颶風、臺風和旋風的形成原因和預防策略

鐘萃相

【摘 要】關于颶風、臺風和旋風的形成機制及其突變原因仍然是當今世界尚未解決的幾大難題。為此，作者近來研究了極地渦旋的形成和變化規(guī)律，從而可以更清楚地揭示颶風、臺風和旋風的形成機制及其突變原因，對于預防颶風、臺風和旋風帶來的重大災害具有重要的指導作用。作者發(fā)現(xiàn)颶風、臺風和旋風都是由月球牽引的極地渦旋形成的。對于可能肆虐于美國東海岸的颶風或引起美國西部山火的氣旋，應該在颶風或氣旋盛行前的一個月對出現(xiàn)在加拿大巴芬島和西伯利亞東北部的渦旋胚胎加以監(jiān)控和削弱。對于可能肆虐于西北太平洋或南海的臺風，應該在臺風盛行前的一個月對西伯利亞東北部的渦旋胚胎進行監(jiān)控和削弱。對于可能肆虐于南印度洋或孟加拉灣的旋風，應該在旋風盛行前的一個月對南極的旋風胚胎嚴加監(jiān)控和削弱。

【關鍵詞】颶風;臺風;旋風;形成機制;突變原因

中圖分類號： P444 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.003

【Abstract】The formation of hurricanes， typhoons and cyclones as well as the cause of their sudden changes still remain the major unsolved problems in today's world. In this connection， the author has recently studied the formation and activity of polar vortices， therefore can reveal the formation and activity of hurricanes， typhoons and cyclones，？which plays an important guiding role in preventing major disasters caused by hurricanes， typhoons or cyclones. The author finds that all hurricanes， typhoons and cyclones are formed by polar vortices pulled by the moon. In order to prevent hurricanes from raging along the east coast of the United States or fire tornadoes causing mountain fires in the western United States， the potentially dangerous vortex genesises near Canada Baffin Island or over northeastern Siberia should be monitored and weakened in the month before they prevail; in order to prevent typhoons from ravaging the Northwest Pacific or South China Sea， the potentially dangerous vortex genesises over northeastern Siberia should be monitored and weakened in the month before they prevail; in order to prevent cyclones from raging over the South Indian Ocean or the Bay of Bengal， the potentially dangerous vortex genesises in Antarctic should be monitored and weakened in the month before they prevail.

【Key words】Hurricanes; Typhoons; Cyclones; Formation; Change; Prevention

颶風、臺風和旋風被認為是發(fā)生在熱帶海洋上的強烈風暴，這種風暴主要發(fā)生在東北大西洋（包括加勒比海和墨西哥灣）、西北太平洋（包括中國南海）和孟加拉灣。生于大西洋、加勒比海以及太平洋東北部的被稱為“颶風”; 生于西北太平洋和中國南海的被稱為“臺風”; 而生于印度洋、阿拉伯海、孟加拉灣的被稱為“旋風”。這種熱帶氣旋往往形成狂風暴雨，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)，造成巨大的自然災害，是地球物理環(huán)境中最具破壞性的天氣系統(tǒng)[1-3]。

要減輕熱帶風暴的災害，首先要給出風暴的正確預報。盡管經(jīng)過近百年的觀察和研究，人們對颶風、臺風和旋風的認識有了明顯進展，但是關于颶風、臺風和旋風的形成機制及其路徑突變和強度突變的原因仍然是當今世界尚未解決的幾大難題[2-4]。幸而近來作者研究了極地渦旋的形成和變化規(guī)律，揭示了渦旋的吸積和噴流機制， 據(jù)此可以揭示颶風、臺風和旋風的形成機制及其變化規(guī)律，對于預防颶風、臺風和旋風帶來重大災害具有重要的指導作用。

1 關于熱帶氣旋形成的現(xiàn)有理論

目前，科學界普遍認為熱帶氣旋的形成必須具備 6個條件：

海水的表面溫度不低于攝氏26.5℃，且水深不少于50米。這個溫度的海水造成上層大氣足夠的不穩(wěn)定。

氣旋中空氣溫度隨高度的增加迅速降低。這樣容許水蒸氣潛熱的釋放，而這些潛熱是熱帶氣旋的能量來源。

潮濕的空氣，尤其在對流層的中下層。大氣濕潤有利于天氣擾動的形成。

不強的垂直風切變，如果垂直風切變過強，熱帶氣旋對流的發(fā)展會被破壞。

需在離赤道超過五個緯度的地區(qū)生成，否則科里奧利力的強度不足以使吹向低壓中心的風偏轉并圍繞其轉動，環(huán)流中心便不能形成。

一個預先存在的且擁有環(huán)流及低壓中心的天氣擾動。

據(jù)統(tǒng)計，熱帶氣旋多形成于南北緯10至30度之間的熱帶海洋上，那里終年受強烈太陽照射，溫度高、海水蒸發(fā)量大。這些熱濕水蒸氣比重小，膨脹上升到高空冷卻成云致雨，并在凝結過程中釋放大量熱能，使空氣熱量增加，上升更快，于是形成低壓中心，而四周較涼爽的空氣迅速向低壓中心流動，在地球從西向東自轉偏向力的作用下會引發(fā)比冷凝區(qū)域大數(shù)倍區(qū)域內(nèi)的擾動。這種擾動具有一定的渦旋特征，但受到普遍存在的側向風的襲擾，加之垂直溫度梯度很小，平均為0.6-0.65℃/hm，絕大多數(shù)擾動不能發(fā)展成熱帶氣旋。也就是說，僅靠水汽運動+冷凝擾動生成熱帶氣旋的概率是非常低的[5]。

2 關于熱帶氣旋形成和活動的新發(fā)現(xiàn)

既然僅靠水汽運動+冷凝擾動生成熱帶氣旋的概率很低，目前的研究偏向認為，熱帶氣旋是由中層渦旋（MCV）生成的可能性較大。觀察研究還表明中層渦旋很可能是由對流系統(tǒng)生成的[6]，且這種對流系統(tǒng)多是在北緯40度以北或南緯40度以南被發(fā)現(xiàn)的，而不是在南北緯10至30度之間的熱帶海洋上發(fā)現(xiàn)的。另外，北半球的熱帶氣旋是逆時針旋轉，與北極渦旋的旋轉方向一致，南半球的熱帶氣旋是順時針旋轉，與南極渦旋的旋轉方向一致。這些就使人們自然地推斷北半球的熱帶氣旋來自北極的渦旋，而南半球的熱帶氣旋來自南極的渦旋。

眾所周知，地球擁有濃密的大氣層。由于地球自轉離心力的作用使地球成長為赤道隆起、兩極稍扁的球體，使地球兩極位置的半徑小于赤道及其他位置的半徑，而萬有引力和距離的平方成反比。當?shù)厍蚩焖僮赞D時，產(chǎn)生的強大離心力使赤道和低緯度地區(qū)上空的云氣容易遠離其旋轉軌道而沿著螺旋軌道向南極或北極移動。由于極地位置的萬有引力大于其他位置的萬有引力，因此當云氣移到極地上空時容易被極地的萬有引力吸引住，云氣吸入冷空氣后便凝結成厚重的云團而下沉。許多墜向極地的云團隨著地球的自轉便形成一股很強的圍繞極地旋轉的環(huán)流，即“極地渦旋”，如圖1所示。地球有兩族較大的渦旋結構，分別位于南極和北極，深度可跨越地球的對流層和平流層。這種渦旋結構常年存在，在冬季達到最大強度。當北極處于夏季，其渦旋不顯著時，南極處于冬季，其渦旋顯著;當南極處于夏季，其渦旋不顯著時，北極處于冬季，其渦旋顯著。所以這兩族渦旋結構具有優(yōu)勢互補的作用[7]。

由于卷入極地渦旋的云團數(shù)量巨大且以螺旋方式快速旋轉，因此可形成一系列寬厚的螺旋云帶，這種云帶不僅便于較重的水滴向下流動而且便于電荷的傳遞，可謂是導電性能極佳的電路。由于卷入極地渦旋的云團數(shù)量巨大且快速旋轉，容易發(fā)生劇烈的摩擦和碰撞，使渦旋中充滿了正離子和負離子，并在渦旋中產(chǎn)生許多電流和閃電，如圖2所示。云中的水滴“優(yōu)先”吸收大氣中的負離子，使水滴逐漸帶上了負電荷，因為帶負電的云滴比較重，就下移到云的下部甚至沿螺旋云帶流落到渦旋底部，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部甚至渦旋頂部，從而在螺旋云帶中形成了從渦旋底部流向渦旋頂部的電流。特別地，由于螺旋云路上的云團數(shù)量巨大且快速旋轉，容易發(fā)生劇烈的摩擦和碰撞，不斷地產(chǎn)生雷暴，每個雷暴好似一部靜電起電機，將電流送到渦旋頂部和底部，形成一系列的云帶電路。由于這些云帶電路會產(chǎn)生巨大的熱量，因此形成渦旋的暖心結構。暖心部分的空氣膨脹上升，上升到風眼墻的的冷凝段時水汽凝結，使螺旋云帶的導電性能增強，電流增大，暖心更熱，暖心部分空氣膨脹上升速度進一步加快，上升水汽凝結過程愈演愈烈。因為水汽凝結成水珠時其體積縮小1000多倍，形成低壓中心，四周較涼空氣迅速向低壓中心流動，形成強烈的大氣渦旋[8]。

北極渦旋的分布有兩個中心，一個在西伯利亞的東北部，而另一個在加拿大的巴芬島。極地渦旋是一種生于地球極地的持續(xù)的、大規(guī)模的氣旋，一般介于對流層和平流層之間，地表以上約5，500至9，100米處，即漂浮于對流層的中部和上部。在夏秋季，海洋受到強烈的太陽照射，溫度高、海水蒸發(fā)量大，上升到高空和漂移到極地的水蒸汽也多，有助于極地渦旋的生長和發(fā)育。特別是在八九月份秋分季節(jié)來臨時，太陽直射從北向南移動，造成高緯度地區(qū)降溫，低緯度地區(qū)海洋升溫，有利于北極渦旋增強和活動。正如月球能引海潮那樣，月球也能牽引漂浮在空氣中的渦旋，眾所周知的北極渦旋南移就是月球牽引的結果。通常情況下，當月球經(jīng)過北極（或南極）上空向南（或向北）運行時，極地渦旋會受到月球萬有引力的作用而被分裂成上下兩部分，然后月球將漂浮在對流層頂?shù)臏u旋上部向南（或向北）牽移，導致極渦的位置發(fā)生變化，使極渦在極地的活動過程不超過一個月，即月球過后極渦殘部又從幼小開始成長，此時對幼小的渦旋進行監(jiān)控比較容易。月球的運行軌跡如圖3所示。由于對流層上部的氣流速度可達50m/s，因此在以1020m/s 運行的月球的帶動下，能以超過50m/s的速度向南（或北）移動。每年8、9月份，生于西伯利亞東北部或加拿大巴芬島的渦旋在月球的牽引下進入大西洋上空，不日即可以到達美國東南部海域上空。由于秋分季節(jié)美國東南部海面的溫度在26.5℃以上，因此當渦旋遇到海洋表面的高溫氣流時，就立即加強為超級強烈的颶風。由于沿著海洋南下的渦旋受到的阻擋較少，又可吸收到較充足的水蒸氣，因此風眼墻變得較長，致使佛羅里達東南部海面生成的颶風要比其他地方的颶風要強。每年11月份也常有來自西伯利亞東北部或加拿大巴芬島的渦旋南下，但因冬季氣溫較低，沿途缺乏水蒸氣，當渦旋移到美國加利福尼亞州時變得瘦弱不堪，最終因浮力不足，墜落森林，被高大濃密森林截斷的火龍卷便燃起森林大火。

在冬末（12月份）或春初（1、2月份），每當月球經(jīng)過北極地上南下時，極渦會受到月球萬有引力的作用而分裂成幾個部分，然后月球將漂浮在對流層頂?shù)臏u旋部分向南牽移，導致中低緯度地區(qū)溫度劇降，甚至出現(xiàn)極寒天氣。由于北極航道的開通和油氣的勘探和開采，北極冰川流失，北極冰蓋和永久性凍土層下降，極區(qū)盆地邊緣沉陷，使得南下的渦旋受到的阻擋變少，其風眼墻受損也少，因而其風力更猛，便導致了近年來北美出現(xiàn)異常寒冷的現(xiàn)象。

在6、7月份生于西伯利亞的東北部的北極渦旋，也會隨著月球的運動而跨越歐亞大陸南移，但因陸地上空缺乏水蒸氣，待到漂移到西北太平洋上空時已削減為小小的氣旋。不過后來遇到西北太平洋海面的高溫氣流，又演變成強烈的臺風。

南極極地渦旋比北極極地渦旋更為顯著，持續(xù)時間也更長。當月球經(jīng)過南極上空向北運行時，它能牽引南極極地渦旋向北漂移。當漂移到南印度洋或孟加拉灣附近時，由于受到海洋表面高溫氣流的影響，瞬間變成橫掃千里的旋風，使附近地區(qū)慘遭重災。

根據(jù)月球的行駛路線，可以看出月球自南極北上時，月球牽引的南極渦旋因受非洲大陸和歐亞大陸的阻擋， 除非落在非洲南端、印度洋、孟加拉灣、阿拉伯?；虻刂泻?，否則不能成為可怕的狂風，故大西洋南部很少出現(xiàn)猛烈的熱帶氣旋。

3 熱帶氣旋的預防

氣旋在生成初期比較弱小，容易被驅散，當氣旋在熱帶洋面上發(fā)展成熟之后，其體積龐大、功率強大，難以控制。因此，應該在颶風、臺風和旋風盛行前一個月對它們加以控制，驅散或消除地球兩極有潛在危險的渦旋胚胎[9]。

對于可能肆虐于美國東海岸的颶風或引起美國西部山火的氣旋，應該在颶風或氣旋盛勝前一個月對出現(xiàn)在西伯利亞東北部和加拿大巴芬島的氣旋胚胎加以監(jiān)控和削弱。

對于可能肆虐于西北太平洋或南海的臺風，應該在臺風盛勝前一個月對西伯利亞東北部的氣旋胚胎進行監(jiān)控，把有危險的氣旋胚胎削弱。

對于可能肆虐于南印度洋或孟加拉灣的旋風，應該在旋風盛勝前一個月對南極的旋風胚胎嚴加監(jiān)控，把有潛在危險的氣旋坯胎削弱。

類似地，為了避免北半球冬末和早春出現(xiàn)異常寒冷，應該在這些季節(jié)的前一個月將北極冷渦削弱，使月球帶出去的渦旋變?nèi)?，不會對南部造成過壞的影響[10]。

為了防止全球變暖或北美地區(qū)反復出現(xiàn)異常寒冷的天氣，還應該沿著北極航道加固堤岸，防止冰川流失;為了防止北極冰蓋和永久性凍土層下降，應該在勘探和開采的地方填塞石頭、泥沙或木頭，穩(wěn)住冰基;為了防止極區(qū)盆地邊緣沉陷導致月球輕易牽引極渦溜出極區(qū)盆地，應該測出月球攜渦行駛的慣常路徑，然后沿著這些路徑布設多道百米以上高墻防線，以便阻擋極渦溜出極區(qū)盆地或截斷潛逃的極渦風眼墻。另外，應該減少人們在極地的盲目活動（如盲目地開采油氣和不必要的旅游），保持北極冰蓋不減不融，氣溫不升，則在夏天能使北極渦旋得到加強，月球帶出去的渦旋也相應增強，從而使全球氣溫下降，解決全球變暖的問題。

4 結論

颶風、臺風和旋風是最具破壞性的天氣系統(tǒng)。要減輕這些風暴的災害，首先要明確這些風暴的起因及其路徑和強度的變化規(guī)律，以便對這些氣旋的胚胎加以監(jiān)控和削弱。對于可能肆虐于美國東海岸的颶風，應該在颶風盛行前的一個月對出現(xiàn)在加拿大巴芬島的渦旋胚胎加以監(jiān)控和削弱。對于可能引起美國西部山火的氣旋，應該在氣旋盛行前的一個月對出現(xiàn)在西伯利亞東北部和加拿大巴芬島的渦旋胚胎加以監(jiān)控和削弱。對于可能肆虐于西北太平洋或南海的臺風，應該在臺風盛行前的一個月對西伯利亞東北部的渦旋胚胎進行監(jiān)控和削弱。對于可能肆虐于南印度洋或孟加拉灣的旋風，應該在旋風盛行前的一個月對南極的旋風胚胎嚴加監(jiān)控和削弱。為了避免北半球冬末和早春出現(xiàn)異常寒冷，應該在這些季節(jié)的前一個月將北極冷渦削弱，使月球帶出去的渦旋變?nèi)?，不會對南部造成過壞的影響。一般應該在月球經(jīng)過極地上空后，立即對弱小的極渦殘部加以監(jiān)控。

【參考文獻】

[1]尹宜舟，羅勇，肖勁風，等. 熱帶氣旋年潛在影響力指數(shù)[J].中國科學：地球科學，2013，43（12）：2086-2098.

YIN Yizhou， LUO Yong， XIAO Fengjin， et al. Yearly tropical cyclone potential impact index in China[J].Science China： Earth Science （Terrae），2013，43（12）： 2086-2098.（In Chinese）

[2]隋廣軍，唐丹玲.臺風災害與應急管理[M]. 北京：科學出版社，2015：1-149.SUI Guangjun，TANG Danling.Typhoon Disaster Assessment and Emergency Management[M].Beijing：Science Press，2015：1-149.（In Chinese）

[3]Henderson-Sellers，A.et al.Tropical Cyclones and Global Climate Change：A Post-IPCC Assessment.Bulletin of the American Meteorological Society，1998，79：19-38.

[4]Emanuel，K.Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years[J].Nature，2005，436（7051）：686-688.

[5]Landsea，Chris.Why doesn't the South Atlantic Ocean experience tropical cyclones[J].Atlantic Oceanographic and Meteorlogical Laboratory.National Oceanographic and Atmospheric Administration. 2005.

[6]Diana L.Bartels，John M.Brown，Edward I.Tollerud. Structure of a Midtropospheric Vortex Induced by a Mesoscale Convective System[J]. Monthly Weather Review，1995-12-21.

[7]Cuixiang Zhong. The Origin of Geomagnetic Fields and the Cause of Its Reversal[J]. International Journal of Geophysics and Geochemistry， 2018-09-30.

[8]Cuixiang Zhong. Formation and Evolution of Pulsars & Accretion and Jets of Black Holes[J]. American Journal of Astronomy and Astrophysics，2018-11-30.

[9]Kikuchi，Kazuyoshi;Wang，Bin;Fudeyasu，Hironori.Genesis of tropical cyclone Nargis revealed by multiple satellite observations[J].Geophysical Research Letters，2009，36（6）：L06811.

[10]Abdolreza Kashki & Javad Khoshhal.Investigation of the Role of Polar Vortex in Iranian First and Last Snowfalls[J].Journal of Geology and Geography， 2013，5（4）.