热带气旋会给所经之地带来狂风、暴雨,海上伴有巨浪和海洋上混合层、温跃层(密跃层)的剧烈变化,局地海表温度的冷却,沿岸风暴潮等。热带气旋不仅影响热带天气和海洋,还常常侵入中纬度海域,影响范围大,严重威胁经济社会和人民生命安全。
热带气旋的空间范围通常以系统最外围近似圆形的闭合等压线直径长度表示,一般为600~1000千米,最大的可达2000千米,最小的只有100千米甚至更小。
不同地区对热带气旋有不同的称呼。西北太平洋沿岸的中国、韩国、日本、越南、菲律宾等地,习惯上称当地的风力达到12级及以上的热带气旋为“台风”(Typhoon)。而北大西洋、东北太平洋、南太平洋140°W以西等地区则习惯称为飓风(Hurricane),北印度洋和南印度洋地区惯用“气旋风暴”(cyclonic storm)称呼风力达到8级及以上的热带气旋。
1989年世界气象组织规定,以热带气旋中心附近10分钟平均最大风力作为热带气旋强度分级的标准(表1)。
表1 热带气旋强度的分级标准名称 | 代号 | 近中心最大风力等级 | 风速 |
热带低压 | TD(tropical depression) | 6~7级 | 22~33节 |
热带风暴 | TS(tropical storm) | 8~9级 | 34~47节 |
强热带风暴 | STS(severe tropical storm) | 10~11级 | 48~63节 |
台风 | T(typhoon) | ≥12级 | ≥64节 |
※1kn=1海里/时≈0.5144m/s |
世界各国和有关国际组织对于热带气旋分级标准和名称并不相同,表2列出了世界上几个主要国家和国际组织关于热带气旋的分类等级标准,中国采用的是2006年6月15日实施的国家标准《热带气旋等级》(GB/T 19201-2006),中心附近最大平均风速是指热带气旋底层中心附近2分钟平均的最大风速。
表2 几个国家关于热带气旋的分类等级标准国家、地区气象机构 | 热带气旋等级名称 | 中心附近最大风速 | 风力 |
中国国家气象局 (NMC) | 热带低压TD (tropical depression) | 10.8~17.1 m/s | 6~7级 |
热带风暴TS (tropical storm) | 17.2~24.4 m/s | 8~9级 |
强热带风暴STS (severe tropical storm) | 24.5~32.6 m/s | 10~11级 |
台风TY(typhoon) | 32.7~41.4 m/s | 12~13级 |
强台风STY (severe typhoon) | 41.5~50.9 m/s | 14~15级 |
超强台风 super TY (super typhoon) | ≥51.0 m/s | ≥16级 |
日本气象厅 (JMA) | 热带低压TD (tropical depression) | 22~33 kn | 6~7级 |
热带风暴TS (tropical storm) | 34~47 kn | 8~9级 |
强热带风暴STS (severe tropical storm) | 48~63 kn | 10~11级 |
台风T (typhoon,强度“强”) | 64~80 kn | 12~13级 |
台风T (typhoon,强度“非常地强”) | 81~102 kn | 14~15级 |
台风 T(typhoon,强度“猛烈”) | ≥103 kn | ≥16级 |
美国国家大气与海洋管理局 (NOAA) | 热带低压TD (tropical depression) | ≤33 kn | 6~7级 |
热带风暴TS (tropical storm) | 34~63 kn | 8~11级 |
一级飓风 (category 1, 简写CAT.1) | 64~82 kn | 12~13级 |
二级飓风(CAT.2) | 83~95 kn | 14~15级 |
三级飓风(CAT.3) | 96~113 kn | 16~17级 |
四级飓风(CAT.4) | 114~135 kn |
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五级飓风(CAT.5) | >135 kn |
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印度气象局 (IMD) | 低气压(depression) | 17~27 kn | 5~6级 |
深低压(deep depression) | 28~33 kn | 7级 |
气旋性风暴 (cyclonic storm) | 34~47 kn | 8~9级 |
强气旋性风暴 (severe cyclonic storm) | 48~63 kn | 10~11级 |
强气旋性风暴伴有飓风核心 (severe cyclonic storm with hurricane storm) | ≥64 kn | ≥12级 |
※表中不同国家风速所取的平均时间不同,中国:2分钟平均;日本:10分钟平均;美国:1分钟平均;印度:3分钟平均。 |
国际上,气象学者们比较一致地认为,热带风暴等级及以上的热带气旋的形成须有以下四个必要条件。
广阔的高温洋面不断向低层大气输送热量和水汽,使低层大气的层结稳定度大大降低,这种不稳定的暖湿空气一旦得到初始扰动的外力抬升,其中的水汽便凝结,释放的大量凝结潜热会促使扰动对流的发展,使空气块湿绝热上升,造成从地面到十几千米高度的温度都比四周空气暖,从而保证台风暖心结构的形成,并使暖心结构和垂直环流得以维持。实测资料表明,26~27℃的海温是热带气旋形成的第一临界温度,低于这一临界温度,热带气旋不可能发生,29~30℃是第二临界温度,达到这一临界值的海域,热带气旋发生、发展的概率最大。
热带气旋发展成为台风,需要大气低层有持续不断的质量、动量和水汽的输入,低层初始扰动的存在提供了动力条件。若大气低层初始扰动区域有较强的辐合气流,同时在300或200百帕高空有较强的辐散气流(北半球辐散气流顺时针方向旋转,南半球逆时针旋转),且高空辐散气流超过低层辐合气流,则造成对流活动不断发生,有利于积云对流增热的不断积累,致使暖心形成和地面气压不断降低。这种初始扰动多源于热带辐合带和东风波,热带辐合带中的涡旋发展成的台风约占总数的85%,东风波发展起来的约占15%。
地球自转偏向力有利于气旋性涡旋的产生,只有在足够大的地转偏向力作用下,低层的辐合气流才能由径向风速转变为切向风速,逐渐形成北半球沿逆时针方向、南半球沿顺时针方向旋转的大气涡旋,并随着低层大气辐合的加强、气旋性旋转的风力迅速增加而达到台风的强度。在初始风速很小的情况下,地转偏向力大小取决于地转参数(
)的大小。在赤道上地转参数为零,赤道两侧5°以内地区地转参数非常小,所以这些地区即使有热带扰动存在,也易被辐合气流所填塞而无法形成强的水平涡旋。只有在离赤道5°以外的地区,热带扰动才有得以加强发展成台风的有利条件。
对流层风速垂直切变的大小反映对流层中风随高度的变化情况。对流层风速垂直切变小,说明风速随高度变化不大,对于同一个空气柱而言通风不良,水汽凝结释放的潜热不易流散,可始终加热同一个有限范围的空气柱,利于形成台风的暖心结构,从而促使台风形成。如果对流层中风速垂直切变大,则通风良好,潜热会迅速向外流散,则暖心结构很难形成,则热带扰动不易发展成为台风。例如在孟加拉湾和阿拉伯海,盛夏低空盛行强西南季风,高层有强东风存在,风的垂直切变较大,因而那里的台风发生数很少;但在春秋两季,风速垂直切变小,台风发生数相应增多。南大西洋和东南太平洋热带气旋极少,对流层风速垂直切变大可能也是原因之一。
热带气旋的生命史是指热带气旋自发生、发展到最后消亡的全过程。对于中心风力≥12级的强热带气旋(台风)来说,其生命史通常可分为如下四个阶段。
由最初形成低压环流到中心附近最大风力达到6级(或中心气压达到1000百帕)的阶段。在该阶段,热带扰动中积雨云增多,地面气压缓慢下降,风力开始增强。
积雨云不断增多,中心部分温度不断上升,地面气压不断下降,风力不断增强,直到中心气压达到最低值,近中心最大风速达到最大值。
中心强度不再加强,中心气压不再降低,风速不再增大,但大风和雨区范围逐渐扩大,直到大风范围达到最大。
台风登陆减弱填塞或进入中高纬度而转变为温带气旋。
一般而言,热带气旋的生命期为3~8天,最长可达20天以上,最短仅1天。夏秋两季热带气旋的生命期较长,冬春两季则较短。
成熟的热带气旋的内部气象要素,如气压、温度、风和云等常环绕热带气旋中心呈近似于圆的对称分布。由于热带气旋涡旋的直径一般在600~1000千米,垂直高度可伸展到对流层上部,个别可达平流层下部(15~20千米),其垂直尺度与水平尺度的比值约为1∶50,因此可把热带气旋近似看作对称性的扁圆柱状的气旋性涡旋。
通常根据热带气旋区内低空风速大小的分布,可将热带气旋分为外圈、中圈和内圈三个区域(见图)。
热带气旋中气压、风、云、降水分布示意图
又称外围区,风力由热带气旋边缘向内增大,一般在8级以下,呈阵性。当接近热带气旋低压环流外缘时,气压开始缓慢下降,风速渐增;高空出现辐辏状卷云、卷层云和日月晕环,夜间星光闪烁,大气能见度良好。当风力增大到5~6级时即进入外圈。
进入外圈后,气温升高,湿度增大,天气闷热。气压继续下降,离气旋中心越近,气压下降越快,水平气压梯度越大,风速增大越快。云层逐渐增厚,天色越来越黑,出现高层云、高积云,低空有被称为“飞云”或“猪头云”的塔状层积云和浓积云随风向前疾驶。出现高层云时,开始下雨,并逐渐增大。
又称涡旋区,风力一般在8级以上。进入涡旋区,风力向热带气旋中心急速增大,并在热带气旋眼壁处达最大,最大风速一般可达60~70米/秒,有时甚至超过l00米/秒,气旋中心附近围绕眼区的最大风速带,宽度平均为10~20千米,与环绕眼区的云墙区相重合,是热带气旋破坏力最猛烈、最集中的区域。
在涡旋区内,进入8~9级风圈后气压急剧下降,天空被浓厚灰暗且不规则的雨层云所遮蔽,开始降大暴雨。雨层云和外圈的多种云系组成的螺旋云带旋向热带气旋眼壁。进入10~12级风圈后,即进入热带气旋云墙区,那里水平气压梯度迅速增大,气压几乎直线下降,每小时可下降10~30百帕。在10~12级风圈内,大气的对流上升运动强烈,产生浓厚乌黑高大的积雨云,这些积雨云常组合成宽几十千米、高达8~9千米的环状垂直云墙,成为热带气旋眼壁,云墙下倾盆大雨,大气能见度恶劣,是热带气旋中最大降水所在之处。热带气旋的暴雨强度是各类暴雨系统中最强的,一次热带气旋过程可能造成300~400毫米的特大暴雨,有的甚至超过1000毫米。
又被称为热带气旋眼区,直径一般为30~40千米,最大的可达200千米,小的只有10千米,多呈圆形,也有呈椭圆形或不规则形状的。在热带气旋发展初期,眼区形状一般不规则,范围也较大。而当热带气旋强烈发展时,眼区范围逐渐缩小成圆形,并呈轴对称分布。
进入眼区后,气压降到最低,不再明显下降。风速向中心迅速减小,微风甚至静风;暴雨立刻停止,低云基本消散,天空豁然开朗,有时可见蓝天,夜间星光明亮。
从热带气旋眼区向外穿出去时,往往会观测到气压开始急剧上升,风力迅速增大,风向和进入眼区前相反,暴雨又起,即遭遇到了眼区后部涡旋区的恶劣天气,只是时间上要短一些。以后再是眼区后部外围区天气,天气状况的演变顺序与前部外围区相反,当气压上升到接近月平均气压后开始稳定,风速减小,降水停止,热带气旋的天气基本结束。
热带气旋历史资料表明,每个热带气旋的具体路径存在差别,但世界大洋上热带气旋的主要常规路径还是具有一定的规律性。在北半球大部分热带气旋走西行、西北行或顺时针抛物线转向型路径。在南半球,则走西行、西南行或逆时针抛物线转向型路径。
在西北太平洋,热带气旋的常规移动路径大致有如下三类。
热带气旋经过菲律宾或巴林塘海峡、巴士海峡进入南海,西行到海南岛或越南登陆,有时,进入南海西行一段时间后会突然北抬到广东省登陆。该路径约占西北太平洋热带气旋总数的19%。自初春至夏秋,西行路径的纬度逐渐北抬,从夏秋至冬季,该移动路径的平均纬度又向南撤。沿此路径的热带气旋对中国华南沿海地区、南海和越南影响最大。
热带气旋从菲律宾以东向西北偏西方向移动,先在台湾地区登陆,以后穿过台湾海峡再在福建省登陆;或者向西北方向经琉球群岛在江浙一带登陆,最后在内陆上消失。此类路径约占西北太平洋热带气旋总数的27%。沿此路径的热带气旋对中国华东地区影响最大,对内陆也有不同程度的影响。
热带气旋从菲律宾以东或台湾以东海面或日本以南洋面向西北移动,再转向北上,然后转向东北方,路径呈抛物线状。这条路径若转向点靠近中国大陆时,则对中国东部沿海地区影响最大。
西北太平洋热带气旋的移动路径存在明显的季节变化。11月至次年5月,热带气旋在北纬16°以南西行进入南海中南部或在越南南部登陆,或是在东经130°以东的海上转向北上。6月和10月,热带气旋西行路径位置偏北,主要在北纬15°~20°;转向型路径的转向点渐向西移到东经125°附近。在7~9月台风季节,登陆路径多在此期间出现,同时转向路径的转向点明显偏西、偏北。除常规路径外,热带气旋还可能走成如停滞、打转、蛇行、突然折向、回旋、摆动等异常路径,这些异常路径基本出现在热带气旋转向前。
热带气旋的移动速度平均约为20~30千米/小时。对于转向热带气旋而言,转向后移速要比转向前快一些,有时可达80千米/小时以上,转向时移速最慢。就发展阶段而言,加强阶段时移速慢,减弱阶段时移速要快一些。就纬度而言,热带气旋在低纬度的移速往往慢于在高纬度的移速。热带气旋路径异常时,常常移速会减慢,甚至停滞。
受热带气旋影响的国家,会以不同的形式发布热带气旋警报。2012年,中国气象局颁布了《台风业务和服务规定》,对台风警报的发布标准给出了详细规定。根据《国家气象灾害应急预案》的要求和中央气象台气象灾害预警发布办法(气发〔2010〕89号)的规定,中国中央气象台的台风警报按照以下标准进行发布。
①台风蓝色预警。预计未来48小时将有热带风暴(中心附近最大平均风速8~9级)登陆或影响中国沿海,发布台风蓝色预警。
②台风黄色预警。预计未来48小时将有强热带风暴(中心附近最大平均风速10~11级)登陆或影响中国沿海,发布台风黄色预警。
③台风橙色预警。预计未来48小时将有台风(中心附近最大平均风速12~13级)登陆或影响中国沿海,发布台风橙色预警。
④台风红色预警。预计未来48小时将有强台风(中心附近最大平均风速14~15级)、超强台风(中心附近最大平均风速16级及以上)登陆或影响中国沿海,发布台风红色预警。
- 朱炳海,王鹏飞,束家鑫.气象学词典.上海:上海辞书出版社,1984.
- 陈登俊.航海气象学与海洋学.北京:人民交通出版社,2009.
- 中国气象局.台风业务和服务规定.北京:中国气象局,2012.