台风形成理论的研究 分析台风形成的原因是什么

导语：台风的形成离不开特定的环境条件，一般来说，广阔的热带海洋洋面为台风提供了充足的热能和水汽，在这些洋面上，当低层大气中的水汽凝结时，会释放出大量的潜热，这些热量进一步加热了低层空气，使得空气上升并产生对流，这种对流过程为台风的形成提供了必要的动力，接下来就一起去看看分析台风形成的原因是什么吧!

台风形成理论的研究

台风

长期以来人们提出了不少有关台风形成的学说和理论，这些学说并不能完全说明台风发生发展的情况。这与历史条件和观测条件有关系。台风学说或理论，应满足三个方面的要求：第一，台风发生发展所要求的主要条件以及这些条件间的相互关系都应得到阐明;第二，理论本身涉及的各种过程从物理上应该是合理的，定量上尽可能与实际一致;第三，基本上与事实要符合，能解释主要的观测事实。

在早期的台风理论和学说中，没有一个能满足上面三点要求。台风形成的学说或理论中，要回答许多问题，例如，为什么台风只能发生在特定的地区和季节?而个别台风的发生为什么又没有规律、间断出现呢?是什么物理机制促使弱的低压扰动发展成台风?为什么台风的中心地面气压会不断降低?台风的激烈的垂直和水平环流如何维持和加速?台风的能量怎样维持平衡?……。早年的一些学说多半以某些观测事实和经验为根据，从不同方面来说明台风的形成。由于当时热带地区资料不足，这些学说不免有片面性，但是每一种学说都从不同方面抓住了一些重要事实和问题，这对后来新的理论的提出有一定的启示。最早的学说是“对流学说”或“凝结学说”。在热带海洋上某一季节，在离赤道较远的地区，有一大群雷暴和暴雨区发生。由于辐合作用在地面产生气旋性环流，最后生成台风。这个学说的根据是在台风发生时，都伴有激烈的暴雨现象。

但是这两者并不一一对应。热带暴雨不一定都发生在低压环流中，反之有剧烈降雨的低压也不一定都发展成台风，所以只用对流机制不能说明台风的形成。对流学说的主要缺点在于不能解释地面气压的下降。只有辐合作用，只能造成地面气压上升，而不是下降。为了使地面气压下降，高空必须有比地面辐合更强大的辐散机制。但是对流学说看到了积雨云对于台风形成的重要作用，这一点很重要，它成为近代台风发生理论的一个主要依据。后来有人把挪威学派的极锋理论用于南北半球两支信风相汇处的辐合带上，认为这种界面与锋面相似(叫赤道锋),有温度的不连续(南低北高)。在这种斜压界面上由切变不稳定可造成台风的发生。这个学说提出切变不稳定是台风发生的主要机制，这比对流学说进了一步。

但是把极锋理论搬用于热带并不符合实际情况。在热带赤道锋两边的温差很小，并且有一些台风是发生在离开赤道锋比较远的信风区内。此外，锋面学说也不能说明地面气压下降的原因。在30年代，从锋面学说发展而来的三气团交点学说在这方面有了改进。Rodewald[38利用Scherhag的辐散学说，考虑了高空辐散对地面气压的下降作了说明。后来的观测也证明在气流的三交点上确实最易发生扰动，其中有些扰动后来发展成台风。这种情况尤以西太平洋为多见。但是这种学说只是说明了台风发生的一种情况。还有人提出“反流学说”,认为大部分台风是发生在方向相反的信风过渡带，即方向相反的气流能使台风发生，也能使台风发展和加强。

这种学说很适于说明季风区台风的发生情况，因为在这个地区台风经常发生在两支相反气流(偏东信风和西南季风)形成的赤道槽中。在早年的热带气旋理论中，最困难的问题在于说明台风最初是怎样形成的。这种启动机制可以在低空，也可以在高空。早期人们多限于注意低空的情况，后来把注意力转到高空。如果在高层有一种机制，能把低层辐合的空气迅速地排除出去，就可促使台风很快发展起来。在这方面Sawyerl³9曾提出动力或惯性不稳定机制，企图说明这个问题。Sawyer认为，如果在一个初生的热带涡旋上空出现负绝对涡度，运动是动力不稳定的，这时高空一旦有向外的运动分量，在动力不稳定机制作用下，会使这种向外流出迅速增强，从而使地面气压下降。按照这种理论台风的发生以高空作用为主。

后来不少人讨论了这种动力不稳定性的可能性。这个机制要求在热带气旋发生之前高空需存在负绝对涡度，这并没有得到观测事实的证实。观测和理论分析表明，负绝对涡度的出现常常是台风发展后产生的结果，而不是开始就有的一种外加条件。Syōno指出，在大气中很难观测到负绝对涡度。即使有，也是很快破坏。Syōno认为这种不稳定性并不充分，他认为还必须考虑垂直方向的热力不稳定性。Syōno在考虑动力和热力两种不稳定统一作用下求解了完整的方程组，推得了台风发生发展的一些判据。Riehl[40在过去工作的基础上，结合在大西洋和太平洋热带分析中得到的经验提出了台风发生的热机学说。Riehl把台风看作一部热机。

要使台风这部热机运转需要有五个方面的条件：

(1)要有能源。台风形成的能源主要来自水汽凝结时的潜热;

(2)要有启动机制。它的作用是触发台风这部热机开始运动，把潜热能转变成感热能。要有一定的风场条件作为启动机制;

(3)建立垂直环流。由启动机制造成上升运动，上升气流中的水汽凝结释放潜热，加热高层空气，使高层空气向外流出，结果造成地面气压下降，并且在低层引起补偿的流入气流，周围的空气则发生下沉，这样就建立起台风中的垂直环流;

(4)连接机制。在科里奥利力和离心力作用下，使径向动能转变为切向动能，加强气流的水平旋转运动;

(5)冷却机制。在高空，风必须将中心附近上升的高温空气吹散，这样才能维持垂直环流。Riehl指出，有两种情况可以作为启动机制：一是已经存在于热带海洋上的热带扰动;一是高空辐散。观测事实表明，台风不是自发产生的，都是从一个原有的气旋性环流开始发展起来的。在这种环流的启动下，积云开始发展，释放潜热，高空流出，然后再配合其它条件，逐渐发展成台风。什么样的气压形势可以产生高空辐散呢?Riehl指出，如果东风带和西风带槽脊出现同相叠加，可使东西方向的气压梯度急增。如果原来的气流处于梯度平衡中，由于叠加后的气压梯度会增加，这时不再保持梯度风平衡，使气流穿越等高线，具有从高压流向低压的分速，结果在偏北气流下游的右侧产生辐散，左侧产生辐合。

如果地面扰动处于高空辐散区下方，可使其气压下降，形成垂直环流，并发展成台风。在台风中心空气沿湿绝热上升，它比周围温度高。这种高温气流在高空向外流出，并在台风外围下沉，在下沉过程中按干绝热增暖。到达地面时，空气温度比风暴中心温度高，这会使垂直环流停止，所以还要求有高空强的气流把台风上空的高温空气带走，不直接成为台风周围的垂直环流。这种机制叫冷却机制。Riehl的台风发生发展理论比起早年其它一些学说合理些，他给出了台风形成的物理图象。Richl的学说能够说明不少观测事实。

但Riehl的理论还不全面。这个理论完全是描述性的，没有作定量的计算，例如由Riehl提出的高空辐散机制是否足够大能够启动低空扰动，必须有定量判据才行。另外这种辐散场是外加的一种条件，还是由动力原因造成，这也不清楚。根据近代的理论，这种高空辐散是否必要还值得怀疑。由于Riehl理论能说明许多事实，它得到很多气象工作者的支持。就是在今天，Riehl理论中的一些观点仍具有重要的参考价值。李宪之[4曾提出台风生成的综合学说。他认为台风的生成要有三个必要条件：含有大量潜能的大规模潮湿不稳定空气;足够强大的外力;相当强的涡度。另外还要加一些有利条件，如动力不稳定、较静止的空气，高温洋面等，这样台风就可以生成。李宪之特别强调，南半球冷空气爆发侵入北半球，可以作为一种强大的外力启动台风发生，这与一些台风形成的观测事实是一致的1.2)。

后来又得到卫星观测的进一步证实。但是这种情况也只是台风生成的一种情况，有些发生在信风带内，甚至热带辐合区中的台风在生成时并不与另一半球冷空气爆发有关。1961年Yanai⁴2-44]根据西太平洋一个台风(1958年7月)Doris的发生发展过程详细的天气学分析，提出了东风波发展成台风的理论模式。虽然这个理论模式只是根据一次东风波扰动发展成台风的过程得到的，但它包含的基本演变过程特征和物理机制是有代表性的，也适合其它种类扰动的发展。在Yanai以前，虽然已经了解到暖心结构的建立是台风形成的关键，但对暖心建立的实际过程知道得不多。Yanai第一次分析台风暖心结构建立和演变过程。他发现潜热释放不是由大尺度运动造成，而是由小尺度对流造成。而且他把台风的运动分成热带气旋本身的运动和热带气旋内部积云运动，并用参数化方法讨论了两者的相互作用。

东风波阶段：在开始，东风波具有大量涡度，并有天气区配合。上升运动区出现在波轴以东，可造成深厚湿层。在这个区域的上方(图6.17a)是一片低温区。再向东，高空200毫巴上有一个强大的反气旋，气流向四周辐散很清楚。在高空反气旋笼罩下的东风波是有利于发展成台风的。在这个阶段，上升运动区是出现在东风波的冷空气部位，动能的释放不能由位能转换取得，需要寻找维持动能的其它能源。这或者由于外界气压力做功，或者由基本东风气流提供动能。Yanai认为，东风气流的水平切变把基本气流的动能转换成扰动的动能以维持扰动的动能。增暖阶段：在24小时以后，低空的东风波加强，出现弱的涡旋环流,同时高空出现增暖，这是由于凝结潜热释放的结果。在台风暖中心形成过程中有两个明显的特点：第一，增暖过程非常缓慢;第二，暖中心的结构最初在300—400毫巴气层内形成，然后增暖现象向下扩展。

由于加热的结果，高空的反气旋也加强，其位置现直接位于地面扰动的上方。台风从一个冷心的扰动转变成暖心的扰动是台风形成中最重要的阶段。对于上述加热特点，不容易直接用简单的浮力不稳定概念来说明，因为浮力作用所引起的加热是从下面开始的。此外凝结潜热的释放能对垂直运动有反馈作用，这也会使东风波的性质发生突然的变化，但观测情况并不如此。所以潜热的释放不能与大尺度垂直运动联系，而是与小尺度的积云对流有关。必需把运动分成两部分，热带扰动本身的运动和扰动内部积云运动。这两种尺度的运动是相互作用的。Yanai用参数化的方法讨论了积云对流对扰动的加热作用，所得到的结果可以定性地解释增暖过程。

发展阶段：由积云对流释放和向上的热输送过程慢慢积累愈多，对流层上部的平均温度便会明显增大，最后导致暖心结构完全建立。这时地面气压便会降低。但在初期中心气压降低并不大。为使台风达到观测到的中心气压和风速，必须经过一段强烈的发展时期。在Doris台风暖心结构完全建立后，中心气压开始激烈下降，最后才发展成壮年的热带气旋。Yanai用斜压涡旋惯性不稳定来解释这种突然的发展。在台风中暖心形成后，出现明显的径向温度梯度，尤其在对流层上层。又由于高空反气旋的加强，使负绝对涡度区出现和加大，这些条件有利于惯性不稳定发生。一旦出现这种不稳定，水平环流和垂直环流会进一步加速，使得短时期内扰动发生激烈的变化。在这个过程中，反气旋作用与台风环流本身发展结果有关，这和Riehl的看法不完全相同。

Riehl认为叠加在低空扰动之上的高空辐散场是由一定的环境流场引起的，它一开始就存在，是启动台风发展的主要机制。Yanai的模式强调了低层大尺度辐合和积云对流加热是台风发展的重要原因，在这一点与第二类条件不稳定机制是一致的。后来Yanai又分析了加勒比海地区一个东风波扰动发展成飓风的过程43.得到了类似的结果。但是关于斜压涡旋的惯性不稳定机制并没有得到进一步的肯定。有人指出，由Yanai提出的这种斜压不稳定导致的台风突然开始发展从理论上是不可能的。Yanai和其它人的分析结果都表明，在台风的形成过程中有两个明显的特点。初期台风变化缓慢，地面中心气压慢慢降低，风力逐渐加大，高空暖心缓慢加强，这是积云-天气尺度扰动环流相互作用的结果。可以用第二类条件不稳定机制说明这种缓慢的变化。这个时期可经历2天左右的时间。

以后是激烈发展时期，中心气压迅速降低，常常在10毫巴/12小时以上，有时可见到30毫巴/12小时的下降率。最大风力明显加大，很快达到台风风力。这种情况难以用第二类条件不稳定机制说明，因为在这种机制作用下气压的降低是积云和气旋环流间相互作用多次循环的结果，不具有突然变化的特征。除了第二类条件不稳定机制以外，还必须有某种动力或惯性不稳定机制才能达到这一结果。如果这种不稳定发生时，引起高空气流以比以前更快的速度加速向外流出，可导致地面气压的迅速下降。这种动力不稳定可以是第二类条件不稳定机制发展的结果，因为它在高空产生越来越明显的反气旋环流。在这种不稳定机制作用下，以后台风出现一系列重要的特征：螺旋雨带、不对称的流出和眼区等。因而把第二类条件不稳定机制和动力不稳定机制结合起来，从理论上可以更合理的说明台风的形成过程。

台风

据此可以把一个台风连续的形成过程分成四个阶段146:扰动阶段、增暖阶段、加深阶段和成熟阶段。前两个阶段是缓慢变化时期，后两个阶段是激烈变化时期。分别给出各个阶段台风流入层、流出层和垂直环流三个主要方面的特征。扰动阶段：在热带洋面，开始时有一个弱低压系统。由于低空出现辐合，发生积云对流，云系常呈一定的组织性，有时则表现为大面积云团。积云对流，尤其是塔状积雨云向上不断输送潜热和感热，在高空引起增温，使对流层上部的温度缓慢上升，并使对流层上部的等压面抬高。气流开始从该区向外流出。地面中心气压开始降低，中心气压降低又使低层湿空气流入增强，积云对流进一步发展。增暖阶段：在第二类条件不稳定机制作用下，流入加强，积云旺盛发展，组织程度明显，中心开始出现小面积的浓密云区。相应涡旋不断发展，气旋性环流增强。

在垂直切变小的情况下，热量不断积累，造成明显的暖心。以后增暖中心向下，向外扩展。高空反气旋流出更加明显，范围扩大，可看到向外辐散的卷云线。另外，在低空气旋性环流加强后，通过积云对流的输送，将气旋性涡度带到高空，使得在对流层上部眼区附近产生气旋性涡旋。其周围是向外辐散的高压环，由此不断向外有径向流出。以后随着气旋性环流的进一步加强，上升气流在高层角动量守恒下从暖心大量向外辐散。在辐散气流内部，没有凝结加热的直接作用。在高空，在台风内部开始出现下沉运动，这是台风眼出现的先兆。加深阶段：在台风内部，凝结加热造成的力管场愈来愈强。垂直环流更强，更有规则，主要集中在台风中心周围的环状地区。

在气旋内部，从低层上升的空气具有愈来愈强的气旋性环流，这使在对流层上层流出层中气旋性环流的范围向外扩大。在中心区下沉运动向低层扩展，并引起绝热增暖。相应眼区向下扩展。由于台风中心地区垂直运动增强，高大积雨云迅速增长，增多，形成范围较大的中心浓密云区，并有卷云罩覆盖。眼区位于浓密云区中间部分。这时由于高层反气旋明显发展，可以满足某种动力或惯性不稳定条件。可能在这种不稳定机制作用下，空气的质量加速向外辐散流出，使中心地面气压迅速降低，台风很快加深。

在眼区周围上升的湿润云区空气与眼区之间开始出现乱流质量交换。成熟阶段：垂直质量环流、潜热释放和动能制造都达到最大值。最强上升运动区、最大风区明显缩小，包围眼区成为台风壁。来自周围饱和区中的空气通过乱流混合进入眼区，产生下沉运动，这要求高空有辐合，低层有辐散。高空流出层出现明显的不对称性。螺旋雨带等一些台风的重要特征都很快出现。最后当动能制造与消耗之间、总能量和角动量收支都达到平衡时，台风不再加强，维持稳态。

分析台风形成的原因是什么

在大洋洋面上，夏季炙热的阳光烘烤着水面，水温升到了26.5摄氏度，即便是在海面以下60米深处，水温都应在这个数值左右。巨大的水汽蒸发，裹挟着能量进入空气中，继续上升着。由于大量的空气上升，这里就形成了低压中心，由于气压外高内低，那么外界的空气裹挟着水汽就会涌入低压中心，这样的空气流动就形成了风。

由于地球的自转，会产生地球自转偏向力，它会使得空气流动风向改变，由于这种力的影响，风不会径直流向低压中心，它会沿着低压中心按照逆时针的方向旋转着流向低压中心，在北半球是逆时针，在南半球则是顺时针。这样就形成了一个热带低压涡旋，在这个热带低压涡旋内部，温度高的湿空气继续上升，水汽上升到高层，由于那里温度低，会凝结释放出巨大的凝结潜热，这些能量就是台风得以变大变强的原因。

从高空中看，台风是一个旋转的云盘，从中心向外依次是风眼区、云墙区、旋转雨带区。台风眼区是一个很奇特的区域，这里天气良好，没有大风大浪，风眼呈椭圆或圆形。在云墙区，这里的天气最狂暴，大风大雨集中在这个区域里，越过云墙区，在旋转雨带区，风雨就减弱许多了。

台风也有一定的好处，除了前文提到的缓解旱情以外，还可以起到平衡地球温度的作用，台风可以促进大气运动，把赤道附近热带、亚热带地区过剩的热量带走，防止赤道附近温度过高，台风就像是一个输送热量的载体，平衡着地球的温度，在地球生态系统中发挥着重要作用，是不可或缺的。