* Y: I9 J, m" _, V) u 原创 滕伟霖 石头科普工作室 2021-07-27
8 \: S1 {( F) t$ P( A) \7 E& _. b 任何事物都有自己的生命周期，台风也不例外。这期科普我们就来谈谈台风的诞生，成长，成熟和消亡。 0 z) }% k9 l7 t' w2 K% R; B, I4 r
01台风的诞生
" C3 \1 y. i% e! |0 O% g, z 台风，是诞生在西北太平洋的热带气旋的简称。热带气旋在全球的许多海域都可以产生，其中在东太平洋和北大西洋的叫飓风，在印度洋和南太平洋的叫旋风，在西北太平洋的叫台风。它们虽然名称不同，但生成、运作的机理是相同的，也就属于同一类型的天气系统。那么，热带气旋是怎么诞生的呢？ 2 _ x+ B. `; `$ Z$ U
图1 世界热带气旋责任海区分布图。诞生于区域IV的热带气旋称为台风。
! S3 G, T2 [. @5 \ 图2 1950-2018年各海区热带气旋轨迹图，可见台风的活动十分频繁，占据所有热带气旋中的重要地位。在广袤的热带海面上，海水经过阳光的暴晒，已经拥有了深厚的温暖水体。温暖的水面蒸发迅速，产生出大片湿润的水汽丰富的空气。这时，大气中发生一个扰动，可能是季风的吹拂，可能是热带大气的波动，可能是高空冷涡的影响，总之，暖湿空气开始向着一个中心运动。大量暖湿空气被扰动带来，堆积在中心，升腾到空中，因为高空温度较低，水蒸气遇冷凝结成小水滴。众所周知，水蒸气液化的过程是放热的，于是水蒸气在空中的液化，就加热了空气，使得空气变得更轻，也就更容易上升。上升气流越来越强，也就需要越来越多的空气从四面八方汇入，水汽便随之源源不断地汇入，更多的水汽凝结，也就释放更多的热量，促使上升气流变得更强。
$ T0 B W6 ~' J; f$ `2 G6 ?/ a 于是我们发现这里出现了一个正反馈调节：水汽凝结助长上升气流，上升气流带来更多水汽，更多水汽的凝结又产生更强的上升气流。随着循环的进行，上升气流越来越强，四周汇入的空气越来越多，受到地转偏向力的影响，汇入的空气开始绕中心旋转，当旋转的最大风速达到8级时，台风就诞生了。
h5 n' @( |2 Z& P2 R0 i {3 C a: d
5 [' D$ U9 V7 J; g G" L* h. \2 `; I( f . u c) P) ] m: ]" z
' e9 y4 V- e& ]- @" s7 C7 R
) W# ~' h2 a" _& c5 u
- _3 Q7 M7 } z7 U 图3 一个热带扰动发展为台风的过程云图，图源为向日葵-8号卫星红外增强云图，该台风名叫天鹅，后来在北京时间2020年11月1日登陆菲律宾，成为了21世纪登陆陆地的最强台风之一。从上面的论述我们可以看出，台风诞生的关键就是建立起水汽凝结和上升气流之间的正反馈调节（也叫台风的“发动机”），因此，我们也不难猜测，台风并不是在任何区域都可以生成的。在陆地上和较冷的海面上，因为没有足够的水汽，无法启动台风发动机，也就一般无法生成台风。在低空的风向和高空的风向差别很大的地区，台风的高低层被风吹“歪”了，台风发动机也随之变得畸形，高空的水汽凝结无法有效地引起低层上升气流汇入的增强，也就难以生成台风。另外，在纬度特别低的地区，由于没有足够的地转偏向力，汇入中心的气流无法旋转起来，台风也就退化成普通的对流云团，而不会酝酿更大的风暴。
/ N! h- g. y1 j+ k0 c 因此，台风生成的区域需要具备以下条件：温暖的海面，高空低空风向差别不大，纬度不能太低。 ( M9 d; n3 N, v" f, W2 V1 e
图4 高低层被“吹歪”的热带低压，右边的积云线显示出底层中心，而高层中心在左侧的深对流里。图源：向日葵-8号卫星可见光云图。02台风的成长
7 N6 M6 I% D+ T: W' {* t9 R& Z) Y 一个台风的加强过程会经历许多阶段，根据风速由小到大的不同，我们可以将其分为：热带风暴级、强热带风暴级、台风级、强台风级、超强台风级。风力依次增大。美国对于飓风有另外一种类似的分级方法，分别是热带风暴级、C1级、C2级、C3级、C4级、C5级。分级不同，目的却是相似的，即通过播报台风的级别，告诉人们台风强度的信息，以让人们做好心理和物质上的准备。 . g$ H& M% w% j0 ^& Z
图5 各种热带气旋分级方式。数据来源：中国气象局。那么，是否所有台风都会经历这些级别，从而到达最高级别呢？幸运地，答案是否定的。许多台风终其一生都呆在热带风暴级，有些台风缓慢地爬升到台风级，还有些台风稳步增强到超强台风级，甚至有台风连跳几级，在短短一天内冲上超强台风级。那么，约束和利于台风增强的因素有哪些呢？
- g. F, W# H) `$ Z/ _, j ) E3 m. U# D) g
4 C# Q( l+ g( l& _) M4 y
" G$ w: Y2 U/ t, R. Y 海洋热容量和海面温度 1 e2 e5 j# {3 M3 p
海面温度越高、海洋热容量越大，台风所能获得的能量就越多，对台风增强就越有利。如果台风滞留一处时间太长，把该处海温消耗殆尽，台风就会迅速减弱。 1 d; ~/ @: A, P& h% b
5 }' W" d' n) I; a0 d, o 图6 2018年台风潭美滞留前后对比图可见其对流衰弱、风眼变得不规则，颜值和强度一起也直线下滑。
1 b7 W+ x( |/ l# j4 ` D4 B9 Q 5 _) D0 v, j5 `, U( X! d
; Q3 a- b) n- M0 S
+ g/ s, S; s* t6 h) a* }0 B 高空流出条件 ) e3 y _) O5 q! q- V9 q& E( q+ N7 p) H
我们知道台风是把低层的空气抬升到高层，空气抬升上去之后，总要有地方去，所以空气向四面八方流走。如果四周的流出条件比较好，空气流出就顺畅，从而有利于更多暖湿空气的上升，有利于台风增强。
+ d* N- v' l8 a* L( o5 j6 [) p& D
# e5 G" I; k, B) C! T; ^5 j' h % ~/ `! i# W1 b
图7 良好的高空流出条件是2019年2月奇迹台风蝴蝶增强的法宝。图中台风北侧飘逸的“头发”，正是其高空水汽随西风槽流出而形成的针状云。从动图中我们可以看到气流在北侧高速流出。 4 `6 S+ g0 V- k N
6 ~# j! k' a Q: z% Z% _. o/ D5 K5 T3 M
- Q3 W1 L1 Q1 J5 ?7 [$ ?
7 B$ J; S/ M" X4 y- B 垂直风切变
, j5 q. C- B' c6 D 这个名词的意思就是上一节中提到的高层风向与底层风向的不一致。如果垂直风切变过大，台风的高低层分离，身首异处的台风当然不会强到哪里去。
6 m* Z8 R9 [3 q! U! ~& p 图8 图七所示台风一天后的样子。西风槽带来的垂直风切变使其身首异处，只留下一个底层环流中心苟延残喘，渐渐消亡。 4 J- c' T" l! n3 t3 ]$ i
z- |: F* V8 A/ `2 M
2 o! p; U) e' t1 `9 ^
! Z6 w4 {' T1 q" a% B& w0 V3 h( E+ z 水汽条件 - m% q( x. B' r9 u7 c" j$ d: y% L& J
台风的空气从低空的四面八方流入，如果周围的空气很干燥，那么台风就容易水汽不足，没有足够的水蒸气来凝结放热驱动“台风发动机”，也就难以快速增强。
9 c+ @$ U- m& T2 C* F 3 ~' p; J3 C* b* ^0 {1 W7 |9 f
图9 台风“梅花”卷入干空气导致其核心结构被破坏，强度大大减弱。图源：美国海军实验室。 l% a6 _ I& |% F9 g
0 C' Q! Q- f3 m! i \
9 m2 J/ g0 `! W( `( B( ]! V) p
整合速度 : L8 O9 [% K& e$ v* `3 @, F
有时候，台风在形成时并不只产生了一个中心。如果台风雏形有多个中心，那么快速整合是加强到较高强度的必要条件。否则，就会“兄弟阋于墙”，中心内战导致台风整体强度的萎靡。
* K# ~6 K: E& N# g r6 N( u& o! P2 u 图10 2017年台风兰恩：谁是大哥，谁是小弟？图源：向日葵-8号卫星红外云图。如果以上条件中的大多数都很良好，那么台风就有可能发展到超强台风级，成为一个真正成熟的台风。 ( m/ l; K+ p% e* Z9 Y
03台风的成熟
/ o9 u+ H& O( m 随着台风不断增强，台风螺旋运动导致的惯性离心力使得对流区域逐渐甩离中心，台风的中心反而风雨变小，甚至露出蓝天白云。这一在台风强大后，在台风中心出现的对流衰弱区域被称为台风眼。在太空中看，台风眼就像台风狂风暴雨的云团簇拥下的一只平静的眼睛。台风眼的形成是一个台风真正成熟的标志。 " d0 r% J' d# v% Z6 s6 R( G/ i
. e. F! l8 ~/ V. |, @
! S0 |9 n. ~4 @! D; j& x
9 F, [ ?- P# n1 V * L! |; u1 @. C
: c0 p- N/ Z' ?. ?- a
3 l9 e3 ~: @* a- f
& V, J5 `1 u. {
2 r$ ^6 g" p* h 图11 成熟台风的台风眼与环流。台风眼是台风气压最低的区域，从台风眼向外，首先映入眼帘的是一堵高速旋转的云墙，这就是台风的眼墙（或称眼壁），这里是台风风速最大的区域。眼壁向外，有一片近似圆形的区域，那里对流旺盛，且被眼壁积雨云的云顶覆盖，这里被称为中心密集云区（CDO）。再向外，台风伸展出一条条的螺旋雨带，越向外，风雨越小。在台风的最外围区域，受到台风外围下沉气流的影响，往往晴空万里，酷热难耐，这种台风导致的高温天气被人们形象地称为“吃下沉”。
- l' l: R! C- n( S5 p 图12 成熟台风台风眼以外的结构。如何判断一个台风的强度呢？根据德沃夏克热带气旋分析法，台风的强度主要考察两个因素：CDO云顶的温度和风眼的温度。如果CDO代表极其低温（一般低于零下六十度）的色阶成环且宽度足够，同时风眼温度达到较高温度（一般零度以上），可以说台风已经达到了极强的强度。
) H9 d4 h3 b& j2 d3 f) ]! ? 图13 图3中的台风烟花登陆前的状态。其CDO的云顶温度冷却到了接近-90℃，同时风眼由于强烈的下沉气流，云顶温度达到20℃。110℃的温差，巨大的能量浓缩在百公里的尺度内，展现着自然的极端暴力之美。
" Y: o0 X5 t8 F* C* f2 C 台风成熟以后，经常会进行一个被称为眼壁置换的过程。成熟的台风就像是一个巨大的抽水机，将四面八方涌来的水汽吸入眼壁，抬升到高空再吹向四方。但是，总有一些水汽没等到达眼壁就提前上升激发强对流了。如果提前上升的水汽激发的强对流区围绕着眼壁形成了一个圆，台风便形成了“大眼套小眼”的双眼墙结构。出现双眼墙结构后，由于能量渐趋分散，台风会有一定程度的减弱，直到内眼在外眼的水汽隔绝下逐渐消失，外眼成为唯一的眼墙，台风才会重新加强。需要指出的是，不是所有的台风都能够眼壁置换成功，如果失败，台风就难以达到很高的强度。
+ M1 Q, P' Z- a 图14 台风“利奇马”登陆前呈现“双眼皮”状态。若不是这种结构导致台风减弱，浙江将蒙受更大的损失。 , R7 N: r0 {; K8 ~2 s v8 B
04台风的消亡
% x5 h4 T# K; Z8 X$ @) I! c9 \ 万事万物有开始就有终结。台风的结局又是怎样的呢？
; z( I. y' B3 q. o5 Q* I% U( _ 多种多样。有的台风登入陆地，在地形摩擦和水汽隔绝下渐渐消失；有的台风闯入温带，在锋面的作用下变性为温带气旋；有的台风不慎跌入垂直风切变的陷阱，被拦腰斩断迅速消亡；有的台风一头扎进冰冷的水域，发动机渐渐熄火抛锚……
: ?5 t& t9 r! V2 [ 4 y `% x2 f0 }* g$ T8 l
, F, s5 j& \' p 图15：2018年台风山竹登陆菲律宾，结构被破坏。一般的台风从生成到消亡有几天的生命周期，在这几天里，它们聚集能量，展露锋芒，裹挟狂风巨浪，最终悄然消亡。当然也有长寿的台风，比如2017年的台风奥鹿，在其它台风的牵扯下，徘徊了18天才登陆日本消亡殆尽。它中间经历了曲折坎坷，峰回路转的生命历程，有兴趣的朋友可以去看一下它的云图视频，感受台风带给我们的生命的力量。
0 ]$ {# N4 n+ U 图16：台风奥鹿曲折的一生。(来源：b站)最后，可能有人要问了，台风是灾害，你怎么描述得这么有爱。其实，这是片面的理解。台风对于人类，是利大于弊的存在。虽然台风会给登陆地带来风毁，带来不必要的暴雨洪涝等，但它还承担着平衡地球气候的重任。如果没有台风，温带会更加干旱、冰冷，而热带则会是一片蒸笼下的泽国。有时候，剧烈的现象之所以发生，是因为这是避免更剧烈的现象发生的手段。台风看似暴烈，实则维护着更深的和谐。 3 w9 G* j+ V: N2 k
9 C8 f! ]8 z& Y( ?
END
7 W: z6 S1 F/ C, U5 U+ Z
! `8 ?4 _% b5 U; a1 E3 t( c3 i7 m, m 石头档案·作者 PROFILE % I+ R/ i7 h% x7 T: K5 `
滕伟霖 . {/ }& p/ U" e
中科院紫金山天文台硕士研究生， 专业太阳物理，爱好气象与热带气旋
1 Y4 c* o6 t2 {- Y3 s 石头DR.STONE工作室科普 ! G0 l! B- C" m0 N( L/ M4 i f
撰稿：滕伟霖 " }6 O! [- p( h7 c4 V. A, f: R
美编：可然 后期：江陵
! a+ c8 Q* N4 o0 A- S6 o DR.STONE · 致力于地球和空间科学科普
$ a8 T$ U. a [; u! T( a7 u 转载请注明出处 + d2 i8 J7 T6 g& ~( ^( l
' A$ l9 j) B( [/ G! V+ X [7 e9 r
5 q$ f7 O6 Z2 a. d | 
