typhoonfreak
荣誉会员-暖池
荣誉会员-暖池
  • 注册日期2006-11-28
  • 最后登录2016-08-09
  • 粉丝46
  • 关注8
  • 发帖数1801
  • 来自
阅读:7808回复:11

[其他内容]熱帶擾動加強過程中的CISK機制(已补充简体版)

楼主#
更多 发布于:2009-11-04 09:42
10月底到11月初這幾天比較忙
銀河颱風追到一半就沒空理它了~24W也沒有特別關注
為免板面荒廢~把最近讀書的一篇心得給放上來
主要是討論有關擾動發展過程中的CISK機制問題~內文著重在觀念~捨棄了所有複雜的數學公式
觀點可能跟先前原本的認知有一點差異~不見得是完全正確的
屬於是個人重新思考後的想法~希望跟大家討論一番

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

人們對於颱風發展增強的過程經常利用CISK(Conditional Instability of Second Kind)也就是第二類條漸性不穩定理論來解釋,
將CISK機制運用在解釋颱風增強時,其實是建立在假設已經有初始擾動存在的情況下,
當初始擾動的環流渦度調整達到一定程度時則CISK機制運作的加熱效率提升,建立暖心並且讓中心氣壓降低,
底層系統的旋入加強,初始擾動因此開始發展,並且增強為熱帶風暴等級以上的強烈氣旋。

颱風的初始擾動來源有多種情況,包括季風槽內隨機產生的小旋渦,季風槽尾部斷裂產生的季風低壓系統,
中高層冷性旋渦經過對流活動而增暖增濕並且向下發展到地面,或是東風波動低壓環流等等都是颱風初始擾動的可能前身。

一般在熱帶地區因為本身大氣具有對流不穩定的性質,積雲對流的尺度較小,
因此相對較為容易就可以獲得足夠的能量而發展起來,熱帶擾動系統的尺度較大,
如果能量都被積雲對流所瓜分,則大概可以推論熱帶擾動想要獲得足夠能量發展加強的可能性就會比較低,
實際上目前還無法完全定論積雲對流的發展跟熱帶擾動的發展之相互關係,
但從實測觀察,兩者相輔相成的可能性是比較大的,
因此套用到擾動加強過程上的CISK機制就是假設積雲對流的發展以及熱帶擾動的成長加強是相互幫助而不是相互抵制,
讓熱帶擾動得以透過積雲對流提供的能量繼續增強為更強大的風暴系統。

在擾動發展過程中產生的CISK機制可以詳細解釋為,先假設初始擾動已經存在,而且至少具有低層的氣旋式環流,
至於高層在初始時是否具有反氣旋式的輻散環流則並非必要。當低層氣流移動時近地面處因為摩擦力的作用,
降低空氣運動的速度,運動速度減慢則會降低科氏力與離心力的強度,
使得由外向內(高壓指向低壓)的氣壓梯度力將大於往外的離心力以及科氏力之合力,
氣流在逆時針運動的過程中因此出現往內的偏角,徑向上即為往中心輻合集中,
這一過程連帶使海面蒸發帶有潛熱的水氣隨氣流走向往氣旋中心輻合,當空氣往內旋轉到某一程度時無法更往中心深入,
因此被迫往上抬升,空氣上升過程中發生冷卻,水氣凝結,此時原本水氣中所伴隨的潛熱大量釋放,造成顯著的積雲對流,
這時CISK機制其實已經開始運作,但一開始對系統中心氣柱的非絕熱加熱效率不是很好,
接著在外在環境條件的配合下系統渦度加深,系統環流半徑開始縮小,這些水氣釋放潛熱對系統中心的加熱效率會好轉,
造成氣旋中心氣柱的上部出現明顯的暖心構造特徵,暖心的建立就會讓系統中心的氣壓下降,氣壓梯度力的效果更強,
於是上述往內輻合上升,冷凝放熱再降壓的過程就不斷重演,而且也會使氣柱旋轉的情況越來越顯著,擾動的中心風速逐漸提升,
當中心風速達到每秒17.2公尺以上時則被升格為熱帶風暴。
簡而言之CISK機制是一種可以調合積雲對流潛熱使其成為颱風發展能量的過程,加熱效率跟系統半徑呈反比,
系統小則加熱效率會越好,對於系統加強的效果也越好,可以應用在解釋颱風的發展,
也可以用在解釋其他積雲對流活躍而使大尺度系統能夠持續發展的天氣系統上(例如梅雨鋒面)。

以能量的觀點來說,潛熱釋放讓中高層的暖心建立,就熱力風方程而言會讓高層呈現反氣旋型式外流,
連續方程的效果顯示這將有利於低層的環流更加的氣旋化,也就是造成低層由外往內,高層由內往外的型態,
氣壓梯度上都是由高壓往低壓方向進行,為正常的位能耗損產生動能過程,動能的產生就可以推動氣旋不斷運轉。

由以上可知,透過CISK機制要讓擾動系統達到積雲尺度潛熱釋放跟氣旋尺度加強之間相輔相成的效果,
也就是要讓CISK的效果能夠顯現出來,暖心建立過程是非常重要的關鍵,暖心建立才可以讓擾動中心低層氣壓下降,
進而使系統旋轉加強。既然暖心的建立須要積雲對流所釋放的潛熱,那麼積雲對流必須要能持續活躍,
這一點跟所在海面的海溫有相當程度的關係,溫度高的海水因為海氣之間的溫度差較大,
有利於海水蒸發夾帶潛熱透過海氣通量管道進入大氣,大量暖而濕的水氣才能讓積雲對流成長的原料,
因此海溫必須要達到一定程度才能讓積雲對流活躍,一般而言,海溫最好能達到26.5度或27度以上才較為有利。

這邊可以再談一個有趣的問題,那就是颱風通過的海面海溫降低是什麼因素造成?
直覺式的想法可能是颱風吸收了太多的潛熱水氣造成降溫,但實際上真正造成海溫下降的原因是因為表層暖海水被颱風攪動,
透過海洋中的艾克曼抽吸作用造成下層冷海水上翻混合而降溫,由於地球自轉科氏力的加成,
颱風移動方向的右側風速會大於左側,因此颱風行進路線的右邊海溫下降的程度也會大於左邊,
一個越強的颱風會讓海水翻攪得越嚴重,降溫的情況因此更為明顯,而颱風在同一海面停留越久,
海水降溫也在相同原理的影響下會越顯著,海溫下降就會讓颱風無法維持積雲對流的活躍,暖心減弱,
CISK機制的效果也可能受到干擾,所以颱風滯留太久會停止發展甚至開始減弱,
尾隨在強大颱風路線之後的颱風也可能因為海溫的下降而發展受阻,
根據研究,當海溫因為受到攪動而比原本下降超過2.5度時,颱風加強的現象就會明顯停滯。
還有一個問題也很有意思,究竟是海水深厚的區域還是海水較淺的區域比較有利於颱風維持強度?
答案是海水深厚的地方有利於颱風快速發展加強,因為暖水層比較深厚,可是一但底下的冷水上混過度就會產生反效果,
海水淺的地方卻有利於颱風強度的維持,因為底下沒有太多的冷水可以上混,颱風甚至於可以一直增強到近岸登陸才停止發展。

由另一角度而言,一但擾動的旋轉程度以及中心風速加強,來自海表面的水氣能量通量也會相對增加,以維持對流的強度,
因此除了系統本身所在海面的高溫海水提供水氣外,外圍大氣環境所提供的水氣也是很重要的一部分,
周邊環境如果能提供大量水氣,對於能量通量的提升進而使擾動系統發展更快是有利的,
這種理論被稱為WISHE(Wind Induced Surface Heat Exchange)。

不論是CISK或是WISHE的解釋,要讓擾動加強的基本都是在於要有充足的能量供應,也就是海面提供的水氣潛熱要足夠,
積雲對流才能旺盛發展以利暖心建立,特別是眼牆下方的海溫尤其重要,其次是週圍大氣提供的水氣最好也能充足,
因此一但颱風登陸,底層水氣來源被切斷,或是進入溫度過低的海面造成水氣供應不足,
還是進入乾燥的環境(高壓下沉區)以及來自高壓或陸地之乾燥空氣侵入系統內部等等都會造成積雲對流活動減弱,
潛熱減少使暖心減弱,系統CISK機制的運作出現問題,擾動的加強也因此受阻甚至反而減弱。

擾動發展過程中CISK機制能否順利運作的另一個大敵是垂直風切,所謂垂直風切是指兩個不同高度的風之間,
方向差或速度差的大小,總合來講就是高低層風向量差異的程度,簡而言之可以想像假設我們順著兩個不同高度的風畫上箭頭,
箭頭的長度跟風速大小成正比,然後再畫第三個箭頭連接前兩個箭頭的尖端,
第三個箭頭的尖端要指向前兩個箭頭之中比較長的那一個,這第三個箭頭的方向就是所謂垂直風切方向,
箭頭長度代表風切的強度,越長則風切越大,因此我們可以想像當高低層風向差異越大或是風速差異越大,
向量差(箭頭長度)就會越大,代表垂直風切也就越大,至於要取哪兩個高度的風來定義垂直風切的大小則沒有一定的定論,
目前慣用為850百帕層跟200百帕層的風來取向量差計算垂直風切的大小。

垂直風切對可以讓擾動加強的CISK機制運作有什麼影響?
最大的影響就是垂直風切會讓擾動系統原本應該呈現的軸對稱結構失去對稱性,一但垂直風切過大,
擾動對流雲團的發展就會偏向垂直風切向量的下風處(箭頭指向處),中心氣柱局部或全部外露,
對流釋放之潛熱就無法有效的加熱中心氣柱,暖心建立不起來或是原本的暖心因此被破壞,
上面提過暖心的存在與否對於CISK機制的運作效果能否顯現非常重要,因此一但因為垂直風切讓暖心被破壞或無法建立,
CISK的運作效果可能就會出現問題,不是效果趨近於零就是根本沒有作用在對的地方(擾動中心),
擾動的加強會大打折扣,而垂直風切讓氣柱外露也會造成通風效應,除了熱量散失,
同時還可能捲入外界較乾燥的空氣,對於需要極暖濕環境讓對流發展,建立暖心才能有效運轉的CISK機制來講無疑干擾極大。

上面所提到的都是有利擾動發展過程中CISK機制能否有效運作(暖心能否形成)的外在條件,,再來要來聊聊暖心形成,
CISK機制效率提升後,擾動加強過程發生了哪些的動力變化。

依照物理的角度,空氣受熱則會膨脹,因此可以推定當潛熱釋放造成暖心時,暖心所在的氣層是膨脹的,
暖心建立則會讓CISK開始有效運作,使積雲尺度的能量供應成為擾動發展的動力來源,
而暖心的出現也會造成系統地轉狀態的不平衡,因此將會產生次環流來進行調整,也就是出現下層空氣往內上升,
上層空氣往外下沉的垂直次環流,藉由上升冷卻以及下沉增溫的作用來使大氣回歸到原本的平衡狀態,
其實也就是大家所熟知的底層輻合內流上升,高層輻散外流下沉情況,依照前面文章所提過的,
在這個過程中加上摩擦力的作用就會在低跟高層分別出現旋轉往內跟往外的氣流場,
由於必須抵消科氏力的作用,因此一但系統位於比較高的緯度時,環境科氏力(地球行星渦度作用)較大,
系統為抵消質量(溫度)場的變化所進行次環流地轉調整的作用效果也會跟著加強,
帶動低層旋入以及高層旋出的中心氣柱很快成形,這是風場去對應質量(溫度)場的結果。

假如環流水氣不足,那麼一但地轉調整完成,暖心就會被平衡掉,則CISK機制效果明顯減弱,
擾動能量供應流失,旋轉風場也開始SPIN DOWN而趨於減弱,但是颱風之類的熱帶氣旋往往水氣充沛且對流活躍,
潛熱釋放源源不絕,因此次環流中的上升作用不足以冷卻暖心,
經由CISK機制持續運作讓潛熱能量成為提供擾動風場旋轉的力量,同時透過地轉調整作用,
旋轉風場也就不會停止,直到水氣供應出現短缺造成潛熱釋放減少,次環流才有機會慢慢消弱暖心,
CISK機制跟著減弱並且使風場旋轉開始SPIN DOWN。因為風場對應質量場的效果大小跟緯度(科氏力)有關,
所以教科書上才會耳提面命的講說颱風的形成必須要有一定的緯度以上,也就是科氏力要夠大才行,
2001年的畫眉颱風還有2004年印度洋的AGNI氣旋算是超越常理的奇蹟,這邊暫且不談。

那麼如果緯度太低,科氏力不夠會怎麼樣呢?在地轉風場達到平衡之前,因為底層風場旋轉不夠強,
旋入的水氣有限,原本釋放的潛熱耗盡後,暖心就會慢慢被次環流上升作用給抵消掉,
也就是變成質量(溫度)場去適應風場,這樣的情況頂多造成壯觀的積雨雲簇卻無法繼續使CISK機制存在而讓系統加強。

熱帶擾動因為對流的發展,暖心的建立使CISK機制得以有效運作,讓積雲對流能量跟熱帶擾動環流透過地轉調整作用互相幫助,
但是卻不是每個擾動都會順利讓CISK機制效率提高而更為增強的原因又是為何?
除了外在環境對積雲對流活躍與否提供的條件外,還有很重要的一點是在擾動本身的範圍大小上,
這一點對系統中心氣柱加熱的效率(暖心是否建立)影響很大。

上面提過對流雲中的上升氣流因為水氣豐沛,因此會釋放潛熱,導致次環流的上升冷卻作用效果有限,
但是對流雲卻不會一直維持強度不減弱,即使是在颱風中還是可以看到對流雲的消長過程,
這表示熱量還是會經由其他管道向外流失讓對流活動趨緩,這個隱藏的因素就是由加熱作用所產生,
跟次環流一同存在的重力波。

大自然的常態是趨於穩定的,加熱作用本身就是破壞常態穩定,空氣在上升的過程中一方面膨脹冷卻,
另一方面還有地球引力所造成的重力效果試圖要將它拉回原處,因此實際上空氣塊在上升時並不會像電梯那樣穩定向上,
而是會跟飄浮水中的木頭一般有些微的上下震盪,這種震盪會造成往外傳遞的波動,就跟浮木會造成水波的情況差不多,
重力波往外傳播也會把潛熱給往外帶走,所以即使上升冷卻效果不佳,有重力波存在的情況下也會讓能量散失掉。

而重力波散熱又跟擾動的範圍大小有什麼關係呢?通常初生擾動的範圍都比較大,同時底部氣旋式環流也比較微弱,
對流雲發展顯得分散而且大多不在LLCC周圍,對流釋放的潛熱被重力波向外傳播帶走,系統加熱效率不佳,
難以鞏固到中心氣柱位置造成暖心,導致無法進一步讓CISK機制的運作變得更有效率。一但透過環境渦度通量的加強,
讓擾動系統底層的渦度趨於明顯,擾動的環流範圍就會隨著渦度增加而慢慢縮小,當緊縮到一定的尺度後,
潛熱釋放對中心氣柱的加熱效果將快過於重力波的外傳作用,系統加熱效率提升,暖心因此得以有效建立,
CISK機制效果增強,則地轉調整方向就會轉為有利擾動增強發展的風場適應質量場之變化,擾動開始成長。

所以說初生擾動的底層渦度能否加強,關係著擾動範圍能否緊縮,接著再關係到能否提升系統加熱效率並且建立暖心,
透過CISK機制有效運作而讓擾動成長為颱風。

擾動低層的渦度增加可以由環境對它的渦度通量提升所造成,
通常是週圍高壓型態的調整或是槽前輻散環境好轉以及槽底正渦平流的輸送,
另外小旋渦之間的互相整併也是可能的情況。

渦度是指一定環流範圍內各個單位的旋轉程度之總合,
因此同一個低壓帶內兩個旋渦的整併就等於是渦度的相加效果,會有效提升整併後低壓系統的渦度強度,
在季風槽內的擾動以及靠近西風槽底的擾動容易發展也是因為系統渦度提升條件較好(正渦度平流輸送)的關係。
一些中緯度突然爆發成長為颱風的擾動就是拜槽前輻散以及正渦平流所賜,只是這樣的颱風通常還帶有斜壓擾動的色彩,
發展快但衰老的可能也很快,很容易就步入轉化為溫帶氣旋的過程。
高空TUTT的前方(通常是TUTT以南)會存在疊加於擾動高層的反氣旋,有效改善擾動的高空輻散外流,
再透過連續方程讓底層更為氣旋式也就是底層渦度加強,環流範圍內縮,加熱效率提升而建立暖心,CISK機制效果提高,
所以才會說TUTT的存在有利於颱風或擾動的成長,只是位置要對,
剛好讓前方反氣旋能疊加在擾動高層才是最理想的情況,位置不對則效果就不好。
如果擾動一開始範圍就小,對流又很旺盛的話,中心氣柱加熱效率極佳,
很容易就建立暖心並透過CISK有效運行達到地轉調整方向改變的臨界點而迅速增強。

最後再提一點就是對流爆發的程度強弱也跟重力波造成能量外散的程度有關,而且是反比的效果,
對流爆發越強則表示上升氣流越強,重力波的能量外散會越弱,因此對流旺盛的擾動會特別容易發展起來,
對流活動弱的擾動就要看能否保持讓中心氣柱不會因為能量外散而SPIN DOWN,即使已經發展為成熟颱風,
對流活動的持續與否同樣是強度能否維持或再增強的關鍵因素。

講了這麼多,最後再來總結一下有利於熱帶擾動發展過程中CISK機制加熱效率提升的條件(暖心能否建立),
其實也就是大家所熟知的颱風發展環境條件:

(1)海溫要足夠,最好能達到27度以上,可提供足夠水氣。
(2)環境給予的渦度通量要好,可以讓系統範圍縮小,有利於CISK機制加熱效率的提升。
(3)環境不能太乾燥,相對濕度以及空氣中的液氣混合比要夠高,有利對流發展。
(4)緯度至少要南北緯5度以上,科氏力效果才能顯現 (但也有特例)。
(5)環境垂直風切要小,以免破壞暖心結構以及中心氣柱的垂直性。

CISK機制運作其實在系統存在對流活動時就可能存在,但一開始對系統中心氣柱的加熱效率不好,
系統範圍可能過大,必須等到系統半徑縮小,也就是渦度加強,對流釋放潛熱對中心氣柱的加熱效率才會提升,
並且讓暖心建立,接著才是有效的降低系統中心氣壓,整體強度加強。


------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
简体版

10月底到11月初这几天比较忙
银河台风追到一半就没空理它了~24W也没有特别关注
为免板面荒废~把最近读书的一篇心得给放上来
主要是讨论有关扰动发展过程中的CISK机制问题~内文著重在观念~舍弃了所有复杂的数学公式
观点可能跟先前原本的认知有一点差异~不见得是完全正确的
属于是个人重新思考后的想法~希望跟大家讨论一番

-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- -----------

人们对于台风发展增强的过程经常利用CISK(Conditional Instability of Second Kind)也就是第二类条渐性不稳定理论来解释,
将CISK机制运用在解释台风增强时,其实是建立在假设已经有初始扰动存在的情况下,
当初始扰动的环流涡度调整达到一定程度时则CISK机制运作的加热效率提升,建立暖心并且让中心气压降低,
底层系统的旋入加强,初始扰动因此开始发展,并且增强为热带风暴等级以上的强烈气旋。

台风的初始扰动来源有多种情况,包括季风槽内随机产生的小旋涡,季风槽尾部断裂产生的季风低压系统,
中高层冷性旋涡经过对流活动而增暖增湿并且向下发展到地面,或是东风波动低压环流等等都是台风初始扰动的可能前身。

一般在热带地区因为本身大气具有对流不稳定的性质,积云对流的尺度较小,
因此相对较为容易就可以获得足够的能量而发展起来,热带扰动系统的尺度较大,
如果能量都被积云对流所瓜分,则大概可以推论热带扰动想要获得足够能量发展加强的可能性就会比较低,
实际上目前还无法完全定论积云对流的发展跟热带扰动的发展之相互关系,
但从实测观察,两者相辅相成的可能性是比较大的,
因此套用到扰动加强过程上的CISK机制就是假设积云对流的发展以及热带扰动的成长加强是相互帮助而不是相互抵制,
让热带扰动得以透过积云对流提供的能量继续增强为更强大的风暴系统。

在扰动发展过程中产生的CISK机制可以详细解释为,先假设初始扰动已经存在,而且至少具有低层的气旋式环流,
至于高层在初始时是否具有反气旋式的辐散环流则并非必要。当低层气流移动时近地面处因为摩擦力的作用,
降低空气运动的速度,运动速度减慢则会降低科氏力与离心力的强度,
使得由外向内(高压指向低压)的气压梯度力将大于往外的离心力以及科氏力之合力,
气流在逆时针运动的过程中因此出现往内的偏角,径向上即为往中心辐合集中,
这一过程连带使海面蒸发带有潜热的水气随气流走向往气旋中心辐合,当空气往内旋转到某一程度时无法更往中心深入,
因此被迫往上抬升,空气上升过程中发生冷却,水气凝结,此时原本水气中所伴随的潜热大量释放,造成显著的积云对流,
这时CISK机制其实已经开始运作,但一开始对系统中心气柱的非绝热加热效率不是很好,
接着在外在环境条件的配合下系统涡度加深,系统环流半径开始缩小,这些水气释放潜热对系统中心的加热效率会好转,
造成气旋中心气柱的上部出现明显的暖心构造特征,暖心的建立就会让系统中心的气压下降,气压梯度力的效果更强,
于是上述往内辐合上升,冷凝放热再降压的过程就不断重演,而且也会使气柱旋转的情况越来越显著,扰动的中心风速逐渐提升,
当中心风速达到每秒17.2公尺以上时则被升格为热带风暴。
简而言之CISK机制是一种可以调合积云对流潜热使其成为台风发展能量的过程,加热效率跟系统半径呈反比,
系统小则加热效率会越好,对于系统加强的效果也越好,可以应用在解释台风的发展,
也可以用在解释其他积云对流活跃而使大尺度系统能够持续发展的天气系统上(例如梅雨锋面)。

以能量的观点来说,潜热释放让中高层的暖心建立,就热力风方程而言会让高层呈现反气旋型式外流,
连续方程的效果显示这将有利于低层的环流更加的气旋化,也就是造成低层由外往内,高层由内往外的型态,
气压梯度上都是由高压往低压方向进行,为正常的位能耗损产生动能过程,动能的产生就可以推动气旋不断运转。

由以上可知,透过CISK机制要让扰动系统达到积云尺度潜热释放跟气旋尺度加强之间相辅相成的效果,
也就是要让CISK的效果能够显现出来,暖心建立过程是非常重要的关键,暖心建立才可以让扰动中心低层气压下降,
进而使系统旋转加强。既然暖心的建立须要积云对流所释放的潜热,那么积云对流必须要能持续活跃,
这一点跟所在海面的海温有相当程度的关系,温度高的海水因为海气之间的温度差较大,
有利于海水蒸发夹带潜热透过海气通量管道进入大气,大量暖而湿的水气才能让积云对流成长的原料,
因此海温必须要达到一定程度才能让积云对流活跃,一般而言,海温最好能达到26.5度或27度以上才较为有利。

这边可以再谈一个有趣的问题,那就是台风通过的海面海温降低是什么因素造成?
直觉式的想法可能是台风吸收了太多的潜热水气造成降温,但实际上真正造成海温下降的原因是因为表层暖海水被台风搅动,
透过海洋中的艾克曼抽吸作用造成下层冷海水上翻混合而降温,由于地球自转科氏力的加成,
台风移动方向的右侧风速会大于左侧,因此台风行进路线的右边海温下降的程度也会大于左边,
一个越强的台风会让海水翻搅得越严重,降温的情况因此更为明显,而台风在同一海面停留越久,
海水降温也在相同原理的影响下会越显著,海温下降就会让台风无法维持积云对流的活跃,暖心减弱,
CISK机制的效果也可能受到干扰,所以台风滞留太久会停止发展甚至开始减弱,
尾随在强大台风路线之后的台风也可能因为海温的下降而发展受阻,
根据研究,当海温因为受到搅动而比原本下降超过2.5度时,台风加强的现象就会明显停滞。
还有一个问题也很有意思,究竟是海水深厚的区域还是海水较浅的区域比较有利于台风维持强度?
答案是海水深厚的地方有利于台风快速发展加强,因为暖水层比较深厚,可是一但底下的冷水上混过度就会产生反效果,
海水浅的地方却有利于台风强度的维持,因为底下没有太多的冷水可以上混,台风甚至于可以一直增强到近岸登陆才停止发展。

由另一角度而言,一但扰动的旋转程度以及中心风速加强,来自海表面的水气能量通量也会相对增加,以维持对流的强度,
因此除了系统本身所在海面的高温海水提供水气外,外围大气环境所提供的水气也是很重要的一部分,
周边环境如果能提供大量水气,对于能量通量的提升进而使扰动系统发展更快是有利的,
这种理论被称为WISHE(Wind Induced Surface Heat Exchange)。

不论是CISK或是WISHE的解释,要让扰动加强的基本都是在于要有充足的能量供应,也就是海面提供的水气潜热要足够,
积云对流才能旺盛发展以利暖心建立,特别是眼墙下方的海温尤其重要,其次是周围大气提供的水气最好也能充足,
因此一但台风登陆,底层水气来源被切断,或是进入温度过低的海面造成水气供应不足,
还是进入干燥的环境(高压下沉区)以及来自高压或陆地之干燥空气侵入系统内部等等都会造成积云对流活动减弱,
潜热减少使暖心减弱,系统CISK机制的运作出现问题,扰动的加强也因此受阻甚至反而减弱。

扰动发展过程中CISK机制能否顺利运作的另一个大敌是垂直风切,所谓垂直风切是指两个不同高度的风之间,
方向差或速度差的大小,总合来讲就是高低层风向量差异的程度,简而言之可以想像假设我们顺着两个不同高度的风画上箭头,
箭头的长度跟风速大小成正比,然后再画第三个箭头连接前两个箭头的尖端,
第三个箭头的尖端要指向前两个箭头之中比较长的那一个,这第三个箭头的方向就是所谓垂直风切方向,
箭头长度代表风切的强度,越长则风切越大,因此我们可以想像当高低层风向差异越大或是风速差异越大,
向量差(箭头长度)就会越大,代表垂直风切也就越大,至于要取哪两个高度的风来定义垂直风切的大小则没有一定的定论,
目前惯用为850百帕层跟200百帕层的风来取向量差计算垂直风切的大小。

垂直风切对可以让扰动加强的CISK机制运作有什么影响?
最大的影响就是垂直风切会让扰动系统原本应该呈现的轴对称结构失去对称性,一但垂直风切过大,
扰动对流云团的发展就会偏向垂直风切向量的下风处(箭头指向处),中心气柱局部或全部外露,
对流释放之潜热就无法有效的加热中心气柱,暖心建立不起来或是原本的暖心因此被破坏,
上面提过暖心的存在与否对于CISK机制的运作效果能否显现非常重要,因此一但因为垂直风切让暖心被破坏或无法建立,
CISK的运作效果可能就会出现问题,不是效果趋近于零就是根本没有作用在对的地方(扰动中心),
扰动的加强会大打折扣,而垂直风切让气柱外露也会造成通风效应,除了热量散失,
同时还可能卷入外界较干燥的空气,对于需要极暖湿环境让对流发展,建立暖心才能有效运转的CISK机制来讲无疑干扰极大。

上面所提到的都是有利扰动发展过程中CISK机制能否有效运作(暖心能否形成)的外在条件,,再来要来聊聊暖心形成,
CISK机制效率提升后,扰动加强过程发生了哪些的动力变化。

依照物理的角度,空气受热则会膨胀,因此可以推定当潜热释放造成暖心时,暖心所在的气层是膨胀的,
暖心建立则会让CISK开始有效运作,使积云尺度的能量供应成为扰动发展的动力来源,
而暖心的出现也会造成系统地转状态的不平衡,因此将会产生次环流来进行调整,也就是出现下层空气往内上升,
上层空气往外下沉的垂直次环流,藉由上升冷却以及下沉增温的作用来使大气回归到原本的平衡状态,
其实也就是大家所熟知的底层辐合内流上升,高层辐散外流下沉情况,依照前面文章所提过的,
在这个过程中加上摩擦力的作用就会在低跟高层分别出现旋转往内跟往外的气流场,
由于必须抵消科氏力的作用,因此一但系统位于比较高的纬度时,环境科氏力(地球行星涡度作用)较大,
系统为抵消质量(温度)场的变化所进行次环流地转调整的作用效果也会跟着加强,
带动低层旋入以及高层旋出的中心气柱很快成形,这是风场去对应质量(温度)场的结果。

假如环流水气不足,那么一但地转调整完成,暖心就会被平衡掉,则CISK机制效果明显减弱,
扰动能量供应流失,旋转风场也开始SPIN DOWN而趋于减弱,但是台风之类的热带气旋往往水气充沛且对流活跃,
潜热释放源源不绝,因此次环流中的上升作用不足以冷却暖心,
经由CISK机制持续运作让潜热能量成为提供扰动风场旋转的力量,同时透过地转调整作用,
旋转风场也就不会停止,直到水气供应出现短缺造成潜热释放减少,次环流才有机会慢慢消弱暖心,
CISK机制跟着减弱并且使风场旋转开始SPIN DOWN。因为风场对应质量场的效果大小跟纬度(科氏力)有关,
所以教科书上才会耳提面命的讲说台风的形成必须要有一定的纬度以上,也就是科氏力要够大才行,
2001年的画眉台风还有2004年印度洋的AGNI气旋算是超越常理的奇迹,这边暂且不谈。

那么如果纬度太低,科氏力不够会怎么样呢?在地转风场达到平衡之前,因为底层风场旋转不够强,
旋入的水气有限,原本释放的潜热耗尽后,暖心就会慢慢被次环流上升作用给抵消掉,
也就是变成质量(温度)场去适应风场,这样的情况顶多造成壮观的积雨云簇却无法继续使CISK机制存在而让系统加强。

热带扰动因为对流的发展,暖心的建立使CISK机制得以有效运作,让积云对流能量跟热带扰动环流透过地转调整作用互相帮助,
但是却不是每个扰动都会顺利让CISK机制效率提高而更为增强的原因又是为何?
除了外在环境对积云对流活跃与否提供的条件外,还有很重要的一点是在扰动本身的范围大小上,
这一点对系统中心气柱加热的效率(暖心是否建立)影响很大。

上面提过对流云中的上升气流因为水气丰沛,因此会释放潜热,导致次环流的上升冷却作用效果有限,
但是对流云却不会一直维持强度不减弱,即使是在台风中还是可以看到对流云的消长过程,
这表示热量还是会经由其他管道向外流失让对流活动趋缓,这个隐藏的因素就是由加热作用所产生,
跟次环流一同存在的重力波。

大自然的常态是趋于稳定的,加热作用本身就是破坏常态稳定,空气在上升的过程中一方面膨胀冷却,
另一方面还有地球引力所造成的重力效果试图要将它拉回原处,因此实际上空气块在上升时并不会像电梯那样稳定向上,
而是会跟飘浮水中的木头一般有些微的上下震荡,这种震荡会造成往外传递的波动,就跟浮木会造成水波的情况差不多,
重力波往外传播也会把潜热给往外带走,所以即使上升冷却效果不佳,有重力波存在的情况下也会让能量散失掉。

而重力波散热又跟扰动的范围大小有什么关系呢?通常初生扰动的范围都比较大,同时底部气旋式环流也比较微弱,
对流云发展显得分散而且大多不在LLCC周围,对流释放的潜热被重力波向外传播带走,系统加热效率不佳,
难以巩固到中心气柱位置造成暖心,导致无法进一步让CISK机制的运作变得更有效率。一但透过环境涡度通量的加强,
让扰动系统底层的涡度趋于明显,扰动的环流范围就会随着涡度增加而慢慢缩小,当紧缩到一定的尺度后,
潜热释放对中心气柱的加热效果将快过于重力波的外传作用,系统加热效率提升,暖心因此得以有效建立,
CISK机制效果增强,则地转调整方向就会转为有利扰动增强发展的风场适应质量场之变化,扰动开始成长。

所以说初生扰动的底层涡度能否加强,关系着扰动范围能否紧缩,接着再关系到能否提升系统加热效率并且建立暖心,
透过CISK机制有效运作而让扰动成长为台风。

扰动低层的涡度增加可以由环境对它的涡度通量提升所造成,
通常是周围高压型态的调整或是槽前辐散环境好转以及槽底正涡平流的输送,
另外小旋涡之间的互相整并也是可能的情况。

涡度是指一定环流范围内各个单位的旋转程度之总合,
因此同一个低压带内两个旋涡的整并就等于是涡度的相加效果,会有效提升整并后低压系统的涡度强度,
在季风槽内的扰动以及靠近西风槽底的扰动容易发展也是因为系统涡度提升条件较好(正涡度平流输送)的关系。
一些中纬度突然爆发成长为台风的扰动就是拜槽前辐散以及正涡平流所赐,只是这样的台风通常还带有斜压扰动的色彩,
发展快但衰老的可能也很快,很容易就步入转化为温带气旋的过程。
高空TUTT的前方(通常是TUTT以南)会存在叠加于扰动高层的反气旋,有效改善扰动的高空辐散外流,
再透过连续方程让底层更为气旋式也就是底层涡度加强,环流范围内缩,加热效率提升而建立暖心,CISK机制效果提高,
所以才会说TUTT的存在有利于台风或扰动的成长,只是位置要对,
刚好让前方反气旋能叠加在扰动高层才是最理想的情况,位置不对则效果就不好。
如果扰动一开始范围就小,对流又很旺盛的话,中心气柱加热效率极佳,
很容易就建立暖心并透过CISK有效运行达到地转调整方向改变的临界点而迅速增强。

最后再提一点就是对流爆发的程度强弱也跟重力波造成能量外散的程度有关,而且是反比的效果,
对流爆发越强则表示上升气流越强,重力波的能量外散会越弱,因此对流旺盛的扰动会特别容易发展起来,
对流活动弱的扰动就要看能否保持让中心气柱不会因为能量外散而SPIN DOWN,即使已经发展为成熟台风,
对流活动的持续与否同样是强度能否维持或再增强的关键因素。

讲了这么多,最后再来总结一下有利于热带扰动发展过程中CISK机制加热效率提升的条件(暖心能否建立),
其实也就是大家所熟知的台风发展环境条件:

(1)海温要足够,最好能达到27度以上,可提供足够水气。
(2)环境给予的涡度通量要好,可以让系统范围缩小,有利于CISK机制加热效率的提升。
(3)环境不能太干燥,相对湿度以及空气中的液气混合比要够高,有利对流发展。
(4)纬度至少要南北纬5度以上,科氏力效果才能显现(但也有特例)。
(5)环境垂直风切要小,以免破坏暖心结构以及中心气柱的垂直性。

CISK机制运作其实在系统存在对流活动时就可能存在,但一开始对系统中心气柱的加热效率不好,
系统范围可能过大,必须等到系统半径缩小,也就是涡度加强,对流释放潜热对中心气柱的加热效率才会提升,
并且让暖心建立,接着才是有效的降低系统中心气压,整体强度加强。

喜欢13 评分0
Babysweet
资深会员-热带辐合带
资深会员-热带辐合带
  • 注册日期2007-08-03
  • 最后登录2018-12-11
  • 粉丝81
  • 关注70
  • 发帖数2083
  • 来自
1楼#
发布于:2009-11-04 09:57
回 楼主(typhoonfreak) 的帖子
好帖!!!!~
為何沒人加分....
回复(0) 喜欢(0)     评分
lawrance
台风
台风
  • 注册日期2005-05-27
  • 最后登录2018-11-20
  • 粉丝75
  • 关注162
  • 发帖数2686
  • 来自
2楼#
发布于:2009-11-04 10:41
好帖子,看得出版主很用心
欢迎TC们,坐巴士,牵男孩,品猪脚
回复(0) 喜欢(0)     评分
7015b
禁止发言-干空气
禁止发言-干空气
  • 注册日期2009-09-15
  • 最后登录2013-03-09
  • 粉丝109
  • 关注0
  • 发帖数4977
  • 来自
3楼#
发布于:2009-11-16 14:55
用户被禁言,该主题自动屏蔽!
回复(0) 喜欢(0)     评分
yw8301
热带低压
热带低压
  • 注册日期2009-11-18
  • 最后登录2013-04-24
  • 粉丝1
  • 关注0
  • 发帖数139
  • 来自
4楼#
发布于:2009-11-25 17:16
好贴``只是繁体字看的眼睛有点累```
[url=http://weather.sanyaweb.cn]三亚天气[/url]真好
回复(0) 喜欢(0)     评分
iceperple
荣誉会员-暖池
荣誉会员-暖池
  • 注册日期2009-09-18
  • 最后登录2018-12-17
  • 粉丝306
  • 关注164
  • 发帖数7565
  • 来自
5楼#
发布于:2010-02-07 21:35
强文。。。
等到简体版出来才看的。。。。。。
话说,看了以后有几个疑问了。。。。
1、当中高空出现急流,且越过TC中心,那么对TC的影响会如何,是否像垂直风切一样(比如500PHA层出现一大范围湍流,远高于其上下气压层的风速)
2、浅层海水在TC长时间停留时对TC的减弱作用应该更明显,那么按照热传递,周围的高海温水体会传递热量给TC中心相对低温水域,这会不会弥补TC长时间停留后的热量供应不足。
3、存在中心空洞的TC的CISK机制如何行程,其底层复合气流在未到达中心气柱前已经上升,如何支持CISK的继续运转(特别是还有中心空洞形成凤眼的例子)
自称万物之灵的人类之于自然,到底是怎样一种渺小的存在呢?
回复(0) 喜欢(0)     评分
7015b
禁止发言-干空气
禁止发言-干空气
  • 注册日期2009-09-15
  • 最后登录2013-03-09
  • 粉丝109
  • 关注0
  • 发帖数4977
  • 来自
6楼#
发布于:2010-02-07 21:54
用户被禁言,该主题自动屏蔽!
回复(0) 喜欢(0)     评分
追风精灵
荣誉会员-暖池
荣誉会员-暖池
  • 注册日期2006-08-19
  • 最后登录2018-09-18
  • 粉丝62
  • 关注40
  • 发帖数2498
  • 来自
7楼#
发布于:2010-02-08 20:24
引用第5楼iceperple于2010-02-07 21:35发表的 :
强文。。。
等到简体版出来才看的。。。。。。
话说,看了以后有几个疑问了。。。。
1、当中高空出现急流,且越过TC中心,那么对TC的影响会如何,是否像垂直风切一样(比如500PHA层出现一大范围湍流,远高于其上下气压层的风速)
2、浅层海水在TC长时间停留时对TC的减弱作用应该更明显,那么按照热传递,周围的高海温水体会传递热量给TC中心相对低温水域,这会不会弥补TC长时间停留后的热量供应不足。
.......


1:高空急流是产生强垂风切变的最主要因素之一,你说呢?

2:造成TC活动区域SST降低的主要原因是由于TC强风应力的作用使该区域海区形成上翻流,即把深层冷海水带到海表面造成。

3:如果中心是小范围的空洞要看是什么原因造成的,比如是风眼或云卷风眼的话,由于其内有强烈的下沉气流,下沉增温而形成的加热效应比水汽凝结潜热加热效应更明显,当TC出现风眼后,加强率明显加大,不知LZ是否有这种感觉?而遭受地形影响所出现中心大面积空洞是由于低层辐合场的破坏造成的,此时由于低层辐合场已破坏何谈CISK机制?

熱帶氣旋(Tropical Cyclone)是形成於熱帶或副熱帶海洋面上,具有有組織的對流和確定的氣旋性地面風環流,並且具有暖中心結構的非鋒面性天氣尺度天氣系統! 完美CDO:分佈對稱、相對於TC的範圍而言有一定的面積、雲頂溫度極低、頂部紋理平坦、呈渾圓狀態、並且看起來非常飽滿壯實. 完美風眼:邊界非常渾圓非常圓滑、眼區非常清晰、無雜雲存在(眼區低雲除外). Sukima Switch 背中にあった翼は君と共に無くした 日本の音楽+気象(台風)が 好きだ!O(∩_∩)O
回复(0) 喜欢(0)     评分
iceperple
荣誉会员-暖池
荣誉会员-暖池
  • 注册日期2009-09-18
  • 最后登录2018-12-17
  • 粉丝306
  • 关注164
  • 发帖数7565
  • 来自
8楼#
发布于:2010-02-11 16:38
回 7楼(追风精灵) 的帖子
嗯。。。。看懂了,谢谢蛤。。。。
自称万物之灵的人类之于自然,到底是怎样一种渺小的存在呢?
回复(0) 喜欢(0)     评分
franklinlee
热带低压
热带低压
  • 注册日期2012-07-24
  • 最后登录2014-08-23
  • 粉丝8
  • 关注1
  • 发帖数409
  • 来自
9楼#
发布于:2013-06-20 10:56
非常感谢樓主的好贴!
星际头号通缉犯
回复(0) 喜欢(0)     评分
上一页
游客

返回顶部