熱帶氣旋強度研究

--發展限制及減弱--

颱風是大氣和海洋上多重條件良好配合下所產生的大型旋渦,除了本身有內在因素限制其無限增強外,亦有很多外在的環境因素,只要其中一些條件不利,颱風的強度都會大打折扣。

內在因素:

  1. 科氏力因素:對中尺度的颱風而言,如果不考慮地面摩擦力(它使風速減小,進而使偏向力減小),則颱風是在氣壓梯度力(-1/ρ)(δp/δn),地轉偏向力(2ωv sinψ)及離心力(v2/R)三力平衡下所吹的氣旋型梯度風,即(-1/ρ)(δp/δn)=(2ωv sinψ)+(v2/R)。其中氣壓梯度力(-1/ρ)(δp/δn)可理解為熱帶氣旋的風力,而右式中的(2ωv sinψ)+(v2/R)則為地球自轉速度、緯度和地球半徑等有極限的數值,這意味著熱帶氣旋的風力在不同的緯度都會有其不同的上限。

  2. 眼牆置換過程:眼牆置換過程當中,外層眼牆首先建立,熱帶氣旋整體風圈擴大並因角動量守恆而風力減弱。同時,外眼牆會中斷供應到內層眼牆的水氣,因此,內外眼牆間會呈現一個乾區,而內眼牆就因失去水氣供應而漸漸減弱,內眼隨之填塞;之後,外眼牆場便會取代成為熱帶氣旋的主眼牆,風圈隨之再漸漸收窄,風眼變得清晰,此後,熱帶氣旋再度增強,而完成一個置換過程。因此,眼牆置換過程所引致的減弱通常都只是暫時性的。

外在因素:

  1. 藕合 (低層輻合和高層輻散): 這正是 「熱帶氣旋發展條件」中低層輻合、高層輻散所提到的不利因素。如高層反氣旋西南象限有輻合下沉氣流、副熱帶高壓旺盛時南面東風強而不利低層輻合等等。

  2. 強垂直風切變: 對流不能持續發展或集中在風暴中心附近發展,使二類條件性不穩定 (CISK) 不能有效進行。 在東亞,一般導致強垂直風切變的原因包括
    • 有另一些中尺度或以上的氣旋靠近
    • 高空西風槽
    • 南亞高壓

  3. 海平面溫度: 水溫代表能供應給熱帶氣旋進行二類條件性不穩定 (CISK) 的能量來源,海水溫度低過攝氏 26.5 度更加是不利熱帶氣旋的生成。 導致水溫不足的原因包括
    • 熱帶氣旋在同一位置滯留過久,翻起海平面30米以下較涼海水,熱量在CISK中消耗,使海面水溫下降。
    • 進入秋季或冬季,或較高緯度的地區,海面吸受的輻射減少,水溫也較低。

  4. 地型影響: 地型對熱帶氣旋強度所構成的衝擊可分幾方面討論

    • 一、摩擦力削弱風力: 地面比海面較為粗糙不平,風吹過地面時受到較大的摩擦力影響,便會減速。另一方面,近風暴中心的超梯度風不能再維持,即中心附近的低層輻合顯著增加,當超過高層的氣流輻散時,低壓變開始填塞,風暴中心氣壓上升,二類條件性不穩定(CISK)也會逐漸減弱。

    • 二、山脈破壞環流結構:氣流沿山坡爬升,會產生與熱帶氣旋風場結構不一致的擾動或湍流;而雲團沿山坡爬升時也會導致地型雨,使能量無法集於風暴中心處釋放,削弱CISK機制。(參考例子:2008年超級颱風薔薇掠過台灣北部時,從風場掃瞄及多普勒雷達看台灣中央山脈對風暴環流結構的影響)

    • 三、水氣供應切斷:陸上空氣中的水氣較海洋上少,氣流若經過陸地流向熱帶氣旋中心,則向該區供應的水氣亦相應減少,同樣削弱CISK機制。

    在南中國海,有兩類型走向的熱帶氣旋,華南地型對熱帶氣旋強度的影響也有不同的表現:

    • 一、從巴斯海峽進入的熱帶氣旋
      乾空氣從中國大陸入侵風暴北半圓的情況相當普遍和明顯,常引致熱帶氣旋北半圓對流明顯減弱,風圈縮少,雙眼牆甚至低層環流中心外露。這是因為這種途徑的熱帶氣旋常常在東西向深厚副熱帶高氣壓的引導下移動,在高壓強大的情況下,南海及太平洋越赤道西南季風轉弱,風暴起初可能在季風槽下形成,水氣充足,捲成大型熱帶氣旋,但後來卻受高氣壓帶來的東北氣流影響,又加上風暴風場大而覆蓋廣泛大陸,使較內陸的乾燥空氣也引進到風暴內部。
      (例子參見:颱風尤特回顧)

    • 二、橫過菲律賓中部/南部向西北移動 或 在南海形成北移的熱帶氣旋
      這類熱帶氣旋靠近華南沿岸時的地型影響較少,有部份在快將登陸時甚至會呈增強之勢及達至最大強度,而登陸後強度亦會維持較長時間及為華南帶來較多降雨。這是因為這種途徑的熱帶氣旋常常在東南-西北向,甚至是東退中、南北向的副熱帶高氣壓引導下移動,這型態的高壓有利南海及太平洋越赤道西南季風活動,風暴有充足的水氣供應,即使熱帶氣旋北面環流可能首先登陸,但南半圓仍有豐富的水氣補充,維持其CISK機制。有時,南半圓雨帶北捲登陸時,因摩擦所加強的低層輻合更促進對流和暴雨活動,所以有在登陸前反而增強的例子。
      (例子參見香港天文台技術文件 Reprint 352 RECORD-BREAKING RAIN IN TYPHOON SAM (9910) : OBSERVATIONAL AND MODELING STUDY)

  5. 鋒面影響: 鋒面一般伴隨的是斜壓的垂直大氣、冷平流、乾平流和強垂直風切變。斜壓會改變熱帶氣旋的垂直旋升結構,當熱帶氣旋與鋒面結合,它會逐漸轉化為溫帶氣旋。而冷平流、乾平流和強垂直風切變則如前所述,在潛熱減少、水氣減少與釋出潛熱不集中等三方面削弱熱帶氣旋的CISK機制,最終使其減弱。

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