熱帶氣旋強度研究

--熱帶氣旋的發展條件--

一個熱帶擾動能否成功發展為熱帶氣旋,主要取決於大氣環境的有利與否。

有利熱帶擾動發展的外在因素可由各種天氣系統間相互影響而達成,它們強化了起始熱帶擾動的一些已存在因素,例如水平風切 ( 低空輻合 ),高空輻散和水溫上升等等。一旦環境適合,熱帶氣旋亦會建立及維持其本身的自我加強模式,亦即二類條件性不穩定的正反饋機制,從而使熱帶氣旋更快速地發展。

外在因素

1. 高空輻散

高空輻散的重要性在於維持熱帶氣旋內部的氣流上升活動,這點已在熱帶氣旋垂直結構的部份內討論過。在這裡,我們將討論什麼天氣形勢造就出良好的高空輻散環境。

所謂輻散,我們在流線或風場圖上,可以從流線或風的散匯而推測得到。當流線有散開的形態時,我們就說該區有輻散。而另外,氣流的加速亦可引致輻散,這點特別容易見於氣壓梯度增加的區域或噴射氣流之附近。 ( 附圖 - 輻合輻散之概念模式 )

在熱帶及副熱帶的對流層高層,我們主要看到的天氣系統包括高層反氣旋西風槽高空冷心低氣壓。熱帶氣旋初生成及發展中期主要受副高層反氣旋及高空冷心低氣壓影響,其中受前者影響是較長時間的,而後者則較短暫。當熱帶氣旋開始轉向及逐漸轉化為溫帶氣旋時,西風槽就會直接影響熱帶氣旋的高空輻散。

 

•高層反氣旋

高層反氣旋可以是副熱帶高氣壓的高層部份,也可以是青藏高氣壓。通常,高層反氣旋中心,即脊線附近就有最佳的輻散,而另一方面,高層反氣旋之西北側也可以因為配合西風槽而出現較佳的輻散。但高層反氣旋南側伴隨旺盛東風的區域就是輻合區,亦即輻散不佳。至於東南象限,則視乎情況而定可能出現較佳或較差的輻散。

•西風槽

西風槽對熱帶氣旋的輻散通常都是正面影響的,亦即加強其輻散。這是因為,當熱帶氣旋受到西風槽影響時,都通常是熱帶氣旋移至西風槽槽前,受西南氣流導引而轉向,而西風槽前之氣流明顯加速正大大加強熱帶氣旋高空北部之北流輻散。


•高空冷心低氣壓 / 熱帶對流層上部槽

高空冷心低氣壓/熱帶對流層上部槽可算是生命期較短且移動較快的天氣系統,因此它對熱帶氣旋的輻散影響可謂變化多端。通常,冷心低壓的南至東南部為輻散區域,而西部及中心附近則為輻合。至於槽方面,則較視乎槽的走向而不同,一般而言,亦是槽前(槽前進的方向為前)輻散,槽後輻合。

右面兩圖為夏季亞洲近對流層頂之兩個典型流場型勢,當中顯示高層反氣旋、西風槽和熱帶對流層上部槽附近輻散、輻合之分佈型態。

圖內 DIV 代表輻散區,CON 代表輻合區。

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2. 低空輻合

有利的低空輻合即在於大尺度之天氣系統為熱帶氣旋帶來更明顯的水平風切,或所謂的空氣流入。低空輻合對熱帶氣旋發展的幫助不僅是低層正渦度之加強,且更在於大範圍高溫高濕的水氣向熱帶氣旋內部集中輸送。

加強熱帶氣旋低空輻合的系統主要是副熱帶高氣壓和季風氣流,當中又以季風之作用最為重要。另外,特殊的地型亦可為熱帶氣旋帶來短期之輻合加強。

•副熱帶高氣壓

當副熱帶高氣壓斷裂,而熱帶氣旋移至此缺口當中,熱帶氣旋即位於鞍型場當中而得到相當的輻合。由於這時熱帶氣旋東西甚至北側都可能有高壓勢力,因此空氣可以說是從該三個方向均勻地流入,這是最易發展出環流對稱的強勁颱風。

•季風作用

夏季西南季風和副熱帶高氣壓南側東風輻合構成活躍季風槽,熱帶氣旋在其中享有絕佳之輻合,特別在於其南部至東部。季風旺盛的水氣輸送表現於熱帶氣旋集中於一側的強烈螺旋雲帶。在副熱帶高氣壓的適當配置下,熱帶氣旋在季風支援下會發展得相當龐大,表現
季風渦旋的形態。

冬季東北季風也可對熱帶氣旋帶來低空輻合的幫助,特別是南中國海上之熱帶氣旋。東北風自熱帶氣旋北至東北象限流入,因力矩原理也可加強系統整體渦度。可是過強之東北季風可能伴隨乾冷空氣,這些空氣明顯對熱帶氣旋之暖心結構造成負面影響,因此可能超過輻
合所帶來之好處而得不償失,最後還是引致熱帶氣旋減弱。

內在因素

二類條件性不穩定 CISK

熱帶氣旋就像一個發電廠,它以水中所儲存的熱作為燃料,並通過二類條件性不穩定機制轉化為熱帶氣旋的動能,這些動能主要以風的形式表現出來,而風又再一次帶來水氣這種燃料,從而繼續維持這個自我增強機制。

再明確一點描述,就是以下的流程:

空氣在低層輻合 -> 空氣抬升 -> 空氣中之水氣遇冷凝結而放出熱
-> 高空大氣更暖 -> 大氣垂直不穩定度增加 -> 低層空氣進一步上升
-> 空氣低層輻合加強

從以上細節我們可以見到,在垂直風切變微弱、不受地型影響、高空輻散不受干擾、低空輻合不受干擾等四個大前提下,熱帶氣旋理論上可以無限制增強。但事實上,環境上仍會有一些因素決定一個熱帶氣旋可發展的極限,這些因素我們將會在下一章論述。

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