台风的舞动青春

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“海燕”、“海鸥”、“凤凰”等名称除了代表鸟类,你知道它们还是台风的名字吗?是的,“台风”对于我们来说应该算是熟悉的字眼,通过各类媒体我们常常能听到台风的相关天气预报,从“狂风”、“暴雨”、“洪涝”等这些与之关联的词语,就能对它们“暴躁的脾气”了解一二了。殊不知台风带来自然灾害的同时,也有“可爱”的一面,它们常常不走寻常路,有的移向陆地,有的消散在海洋上,爱跟科学家预报员们调皮地捉迷藏。台风在海洋上走过的轨迹就像一场盛装舞蹈,它们穿着蕾丝花边裙迈着优雅的舞步出场,又拖着长长的白纱绝美谢幕。
  那么,科学家们又是怎么抓住这些“舞蹈家”在海洋移动的规律,赢得了一次次台风走向的准确预报呢?我们从简单的数学和物理原理出发,探寻其中的奥秘吧。
  记录台风精彩舞蹈的瞬间
  在浩瀚的海洋上,能够对着台风全程拍照录像的摄影师就属气象卫星了,气象卫星专注地跟踪着台风,记录着每个舞步的精彩时刻,是台风最忠实的粉丝。我们在气象卫星拍出的云图上能够看到白色的圆盘状的云,中间黑色的区域是台风的眼睛,也就是常说的“台风眼”,我们在了解它们每时每刻要怎么行走之前,首先需要找到它们的中心。在图3中可以看到,对于有眼的台风,台风的中心就被确定在这个黑色区域的几何中心C,中心C一般以具体的经纬度点来表示,例如C位于北纬20度,东经120度。从中心C到台风整个圆盘的边缘,是台风的半径。因此台风的面积计算公式即为圆周面积公式:
  用数学计算台风的足迹
  台风随着音乐节奏的快慢起落,时而滑向舞台的左边,时而又转向右边,我们想掌握这个规律,就需要计算台风的移动。气象业务中通常的做法,是在气象卫星云图上按照上面的台风中心定位办法,点绘出每隔一定时间(如6小时)的台风中心位置,然后按时顺序用线段连接而成(图4)。
  在数学计算中,连续两个时间点的台风中心连线,就是这段时间内台风走过的路径,它包括移动的距离和移动的方向。设台风在时刻位置位于(,),速度为,这里的速度是向量(矢量),包括速度的大小和方向,经过小时后在时刻,台风的位置到达(,),速度为。台风在这两个时刻的速度大小和方向有时相同有时不同。
  台风在小时内走过的距离为公式:
  这个时间段台风的平均移速定义为这段时间内的平均速度,以表示,平均移速也是向量(矢量),包括移速的大小和方向。其中平均移速的大小是对向量取模,它等于移动距离除以小时,即公式:
  而这个时间段,台风的移动方向即平均速度的方向,一般以角度或者方位角表示,等于从的方位转向的方位的转动角度:
  同时,判断台风移动速度的变大变小,就以加速度大小来计算:
  通过以上计算总结出实际的台风预报中,计算台风的移动,可以简化为两个步骤:一是计算台风移动的距离,并可以计算出台风在过去的一段时间内加速还是减速了;二是计算台风移动的方向,从而可以推断台风过去一段时间内的走向。这样一来,当我们再次听到天气预报中听起来有些玄乎的“台风路径”,我们也可以暗暗地想起其实就是这样的计算过程。
  旋转的台风
  还有一点更是让这场舞蹈充满了魅力,那就是台风在舞台上移动的同时,还在不断地旋转,台风每时每刻围绕几何中心逆时针旋转,我们称为台风的自旋运动。我们可以把台风的这种自旋运动形象地比喻为芭蕾舞蹈或花样滑冰。我们常常看到,舞蹈者会先伸开手臂,在开始旋转的瞬间收缩手臂,并立起脚尖,这时旋转速度就会加快。台风也是这样的舞者,它们面积的收缩变化,就会引起台风自转速度变快,反之亦然。其中奥秘慢慢道来:
  首先,台风在立体三维结构上,可以简化地看作一个面积庞大的圆柱体,将上述这种自旋速度的演变简化为一个如图5所示的简单模型,从图5a和b的对比不难看出,台风的个头从“矮胖”变成“细高”,台风绕着自己中心轴逆时针旋转的速度会变快,也许我们可以想象成:经过减肥和长高的“舞蹈家”在舞台的上旋转的更加轻盈。
  其次,由于台风带来的风和雨的影响,是带来自然灾害的罪魁祸首,台风何时在我国大陆沿岸登陆的预报固然重要,但同样重要的还有登陆后台风带来的狂风暴雨到底有多大。台风自旋速度如果增大了,台风上岸时风力就加大了,那就绝对不是“轻轻地挥一挥衣袖”的浪漫,而是不管树木还是房屋,全部“风卷残云一扫而光”的灾害了(图6)。
  预测台风移动的路径
  台风未来的移动走向,就像一段舞蹈的编排,不是随意的,而是同样有规律可循的,台风受到它们周围其他天气系统的影响,这是一个非常复杂的相互作用过程,在这里就不细讲了。而若我们将这种影响比喻为台风的一个或者多个舞伴,其中的原理就一目了然了。台风的每一个舞步都需要迎合其他舞伴,它们共同和谐的配合才是一场完美的舞蹈。
  这里我们通过一个非常简化的原理,来预测未来台风的位置,即做简单的台风未来路径的预报。如图7所示,在已知台风中心的现在位置和12小时前位置的条件下,推测台风中心未来12小时的预报位置。其中,最关键在于从到过程中台风的加速度,加速度既与台风未来的速度密切相关,又受到过去12小时内台风走过的路径限制。在现实的台风未来路径预报中,预报员们需要借助其他的天气学资料进行分析,获得较为准确的加速度,才能将预报路径与实际走过的路径最为精确,因此往往对于的分析判断带有一定的主观性,同时台风及周围的大气永远是瞬息万变难以捉摸的,因此预报出现误差也在所难免。随着科技的进步,我们会逐步缩小其中的误差,把握好台风在海洋中的每一次精彩演出。
  (科学顾问/方翔 责任编辑/李静敏 刘阳)

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