高中地球科学/风暴

天气每天都在发生，但只有某些天会有风暴。风暴的变化很大，取决于它们是冷还是热，来自海洋还是大陆，发生在夏季还是冬季，以及许多其他因素。风暴的影响也因其袭击的是人口稠密地区还是自然景观而异。卡特里娜飓风就是一个很好的例子，因为风暴过后洪水严重破坏了新奥尔良，而类似的风暴袭击无人居住地区则不会造成太大破坏。

课程目标

描述大气环流模式如何导致风暴形成和移动。
了解导致龙卷风形成的天气模式，并识别不同类型的气旋。
了解飓风形成的原因、消失的原因以及它可能造成的损害。
了解热浪和干旱可能造成的损害。

雷暴

**图 16.21**: 在温暖的春季或夏季，靠近地面的空气被加热上升并形成积云。如果暖空气继续上升，就会形成积雨云。

雷暴非常常见。全球范围内，每年大约有 1400 万次；也就是每天 40,000 次！大多数雷暴来去匆匆，在一个小区域内降下大量雨水，但有些雷暴很严重，具有高度破坏性。雷暴在气温较高时最为常见。这往往发生在春季和夏季的下午或傍晚。随着气温升高，温暖潮湿的空气上升。这些上升气流首先形成积云，然后形成积雨云（图 16.21）。在平流层顶部，上层风吹动云顶向侧面，形成雷暴云的经典特征——砧状（图 16.22）。

**图 16.22**: 平流层顶部的风吹动积雨云的顶部向侧面，形成经典的砧状形状。

**图 16.23**: 一个成熟的雷暴，显示上升气流和下降气流到达地面。这个雷暴将不再生长，因为云底被冷却得太多，无法继续对流。

当水蒸气凝结时，就会形成云。请记住，当水从气体状态变为液体状态时，它会释放潜热。潜热使云中的空气比云外空气的温度更高，并为云提供了大量能量。水滴和冰在上升气流中穿过云层。当这些水滴变得足够重时，它们就会落下。这会开始下降气流，很快就会在云层内形成对流单元。云层发展成为积雨云巨人。穿过对流单元的水滴会不断长大。最终，它们会变得足够大而坠落到地面。此时，雷暴已经成熟，它会产生阵风、闪电、强降雨和冰雹（图 16.23）。

一旦下降气流开始，雷暴就无法继续生长。下降气流冷却云底的空气，因此空气不再足够温暖而上升。因此，对流停止。没有对流，水蒸气就不会凝结，潜热就不会释放，雷暴云就会耗尽能量。雷暴通常在开始后 15 到 30 分钟内就会结束，但其他雷暴可能会在同一个区域开始。

强雷暴之所以长得更大，是因为下降气流非常强烈，它们流向地面。这会将地面的暖空气向上送入风暴。暖空气滋养了云层中的对流单元，并赋予它们更多能量。雨和冰雹会变得很大，直到重力将它们拉到地球上。直径为 1.9 厘米（0.75 英寸）的冰雹并不罕见。强雷暴可以持续数小时，并可能因强风、洪水、强冰雹和龙卷风造成重大破坏。

雷暴可以单独形成，也可以形成飑线，飑线可以沿冷锋延伸数百公里。线上的单个风暴的高度可能超过 15 公里（50,000 英尺）。在美国，飑线在春季和初夏形成，来自墨西哥湾的海洋热带 (mT) 气团与来自加拿大的大陆极地 (cP) 气团相遇。在美国，强雷暴最常见于中西部地区。

闪电是积雨云中形成的巨大电荷释放（图 16.24）。当云中的水滴冻结时，正离子排列在水滴较冷的外侧。负离子聚集在较温暖的内侧。如果水滴的外侧冻结，里面的水通常会击碎外层的冰壳。较小的带正电的冰碎片在上升气流中上升。较重的带负电的水滴在下降气流中落下。很快，云底大部分是带负电的，顶部大部分是带正电的。云底的负离子会排斥下方地面的负离子，因此地面会积累正电荷。最终，相反的电荷会尝试平衡，产生地面到云层的闪电。只有大约 20% 的闪电会击中地面。闪电也可以放电到同一云层的另一部分或另一个云层。

闪电加热空气，使其爆炸性膨胀。响亮的轰鸣声是雷声。光波传播速度非常快，因此闪电会立即被看到。声波传播速度要慢得多，大约每秒 330 米（1,000 英尺）。如果你在观看雷暴，看到闪电和听到雷声之间的时间差以秒为单位乘以 1,000，就可以得到闪电击中距离的近似值（以英尺为单位）。例如，如果闪电和雷声之间经过 5 秒，那么闪电击中的距离大约是 5,000 英尺，也就是大约 1 英里（1,650 米）。

雷暴每年在美国造成约 200 人死亡，并造成约 550 名美国人受伤，大多数都是因闪电击中而造成的。你是否听说过一种常见的误解，即闪电不会两次击中同一个地方？事实上，闪电每年都会击中纽约市的帝国大厦大约 100 次（图 16.25）。

龙卷风

龙卷风，也称为旋风，是强雷暴最可怕的产物（图 16.26）。龙卷风是在雷暴中的空气上升时形成的，周围的空气争先恐后地填补空缺，形成漏斗。龙卷风是一个漏斗状的旋转气柱，从积雨云向下延伸。

龙卷风可以持续几秒钟到几小时。衡量龙卷风强度的最重要指标是风速。平均风速约为 177 公里/小时（49 米/秒；110 英里/小时），但有些风速可能远高于此。平均龙卷风的宽度为 150 到 600 米（500 到 2,000 英尺），从云层到地面的高度为 300 米（1,000 英尺）。龙卷风在地面上移动速度约为每小时 45 公里（每小时 28 英里），移动约 25 公里（16 英里）后，就会失去能量并消失。

与其他暴风雨相比，龙卷风袭击的区域很小，但它们可以摧毁路径上的所有东西。龙卷风会连根拔起树木，撕裂建筑物的木板，并将汽车抛向空中。最猛烈的 2% 的龙卷风持续时间超过 3 小时。这些巨大的风暴的风速高达 480 公里/小时（133 米/秒；300 英里/小时）。它们开辟的路径长达 150 公里（95 英里），宽达 1 公里（半英里）（图 16.27）。

龙卷风造成的大多数伤亡都是由飞溅的碎片造成的。根据美国国家气象局的数据，在美国，平均每年有 90 人死于龙卷风。最猛烈的 2% 的龙卷风造成 70% 的龙卷风死亡人数（图 16.28）。

龙卷风在强烈的雷暴前沿形成，因此这两种危险的天气事件通常一起发生。在美国，龙卷风在海洋热带 (mT) 和大陆极地 (cP) 气团相遇的前沿形成。在典型年份，龙卷风的位置随着前沿移动，从 2 月的中央海湾地区，到 3 月和 4 月的东南大西洋地区，以及 5 月和 6 月的北部平原和五大湖地区。尽管平均每年发生 770 次龙卷风，但每年龙卷风的数量差异很大（图 16.29）。

**图 16.29**：美国 F3、F4 和 F5 级龙卷风的频率。从德克萨斯州开始，覆盖俄克拉荷马州、内布拉斯加州和南达科他州的红色区域被称为龙卷风走廊，因为这里发生的大多数猛烈龙卷风都在这里。

气象学家只能在可能发生风暴前几个小时预测很广阔区域的龙卷风危险。一旦在雷达上发现龙卷风，就会预测其路径并向该地区的民众发布警报。由于龙卷风的移动不可预测，因此无法准确预测其路径。龙卷风的强度由藤田级数测量（参见表 16.3），该级数根据风速和破坏程度分配一个值。

表 16.3：藤田级数 (F 级数) 龙卷风强度
F 级数	(km/h)	(mph)	破坏
F0	64-116	40-72	轻微 - 树枝掉落，烟囱可能倒塌
F1	117-180	73-112	相当 - 活动房屋，汽车被推开
F2	181-253	113-157	中等 - 房屋屋顶被掀翻，大树连根拔起
F3	254-332	158-206	严重 - 房屋被拆毁，树木连根拔起，汽车被抬起来
F4	333-419	207-260	毁灭性 - 房屋夷为平地，汽车被抛出
F5	420+	261+	难以置信 - 建筑物飞起来，汽车变成导弹

表 16.3：增强型藤田级数 (EF 级数) 龙卷风强度
EF 级数	(km/h)	(mph)	破坏
EF0	105-137	65-85	轻微 - 树枝掉落，活动房屋受损。屋顶瓦片剥落
EF1	138-178	85-110	相当 - 活动房屋受损或被毁，汽车被推开
EF2	179-218	111-135	中等 - 房屋屋顶被掀翻，大树连根拔起
EF3	219-266	136-165	严重 - 房屋被拆毁，树木连根拔起，汽车被抬起来
EF4	267-322	166-199	毁灭性 - 房屋夷为平地，汽车被抛出
EF5	322+	200+	毁灭性 - 钢筋混凝土结构严重损坏。

气旋

气旋是指在北半球围绕低压中心逆时针旋转的风系。在东侧，风来自南方，因此比西侧的风更温暖。旋转的空气上升并冷却，形成云层和降水。气旋可能是地球上最强烈风暴。气旋有两种类型：中纬度气旋和热带气旋。中纬度气旋是中纬度地区冬季风暴的主要原因。热带气旋也被称为飓风。

正如您所料，反气旋与气旋相反。反气旋的风围绕高压中心旋转。来自上方的空气下沉到地面，以填补空气移开时留下的空间。高压中心通常有晴朗的天气。反气旋风在北半球顺时针方向移动，与气旋正好相反。由于反气旋东侧的风来自北方，而西侧的风来自南方，因此东侧往往比高压西侧更冷。

中纬度气旋

中纬度气旋，有时称为温带气旋，在极地锋面形成，此时两个气团之间的温差很大。这些气团以相反的方向互相吹过。风被科里奥利效应偏转 - 在北半球向右，在南半球向左。这会导致风以一定角度撞击极地锋面。暖锋和冷锋彼此相邻形成。中纬度地区的大多数冬季风暴，包括美国和欧洲的大部分地区，都是由中纬度气旋造成的（图 16.30）。

冷锋的暖空气上升并形成一个低压中心。风涌入低压区，形成上升的空气柱。空气旋转，在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转。由于上升的空气是潮湿的，因此会降雨或降雪。

中纬度气旋在冬季形成于中纬度地区，并随着西风向东移动。这些持续 2-5 天的风暴直径可达 1,000-2500 公里（625-1,600 英里），并能产生高达 125 公里（75 英里）每小时的风速。与热带气旋一样，它们也会造成严重的海岸侵蚀和洪水。

中纬度气旋在中大西洋和新英格兰州特别猛烈，在那里被称为暴风雪，因为它们来自东北方向。该地区每年约有 30 次暴风雪。大多数暴风雪危害不大，但有些却是致命的。任何住在该地区的人都知道暴风雪的典型天气模式。首先，大雪和冰覆盖地面。然后，气温升高，降雨。雨水落在冰冻的地面上并冻结，使所有东西都覆盖着冰（图 16.31）。

飓风

热带气旋有许多名称。它们在北大西洋和东太平洋被称为飓风，在西太平洋被称为台风，在印度洋被称为热带气旋，在澳大利亚附近水域被称为威利威利（图 16.32）。无论叫什么名字，它们都是地球上破坏性最大的风暴。

要形成飓风，海面温度必须达到或高于 28°C（82°F）。飓风出现在夏季和秋季的热带纬度（北纬 10° 至 25° 之间）。温暖的海域形成了一个巨大的潮湿气团。温暖的空气上升并形成一个低压中心，被称为热带低压。雷暴出现在热带低压周围。

如果细胞内的温度达到或超过 28°C（82°F），空气将开始围绕低压旋转。旋转在北半球逆时针方向进行，在南半球顺时针方向进行。随着空气上升，水蒸气凝结，释放潜热能。如果上层大气中的风经常改变方向，风暴就无法向上生长。如果风切变低，风暴将在 2-3 天内发展成飓风。

飓风大约有 600 公里（350 英里）宽，15 公里（50,000 英尺）高。风速至少达到 118 公里（74 英里）每小时。例外情况是相对平静的风眼，直径约为 13-16 公里（8-10 英里）。风眼平静是因为它是空气向上上升的地方。

降雨量可能高达每小时 2.5 厘米（1 英寸），导致飓风每天释放约 200 亿公吨水。潜热的释放产生了巨大的能量，每天约 2,0000 亿千瓦时。这个能量几乎相当于美国全年的电力消耗总量。飓风也会产生龙卷风。

飓风根据风速被划分为不同的类别。可以根据风暴的类别估计可能造成的破坏程度。这些类别在萨菲尔-辛普森飓风等级中列出（表 16.4）。

表 16.4：萨菲尔-辛普森飓风等级
类别	km/h	mph	破坏
1（弱）	119-153	74-95	高于正常水平；对结构没有真正的破坏
2（中等）	154-177	96-110	一些屋顶、门和窗损坏；对植被、活动房屋和码头造成相当大的破坏
3（强）	178-209	111-130	一些建筑物受损；活动房屋被毁
4（非常强）	210-251	131-156	小型住宅屋顶完全坍塌；海滩区域严重侵蚀；靠近海岸的结构物底层严重受损
5（毁灭性）	>251	>156	许多住宅和工业建筑屋顶完全坍塌；一些建筑物完全坍塌

飓风随着盛行风移动。在北半球，它们起源于信风，并向西移动。当它们到达西风带的纬度时，它们改变方向，向北或东北移动。飓风通常以 5-40 公里/小时（1.4-11 米/秒；3-25 英里/小时）的速度移动，一天可以移动 800 公里（500 英里）。它们的速度和方向取决于周围的环境条件。这种不确定性使得气象学家难以准确预测飓风将去往哪里，以及它到达陆地时会多强。

飓风的破坏往往来自强风和降雨，它们会导致洪水。在海岸附近，洪水也是由风暴潮引起的（图 16.33）。风暴潮发生在风暴的低压中心到达陆地时，导致海平面异常升高。风暴潮通常因飓风强风将海水吹过海洋并吹向海岸线而变得更糟。风暴潮在沿海 160 公里（100 英里）的范围内可能高达 7.0-7.5 米（20-25 英尺）。如果风暴潮被引导到狭窄的海湾，其高度将大大增加。

飓风强风和涨潮产生的波浪在风暴潮期间进一步抬高了水位。洪水可能是毁灭性的，尤其是在大西洋和墨西哥湾沿岸等低洼的海岸线上。1969 年的卡米尔飓风的风暴潮高达 7.3 米（24 英尺），向内陆延伸了 125 英里（200 公里）。

飓风持续时间从三个小时到三个星期不等，但通常持续 5 到 10 天。一旦飓风经过较冷的水域或登陆陆地，其潜热源就会关闭，它很快就会减弱。但是，一场强烈的、快速移动的风暴可以在消亡之前深入内陆很远。1938 年 9 月，一场飓风一直到达加拿大蒙特利尔才消散。当飓风消散时，它会变成强降雨和龙卷风。

全世界每年大约有 100 次飓风，加上许多较小的热带风暴和热带低气压。随着人们开发沿海地区，风暴造成的财产损失不断上升。然而，科学家们在预测这些风暴的路径方面越来越好，死亡人数正在下降。然而，卡特里娜飓风是一个重大的例外。

2005 年的大西洋飓风季是有史以来最长、最昂贵和最致命的飓风季。虽然飓风季从 6 月 1 日到 11 月 30 日，但 2005 年的飓风季一直持续到 2006 年 1 月。所有风暴的总损失估计超过 1280 亿美元，造成超过 2280 人死亡。在 28 场命名风暴中，有 15 场是飓风，包括 5 场 4 级风暴和 4 场 5 级风暴（在萨菲尔-辛普森飓风等级中）。

卡特里娜飓风既是最具破坏性的飓风，也是最昂贵的（图 16.34）。该风暴在经过佛罗里达州南端时是一场 1 级飓风。它被信风向西推，吹过墨西哥湾，那里的温度高达 32°C（89°F）。温暖的海湾水域和潜热为风暴提供燃料，直到它发展成 5 级飓风。当它穿过海湾时，历史悠久的新奥尔良市的市长下令强制疏散该市。并非所有人都愿意或能够遵守。

**图 16.35**：卡特里娜飓风过后，新奥尔良的洪水导致堤坝决口，海水涌入。

当卡特里娜飓风抵达墨西哥湾沿岸时，它已经减弱为 4 级风暴。即便如此，它仍然是袭击美国的第三强飓风。风暴中心袭击了新奥尔良的东部，给比洛克西周围地区造成了最严重的直接破坏，密西西比州遭受了最严重的直接破坏。最初的报道是新奥尔良幸免于难。但当水开始淹没该市地势最低的地区时，官员们意识到风暴潮导致了堤坝系统决口。最终，该市 80% 的地区被淹没（图 16.35）。到这段可怕时期结束时，来自墨西哥湾沿岸的约 2500 人死亡或失踪，其中大多数来自新奥尔良。由于飓风的影响，超过 20 万人离开了新奥尔良，许多人由于失去家园和生计而没有返回。

暴风雪和湖泊效应雪

暴风雪的特征是以下条件（图 16.36）

气温低于 -7°C（20°F）；对于强烈的暴风雪，气温低于 -12°C（10°F）。
风速大于 56 公里/小时（35 英里/小时）；对于强烈的暴风雪，风速大于 72 公里/小时（45 英里/小时）。
降雪量很大，能见度至少三小时低于 2/5 公里（1/4 英里）；对于强烈的暴风雪，能见度接近于零。

暴风雪发生在中纬度地区和极地地区。它们通常在中纬度气旋的西北侧发展。暴风雪在冬季最常见，因为急流向南移动，寒冷的北方气团与温暖的亚热带气团相遇。由于低气压风暴与风暴西侧较高气压之间的气压梯度，形成了非常强烈的风。风暴产生的雪被卷入风中，几乎水平吹动。暴风雪也可能产生雨夹雪或冻雨。

美国降雪量最大的大都市区是纽约州的布法罗和罗切斯特。这些城市容易受到湖泊效应雪的影响。虽然其他地方也会出现湖泊效应雪，但最大的降雪量出现在大湖区的背风侧。在冬季，一股大陆极地气团从加拿大南下。当冰冷的空气穿过大湖之一时，它会变暖并吸收水分。当气团到达湖泊的背风侧时，它变得非常不稳定，并降下大量降雪。布法罗位于伊利湖的背风侧，罗切斯特位于安大略湖的背风侧。

虽然湖泊效应雪不是暴风雪，但两者可以共同作用，产生更大的降雪量。1977 年的大湖暴风雪主要是由冷锋经过该地区造成的。降雪量得到来自安大略湖的湖泊效应雪的帮助，该湖泊在那个冬季还没有结冰。

极端高温和干旱

虽然从技术上讲不算是风暴，但极端高温和干旱是重要的天气现象。热浪是指某一地区持续时间比正常时间更长的极端高温。在热浪期间，一个高压区停留在某一地区，地面的热空气被困住。热浪可能发生的原因是急流的位置使该地区比正常温度更高。例如，如果急流比平时更北，那么在比平时更北的地方也会出现高温天气。来自不同方向的风也可能使某一地区比正常温度更高。如果湿度过高，通常不会太热的气温也可能造成热浪。

每年平均死于极端高温的人数比死于任何类型风暴的人数都多。1995 年的芝加哥热浪导致大约 600 人死亡，他们没有空调。2003 年 7 月和 8 月，欧洲热浪造成 20,000 到 35,000 人死亡，其中大多数发生在法国（图 16.37）。

如果某一地区降雨量少于正常水平，无论持续几天、几周还是几年，都会出现干旱，具体取决于其位置。正常潮湿的城市比沙漠地区的城市在降雨量达到更大水平时才会进入干旱状态。即使某个地方下雨，如果雨水落在人类无法利用的地方，该地方也可能正在经历干旱。例如，一场大雨可能会从干涸的景观中流失，而不是渗入土壤并滋养植物。

课程总结

雷暴发生在温暖的天气里，当上升气流形成积雨云时，它们会降雨和冰雹。
当云层不同部位和地面上的正负电荷试图平衡时，就会产生闪电和雷声。
龙卷风最常见于雷暴中。虽然它们持续时间更短，影响范围也比其他强风暴小，但它们在袭击的地方会造成巨大的破坏。
各种气旋都很庞大，具有破坏性；它们包括东北风暴和飓风。
热浪每年造成的人员死亡人数超过任何类型风暴，它们主要形成在异常高压区下方的地区。

复习题

详细描述雷暴是如何形成的，以及为其提供能量的来源。从一个温暖的日子开始，没有云。
雷暴是如何破裂和消失的？
为什么强烈的雷暴会变得更加严重，而不是失去能量而消失？
闪电和雷声是如何形成的？
讨论住在容易发生龙卷风地区的优缺点，以及住在容易发生飓风地区的优缺点。
龙卷风在美国哪些地方最常见？
什么是气旋？气旋的两种类型是什么，它们有什么区别？
详细描述飓风是如何形成的。
在萨菲尔-辛普森飓风等级中，哪个等级的飓风破坏性最大？你预计如此强烈的飓风会造成什么样的破坏？
是什么导致了飓风的破坏？
在新奥尔良，可以采取哪些措施来减少卡特里娜飓风造成的破坏和死亡人数？
你认为新奥尔良应该重建在它现在的位置吗？
暴风雪在哪里形成？

词汇

气旋: 围绕低压中心旋转的风。
干旱: 降水量少于正常水平的情况，持续几天、几周或几年。
湖泊效应雪: 由相对温暖、潮湿的空气蒸发到冷锋中，然后在湖泊的背风侧落下降雪造成的极端降雪。
闪电: 雷暴中典型的巨大放电。
飓风: 在热带地区形成并围绕低压中心旋转的气旋；它们可能是世界上最具破坏性的风暴。
中纬度气旋: 在极地锋面中纬度地区形成的气旋。
东北风暴: 袭击美国东北部的中纬度气旋。
风暴潮: 由于风将水吹向陆地，以及低气压将水向上吸，导致海平面升高。
雷声: 闪电产生的响亮轰鸣声。
雷暴: 由上升气流引起的风暴，其特征是积雨云、雷声和闪电。
龙卷风: 从积雨云中向下延伸的剧烈旋转的漏斗形云。
热带低气压: 在热带地区上升的低压区；雷暴在热带低气压周围形成。

注意事项

为什么预测龙卷风的行进路线和强度如此困难？
如果卡特里娜飓风发生在 100 年前，它造成的破坏会有哪些不同？
气象学家需要哪些知识才能更好地了解风暴？

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