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風眼

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2003年9月15日從國際空間站所拍攝到的颶風伊莎貝爾，在其中心可看見非常明顯的風眼結構。
2018年9月25日從國際空間站拍攝到的颱風潭美風眼，可見其四周都被高聳的雲牆環繞。
系列之一
熱帶氣旋
結構
影響
氣候學與監控
熱帶氣旋命名
熱帶氣旋概述（英語：Outline of tropical cyclones）
熱帶氣旋專題·熱帶氣旋主題

風眼是強烈熱帶氣旋中心天氣情況相對平靜的區域，通常呈圓形，直徑大多在30到65公里之間，周圍由眼壁環繞，後者是環狀的強烈雷暴區，通常是氣旋中天氣最惡劣的地方。風眼中擁有整個氣旋的最低氣壓，可比風暴外的氣壓低15%。[1]

強烈熱帶氣旋中的風眼通常雲淡風輕，四面八方均環繞着密集、均勻的風眼牆。相對較弱的熱帶氣旋中風眼界線較為模糊，並且有可能會被中心密集雲團——一種高厚雲層區域，在衛星圖像上顯示成亮區——掩蓋。強度更弱或是組織結構紊亂的風暴中也可能存在風眼牆，但不足以完全閉合將風眼環繞起來，或是風眼區域內會出現暴雨。不過無論是哪種風暴，風眼都是氣壓最低的區域。[1][2]

結構

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成熟熱帶氣旋的橫截面圖，箭頭代表空氣在風眼內及其周圍流動的方向。

風眼通常坐落在熱帶氣旋的幾何中心，直徑30到65公里之間。風眼可能完全處於透明狀態，也可能含有少量雲朵形成的斑點，還可能被中心密集雲區遮擋。同時風眼內的風力和雨量都很小，特別是接近中心的部分，這點上與周圍環繞的風眼牆形成鮮明對比，後者通常包含有風暴中最強烈的風[3]。由於熱帶氣旋的機制影響，風眼內及其正上方的空氣溫度會比周邊要高[4]。

風眼通常情況下雖然形狀對稱，但也可能呈橢圓等不規則形狀，特別是在風暴逐漸減弱的時候。所謂「不規則的風眼」是指風眼不是圓形，且呈支離破碎之態，表明熱帶氣旋的強度較弱，或是正在減弱。「開放式風眼」則是指風眼牆沒有完全把風眼包裹起來，這也表明氣旋正在減弱，並且其中的水分已經大量喪失。這些觀測結果都可以用來通過德沃夏克分析法估算熱帶氣旋的強度[5]。風眼牆通常是圓環狀，但也有可能呈現出從三角形到六面形在內的多種明顯的多邊形狀[6]。

雖然大多成熟風暴的風眼寬度達到數十英里，但正處於爆發性增強期的風暴卻能夠發展出現尺寸極小並且非常清晰的圓形風眼，這樣的風眼有時會被稱為「針眼」。擁有針孔式風眼的風暴容易出現大幅強度波動，給氣象部門的預測工作帶來困難。[7]

直徑小於19公里的風眼經常會引發眼牆置換周期，原有風眼牆外圍另有新的風眼牆形成，位置在內層風眼外15至數百公裡間。這時風暴中將發展出兩個「同心風眼牆」，或是「一個風眼内存在另一個風眼」。大部分情況下，外圍風眼牆在形成後很後會開始收緊，內層的風眼牆則會逐漸消失，這樣就會出現一個規模更大但也更加穩定的風眼。通常來說眼牆置換周期會令風暴強度減弱，但新的風眼牆會在原本的風眼牆消散後很快出現收縮，令風暴得以再度增強，這又有可能引發新一輪的眼牆置換周期。[8]

風眼的直徑跨度很大，例如1960年太平洋颱風季期間的颱風卡門風眼就達到320公里寬，而2005年大西洋颶風季的颶風威爾瑪則只有3公里[9]。雖然風眼較大的颶風通常強度不會太高，但其中也有例外情況。例如2003年大西洋颶風季的颶風伊莎貝爾就是一例，截至2014年6月，伊莎貝爾仍是有紀錄以來第11強烈的北大西洋熱帶氣旋，其存在期間就曾保有一個直徑65至80公里的大型風眼數天之久[10]。

形成和探測

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溫暖的海洋上空水汽冷凝時釋放的能量將引發正反饋循環，從而形成熱帶氣旋。
氣象雷達在大多數情況下都可以很方便地探測到風眼的存在，上圖即是颶風安德魯的雷達圖像，清晰顯示出位於佛羅里達州最南端上空的風眼。

熱帶氣旋通常源於熱帶海域的大規模擾動天氣區域。隨着形成並聚集起來的雷暴越來越多，風暴將會發展出雨帶，這些雨帶會圍繞着一個共同的中心進行旋轉。接下來風暴逐漸增強，距旋轉中心還有一段距離的位置上會形成一片以更強烈對流組成的環。由於強烈的上升氣流會伴隨着強烈的雷暴和降雨，因此風暴表面的氣壓會開始下降，空氣會在氣旋上層積累。[11]這些變化將導致上層反氣旋的形成，或是在中心密集雲區上方形成高氣壓區。因此，大部分這樣形成的熱帶氣旋上方都會有反氣旋產生的氣流積聚。而在逐漸形成的風眼以外，大氣層上層反氣旋將令朝向氣旋中心的氣流得到增強，令空氣朝風眼牆推進，引發正反饋循環。[11]

不過，也有小部分堆積起來的空氣並不會向外流動，反而會朝內部的風暴中心流動。這會促使氣壓進一步降低，並且空氣的重量將會抵消掉風暴中心上空氣流的強度。氣旋中心的空氣開始沉降，形成一片基本上沒有降雨的區域，這就是新形成的風眼。[11]

這一過程中有許多方面仍然是個謎。例如科學家仍未確定為什麼對流會以環狀形式圍繞環流中心旋轉，而不是位於環流中心的上方，並且也不清楚為什麼上層反氣旋只會排出風暴上方的過剩空氣。對於風眼形成的確切過程存在多種不同的理論解釋，但唯一能夠肯定的是：熱帶氣旋要達到很高的風速，風眼是必不可少的。風眼的形成幾乎總是表明熱帶氣旋的組織結構和強度得到增強，因此氣象預報人員都會密切關切正在發展風暴中形成風眼的跡象。[11]

對於那些風眼清晰的風暴，對其風眼的探測很簡單，只需查看氣象衛星拍攝的圖像即可。但對於那些邊界模糊、或是被雲層填滿，或是完全被中心密集雲區遮擋的風眼則必須通過其他的監測手段。船隻和颶風獵人偵察機可以直接通過肉眼來觀察風眼的存在，也可以通過尋找風暴中心風速較低，並且雨量很少的區域來確定風眼的位置。美國、韓國，以及為數不多的其他幾個國家擁有NEXRAD氣象雷達站組成的網絡，可能探測到接近海岸線的風眼。氣象衛星上還可以攜帶設備測量大氣中的水蒸氣和雲層溫度，這些數據能夠用來確認逐漸形成風眼的存在。此外，科學家還在近年發現風眼中的臭氧含量遠高於風眼牆，這主要是因為富含臭氧的平流層空氣下沉導致。因此可以利用對臭氧敏感的工具在空氣上升和下沉的氣流柱中進行測量，根據得到的結果，科學家甚至可以在衛星圖像能夠表明風眼形成前就判斷出風眼是否正在形成。[12]

相關現象

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1997年太平洋颱風季期間颱風安珀的衛星照片，其上可以看到外圍和內側風眼牆，表明氣旋正處「眼牆置換循環」。

眼牆置換循環

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主條目：眼牆循環

眼牆置換循環又稱同心眼牆周期，通常發生在風速超過每小時185公里、或是達到大型颶風標準[注 1]的強烈熱帶氣旋中。熱帶氣旋達到這一強度時，風眼牆已經收縮到很小，部分外圍雨帶可能會增強並組織成環狀雷暴，形成外圍風眼牆，因此出現「雙眼牆」結構。新的風眼牆緩慢收縮，逐漸奪走了內層風眼牆繼續保持所需要的水分和角動量。因為氣旋的風眼牆通常是其最強風力的所在，所以在眼牆置換的過程中熱帶氣旋通常會減弱，內層風眼牆逐漸被外層「扼殺」。最終內層風眼牆將會消失，外層風眼牆則繼續收縮，風暴此後有可能再度增強。[8]

美國政府曾在20世紀60年代試圖通過一項名為破風計劃（英語：Project Stormfury）的實驗找到改變或削弱颶風強度的方法，具體的做法包括向風眼和風眼牆外圍投放碘化銀等，促使新的風眼牆形成，令風暴減弱[14][15][16]。但之後科學家發現這只是強烈熱帶氣旋的一個自然過程，破風計劃也因此很快廢棄[8]。

幾乎所有強烈的熱帶氣旋都會經過至少一次眼牆置換周期。1980年的颶風艾倫就經過了反覆的眼牆置換周期，強度也在薩菲爾-辛普森颶風等級下的五級和三級標準範圍反覆波動。2001年颶風朱麗葉（英語：Hurricane Juliette (2001)）則出現了非常罕有的三層風眼牆。[17]

溝壑

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熱帶氣旋中的溝壑是指風眼牆外圍或是同心風眼牆之間的清晰環狀區域，其中包含的是緩慢下沉的空氣，產生的降水量很少或是完全沒有。溝壑內的氣流是由伸展和切變的累積效果主導。風眼牆之間的溝壑是一片空氣轉速變化較大的區域，並且變化幅度與其和風暴中心的距離成正比。這樣的區域在任何擁有足夠強度的旋渦中都有可能出現，但還是以強烈的熱帶氣旋中最為常見。[18]

風眼牆中尺度渦旋

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風眼牆的中尺度渦旋（英語：Mesovortices）是指強烈熱帶氣旋風眼牆中的小規模渦旋。總的來說，這種渦旋和漩渦龍捲風（英語：Multiple-vortex tornado）中的小型吸力漩渦類似[19]。這些渦旋內的風速有可能會比風眼牆內其它任何地方都快[20]。風眼牆中尺度渦旋在那些正在強化的熱帶氣旋中最為常見[19]。

風眼牆出現「中尺度渦旋」通常表明熱帶氣旋會出現異常舉動，一般會圍繞低氣壓中心旋轉的氣旋，有時會停止移動，甚至還有記載表明風眼牆中尺度渦旋曾穿越風暴的風眼。這些現象既有在實際觀測中發現[21]、也曾於實驗中證實[19]，並且理論上也已經有了解釋[22]。

風眼牆的中尺度渦旋對熱帶氣旋登陸後催生龍捲風有着關鍵性的作用。這些中尺度渦旋可以在單獨的雷暴中催生出旋轉氣流，產生中尺度氣旋，進而引發龍捲風活動。熱帶氣旋登陸時會與陸地產生摩擦，使得中尺度渦旋下降到地表，導致龍捲風形成。[23]

體育場效應

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2015年3月31日，從國際空間站上拍下了這張颱風美莎克的風眼照片，顯示有明顯的「體育場效應」。

「體育場效應」是強烈熱帶氣旋的一種常見現象，風眼牆的雲層從表面向外凸出。在這樣的情況下，風眼看上去就像是一個開放式的圓頂，仿佛是個體育場。風眼總是位於風暴頂端並且尺寸較大，風暴最底端則最小，因為風眼牆中的上升空氣跟隨相同角動量的等值線活動，並且也會向外凸出。風眼非常小的熱帶氣旋的體育場效應最為明顯。[24][25][26]

眼狀特徵

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正在強化的熱帶氣旋中經常可以發現眼狀特徵，看上去和風眼類似，都是風暴環球中心的一片缺少對流的圓形區域（即對流空洞）。眼狀特徵在正在增強的熱帶風暴和一級颶風中最為常見。以2005年颶風貝塔（英語：Hurricane Beta）為例，其風速在每小時80公里時就出現了眼狀特徵，這一強度還遠遠低於颶風標準[27]。這一特徵通常無法在太空中通過可見光波長或是紅外線波長發現，但在微波衛星圖像中就可以很輕易地找到[28]。眼狀特徵在中層大氣層的發展與完整的風眼類似，但由於垂直風切變的影響，這一特徵有可能會出現水平位移[29][30]。

雲捲風眼

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「雲捲風眼」是熱帶氣旋中心當中，由螺旋雲帶旋捲成之缺乏組織的眼牆，結構看來較不佳。此現象以發生在熱帶氣旋環流中吹西北風象限內者較為普遍，其維持時間隨當時形成熱帶氣旋的氣象環流條件不同而異，出現時間或長或短。[31][32]

危害

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一架飛機經風暴的風眼牆飛入雲淡風輕的風眼

雖然風眼是風暴中已知最平靜的部分，其中通常雲淡風輕，但位於海上時卻往往是最危險的區域。風眼牆中海浪因風的驅動都朝同一方向前進，但風眼中心的海浪卻會自四面八方向中間收緊，飄忽不定的浪頭可能相互堆積起來發展成瘋狗浪。颶風中的最大浪高暫無定論，但測量數量表明2004年的颶風伊萬在處於四級強度時，其風眼牆附近巨浪的有效波高估計超過了40米。[33]

受到颶風或颱風襲擊地區的居民經常會犯下這樣的錯誤，在相對平靜的風眼經過時就以為風暴已經過去，於是走出戶外檢查財產遭受的損失，結果被另一面的風眼牆殺了個措手不及，這在那些不經常遭受這類氣象災害打擊的地區更為常見。美國國家氣象局強烈建議人們在整場風暴過去前都不要離開避難所。[34]

其他風暴

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2006年北美暴風雪就是一場溫帶風暴，在其處於最高強度時表現出眼狀特徵（如圖上德瑪瓦半島以東不遠處）。
主條目：氣旋

雖然只有熱帶氣旋中擁有這種正式名稱叫「風眼」的結構，但還是有其它天氣系統中也可以呈現出類似的眼狀特徵[1][35]。

極地低壓

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極地低壓屬中尺度天氣系統，通常位於兩極附近，跨度小於1000公里。與熱帶氣旋類似，極地低壓在相對溫暖的水面上空形成，其中可以包括深層對流和烈風或更高強度風速。但是與熱帶系統不同的是，其活躍的區域溫度遠低於熱帶氣旋，緯度則相反。極地低壓通常規模較小，持續時間也短，很少能夠存在超過一天。雖然有這些區別存在，但極地低壓的結構仍然可能和熱帶氣旋非常相似，其中會有一個清晰的「眼」，周圍有「眼牆」和雨帶或雪帶環繞。[36]

溫帶風暴

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主條目：溫帶氣旋

溫帶氣旋是指多個不同氣團的邊界中存在的低氣壓區。幾乎所有位於中緯度地區的風暴都屬於溫帶風暴，其中包括北美東北風暴和歐洲風暴（英語：European windstorm）。最強烈溫帶風暴中氣壓最低的位置可能會出現一個清晰的「眼」，其周圍通常由位置較低、靠近風暴末端的雲層環繞，不過這些雲層沒有對流性質。[37]

亞熱帶風暴

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主條目：亞熱帶氣旋

亞熱帶風暴是指擁有部分溫帶天氣系統特徵和部分熱帶系統特徵的氣旋，因此其中可能會有眼狀特徵，但又不具備真正的熱帶系統特質。亞熱帶風暴可能會非常危險，產生狂風巨浪，而且經常會演變成熱帶風暴。對此，美國國家颶風中心從2002年開始為亞熱帶風暴命名並發布公告。[38]

龍捲風

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龍捲風是規模較小但極具破壞力的風暴，可以產生的地球上最快的風速。龍捲風主要分兩類，其中單漩渦龍捲中只包括一個旋轉的空氣柱，多漩渦龍捲則包括小型吸力漩渦，仿佛多個小型龍捲風齊集在一起，並且全部圍繞同一個中心旋轉。這兩類龍捲風在理論上來說都擁有較為平靜的中心，一些氣象學家把這些中心稱為「眼」。目擊者的描述和氣象雷達的多普勒速度觀測都證實了這一理論。[39][40]

外星風暴

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土星的南極出現一個颶風般的風暴，顯示出數十公里高的風眼牆。

美國國家航空航天局曾在2006年11月發布報告，稱卡西尼號太空船在土星南極發現「颶風一般」的風暴，這一風暴還擁有非常層次分明的風眼牆。人類此前還從未在地球外的任何行星上發現過風眼牆雲帶，伽利略號探測器之前試圖觀察木星大氣層中的風眼牆也未能成功，因此卡西尼號的這次發現有着非同一般的意義[41]。2007年，歐洲空間局的金星特快車在金星的兩極都發現了非常大規模的渦流，其中都擁有相似的眼狀結構[42]。

注釋說明

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  1. ^ 大型颶風指最大持續風速可以在薩菲爾-辛普森颶風等級中達到三級或以上的風暴[13]。

參見

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參考資料

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外部連結

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