颱風是如何形成的?為什麼是渦旋形狀?

2021-01-19 李永樂老師


每到夏季,沿海地區經常會受到颱風侵襲。颱風在海洋上可以造成滔天巨浪,而一旦登陸,又會造成巨大的財產損失甚至人員傷亡。環太平洋國家如美國、日本、韓國、中國、菲律賓、泰國等國家,每年都在為預報颱風和減少颱風損失做許多工作。

                 

颱風為什麼都在海洋上生成?颱風為什麼是渦旋形狀的?颱風是如何命名的?今天就帶著大家一起了解一下吧!


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颱風在海洋上形成,在西太平洋地區形成的就叫颱風,在東太平洋和大西洋形成的就叫颶風,但是它們本質並沒有區別。氣象學的問題往往都很複雜,人們還沒有完全搞清楚颱風的成因,但是科學家們基本統一的認識是:颱風的形成需要兩個條件——水汽和熱量。


在夏季的海洋上,陽光強烈的照射會使得海水升溫,造成海水大量蒸發。水面附近的水蒸氣溫度較高,受熱膨脹之後就會上升,形成上升氣流。在水汽上升的過程中,環境溫度逐漸下降,水蒸氣就會液化,形成雲和雨。同時,高空處溫度較低的空氣會下降,形成對流。如果僅僅是這樣,不過就是夏天常見的對流雨,還沒有形成颱風。

對流雨的形成


如果陽光的照射特別強烈,在海平面附近的空氣會急劇上升,海平面附近就會形成一個低氣壓區;周圍的空氣氣壓較高,就產生了氣壓梯度力,把空氣從周圍推向低氣壓區,形成風。


周圍高氣壓區空氣向低氣壓區流動

 

當這個風的速度達到10.8m/s,人們就叫它熱帶低氣壓;風速達到17.2m/s,人們就叫它熱帶風暴;風速達到24.5m/s,就稱為強熱帶風暴;如果風速達到32.7m/s就稱為颱風。超強颱風的風速可以達到50m/s以上,所到之處一片狼藉,是與地震比肩的嚴重自然災害。

 

颱風一般都是渦旋狀的,而且北半球的颱風都是逆時針渦旋,南半球的颱風都是順時針渦旋,這又是什麼原因呢?


首先,我們需要了解一種力:科裡奧利力,也叫做地轉偏向力。大家來看這樣一個模型:

旋轉盤子上小車在運動


有一個盤子,正繞著軸線逆時針轉動,一輛汽車正在盤子中間沿著一條半徑OA的方向運動。假如盤子不轉動,車不需要任何外力,就可以憑藉慣性運動到A點;但是由於盤子的轉動,如果車子不受外力,它就會在盤子上滑動。在盤子上的觀察者看來,車子走的不是直線OA,而是一條曲線OB。


盤子上的人看來小球軌跡是曲線

站在盤子上的人說:這輛車向右偏轉了,一定是受到了一個向右的力,是誰給了小車力呢?其實並沒有,小車看起來受力,只是因為小車在一個旋轉的盤子上運動。人們把這種效果等效為一個虛擬力——科裡奧利力。它是1835年,法國氣象學家和工程師科裡奧利提出的。

科裡奧利


科裡奧利力本身並不存在,只是因為參考系發生了旋轉,人們就會感覺到物體受到這樣一個力。


小車受到的科裡奧利力與盤子的旋轉角速度ω有關。角速度ω用來描述盤子轉動的情況,它的方向用右手螺旋定則判定:右手四指順著盤子轉動的方向握拳,大拇指的方向就是角速度的方向。在本例中,盤子的角速度方向向上。


角速度方向用右手定則判定


科裡奧利力還與小車在盤子上的運動速度v有關,它的方向是速度叉乘角速度的方向。叉乘是一種數學運算,它的方向依然是右手定則:右手四指首先指向速度v的方向,再轉向角速度ω的方向握拳,則大拇指的方向就是科裡奧利力的方向。

小車受到科裡奧利力的方向


如果你伸出右手稍微嘗試一下,就會發現:無論小車在盤子上如何運動,它受到的科裡奧利力總是指向它的右側。所以,盤子上的觀察者會感覺到小車在運動過程中向右側偏轉。


由於地球是在繞地軸自西向東轉動,角速度方向就是從南極指向北極的。按照我們剛才介紹的科裡奧利力方向,如果物體在北半球運動,無論物體的速度方向向哪裡,它所受到的科裡奧利力都會指向他運動方向的右側。



這種力會造成北半球的河流向右側侵蝕,信風從南風、北風轉向為西南風、東北風。大家不妨再按照下面的圖檢查一下:右手四指先指向速度v的方向,再轉向角速度ω的方向握拳,看看大拇指——科裡奧利力的方向是不是在速度v的右側。


現在我們就可以解釋颱風為什麼是渦旋形狀的了。在颱風形成時,周圍高壓區域的空氣會向低壓區流動,形成風。在北半球,風在科裡奧利力的作用下會向右偏,於是會形成逆時針的漩渦。

北半球檯風渦旋


如果在南半球,情況就會相反,科裡奧利力向左。於是會形成順時針的漩渦。你能區分下面四個颱風,哪些是北半球的,哪些是南半球的嗎?


南半球和北半球的颱風


如果在赤道上,科裡奧利力的方向是垂直於地面向上的,不會造成向左或者向右的偏轉,是不會形成颱風的。


颱風過境,往往是暴風驟雨。但是颱風中心有一個颱風眼,在颱風眼裡無風無雨,這又是為什麼呢?


我們首先要知道:當某個地區存在上升氣流的時候,由于越往高處溫度越低,水蒸氣會液化,就會成雲降雨。但是如果某地區存在下沉氣流,由于越靠近地面溫度越高,一般不會有降雨。


颱風牆和颱風眼


在颱風中心形成低氣壓後,外側高壓空氣會向內補充。有些空氣在向低氣壓中心運動的過程中會被抬升,水蒸氣液化,從而成雲降雨,這樣的區域就會形成雲牆。降雨後,高空的空氣被迫向其他地方流動,一部分空氣就會在雲牆之間下降到海面上。由於氣流下降的時候環境溫度越來越溫暖,空氣中的水蒸氣不會液化,所以這些區域不會降雨。


在靠近颱風中心的部位,高壓區過來的空氣會在這裡成螺旋狀的上升,雲牆最厚,風雨最猛烈。這些氣流上升到空中後,被迫從颱風正中央的部位下降,所以颱風正中央的部位就形成了無風無雨的颱風眼。

 

我們經常聽到颱風的名字:山竹、天鴿、利奇馬,這些名字都是怎麼來的呢?


世界氣象組織在1997年於香港召開了會議,決定從2000年開始使用一套命名颱風的方法:製作一張140個名字的颱風命名表,由亞太地區受颱風影響的11個成員國和3個地區命名,每個國家或地區可以命名十個颱風。颱風來了之後,按照這個命名表一個一個取名,用完之後就從第一個名字開始循環使用。

颱風名單


颱風的名字一般比較溫柔,以期待它的破壞力小一些。一旦某個颱風造成了巨大的破壞,它的名字就會從表中退役,人們會起一個新的名字代替它,而原有的名字就特指那次超強颱風。例如颱風「榴槤」在2006年造成了1497人死亡而退役,接替它的就是「山竹」。而山竹在去年又造成了133人死亡的巨大災難,如今也面臨退役的局面。


但願利奇馬不要造成太大破壞,這樣它就不會被人類除名了。



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