臺(tái)風(fēng)呼嘯，為何中心獨(dú)“靜”

在浩瀚的海洋上空，臺(tái)風(fēng)如同一場(chǎng)震撼天地的交響樂(lè)，裹挾著狂風(fēng)暴雨席卷而來(lái)。然而，這場(chǎng)看似混亂的“演奏”中心，卻隱藏著一個(gè)奇妙的寧?kù)o區(qū)域——臺(tái)風(fēng)眼。當(dāng)周?chē)蹓Φ娘L(fēng)速突破50米/秒時(shí)，臺(tái)風(fēng)眼內(nèi)卻近乎無(wú)風(fēng)，仿佛突然被某種神秘力量按下了暫停鍵。這種奇特的現(xiàn)象究竟是如何形成的？讓我們從科學(xué)的角度揭開(kāi)謎底。

臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)

臺(tái)風(fēng)是一個(gè)龐大的低壓氣旋系統(tǒng)，其能量源自溫暖海洋釋放的潛熱（物質(zhì)在物態(tài)變化時(shí)釋放或吸收的熱量）和水汽。它的結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：

外圍螺旋雨帶

外圍螺旋雨帶是臺(tái)風(fēng)的顯著特征之一，它們從臺(tái)風(fēng)中心向外延伸，如同臺(tái)風(fēng)的“觸手”，覆蓋范圍廣泛。這些雨帶由一系列的雷暴云組成，會(huì)帶來(lái)持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)和暴雨，是臺(tái)風(fēng)外圍的主要降水區(qū)域。

眼墻

眼墻是圍繞在臺(tái)風(fēng)眼周?chē)沫h(huán)狀區(qū)域，是臺(tái)風(fēng)能量最集中的地方。眼墻的直徑一般在20～50千米之間。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速極高，常常能達(dá)到臺(tái)風(fēng)的峰值，是臺(tái)風(fēng)中天氣最為惡劣的部分。

臺(tái)風(fēng)眼

臺(tái)風(fēng)眼位于臺(tái)風(fēng)的中心，直徑通常在10～50千米之間。在臺(tái)風(fēng)眼內(nèi)，氣壓極低，但風(fēng)速卻相對(duì)較小，甚至可能出現(xiàn)近乎靜風(fēng)的狀態(tài)。

這種“內(nèi)靜外狂”的對(duì)比，源于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部復(fù)雜的動(dòng)力平衡。臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)由兩種相互作用的環(huán)流系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)：主環(huán)流和次級(jí)環(huán)流。如圖所示，主環(huán)流維持臺(tái)風(fēng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，而次級(jí)環(huán)流則負(fù)責(zé)將海洋的熱量向上輸送，為臺(tái)風(fēng)“充電”。眼墻的上升氣流如同一個(gè)熱力泵，不斷將能量從海面輸送到大氣高層。

臺(tái)風(fēng)眼的形成

臺(tái)風(fēng)眼的形成是臺(tái)風(fēng)成熟階段的標(biāo)志。當(dāng)熱帶氣旋（發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)）逐漸加強(qiáng)時(shí)，主環(huán)流的風(fēng)速加快。外圍空氣以螺旋形式向低壓中心匯聚，在眼墻處抬升，釋放大量潛熱。這股熱量驅(qū)動(dòng)次級(jí)環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)，并在高層形成輻散外流。與此同時(shí)，下沉氣流在臺(tái)風(fēng)眼中心被“抽吸”，最終形成穩(wěn)定的無(wú)風(fēng)區(qū)。

當(dāng)臺(tái)風(fēng)眼遇上數(shù)學(xué)“不動(dòng)點(diǎn)”

在氣象科學(xué)領(lǐng)域，研究人員為了精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)的發(fā)展和路徑，會(huì)運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)值模擬技術(shù)。這些數(shù)值模擬都是基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢矶珊痛髿鈩?dòng)力學(xué)方程組搭建起來(lái)的。在構(gòu)建這些氣象模型的過(guò)程中，“不動(dòng)點(diǎn)”這一數(shù)學(xué)原理就像一把神奇的鑰匙，幫助人們分析臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

不動(dòng)點(diǎn)在數(shù)學(xué)中意味著一個(gè)在函數(shù)或映射下保持不變的點(diǎn)，即輸入和輸出相同。換句話(huà)說(shuō)，不動(dòng)點(diǎn)就是某個(gè)“變換”或“操作”下，保持不變的點(diǎn)。例如，如果你把一張紙揉成一團(tuán)，紙上的某個(gè)點(diǎn)可能還在原來(lái)的位置，這個(gè)點(diǎn)就是不動(dòng)點(diǎn)；或者你把一個(gè)橡皮筋拉長(zhǎng)，橡皮筋上的某個(gè)點(diǎn)可能沒(méi)有移動(dòng)，這個(gè)點(diǎn)也是不動(dòng)點(diǎn)。

在臺(tái)風(fēng)這個(gè)復(fù)雜的氣象系統(tǒng)里，臺(tái)風(fēng)眼就如同一個(gè)特殊的不動(dòng)點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)外圍的空氣在強(qiáng)大的氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力作用下，圍繞著中心做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而臺(tái)風(fēng)眼區(qū)域卻相對(duì)穩(wěn)定，氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在一定程度上仿佛被“定格”，保持著相對(duì)的靜止與穩(wěn)定，這便是不動(dòng)點(diǎn)原理在臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)中的奇妙體現(xiàn)。

將風(fēng)速“強(qiáng)制”歸零的公式

在臺(tái)風(fēng)眼外的區(qū)域，空氣運(yùn)動(dòng)遵循梯度風(fēng)平衡方程：

當(dāng)空氣接近臺(tái)風(fēng)眼時(shí)，方程左邊的氣壓梯度趨近于零。此時(shí)，若半徑極?。ń咏_(tái)風(fēng)眼中心），數(shù)學(xué)上唯一合理的解是切向風(fēng)速 趨近于0，大自然通過(guò)公式“強(qiáng)制”將臺(tái)風(fēng)眼中心的風(fēng)速歸零。

當(dāng)臺(tái)風(fēng)眼遇上物理學(xué)下沉增溫

臺(tái)風(fēng)眼的下沉氣流受到周?chē)諝獾臄D壓而升溫，每下沉1千米，溫度升高9.8攝氏度。升溫后的氣流如同蓋子一樣，“蓋”住了下面的空氣，即阻斷了空氣上下對(duì)流。

這一過(guò)程就如同我們用氣筒打氣，氣筒內(nèi)的空氣會(huì)變熱一樣

能量被“吹散”

臺(tái)風(fēng)眼的下沉氣流到達(dá)低空后，會(huì)像沙子灑在地上一樣，朝四面八方散開(kāi)，臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)的能量被削弱了。

能量供應(yīng)“斷了”

在臺(tái)風(fēng)的其他地方，有上升氣流給臺(tái)風(fēng)不斷“加油”，讓它能一直快速旋轉(zhuǎn)。但臺(tái)風(fēng)眼沒(méi)有上升氣流來(lái)提供能量，再加上前面說(shuō)的氣流向四周擴(kuò)散，把能量都帶走了。

對(duì)臺(tái)風(fēng)眼的研究不僅提升了氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更啟示人類(lèi)：在狂暴的自然之力中，秩序與平衡始終如影隨形。正如古人觀(guān)臺(tái)風(fēng)而知天象，今日的科學(xué)家們正透過(guò)這片“靜風(fēng)之眼”，解碼地球大氣最深邃的奧秘。

（責(zé)任編輯 / 王佳璇" 高琳" 美術(shù)編輯 / 周游）