飓风、台风和旋风的形成原因和预防策略

飓风、台风和旋风的形成原因和预防策略
钟萃相
【摘要】关于飓风、台风和旋风的形成机制及其突变原因仍然是当今世界尚未解决的几大难题.为此,作者近来研究了极地涡旋的形成和变化规律,从而可以更清楚地揭示飓风、台风和旋风的形成机制及其突变原因,对于预防飓风、台风和旋风带来的重大灾害具有重要的指导作用.作者发现飓风、台风和旋风都是由月球牵引的极地涡旋形成的.对于可能肆虐于美国东海岸的飓风或引起美国西部山火的气旋,应该在飓风或气旋盛行前的一个月对出现在加拿大巴芬岛和西伯利亚东北部的涡旋胚胎加以监控和削弱.对于可能肆虐于西北太平洋或南海的台风,应该在台风盛行前的一个月对西伯利亚东北部的涡旋胚胎进行监控和削弱.对于可能肆虐于南印度洋或孟加拉湾的旋风,应该在旋风盛行前的一个月对南极的旋风胚胎严加监控和削弱.【期刊名称】《科技视界》
【年(卷),期】2019(000)007
【总页数】4页(P9-11,4)
【关键词】飓风;台风;旋风;形成机制;突变原因
【作者】钟萃相
【作者单位】江西师范大学物理学院,江西南昌 330022
【正文语种】中文
【中图分类】P444
飓风、台风和旋风被认为是发生在热带海洋上的强烈风暴，这种风暴主要发生在东北大西洋（包括加勒比海和墨西哥湾）、西北太平洋（包括中国南海）和孟加拉湾。

生于大西洋、加勒比海以及太平洋东北部的被称为“飓风”；生于西北太平洋和中国南海的被称为“台风”；而生于印度洋、阿拉伯海、孟加拉湾的被称为“旋风”。

这种热带气旋往往形成狂风暴雨，严重威胁着人们的生命财产，造成巨大的自然灾害，是地球物理环境中最具破坏性的天气系统[1-3]。

要减轻热带风暴的灾害，首先要给出风暴的正确预报。

尽管经过近百年的观察和研究，人们对飓风、台风和旋风的认识有了明显进展，但是关于飓风、台风和旋风的形成机制及其路径突变和强度突变的原因仍然是当今世界尚未解决的几大难题 [2-4]。

幸而近来作者研究了极地涡旋的形成和变化规律，揭示了涡旋的吸积和喷流机制，据此可以揭示飓风、台风和旋风的形成机制及其变化规律，对于预防飓风、台风和旋风带来重大灾害具有重要的指导作用。

1 关于热带气旋形成的现有理论
目前，科学界普遍认为热带气旋的形成必须具备6个条件：
海水的表面温度不低于摄氏26.5℃，且水深不少于50米。

这个温度的海水造成上层大气足够的不稳定。

气旋中空气温度随高度的增加迅速降低。

这样容许水蒸气潜热的释放，而这些潜热是热带气旋的能量来源。

潮湿的空气，尤其在对流层的中下层。

大气湿润有利于天气扰动的形成。

不强的垂直风切变，如果垂直风切变过强，热带气旋对流的发展会被破坏。

需在离赤道超过五个纬度的地区生成，否则科里奥利力的强度不足以使吹向低压中心的风偏转并围绕其转动，环流中心便不能形成。

一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。

据统计，热带气旋多形成于南北纬10至30度之间的热带海洋上，那里终年受强
烈太阳照射，温度高、海水蒸发量大。

这些热湿水蒸气比重小，膨胀上升到高空冷却成云致雨，并在凝结过程中释放大量热能，使空气热量增加，上升更快，于是形成低压中心，而四周较凉爽的空气迅速向低压中心流动，在地球从西向东自转偏向力的作用下会引发比冷凝区域大数倍区域内的扰动。

这种扰动具有一定的涡旋特征，但受到普遍存在的侧向风的袭扰，加之垂直温度梯度很小，平均为0.6-
0.65℃/hm，绝大多数扰动不能发展成热带气旋。

也就是说，仅靠水汽运动+冷凝扰动生成热带气旋的概率是非常低的[5]。

2 关于热带气旋形成和活动的新发现
既然仅靠水汽运动+冷凝扰动生成热带气旋的概率很低，目前的研究偏向认为，热带气旋是由中层涡旋(MCV)生成的可能性较大。

观察研究还表明中层涡旋很可能是由对流系统生成的[6]，且这种对流系统多是在北纬40度以北或南纬40度以南被发现的，而不是在南北纬10至30度之间的热带海洋上发现的。

另外，北半球的
热带气旋是逆时针旋转，与北极涡旋的旋转方向一致，南半球的热带气旋是顺时针旋转，与南极涡旋的旋转方向一致。

这些就使人们自然地推断北半球的热带气旋来自北极的涡旋，而南半球的热带气旋来自南极的涡旋。

众所周知，地球拥有浓密的大气层。

由于地球自转离心力的作用使地球成长为赤道隆起、两极稍扁的球体，使地球两极位置的半径小于赤道及其他位置的半径，而万有引力和距离的平方成反比。

当地球快速自转时，产生的强大离心力使赤道和低纬度地区上空的云气容易远离其旋转轨道而沿着螺旋轨道向南极或北极移动。

由于极地位置的万有引力大于其他位置的万有引力，因此当云气移到极地上空时容易被极地的万有引力吸引住，云气吸入冷空气后便凝结成厚重的云团而下沉。

许多坠向极
地的云团随着地球的自转便形成一股很强的围绕极地旋转的环流，即“极地涡旋”，如图1所示。

地球有两族较大的涡旋结构，分别位于南极和北极，深度可跨越地
球的对流层和平流层。

这种涡旋结构常年存在，在冬季达到最大强度。

当北极处于夏季，其涡旋不显著时，南极处于冬季，其涡旋显著；当南极处于夏季，其涡旋不显著时，北极处于冬季，其涡旋显著。

所以这两族涡旋结构具有优势互补的作用[7]。

由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且以螺旋方式快速旋转，因此可形成一系列宽厚的螺旋云带，这种云带不仅便于较重的水滴向下流动而且便于电荷的传递，可谓是导电性能极佳的电路。

由于卷入极地涡旋的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，使涡旋中充满了正离子和负离子，并在涡旋中产生许多电流和闪电,如图2所示。

云中的水滴“优先”吸收大气中的负离子，使水滴逐渐带上了负
电荷，因为带负电的云滴比较重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云带流落到涡旋底部，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部甚至涡旋顶部，从而在螺旋云带中形成了从涡旋底部流向涡旋顶部的电流。

特别地，由于螺旋云路上的云团数量巨大且快速旋转，容易发生剧烈的摩擦和碰撞，不断地产生雷暴，每个雷暴好似一部静电起电机，将电流送到涡旋顶部和底部，形成一系列的云带电路。

由于这些云带电路会产生巨大的热量，因此形成涡旋的暖心结构。

暖心部分的空气膨胀上升，上升到风眼墙的的冷凝段时水汽凝结，使螺旋云带的导电性能增强，电流增大，暖心更热，暖心部分空气膨胀上升速度进一步加快，上升水汽凝结过程愈演愈烈。

因为水汽凝结成水珠时其体积缩小1000多倍，形成低压中心，四周较凉空气迅速向低压中心流动，形成强烈的大气涡旋[8]。

北极涡旋的分布有两个中心，一个在西伯利亚的东北部，而另一个在加拿大的巴芬岛。

极地涡旋是一种生于地球极地的持续的、大规模的气旋，一般介于对流层和平流层之间，地表以上约5,500至9,100米处，即漂浮于对流层的中部和上部。

在
夏秋季，海洋受到强烈的太阳照射，温度高、海水蒸发量大，上升到高空和漂移到极地的水蒸汽也多，有助于极地涡旋的生长和发育。

特别是在八九月份秋分季节来临时，太阳直射从北向南移动，造成高纬度地区降温，低纬度地区海洋升温，有利于北极涡旋增强和活动。

正如月球能引海潮那样，月球也能牵引漂浮在空气中的涡旋，众所周知的北极涡旋南移就是月球牵引的结果。

通常情况下，当月球经过北极（或南极）上空向南（或向北）运行时，极地涡旋会受到月球万有引力的作用而被分裂成上下两部分，然后月球将漂浮在对流层顶的涡旋上部向南(或向北)牵移，导致极涡的位置发生变化，使极涡在极地的活动过程不超过一个月，即月球过后极涡残部又从幼小开始成长，此时对幼小的涡旋进行监控比较容易。

月球的运行轨迹如图3所示。

由于对流层上部的气流速度可达50m/s，因此在以1020m/s运行的
月球的带动下，能以超过50m/s的速度向南（或北）移动。

每年8、9月份，生
于西伯利亚东北部或加拿大巴芬岛的涡旋在月球的牵引下进入大西洋上空，不日即可以到达美国东南部海域上空。

由于秋分季节美国东南部海面的温度在26.5℃以上，因此当涡旋遇到海洋表面的高温气流时，就立即加强为超级强烈的飓风。

由于沿着海洋南下的涡旋受到的阻挡较少，又可吸收到较充足的水蒸气，因此风眼墙变得较长，致使佛罗里达东南部海面生成的飓风要比其他地方的飓风要强。

每年11
月份也常有来自西伯利亚东北部或加拿大巴芬岛的涡旋南下，但因冬季气温较低，沿途缺乏水蒸气，当涡旋移到美国加利福尼亚州时变得瘦弱不堪，最终因浮力不足，坠落森林，被高大浓密森林截断的火龙卷便燃起森林大火。

图3 月球的运行轨迹Fig.3 The trajectory of the Moon around the Earth
在冬末（12月份）或春初（1、2月份），每当月球经过北极地上南下时，极涡会受到月球万有引力的作用而分裂成几个部分，然后月球将漂浮在对流层顶的涡旋部分向南牵移，导致中低纬度地区温度剧降，甚至出现极寒天气。

由于北极航道的开通和油气的勘探和开采，北极冰川流失，北极冰盖和永久性冻土层下降，极区盆地
边缘沉陷，使得南下的涡旋受到的阻挡变少，其风眼墙受损也少，因而其风力更猛，便导致了近年来北美出现异常寒冷的现象。

在6、7月份生于西伯利亚的东北部的北极涡旋，也会随着月球的运动而跨越欧亚大陆南移，但因陆地上空缺乏水蒸气，待到漂移到西北太平洋上空时已削减为小小的气旋。

不过后来遇到西北太平洋海面的高温气流，又演变成强烈的台风。

南极极地涡旋比北极极地涡旋更为显著，持续时间也更长。

当月球经过南极上空向北运行时，它能牵引南极极地涡旋向北漂移。

当漂移到南印度洋或孟加拉湾附近时，由于受到海洋表面高温气流的影响，瞬间变成横扫千里的旋风，使附近地区惨遭重灾。

根据月球的行驶路线，可以看出月球自南极北上时，月球牵引的南极涡旋因受非洲大陆和欧亚大陆的阻挡，除非落在非洲南端、印度洋、孟加拉湾、阿拉伯海或地中海，否则不能成为可怕的狂风，故大西洋南部很少出现猛烈的热带气旋。

3 热带气旋的预防
气旋在生成初期比较弱小，容易被驱散，当气旋在热带洋面上发展成熟之后，其体积庞大、功率强大，难以控制。

因此，应该在飓风、台风和旋风盛行前一个月对它们加以控制，驱散或消除地球两极有潜在危险的涡旋胚胎[9]。

对于可能肆虐于美国东海岸的飓风或引起美国西部山火的气旋，应该在飓风或气旋盛胜前一个月对出现在西伯利亚东北部和加拿大巴芬岛的气旋胚胎加以监控和削弱。

对于可能肆虐于西北太平洋或南海的台风，应该在台风盛胜前一个月对西伯利亚东北部的气旋胚胎进行监控，把有危险的气旋胚胎削弱。

对于可能肆虐于南印度洋或孟加拉湾的旋风，应该在旋风盛胜前一个月对南极的旋风胚胎严加监控，把有潜在危险的气旋坯胎削弱。

类似地，为了避免北半球冬末和早春出现异常寒冷，应该在这些季节的前一个月将北极冷涡削弱，使月球带出去的涡旋变弱，不会对南部造成过坏的影响[10]。

为了防止全球变暖或北美地区反复出现异常寒冷的天气，还应该沿着北极航道加固堤岸，防止冰川流失；为了防止北极冰盖和永久性冻土层下降，应该在勘探和开采的地方填塞石头、泥沙或木头，稳住冰基；为了防止极区盆地边缘沉陷导致月球轻易牵引极涡溜出极区盆地，应该测出月球携涡行驶的惯常路径，然后沿着这些路径布设多道百米以上高墙防线，以便阻挡极涡溜出极区盆地或截断潜逃的极涡风眼墙。

另外，应该减少人们在极地的盲目活动（如盲目地开采油气和不必要的旅游），
保持北极冰盖不减不融，气温不升，则在夏天能使北极涡旋得到加强，月球带出去的涡旋也相应增强，从而使全球气温下降，解决全球变暖的问题。

4 结论
飓风、台风和旋风是最具破坏性的天气系统。

要减轻这些风暴的灾害，首先要明确这些风暴的起因及其路径和强度的变化规律，以便对这些气旋的胚胎加以监控和削弱。

对于可能肆虐于美国东海岸的飓风，应该在飓风盛行前的一个月对出现在加拿大巴芬岛的涡旋胚胎加以监控和削弱。

对于可能引起美国西部山火的气旋，应该在气旋盛行前的一个月对出现在西伯利亚东北部和加拿大巴芬岛的涡旋胚胎加以监控和削弱。

对于可能肆虐于西北太平洋或南海的台风，应该在台风盛行前的一个月对西伯利亚东北部的涡旋胚胎进行监控和削弱。

对于可能肆虐于南印度洋或孟加拉湾的旋风，应该在旋风盛行前的一个月对南极的旋风胚胎严加监控和削弱。

为了避免北半球冬末和早春出现异常寒冷，应该在这些季节的前一个月将北极冷涡削弱，使月球带出去的涡旋变弱，不会对南部造成过坏的影响。

一般应该在月球经过极地上空后，立即对弱小的极涡残部加以监控。

【参考文献】
【相关文献】
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