高中地球科學/風暴

天氣每天都在發生，但只有某些天會有風暴。風暴的變化很大，取決於它們是冷還是熱，來自海洋還是大陸，發生在夏季還是冬季，以及許多其他因素。風暴的影響也因其襲擊的是人口稠密地區還是自然景觀而異。卡特里娜颶風就是一個很好的例子，因為風暴過後洪水嚴重破壞了新奧爾良，而類似的風暴襲擊無人居住地區則不會造成太大破壞。

課程目標

描述大氣環流模式如何導致風暴形成和移動。
瞭解導致龍捲風形成的天氣模式，並識別不同型別的氣旋。
瞭解颶風形成的原因、消失的原因以及它可能造成的損害。
瞭解熱浪和乾旱可能造成的損害。

雷暴

**圖 16.21**: 在溫暖的春季或夏季，靠近地面的空氣被加熱上升並形成積雲。如果暖空氣繼續上升，就會形成積雨雲。

雷暴非常常見。全球範圍內，每年大約有 1400 萬次；也就是每天 40,000 次！大多數雷暴來去匆匆，在一個小區域內降下大量雨水，但有些雷暴很嚴重，具有高度破壞性。雷暴在氣溫較高時最為常見。這往往發生在春季和夏季的下午或傍晚。隨著氣溫升高，溫暖潮溼的空氣上升。這些上升氣流首先形成積雲，然後形成積雨雲（圖 16.21）。在平流層頂部，上層風吹動雲頂向側面，形成雷暴雲的經典特徵——砧狀（圖 16.22）。

**圖 16.22**: 平流層頂部的風吹動積雨雲的頂部向側面，形成經典的砧狀形狀。

**圖 16.23**: 一個成熟的雷暴，顯示上升氣流和下降氣流到達地面。這個雷暴將不再生長，因為雲底被冷卻得太多，無法繼續對流。

當水蒸氣凝結時，就會形成雲。請記住，當水從氣體狀態變為液體狀態時，它會釋放潛熱。潛熱使雲中的空氣比雲外空氣的溫度更高，併為雲提供了大量能量。水滴和冰在上升氣流中穿過雲層。當這些水滴變得足夠重時，它們就會落下。這會開始下降氣流，很快就會在雲層內形成對流單元。雲層發展成為積雨雲巨人。穿過對流單元的水滴會不斷長大。最終，它們會變得足夠大而墜落到地面。此時，雷暴已經成熟，它會產生陣風、閃電、強降雨和冰雹（圖 16.23）。

一旦下降氣流開始，雷暴就無法繼續生長。下降氣流冷卻雲底的空氣，因此空氣不再足夠溫暖而上升。因此，對流停止。沒有對流，水蒸氣就不會凝結，潛熱就不會釋放，雷暴雲就會耗盡能量。雷暴通常在開始後 15 到 30 分鐘內就會結束，但其他雷暴可能會在同一個區域開始。

強雷暴之所以長得更大，是因為下降氣流非常強烈，它們流向地面。這會將地面的暖空氣向上送入風暴。暖空氣滋養了雲層中的對流單元，並賦予它們更多能量。雨和冰雹會變得很大，直到重力將它們拉到地球上。直徑為 1.9 釐米（0.75 英寸）的冰雹並不罕見。強雷暴可以持續數小時，並可能因強風、洪水、強冰雹和龍捲風造成重大破壞。

雷暴可以單獨形成，也可以形成颮線，颮線可以沿冷鋒延伸數百公里。線上的單個風暴的高度可能超過 15 公里（50,000 英尺）。在美國，颮線在春季和初夏形成，來自墨西哥灣的海洋熱帶 (mT) 氣團與來自加拿大的大陸極地 (cP) 氣團相遇。在美國，強雷暴最常見於中西部地區。

閃電是積雨雲中形成的巨大電荷釋放（圖 16.24）。當雲中的水滴凍結時，正離子排列在水滴較冷的外側。負離子聚集在較溫暖的內側。如果水滴的外側凍結，裡面的水通常會擊碎外層的冰殼。較小的帶正電的冰碎片在上升氣流中上升。較重的帶負電的水滴在下降氣流中落下。很快，雲底大部分是帶負電的，頂部大部分是帶正電的。雲底的負離子會排斥下方地面的負離子，因此地面會積累正電荷。最終，相反的電荷會嘗試平衡，產生地面到雲層的閃電。只有大約 20% 的閃電會擊中地面。閃電也可以放電到同一雲層的另一部分或另一個雲層。

閃電加熱空氣，使其爆炸性膨脹。響亮的轟鳴聲是雷聲。光波傳播速度非常快，因此閃電會立即被看到。聲波傳播速度要慢得多，大約每秒 330 米（1,000 英尺）。如果你在觀看雷暴，看到閃電和聽到雷聲之間的時間差以秒為單位乘以 1,000，就可以得到閃電擊中距離的近似值（以英尺為單位）。例如，如果閃電和雷聲之間經過 5 秒，那麼閃電擊中的距離大約是 5,000 英尺，也就是大約 1 英里（1,650 米）。

雷暴每年在美國造成約 200 人死亡，並造成約 550 名美國人受傷，大多數都是因閃電擊中而造成的。你是否聽說過一種常見的誤解，即閃電不會兩次擊中同一個地方？事實上，閃電每年都會擊中紐約市的帝國大廈大約 100 次（圖 16.25）。

龍捲風

龍捲風，也稱為旋風，是強雷暴最可怕的產物（圖 16.26）。龍捲風是在雷暴中的空氣上升時形成的，周圍的空氣爭先恐後地填補空缺，形成漏斗。龍捲風是一個漏斗狀的旋轉氣柱，從積雨雲向下延伸。

龍捲風可以持續幾秒鐘到幾小時。衡量龍捲風強度的最重要指標是風速。平均風速約為 177 公里/小時（49 米/秒；110 英里/小時），但有些風速可能遠高於此。平均龍捲風的寬度為 150 到 600 米（500 到 2,000 英尺），從雲層到地面的高度為 300 米（1,000 英尺）。龍捲風在地面上移動速度約為每小時 45 公里（每小時 28 英里），移動約 25 公里（16 英里）後，就會失去能量並消失。

與其他暴風雨相比，龍捲風襲擊的區域很小，但它們可以摧毀路徑上的所有東西。龍捲風會連根拔起樹木，撕裂建築物的木板，並將汽車拋向空中。最猛烈的 2% 的龍捲風持續時間超過 3 小時。這些巨大的風暴的風速高達 480 公里/小時（133 米/秒；300 英里/小時）。它們開闢的路徑長達 150 公里（95 英里），寬達 1 公里（半英里）（圖 16.27）。

龍捲風造成的大多數傷亡都是由飛濺的碎片造成的。根據美國國家氣象局的資料，在美國，平均每年有 90 人死於龍捲風。最猛烈的 2% 的龍捲風造成 70% 的龍捲風死亡人數（圖 16.28）。

龍捲風在強烈的雷暴前沿形成，因此這兩種危險的天氣事件通常一起發生。在美國，龍捲風在海洋熱帶 (mT) 和大陸極地 (cP) 氣團相遇的前沿形成。在典型年份，龍捲風的位置隨著前沿移動，從 2 月的中央海灣地區，到 3 月和 4 月的東南大西洋地區，以及 5 月和 6 月的北部平原和五大湖地區。儘管平均每年發生 770 次龍捲風，但每年龍捲風的數量差異很大（圖 16.29）。

**圖 16.29**：美國 F3、F4 和 F5 級龍捲風的頻率。從德克薩斯州開始，覆蓋俄克拉荷馬州、內布拉斯加州和南達科他州的紅色區域被稱為龍捲風走廊，因為這裡發生的大多數猛烈龍捲風都在這裡。

氣象學家只能在可能發生風暴前幾個小時預測很廣闊區域的龍捲風危險。一旦在雷達上發現龍捲風，就會預測其路徑並向該地區的民眾釋出警報。由於龍捲風的移動不可預測，因此無法準確預測其路徑。龍捲風的強度由藤田級數測量（參見表 16.3），該級數根據風速和破壞程度分配一個值。

表 16.3：藤田級數 (F 級數) 龍捲風強度
F 級數	(km/h)	(mph)	破壞
F0	64-116	40-72	輕微 - 樹枝掉落，煙囪可能倒塌
F1	117-180	73-112	相當 - 活動房屋，汽車被推開
F2	181-253	113-157	中等 - 房屋屋頂被掀翻，大樹連根拔起
F3	254-332	158-206	嚴重 - 房屋被拆毀，樹木連根拔起，汽車被抬起來
F4	333-419	207-260	毀滅性 - 房屋夷為平地，汽車被丟擲
F5	420+	261+	難以置信 - 建築物飛起來，汽車變成導彈

表 16.3：增強型藤田級數 (EF 級數) 龍捲風強度
EF 級數	(km/h)	(mph)	破壞
EF0	105-137	65-85	輕微 - 樹枝掉落，活動房屋受損。屋頂瓦片剝落
EF1	138-178	85-110	相當 - 活動房屋受損或被毀，汽車被推開
EF2	179-218	111-135	中等 - 房屋屋頂被掀翻，大樹連根拔起
EF3	219-266	136-165	嚴重 - 房屋被拆毀，樹木連根拔起，汽車被抬起來
EF4	267-322	166-199	毀滅性 - 房屋夷為平地，汽車被丟擲
EF5	322+	200+	毀滅性 - 鋼筋混凝土結構嚴重損壞。

氣旋

氣旋是指在北半球圍繞低壓中心逆時針旋轉的風系。在東側，風來自南方，因此比西側的風更溫暖。旋轉的空氣上升並冷卻，形成雲層和降水。氣旋可能是地球上最強烈風暴。氣旋有兩種型別：中緯度氣旋和熱帶氣旋。中緯度氣旋是中緯度地區冬季風暴的主要原因。熱帶氣旋也被稱為颶風。

正如您所料，反氣旋與氣旋相反。反氣旋的風圍繞高壓中心旋轉。來自上方的空氣下沉到地面，以填補空氣移開時留下的空間。高壓中心通常有晴朗的天氣。反氣旋風在北半球順時針方向移動，與氣旋正好相反。由於反氣旋東側的風來自北方，而西側的風來自南方，因此東側往往比高壓西側更冷。

中緯度氣旋

中緯度氣旋，有時稱為溫帶氣旋，在極地鋒面形成，此時兩個氣團之間的溫差很大。這些氣團以相反的方向互相吹過。風被科里奧利效應偏轉 - 在北半球向右，在南半球向左。這會導致風以一定角度撞擊極地鋒面。暖鋒和冷鋒彼此相鄰形成。中緯度地區的大多數冬季風暴，包括美國和歐洲的大部分地區，都是由中緯度氣旋造成的（圖 16.30）。

冷鋒的暖空氣上升並形成一個低壓中心。風湧入低壓區，形成上升的空氣柱。空氣旋轉，在北半球逆時針旋轉，在南半球順時針旋轉。由於上升的空氣是潮溼的，因此會降雨或降雪。

中緯度氣旋在冬季形成於中緯度地區，並隨著西風向東移動。這些持續 2-5 天的風暴直徑可達 1,000-2500 公里（625-1,600 英里），並能產生高達 125 公里（75 英里）每小時的風速。與熱帶氣旋一樣，它們也會造成嚴重的海岸侵蝕和洪水。

中緯度氣旋在中大西洋和新英格蘭州特別猛烈，在那裡被稱為暴風雪，因為它們來自東北方向。該地區每年約有 30 次暴風雪。大多數暴風雪危害不大，但有些卻是致命的。任何住在該地區的人都知道暴風雪的典型天氣模式。首先，大雪和冰覆蓋地面。然後，氣溫升高，降雨。雨水落在冰凍的地面上並凍結，使所有東西都覆蓋著冰（圖 16.31）。

颶風

熱帶氣旋有許多名稱。它們在北大西洋和東太平洋被稱為颶風，在西太平洋被稱為颱風，在印度洋被稱為熱帶氣旋，在澳大利亞附近水域被稱為威利威利（圖 16.32）。無論叫什麼名字，它們都是地球上破壞性最大的風暴。

要形成颶風，海面溫度必須達到或高於 28°C（82°F）。颶風出現在夏季和秋季的熱帶緯度（北緯 10° 至 25° 之間）。溫暖的海域形成了一個巨大的潮溼氣團。溫暖的空氣上升並形成一個低壓中心，被稱為熱帶低壓。雷暴出現在熱帶低壓周圍。

如果細胞內的溫度達到或超過 28°C（82°F），空氣將開始圍繞低壓旋轉。旋轉在北半球逆時針方向進行，在南半球順時針方向進行。隨著空氣上升，水蒸氣凝結，釋放潛熱能。如果上層大氣中的風經常改變方向，風暴就無法向上生長。如果風切變低，風暴將在 2-3 天內發展成颶風。

颶風大約有 600 公里（350 英里）寬，15 公里（50,000 英尺）高。風速至少達到 118 公里（74 英里）每小時。例外情況是相對平靜的風眼，直徑約為 13-16 公里（8-10 英里）。風眼平靜是因為它是空氣向上上升的地方。

降雨量可能高達每小時 2.5 釐米（1 英寸），導致颶風每天釋放約 200 億公噸水。潛熱的釋放產生了巨大的能量，每天約 2,0000 億千瓦時。這個能量幾乎相當於美國全年的電力消耗總量。颶風也會產生龍捲風。

颶風根據風速被劃分為不同的類別。可以根據風暴的類別估計可能造成的破壞程度。這些類別在薩菲爾-辛普森颶風等級中列出（表 16.4）。

表 16.4：薩菲爾-辛普森颶風等級
類別	km/h	mph	破壞
1（弱）	119-153	74-95	高於正常水平；對結構沒有真正的破壞
2（中等）	154-177	96-110	一些屋頂、門和窗損壞；對植被、活動房屋和碼頭造成相當大的破壞
3（強）	178-209	111-130	一些建築物受損；活動房屋被毀
4（非常強）	210-251	131-156	小型住宅屋頂完全坍塌；海灘區域嚴重侵蝕；靠近海岸的結構物底層嚴重受損
5（毀滅性）	>251	>156	許多住宅和工業建築屋頂完全坍塌；一些建築物完全坍塌

颶風隨著盛行風移動。在北半球，它們起源於信風，並向西移動。當它們到達西風帶的緯度時，它們改變方向，向北或東北移動。颶風通常以 5-40 公里/小時（1.4-11 米/秒；3-25 英里/小時）的速度移動，一天可以移動 800 公里（500 英里）。它們的速度和方向取決於周圍的環境條件。這種不確定性使得氣象學家難以準確預測颶風將去往哪裡，以及它到達陸地時會多強。

颶風的破壞往往來自強風和降雨，它們會導致洪水。在海岸附近，洪水也是由風暴潮引起的（圖 16.33）。風暴潮發生在風暴的低壓中心到達陸地時，導致海平面異常升高。風暴潮通常因颶風強風將海水吹過海洋並吹向海岸線而變得更糟。風暴潮在沿海 160 公里（100 英里）的範圍內可能高達 7.0-7.5 米（20-25 英尺）。如果風暴潮被引導到狹窄的海灣，其高度將大大增加。

颶風強風和漲潮產生的波浪在風暴潮期間進一步抬高了水位。洪水可能是毀滅性的，尤其是在大西洋和墨西哥灣沿岸等低窪的海岸線上。1969 年的卡米爾颶風的風暴潮高達 7.3 米（24 英尺），向內陸延伸了 125 英里（200 公里）。

颶風持續時間從三個小時到三個星期不等，但通常持續 5 到 10 天。一旦颶風經過較冷的水域或登陸陸地，其潛熱源就會關閉，它很快就會減弱。但是，一場強烈的、快速移動的風暴可以在消亡之前深入內陸很遠。1938 年 9 月，一場颶風一直到達加拿大蒙特利爾才消散。當颶風消散時，它會變成強降雨和龍捲風。

全世界每年大約有 100 次颶風，加上許多較小的熱帶風暴和熱帶低氣壓。隨著人們開發沿海地區，風暴造成的財產損失不斷上升。然而，科學家們在預測這些風暴的路徑方面越來越好，死亡人數正在下降。然而，卡特里娜颶風是一個重大的例外。

2005 年的大西洋颶風季是有史以來最長、最昂貴和最致命的颶風季。雖然颶風季從 6 月 1 日到 11 月 30 日，但 2005 年的颶風季一直持續到 2006 年 1 月。所有風暴的總損失估計超過 1280 億美元，造成超過 2280 人死亡。在 28 場命名風暴中，有 15 場是颶風，包括 5 場 4 級風暴和 4 場 5 級風暴（在薩菲爾-辛普森颶風等級中）。

卡特里娜颶風既是最具破壞性的颶風，也是最昂貴的（圖 16.34）。該風暴在經過佛羅里達州南端時是一場 1 級颶風。它被信風向西推，吹過墨西哥灣，那裡的溫度高達 32°C（89°F）。溫暖的海灣水域和潛熱為風暴提供燃料，直到它發展成 5 級颶風。當它穿過海灣時，歷史悠久的新奧爾良市的市長下令強制疏散該市。並非所有人都願意或能夠遵守。

**圖 16.35**：卡特里娜颶風過後，新奧爾良的洪水導致堤壩決口，海水湧入。

當卡特里娜颶風抵達墨西哥灣沿岸時，它已經減弱為 4 級風暴。即便如此，它仍然是襲擊美國的第三強颶風。風暴中心襲擊了新奧爾良的東部，給比洛克西周圍地區造成了最嚴重的直接破壞，密西西比州遭受了最嚴重的直接破壞。最初的報道是新奧爾良倖免於難。但當水開始淹沒該市地勢最低的地區時，官員們意識到風暴潮導致了堤壩系統決口。最終，該市 80% 的地區被淹沒（圖 16.35）。到這段可怕時期結束時，來自墨西哥灣沿岸的約 2500 人死亡或失蹤，其中大多數來自新奧爾良。由於颶風的影響，超過 20 萬人離開了新奧爾良，許多人由於失去家園和生計而沒有返回。

暴風雪和湖泊效應雪

暴風雪的特徵是以下條件（圖 16.36）

氣溫低於 -7°C（20°F）；對於強烈的暴風雪，氣溫低於 -12°C（10°F）。
風速大於 56 公里/小時（35 英里/小時）；對於強烈的暴風雪，風速大於 72 公里/小時（45 英里/小時）。
降雪量很大，能見度至少三小時低於 2/5 公里（1/4 英里）；對於強烈的暴風雪，能見度接近於零。

暴風雪發生在中緯度地區和極地地區。它們通常在中緯度氣旋的西北側發展。暴風雪在冬季最常見，因為急流向南移動，寒冷的北方氣團與溫暖的亞熱帶氣團相遇。由於低氣壓風暴與風暴西側較高氣壓之間的氣壓梯度，形成了非常強烈的風。風暴產生的雪被捲入風中，幾乎水平吹動。暴風雪也可能產生雨夾雪或凍雨。

美國降雪量最大的大都市區是紐約州的布法羅和羅切斯特。這些城市容易受到湖泊效應雪的影響。雖然其他地方也會出現湖泊效應雪，但最大的降雪量出現在大湖區的背風側。在冬季，一股大陸極地氣團從加拿大南下。當冰冷的空氣穿過大湖之一時，它會變暖並吸收水分。當氣團到達湖泊的背風側時，它變得非常不穩定，並降下大量降雪。布法羅位於伊利湖的背風側，羅切斯特位於安大略湖的背風側。

雖然湖泊效應雪不是暴風雪，但兩者可以共同作用，產生更大的降雪量。1977 年的大湖暴風雪主要是由冷鋒經過該地區造成的。降雪量得到來自安大略湖的湖泊效應雪的幫助，該湖泊在那個冬季還沒有結冰。

極端高溫和乾旱

雖然從技術上講不算是風暴，但極端高溫和乾旱是重要的天氣現象。熱浪是指某一地區持續時間比正常時間更長的極端高溫。在熱浪期間，一個高壓區停留在某一地區，地面的熱空氣被困住。熱浪可能發生的原因是急流的位置使該地區比正常溫度更高。例如，如果急流比平時更北，那麼在比平時更北的地方也會出現高溫天氣。來自不同方向的風也可能使某一地區比正常溫度更高。如果溼度過高，通常不會太熱的氣溫也可能造成熱浪。

每年平均死於極端高溫的人數比死於任何型別風暴的人數都多。1995 年的芝加哥熱浪導致大約 600 人死亡，他們沒有空調。2003 年 7 月和 8 月，歐洲熱浪造成 20,000 到 35,000 人死亡，其中大多數發生在法國（圖 16.37）。

如果某一地區降雨量少於正常水平，無論持續幾天、幾周還是幾年，都會出現乾旱，具體取決於其位置。正常潮溼的城市比沙漠地區的城市在降雨量達到更大水平時才會進入乾旱狀態。即使某個地方下雨，如果雨水落在人類無法利用的地方，該地方也可能正在經歷乾旱。例如，一場大雨可能會從乾涸的景觀中流失，而不是滲入土壤並滋養植物。

課程總結

雷暴發生在溫暖的天氣裡，當上升氣流形成積雨雲時，它們會降雨和冰雹。
當雲層不同部位和地面上的正負電荷試圖平衡時，就會產生閃電和雷聲。
龍捲風最常見於雷暴中。雖然它們持續時間更短，影響範圍也比其他強風暴小，但它們在襲擊的地方會造成巨大的破壞。
各種氣旋都很龐大，具有破壞性；它們包括東北風暴和颶風。
熱浪每年造成的人員死亡人數超過任何型別風暴，它們主要形成在異常高壓區下方的地區。

複習題

詳細描述雷暴是如何形成的，以及為其提供能量的來源。從一個溫暖的日子開始，沒有云。
雷暴是如何破裂和消失的？
為什麼強烈的雷暴會變得更加嚴重，而不是失去能量而消失？
閃電和雷聲是如何形成的？
討論住在容易發生龍捲風地區的優缺點，以及住在容易發生颶風地區的優缺點。
龍捲風在美國哪些地方最常見？
什麼是氣旋？氣旋的兩種型別是什麼，它們有什麼區別？
詳細描述颶風是如何形成的。
在薩菲爾-辛普森颶風等級中，哪個等級的颶風破壞性最大？你預計如此強烈的颶風會造成什麼樣的破壞？
是什麼導致了颶風的破壞？
在新奧爾良，可以採取哪些措施來減少卡特里娜颶風造成的破壞和死亡人數？
你認為新奧爾良應該重建在它現在的位置嗎？
暴風雪在哪裡形成？

詞彙

氣旋: 圍繞低壓中心旋轉的風。
乾旱: 降水量少於正常水平的情況，持續幾天、幾周或幾年。
湖泊效應雪: 由相對溫暖、潮溼的空氣蒸發到冷鋒中，然後在湖泊的背風側落下降雪造成的極端降雪。
閃電: 雷暴中典型的巨大放電。
颶風: 在熱帶地區形成並圍繞低壓中心旋轉的氣旋；它們可能是世界上最具破壞性的風暴。
中緯度氣旋: 在極地鋒面中緯度地區形成的氣旋。
東北風暴: 襲擊美國東北部的中緯度氣旋。
風暴潮: 由於風將水吹向陸地，以及低氣壓將水向上吸，導致海平面升高。
雷聲: 閃電產生的響亮轟鳴聲。
雷暴: 由上升氣流引起的風暴，其特徵是積雨雲、雷聲和閃電。
龍捲風: 從積雨雲中向下延伸的劇烈旋轉的漏斗形雲。
熱帶低氣壓: 在熱帶地區上升的低壓區；雷暴在熱帶低氣壓周圍形成。

注意事項

為什麼預測龍捲風的行進路線和強度如此困難？
如果卡特里娜颶風發生在 100 年前，它造成的破壞會有哪些不同？
氣象學家需要哪些知識才能更好地瞭解風暴？

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