藤原效應

藤原效應

 

兩個接近的氣旋式渦旋,其運動軌跡以兩者連線的中心為圓心,呈氣旋式螺旋軌跡,這就是藤原效應主要的現象。         

        颱風是自然界最具破壞力的天氣系統,也是影響台灣最重要的災變天氣,其所帶來的雨量亦是台灣地區重要的水資源來源。以1995年為例,許多颱風過門而不入,造成缺水及限水的問題,嚴重影響農耕、部分工業生產及經濟民生。而1996年的賀伯(Herb)颱風,雖然中央氣象局準確預報了路徑和雨量,但因其所帶來的雨量實在太大,使台灣災害損失高達五百億台幣。此外,1995年9月22日掠過恆春半島的賴恩(Ryan)颱風,雖然在蘭嶼有強烈風雨,但因為暴風半徑減小,使台灣本島的風雨不如預期,因此部分企業與民眾對當日防颱放假的作法感到質疑。由以上幾個例子,我們可以知道颱風對台灣地區造成的直接與間接影響,以及對災害防治、經濟生產、民生活動、水資源規畫,具有相當的重要性。


颱風的能量

  就學術觀點而言,颱風是地球物理流體力學中的絕妙現象。颱風系統包含了旋轉渦旋、水潛熱釋放、大氣與海洋交互作用等物理過程,且涉及許多不同時間尺度、空間尺度的流體力學與熱力學。這樣一個高能量的系統,在天氣現象包含強風與豪雨,強風伴隨著大量動能;豪雨則帶著大量水汽凝結的潛熱釋放。

  颱風大量降水累積的潛熱釋放是十分驚人的,其能量可以比強風的能量大一、二個數量級(十到一百倍)。以賀伯颱風為例,台灣地區平均雨量約為四百公釐,乘以凝結熱(2.5×10(6上標)J Kg(-1上標))及台灣地區面積後,可得到總能量估計值10(20上標)焦耳。如此龐大的能量相當於台灣數百年的總用電量,若完全反應在大氣溫度上,可使台灣整層大氣增溫一百度;幸好因為大氣動力調節以及熱力學限制機制的緣故,這些能量最後並不會造成局部增溫。為了讓各位更瞭解颱風是個高能量系統,我們將颱風潛熱釋放能量與其他重要事件的能量比較,列於表一。


藤原效應

  雖然颱風本身有相當大的潛熱釋放,但是其運動特性仍然可以用一般不含潛熱釋放的旋轉流體運動學來解釋。例如中太平洋的颱風運動受海洋上長期存在的副熱帶高壓環流影響,加上地球科氏力隨緯度增加的因素,一般颱風多為向西或西北運動。但是今年九月的寶發(Bopha)颱風並不遵循這樣典型的路徑;其路徑先向西北西而後轉向南,經過台灣東方海域直撲菲律賓。如此詭異的路徑,科學家們卻可以事先掌握,靠的是我們對颱風「藤原效應」的瞭解。

  「藤原效應」最早來自藤原(Fujiwhara)在1921~1931年間的一系列水工實驗及研究發表。主要是描述這樣一個現象:兩個接近的氣旋式渦旋(如颱風一般,流體中具旋轉者),其運動軌跡以兩者連線的中心為圓心,呈氣旋式螺旋軌跡。自從1960年代第一枚氣象衛星發射後,對於颱風的定位及路徑預報有了很大的改善;更多的資料讓科學家發現到真實大氣亦存在與實驗類似的藤原效應,我們可以將它應用在颱風路徑預測上。

  因為北半球的颱風本身以氣旋式(反鐘向)旋轉,颱風以外周圍的氣流亦受其影響,為氣旋式風場。如同水流一般,若有一質點位於氣旋式風場中,勢必為風場帶動,移動路徑為氣旋式旋轉。雙颱風即因受到彼此風場影響,呈氣旋式(反鐘向)互繞,如同藤原先生在水工實驗得到的結果。當然,在南半球,因為颱風的環流是順鐘向,所以雙颱風是以順鐘向互繞。

  實際大氣的大尺度背景風場,遠比單純雙颱風交互作用時複雜,再加上水潛熱釋放以及地球旋轉的科氏力隨緯度增加,因此雙颱風除了互繞外,還能產生合併、分離、拉伸等現象。科學家們發現,兩個颱風通常慢慢靠近,直到相距約一千至一千二百公里時,開始受彼此影響,呈氣旋式螺旋軌跡接近;但到八百公里左右時,有兩種情形可能發生,一為合併,另一為分離。又過程中亦可能因颱風登陸,造成強度減弱、消散,改變了雙颱風的交互作用。
1994年西北太平洋上的派特(Pat)和露絲(Ruth)颱風是互繞合併的案例,其相對於雙颱風中心點的軌跡如圖一所示。四天之中兩個颱風互繞,最後合併。1991年的耐特(Nat)及密瑞兒(Mireille)颱風則是典型的互繞而分離個案,其相對於中心點的軌跡如圖二。此二例都可以藤原效應合理解釋雙颱風的運動。

  分析今年(2000年)9月6日至11日的寶發及桑美(Saomai)颱風路徑,亦取其相對於兩者中心點的軌跡。在9月11日寶發颱風登陸菲律賓前,兩者呈氣旋式互繞,也是明顯的藤原效應。若非寶發颱風登陸菲律賓,二者亦有機會合併為一。

  除了已熟悉的合併與分離,「拉伸」現象也是近年來研究的重點之一,從衛星雲圖上可清楚看到1998年10月在台灣東南方的亞力士(Alex)颱風受瑞伯(Zeb)颱風的影響,在氣旋互繞後,亞力士颱風被拉伸成帶狀,且與瑞伯間有「無雲帶」分隔。這是因為瑞伯颱風的風切強過於亞力士颱風的旋轉,就如同旋轉相對較弱的陀螺較易停止,亞力士颱風的旋轉慣性無法維持自身完整;風速快的地方比其他風速較慢的地方快太多,如同要將颱風撕裂開來一般。在亞力士颱風被拉伸的同時,瑞伯颱風的強度亦被觀測到增強,這是個有趣的現象。

  由於電腦的發展迅速,如今科學家們可以利用動力、熱力學等物理規律對颱風進行數值模擬及實驗,並且模擬出藤原效應的各種現象,對詳細討論有興趣的讀者,請見參考資料。綜合颱風個案及數值模擬結果,可知主要的變因有距離、強度(最大風速)、大小(暴風半徑)三項。兩颱風需先靠近至距離一千公里左右,才會開始感受到彼此的影響(確切的距離與其暴風半徑有關),而強度和大小決定了周圍風場的分布,以及颱風的旋轉慣性。較小且弱的颱風對強且大的颱風運動影響有限;甚至如同亞力士颱風一樣,可能會被拉伸成雨帶,裹於大颱風周圍,這時候大颱風帶來的災害就更嚴重了。

資料來源: 科學月刊

 

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