讲义-第11章--台风.pdf

1、 第 11 章 台风 1第十一章 台风 台风是具有超过 32.7 m sP -1 P（12 级以上）的持续的大风的气旋涡旋，是一种暖性低压，形成 于西北太平洋洋面。同种类型的风暴在世界不同地区有不同的叫法：在北大西洋和东北太平洋 叫飓风，在印度和澳大利亚叫气旋。 根据国际规定，所有生自热带水域的飓风型风暴通称为热带气旋。台风是热带气旋“家属” 中强度级别最高的一种天气系统。 11.1 剖析台风 从卫星云图上可以看到许多台风的典型结构。在天气图上以系统最外围近似圆形的等压线 为准，风暴直径一般为 6001000 km，最小只有 100 km，但最大的可达 2000 km。在中心近似 圆形的晴空少

2、云区是它的眼区（台风眼，或台风中心） ，眼的直径一般为 1060 km。在眼区， 相对来说天空少云，风平浪静，有时晴朗无云显示为圆形的黑色区域。环绕眼区，云排成螺旋 带（称为螺旋雨带） ，朝台风中心旋转。表面风逆时针向里吹向中心，风速增加。眼区外围的一 圈环状的云区称为云墙或眼壁（eyewall） ，是绕台风中心的强雷暴环带，并向上伸展到海平面以 上将近 15 km 的高度。最猛烈的天气现象（风和暴雨）发生在靠近台风眼的眼壁内侧。因此， 台风是由台风眼、台风眼壁和外围的螺旋雨带组成。 台风是由有组织的雷暴群组成的，雷暴是台风环流的一个有机部分。在表面附近，热带潮 湿空气吹向台风中心。在眼的附近

3、，这些空气上升并凝结生成巨大的雷暴，产生大雨。在雷暴 的顶部附近，失去了太多的水汽的相对干的空气，开始吹离中心。这些高层辐散的空气，从眼 区顺时针（反气旋）向外吹达数百公里。当气流达到风暴外围时，开始下沉和加热，导致晴朗 天气。在眼壁的强雷暴区，大量潜热释放并加热大气，使高层气压轻微升高，导致了在眼区空 气下沉。当空气下沉时，压缩加热增温。说明风暴中心是暖空气（暖心结构）和少雷暴的情况。 从台风风场看，台风低空风场的水平结构大致可以分为三部分：从外到里，是台风外圈， 台风中圈和台风内圈。台风外圈到台风中圈的最大风速带约数百公里，风力平均可达 15 m sP -1 P， 相当于 7 级风，向内风

4、速急剧增加，出现较大的降水。台风中圈出现最强烈的风雨，高耸的云 墙，平均宽度可达 20 km，风速达到最大值。台风内圈即台风眼区，风速迅速减小或静风，眼区 大小形状常多变。风场的垂直结构也大致可以分为三层，分别是流入层、中层和流出层。流入 层从地面向高空延伸大约 3 公里，在这一层，气流由四周向中间呈气旋性辐合流入（也就是逆 时针旋转流入） 。中层从 3 公里高度延伸到大约 10 公里高度，这里的气流主要是旋转的，流入 或流出的量很小。在中层以上到台风顶部，是流出层，气流在这里向外辐散。从台风眼到大约 200km的范围内，气流呈气旋性流出（逆时针旋转流出） ，在这个范围以外，呈反气旋性流出（顺

5、 时针旋转流出） 。 11.2 形成源地和条件 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 211.2.1 热带天气 环形绕地球称为热带的区域，即在赤道附近南北纬 23.5 度的区域，天气与中纬度有很大的 差异。因为热带一年温暖，温度的日变化和季节变化很小，天气也就没有四季的特征。热带季 节的差异主要表现在降水上，可分为干湿季节。当赤道辐合带（ITCZ）移到这一区域时，云和 降水增多。在干季，降水是不规则的，一段时间大雨会持续几天，可能紧随其后的是极端干旱 的一段时间。热带风一般从东、东北或东南吹来。热带海平面气压变化也很小。 在热带海域这样的天气中，太阳辐射对海面加

6、热强烈，海面温度升高，海水蒸发，使水面 的空气不稳定产生上升运动，因此可产生雷暴，周围空气从四面八方汇聚。由于地转偏向力的 作用，这些汇聚的空气就成了逆时针转动的涡旋了，有时候，涡旋就会加强成长为台风。 热带辐合带（ITCZ）是一个低压带，赤道信风向这里辐合。有时候，当沿 ITCZ 形成一个 波动时，一个低压区就会发展起来并加强为台风。有时候，从高纬度移到热带的锋面上产生的 低压系统也可发展为台风。 此外，因为热带区域海平面气压变化非常小，在天气图上画等压线提供的信息很少。描绘 气流的运动的流线可以代替等压线，它们可以显示表面空气在哪里辐合和辐散。有时，流线被 赤道弱低压槽影响成为热带波或东风

7、波。其波长约 2500m，以 2040 km hP -1 P的速度从东向西运 动。在槽东边，东南信风使气流辐合上升产生雷暴和阵雨。有时候，东风波中辐合区加强会成 长为台风。 11.2.2 台风形成的必要条件 台风形成的必要条件至少必须有 4个方面。 (1) 台风形成首先要求存在一个初始扰动，最常见的初始扰动场的就是辐合气流形成的涡 旋、热带辐合带中的波动和东风波等。这些热带弱涡旋中心部位，气压低于周围地区，配合高 层冷空气，于是涡旋周围湿空气流向中心并因为大气不稳定上升凝结，释放大量凝结潜热，提 供了涡旋继续增强的能源动力。 (2) 台风形成需要暖性洋面。台风内部气体分子之间的运动摩擦会消耗巨

8、大的能量，必须靠 广阔热带海洋上释放的潜热来提供。另外，台风中心气压低，导致中心水面上涌翻腾（类似涌 升流） ，可影响表面之下 60m深处，因而需要洋面以下约 60m厚度的海水温度在 26.5以上。 (3) 科氏力效应有利于气旋性涡旋的生成。因为赤道附近科氏力小，因而一般在赤道附近南 北纬各 5 度之内，观测不到台风。 (4) 整个对流层风的垂直切变要小。对流层风速垂直切变的大小，决定着一个初始热带扰 动中分散的对流释放的潜热能否集中在一个有限的空间之内。如果垂直切变小，上下层空气相 对运动很小，则凝结释放的潜热始终加热一个有限范围内的气柱，使之很快增暖形成暖心结构， 初始涡旋能迅速发展形成台

9、风。反之，如果上下切变大，潜热将被很快输送出扰动区的上空， 不能形成暖心结构，也不可能形成台风。 上述条件仅仅是必要条件，不是充分条件，在热带洋面上，满足以上条件的时间和海域很 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 3 多，相比较而言，台风发生得很少。 11.3 生命史 11.3.1 台风发展和消亡 台风形成过程中，按照中心附近地面最大风速，经历不同的时期。按照国际规定，从初始 扰动形成开始，有轻微风环流的雷暴群称为热带低压（tropical depression），最大风速10.817.1 m sP -1 P（67级）。当风速增加到17.224.4 m sP

10、-1 P（89级），并且在地面图上中心周围有几条 等压线时，热带低压变成热带风暴（tropical storm） 。当等压线密集，且最大风速24.532.6 m s -1 （1011级），热带风暴变成强热带风暴（severe tropical storm） 。当风速超过32.7 m sP -1 P（12级 以上）时，强热带风暴变为台风（typhoon） 。 P P 上述的从热带扰动起始发展到台风风力达12级的这段时间，就是台风的形成阶段。随后是 台风的加深阶段，即台风继续加深，一直到中心气压达到最低，风力等级出现最大的这段时间。 在这之后的一段时间内，中心气压不再加深，台风中心附近等压线密集的

11、范围扩大，台风风力 大于12级的范围也在扩大，这段时间是台风的维持（或成熟）阶段。在维持一段时间后，台风 开始了它的衰亡阶段，台风因不同的原因逐渐减弱为强热带风暴、热带风暴和热带低压直至消 亡。 如果台风停留在暖水面上，它如同一个漂浮的旋转的软木塞，可以维持很长时间。但是， 大多数台风持续时间短于一周。大多数台风是在海上消失的。台风在海上消失的原因很多，其 中有的是通过冷水区和失去供热源而逐渐减弱并消失；有的是由于台风移入强盛的副热带高压 范围之内，下沉气流破坏了台风的环流，因而台风减弱消失；有的是因为有强冷空气从台风北 部侵入，导致台风减弱填塞。有些台风北移进入西风带后，如有冷空气从台风西北

12、部侵入，则 台风有可能演变成温带锋面气旋。台风登陆后也会消失。台风登陆后，由于能量来源枯竭，加 之地面摩擦辐合作用增强，使低层空气质量的辐合大大超过高层的辐散，导致中心气压上升， 因而台风减弱消失。 根据以上台风的生命历程，可按其强度进行台风分级。台风强度一般以其中心海平面最低 气压和中心海面最大风速为依据，但有时专指中心海平面最低气压，或者中心海面最大风速。 美国根据萨菲尔和辛普森（Saffir和Simpson）的研究制订热带气旋等级，以中心海平面最低气压 为标准分级，同时给出了中心海面最大风速和台风带来的风暴潮高度的具体数值。 T我国从2006年5月15日起执行新的国家标准热带气旋等级 ，

13、增加了“强台风”和“超强 台风”两个等级。见表11.1。 T表11.1 中国热带气旋按风力等级的划分 T级别 T英文简写 低层中心附近最大平均风速T/m sP -1 P（风力等级） T热带低压 TTD T10.8TT17.1（6TT7级） T热带风暴 TTS T17.2TT24.4（8TT9级） 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 4 T强热带风暴 TSTS T24.5TT32.6（10TT11级） T台风 TTY T32.7TT36.9（12级） ，37.0TT41.4（13级） T强台风 TSTY T41.5TT46.1（14级） ，46.2TT50.9（

14、15级） T超强台风 TSUPERTY T51.0TT56.0（16级） ，TT56.1（17级） 我国台湾地区对台风形成和发展过程中的不同阶段的热带气旋有不同的命名，分为热带低 压、轻度台风、中度台风和强烈台风。其中轻度台风包括热带风暴和强热带风暴，中度台风包 括表11.2中的台风和强台风，强烈台风即超强台风。 11.3.2 台风路径 我国主要受西北太平洋形成的台风影响，这些台风受东风驾御，并以大约 5 m sP -1 P的速度， 在一周左右向西或西北方向移动。有时它们绕副热带高压向极地方向旋转，当它们移到足够北 时，被西风气流捕获，使它们弯曲向北方或东北方移动。在中纬度，台风前进速度一般增

15、加， 有时超过 20 m sP -1 P。台风的实际路径（由风暴的结构和风暴与环境的相互作用决定）变化显著。 正常情况下，台风移动路径平滑、稳定。但少数台风移动路径曲折多变，有停滞、打转，突然 转向，移速突然变化，路径飘移不定等多种形式。这些奇怪的路径、并有不确定的转向，让预 报人员感到诧异，例如：一个台风向陆地前进时，有时会忽然转向离去，使陆地区域免受某种 灾难。 影响我国的台风有3种路径： 西移路径。台风从菲律宾以东一直向偏西方向移动，经南海在华南沿海、海南岛或越南一 带登陆。它对我国华南沿海地区影响很大。 西北路径。台风从菲律宾以东向西北偏西方向移动，在我国台湾、福建一带登陆；或从菲 律

16、宾以东向西北方向移动，穿过琉球群岛，在浙江一带登陆。台风登陆后在我国消失。它对我 国华东地区影响较大。 转向路径。台风从菲律宾以东向西北方向移动，到达我国东部海面或在我国沿海地面登陆， 然后转向东北方向移去，路径呈抛物线状，对我国东部沿海地区及日本影响最大。 11.3.3 台风命名 台风是一个强烈的热带气旋。它好比水中的漩涡一样，是在热带洋面上绕着自己的中心急 速旋转同时又向前移动的空气漩涡。在移动时像陀螺那样，人们有时把它比作“空气陀螺”。由于 台风影响时常常伴有狂风暴雨，气象上给它取了一个与普通大风不同的名字台风。 T事实上，我国古代的史书和地方志中就有很多有关飓风和台风的描述。飓风一词也

17、在我国 古代文献中出现较早，南朝刘宋时期沈怀远在南越志中记载： “熙安多飓风。飓者，其四方 之风也，一曰惧风，言怖惧也，常以六七月兴。 ”其中的飓风即台风。在岭表录中记载“夏 秋之间，有晕如虹，谓之飓母，必有飓风” ，是最早关于台风天气预测的记载。 因此在我国人们已经很早注意到台风或飓风，只是没有给予适当的编号或命名。后来当风 力等级确立后，人们才开始对风力达 8 级以上的热带风暴、强热带风暴及台风给予编号或命名。 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 5 早期的命名不统一。在亚洲，长期以来，对于同一个台风，不同的国家有自己不同的命名， 因此造成混乱。从 200

18、0 年 1 月 1 日起，西北太平洋和南海热带气旋采用新的命名方法。这是由 1998 年 12 月在菲律宾马尼拉举行的台风委员会第 31 届委员会决定的，由包括柬埔寨、中国、 朝鲜、中国香港、中国澳门、日本、老挝、马来西亚、密克罗尼西亚联邦、菲律宾、韩国、泰 国、美国和越南在内的 14 个成员国各起具有地方特色的名字 10 个组成命名表，循环使用，这 些名字都有统一的中文译名或英文译名，以便于西北太平洋沿岸地区使用。 11.4 形成理论 从前面分析可知，无组织的雷暴群要发展为一个台风，高低层条件必须密切配合。当所有 表面条件看起来适合台风生成时（如暖水、潮湿空气和辐合风等） ，如果高空的天气条

19、件不适合， 风暴也就发展不起来。如副高空气下沉加热产生逆温（信风逆温） ，当逆温强的时候，可抑制雷 暴和台风的形成。当高空风强的时候，破坏了对流组织形态并使热量疏散，台风也不能形成。 对于台风的形成，虽然经过近百年的探索，科学界还没有完全达成共识。对于台风形成的 理论，最典型的和有代表性的是对流理论（也称为第二类条件不稳定理论，简称 CISK 理论）和 热机理论。 11.4.1 对流理论 对流理论认为，台风形成时，雷暴必须变得有组织，以便驱动系统的潜热能够被限制在一 个有限的区域内。如果沿 ITCZ或沿东风波，雷暴组织起来，而且信风逆温弱，那么台风诞生的 舞台就可建立。如果高层空气不稳定，台风

20、发展的可能性就会加强。这种不稳定可由从中纬度 移向风暴区的高空冷槽引起。一旦这种形势建立，积雨云会快速发展并生长成巨大的雷暴云。 虽然高层空气开始冷，但由于凝结过程释放的巨大潜热被迅速加热。当这股冷空气变成较 暖的空气时，雷暴上部产生高压区。高层空气开始向外运动，远离发展的雷暴区。高层空气辐 散伴随气层加热，使得表面气压下降，形成一个小的表面低压区。表面空气开始反时针旋转， 并吹向低压区。当向里运动时，它的速度增加（角动量守恒） 。风使海面变粗糙，增加了运动空 气的摩擦阻力。这种增加的摩擦力导致气流辐合，并在风暴中心周围的空气上升。 上升的空气，从波浪起伏的洋面携带更多的水汽和热量，供给雷暴更

21、多燃料并释放更多热 量，这样导致表面气压降低更多。中心附近低压产生较大摩擦，导致辐合加强和更多的上升空 气。上升空气产生更多的雷暴，释放更多的热量，使表面气压降的更低，风也更强。这样一个 正反馈的连锁反应机制建立了，即空气上升导致中心气压降低，中心气压降低导致更多的空气 上升，反复直到一个成熟的台风诞生。 只要高层流出多于地面流入，风暴就会加强，表面气压就会降低。由于系统内，气压受向 上伸展的暖空气控制，风暴只会加强到一定程度。控制因子是水温和潜热释放。因此，当风暴 完全成熟后，它将耗尽所有可供的能量，空气温度不再上升，气压将不再降低。当中心附近辐 合空气超过顶部流出时，表面气压开始增加，风暴

22、逐渐消失。 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 6 对流理论突出了积云对流的作用，抓住了水汽凝结释放潜热是台风发展的主要能源这一本 质，因此它对热带气旋的发展过程做出了较为合理的解释。但是，对于低层原先存在的低压扰 动是如何发生的，该理论没有给出解释，这是一个需要进一步研究的问题。 11.4.2 热机理论 热机从高温端TR 1 R吸收热量，转变为功，在低温端TR 2 R放热。做功效率以卡诺（Carnot，1796 1832，法国）效率 表示为 2 1 1 T T h=- ( 1 1.4 .1) 热机理论认为，台风系统象一个热机，它从海面吸收热量，转变为台风发展

23、需要的功（动 能或风） ，然后在台风顶部通过辐射冷却放热。从(11.4.1)式，台风形成发展所需的能量取决于两 个温度，即海面和顶部的绝对温度，台风的最大强度也是由洋面和云顶的温度差异决定的。洋 面越暖，台风的最低气压就越低，而且风就越大。 在台风中，旋转涡旋从海面带感热和潜热进入上面空气中。水越暖、风越大，传输的感热 和潜热就越多。因为，当空气向风暴中心运动时，靠近眼壁时风速增加，传输能量的速率增大。 同样，大风导致蒸发率提高，传输效率也会增加。 在眼壁附近，暖湿空气上升，水汽凝结形成云。云中潜热的释放，导致眼壁区域气温比远 离风暴中心同样高度处的气温高许多。这种形势导致高层水平气压梯度，促

24、使空气向外运动， 以积雨云的云砧形式吹离风暴中心。在风暴顶部，云向太空辐射红外能量。因此，在台风中， 热量从海洋表面带来，转化为动能或风，在顶部通过辐射冷却散失。 11.5 台风灾害和预警 11.5.1 台风灾害 台风的灾害，主要表现在大风、风暴潮、暴雨、洪水、龙卷风和下击暴流等诸方面。当这 些方面一起作用时，会带来极其严重的台风灾害，给人类的生命财产、生活和生产，以及国家 经济发展带来严重损失。 台风的大风，风力等级超过 12 级，能够毁坏结构不坚固的建筑或可移动的房屋。当影响我 国的台风从东而来时，最大风速在它的北边（极地方向） ，台风北边经过的地方破坏性最强。原 因是推动台风运动的风在北

25、边要加到台风的旋转风上，而在南边（赤道方向）要从旋转风中扣 除。同样的原因也可用于向其它方向移动的台风。 台风向东海岸移动时，有一个指向海岸的海水传输。当风吹过开阔水域时，水表面下的也 要运动。如果我们假设表层水分为若干层，我们知道在北半球，每层水向上层的右边运动，这 种水随高度的运动称为埃克曼螺线，导致表面风右边的水的传输称为埃克曼传输。因此，台风 西侧的北风导致向海岸方向的埃克曼传输，海岸地区被海水迅速淹没。 台风的大风也引起巨浪，有时高达 10 到 15 m。这些浪从风暴向外移动，以涌浪的形式把风 2008年北京大学通选课课讲义 李万彪：大气概论 第 11 章 台风 2008年北京大学通

26、选课课讲义 李万彪：大气概论 7 暴的能量传向远处的海滩。因此，台风到达数天前，就可以感到风暴的效应。 虽然台风的大风造成巨大灾害，但巨大的水波、狂浪和洪水会引起更大的破坏。洪水是由 于风把水推到岸上，风暴的低压也助长了洪水。低压区使海表面上升形成高水位，一般气压下 降 1 hPa，海平面可上升约 1 cm。这样在台风中，形成一个巨大的圆形的风暴涌，通常有 50 100 km宽，它横扫台风登陆的沿海海岸。风暴涌、大风和向海岸的艾克曼传输，产生风暴潮（由 于剧烈的大气扰动，如强风和气压骤变导致海水异常升降，使受其影响的海区的潮位大大地超 过平常潮位的现象） ，可使海平面上升数米，淹没低海拔地区和

27、摧毁海边的建筑物。当它们伴随 正常的高潮汐时，风暴潮则特别具有破坏性。 台风的暴雨也是台风带来的灾害之一。台风本身带有充沛的水汽，特别是在在台风眼周围 的眼壁区，更是有暴雨和特大暴雨。螺旋雨带，会带来台风外围的阵雨。此外，如果台风与周 围的天气系统结合，如西风带的高空槽、冷锋等相遇结合，会造成大范围的降雨。台风暴雨往 往可使一些地区河水猛涨，山洪爆发，引起水库漫溢、甚至坍塌等，造成严重的洪水灾害。 台风中也会产生龙卷，眼壁周围的大雷暴也会产生下击暴流，在地面可以观测到细长条的 严重灾害，加大了台风的危害性。这种细长条的灾害究竟是龙卷还是下击暴流引起，仍在讨论 中。 11.5.2 台风预警 借助

28、船舶报告、卫星、雷达、浮标和勘测飞机的帮助，台风的位置和强度都可获得，台风 的运动路径能被仔细监测，甚至台风未来的变化也能预先确定。当西太平洋台风向我国移来， 并预计在未来 23 天后对华东、华南沿海有阵风 8 级的影响时，气象部门要发布台风消息。当 台风继续向我国沿海靠近，预计 36 小时内将对华东、华南沿海某地区有阵风 8 级的影响时，发 布台风警报。台风在未来 24 小时前后对我国沿海有严重影响，风力在 10 级以上时，就要发布 台风紧急警报。随台风警报时间的缩短，台风袭击某一地区的可能性加大。当地居民也保证有 充足的时间，做好预防准备；有必要的话，最好撤出这一区域。 我国从 2004

29、年 8 也起，在台风来临前发布有 4种预警信号。 发布蓝色预警信号是指，24 小时内可能受热带低压影响，平均风力可达 6 级以上，或阵风 7 级以上；或者已经受热带低压影响，平均风力为 67 级，或阵风 78级并可能持续。其物状 是电线呼啸有声，行人迎风行走感觉不便。 发布黄色预警信号是指，24 小时内可能受热带风暴影响，平均风力可达 8 级以上，或阵风 9 级以上；或者已经受热带风暴影响，平均风力为 89 级，或阵风 910 级并可能持续。此时 小树枝可能折断、房瓦掀起，行人行走阻力很大。 发布橙色预警信号是指， 12 小时内可能受强热带风暴影响，平均风力可达 10 级以上，或阵 风 11 级以上；或者已经受强热带风暴影响，平均风力为 1011 级，或阵风 1112级并可能持 续。此时树木可被摧倒，出行危险性很大。 发布红色预警信号是指，6 小时内可能受台风影响，平均风力可达 12 级以上；或者已经受 台风影响，平均风力已达 12 级以上，并可能持续。大树可被摧倒。