為颱風核心的上升氣流,它僅為颱風相關雲團組織的過別對流活動,因此該區空氣上升的強度明顯較弱,甚至有過別地區的空氣是下沉的。當到達熱帶氣旋外圍,就是熱帶氣旋主要的氣流下沉區,因此那裡最常出現逆溫層現象。

附圖一:垂直氣流及高空流場一例

就以上描述我們可以知道,熱帶氣旋垂直中部的水平渦度是不明顯的,雖然中心附近亦為正渦度區域,但強度已遠較低層為弱,且範圍亦小,這特徵在成熟颱風中表現得更為明顯。

附圖二:垂直渦度分佈

接著我們討論高層情況。從低空上升的空氣到達高層後,由於再也不能上升,於是它們被逼輻散開去,而輻散的方式主要是呈負渦度狀態的,即北半球會以順時針反氣旋式的輻散。亦因此,熱帶氣旋頂部通常表現為一反氣旋或高氣壓狀態。不過,熱帶氣旋高層輻散場對比起低空輻合場來看就遠較為複雜,它很少表現為一完整反氣旋的風場結構,卻是和其他天氣系統相互作用,互相疊加;那些天氣系統包括熱帶對流層上部槽(TUTT)、高層反氣旋及西風槽。另外,發展快速或成熟的熱帶氣旋高空,常常會有一支或以上的急流(Outflow Jet)存在,集中地把空氣自颱風中心向外輸送。

附圖三:熱帶氣旋3D流場略圖
附圖四:熱帶氣旋水平流場隨高度的變化

綜合而言,熱帶氣旋主要的垂直環流位於其中心及外圍;低空輻合,中層中心上升,外圍下沉,高空輻散即In-Up-Out的次級環流 (Secondary Circulation )機制。而介乎中心至外圍間則有著過別對流的上升下沉活動存在,但此過別對流不影響低空輻合、高空輻散的主體配置。

另有一點特別地方,就是颱風風眼處,中高層為微弱的下沉氣流,這種氣流稱為補償氣流(Comprehensive flow),它是原自對流層頂空氣的微弱輻合,此下沉氣流到達風眼內中層之高度時,將會被眼牆的強上升氣流所挾而再度屈升,這將使眼牆處的對流層頂頂高增加。同時,風眼的補償氣流亦有助颱風中心的暖心結構加強(絕熱增溫的機制)。

 


•垂直溫度場分佈的特徵

熱帶氣旋為一暖心低壓系統,這特徵充份反映出熱帶氣旋的能量來源乃主要來自水氣凝結時的潛熱釋放;暖中心彷如飛機噴射引擎的內部的高溫和抽吸情況,就是增加大氣不穩定度,使低空空氣加速上升,對流層中低層持續降壓的二類條件性不穩定(CISK)發展機制。

在此,我們將以1999年的颶風弗諾伊德作討論例子,以下是由CIMSS微波掃瞄所製作出的垂直溫度分佈圖:

按此以放大圖片

從圖中所見,我們可知熱帶氣旋低層(500hPa以下高度)除了風眼內部外,大致均為冷溫情況,其中在眼牆處的800hPa高度均有冷心特徵,負距溫度達10攝氏度。熱帶氣旋的低空冷溫是由於太陽輻射加熱少,水氣充沛等原因所致。

500hPa至150hPa的中高層,均反映為暖溫特徵,而且可見最大暖中心區是位於熱帶氣旋中心中空的位置,即大約在350hPa處,該區正距溫度可達10攝氏度或以上。承前面所述,這強暖心結構乃由於空氣集中上升到凝結高度,當中的水氣凝結而釋出大量熱能所致。另外,在風眼內的補償氣流下沉也帶來絕熱增溫的加熱效果。

150hPa以上的高空,大致已轉回弱冷溫情況,廣泛地區有2攝氏度的負距平。這是由於空氣中水份所簣a的能量已大部份匯聚到其中空暖心當中,空氣去到高空進行輻散時,將會進一步流失流量,空氣膨脹而絕熱冷卻,氣溫亦較低。


•垂直雲系分佈

熱帶氣旋內部風眼牆及其中心組織乃由大量深厚的積雨雲所組成。至於其較外圍的環流則主要為層雲雲系,低空為雨層雲,中空則為高層雲,其伴隨較少的降水,雲隙間更不時有機會滲透陽光。熱帶氣旋最外圍則為一些小積雲,例如低空的碎積雲和中空的高積雲,它們並不屬於熱帶氣旋的雲系組織部份。在熱帶氣旋高空部份,盛行卷雲,它是由輻散氣流所引起的,因此又名輻散卷雲;在熱帶氣旋水平範圍中內部,多為卷層雲,而外部則為毛卷雲,當日落時,陽光斜射至毛卷雲時會因散射而形成紅霞的夕陽天色。

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