颱風為什麼會
在接近日本時突然轉向東邊?
看天氣預報的路徑圖時,颱風總是先往西走,再轉向北,快到日本附近時又突然改變方向,往東北方離去。那條弓形的路徑,每年都驚人地相似。其實,颱風並不是自己決定前進方向的。真正帶著它走的,是颱風周圍那股更大範圍的氣流。
夏末的電視畫面上,出現了颱風的路徑預測圖。預測的路線從南方海面朝日本方向延伸,畫出一道平緩的弓形。
去年的颱風,還有前年的颱風,也都是差不多的轉法。先在南方海面慢慢向西移動,途中轉向北方,接近日本時再折向東邊,並且加快腳步離去。
颱風並不知道日本在哪裡。儘管如此,許多颱風卻都走過類似的路線。這是為什麼呢?
原因大致有兩個
颱風的確是一股強烈的風的漩渦。但那個漩渦,只是在原地不停打轉而已。真正讓整個漩渦移動的,是颱風周圍那股更大範圍、更平緩的氣流。夏季日本南方長年盤據著太平洋高氣壓,繞著它外緣流動的氣流,會把颱風向前推。
地球中緯度上空,有一條從西向東吹的強勁氣流帶,也就是西風帶。颱風還在南方海面時,處於這條氣流帶之外。一旦被帶往北方、進入這條氣流帶,就會被由西而來的氣流帶著走,前進方向轉為偏東。速度也會一口氣加快。
也就是說,颱風的路徑之所以會轉彎,是因為「推著它走的氣流,在途中換了一批」。接下來我們依序來看。
帶著颱風走的,不是颱風自己
颱風是直徑可達數百公里的巨大空氣漩渦。不過,漩渦本身的旋轉運動,和漩渦整體的移動運動,是兩回事。想像一下,你用手指在浴缸的水裡攪出一個漩渦,然後把整個浴缸慢慢傾斜。漩渦會繼續旋轉,同時也隨著缸裡的水流移動。颱風的情況也是一樣。
帶動颱風移動的氣流,在氣象學上稱為導引氣流。從夏天到秋天,日本南方會有一個名叫太平洋高氣壓的龐大高聳氣壓籠罩。高氣壓周圍的風,會以順時針方向向外吹出。因此,在高氣壓南緣吹的是東風,在西緣吹的則是南風。
颱風就是沿著這個高氣壓的邊緣被帶著走。在高氣壓南側時往西走,來到高氣壓西端時就轉往北方。圖1左側那條彎曲的箭頭,就是這股氣流。颱風路徑之所以呈現弓形,是因為推動它的氣流本身就是弧形的。
來到北邊之後,就會被西風帶接住
沿著高氣壓邊緣被帶往北方的颱風,最終會抵達高空的西風帶。這條氣流帶,是南方暖空氣與北方冷空氣交界處形成的由西向東強勁氣流。日本上空,正好是這條氣流帶容易經過的位置。
颱風是垂直發展很高的漩渦,因此會強烈受到高空氣流的影響。一旦進入西風帶,颱風就會被這股氣流帶著轉向東邊。路徑之所以看起來像折了一個彎,原因就在這裡。這個轉彎處,稱為轉向點。
改變的不只是方向,速度也會跟著變。轉向前的颱風,前進速度往往不快,跟騎自行車差不多也不稀奇。可是一旦乘上西風帶,速度有時會快得像高速公路上的汽車。「明明覺得還很遠,隔天早上卻已經通過了」,這種感覺正是來自這股加速。
太平洋高氣壓在夏天會大幅膨脹,到了秋天則一邊縮小一邊向東退去。高氣壓範圍大的時候,颱風會繞著邊緣大幅向西前進,多半會通往大陸方向。等高氣壓退去,邊緣的位置就會來到日本附近,颱風便容易沿著日本列島北上。之所以說秋天比夏天更容易侵襲本州,並不是因為颱風本身變了,而是因為推動它的高氣壓移動了。
當導引氣流明確時,路徑預報相對準確。反之,如果颱風脫離了高氣壓邊緣,也還沒進入西風帶,推動它的氣流變弱,颱風就會像迷路一樣游移不定。這時容易出現移動緩慢、甚至畫圈打轉的颱風,路徑預報也會變得困難。移動緩慢的颱風,會讓同一地區長時間籠罩在風雨之中。
總結
颱風並不是靠自己的力量選擇前進方向。它其實是被周圍更大範圍的氣流帶著走,可以說是「漂浮在河流上的漩渦」。從夏天到秋天的日本周邊,準備了兩股氣流:繞著太平洋高氣壓邊緣流動的氣流,以及高空的西風帶。颱風從前者換乘到後者的地方,就是轉向點,而這次換乘,正是那條我們熟悉的弓形路徑的真面目。
颱風不是自己在前進。
而是被巨大的風帶著走。
關於颱風本身的結構,可參考颱風眼為什麼是晴天?;颱風接近時海面隆起的原因,請見颱風來襲時,海面為什麼會隆起?;漩渦旋轉方向南北半球不同的話題,可參考浴缸排水的漩渦在南半球真的會反方向轉嗎?;至於風力強度的實際感受,也歡迎閱讀風速40公尺的風,究竟有多強?。
- 颱風接近的時期,每天在同一時間查看氣象廳的路徑預測圖,並試著描繪在紙上。比較一下轉彎處的位置每天有什麼變化。
- 同一天的天氣圖中,確認太平洋高氣壓的位置。預測的轉彎處,是不是就在高氣壓西端附近呢?
- 在洗臉盆裡裝水,從一側輕輕注入水流。觀察漂浮在水面的小紙片一邊旋轉一邊被帶著移動的樣子,就能看出漩渦本身的旋轉,和漩渦整體的移動,是兩回事。
路徑預測圖上會畫著一個有寬度的圓圈,那代表「路徑還可能落在這個範圍內」的意思。如果那個圓圈的邊緣碰到了自己居住的城鎮,即使不是圓心,也應該視為需要防範的對象。
想了解更多的人 ― 用語、算式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,各段落都會明確標示程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「地科基礎・物理基礎」課程範圍
- 高中+高中的延伸內容,或教科書專欄等級的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目(氣象學・地球流體力學)的內容
- 研究連大學都尚未當作「定論」教授、研究者正在探究中的內容
國中用語:這個現象是有名字的
- 導引氣流:帶動颱風移動的、周圍那股大範圍氣流。颱風前進的方向與速度,大致由這股氣流決定。
- 轉向點:颱風從向北轉為偏東方向的地方。多數情況下,會出現在進入高空西風帶附近的位置。
- 西風帶:在中緯度高空持續由西向東吹拂的氣流帶。其中流速特別快的部分,稱為噴射氣流。
- 太平洋高氣壓:從夏天到秋天,籠罩在日本東南方的高聳高氣壓。會在邊緣形成順時針方向的氣流。
國中高中用算式確認:轉向之後,會提早多少抵達
颱風的速度,在轉向前後會有很大的差異。以九州南方到關東外海的路程約為1000公里為例,來比較抵達所需的時間。這裡所說的「速度」,是指漩渦中心移動的速度,不是颱風內部吹拂的風速。
| 用符號表示 | t = L ÷ v (v ≒ 導引氣流的速度) |
| 用文字表示 | 抵達所需時間 = 路程 ÷ 颱風中心移動的速度 |
| 算式的由來 | 這是「路程 = 速度 × 時間」這個速度定義式。颱風本身幾乎不會自己前進,而是被周圍的大範圍氣流(導引氣流)帶著走,因此中心移動速度v,幾乎完全由導引氣流的速度決定。轉向後乘上西風帶,這個v會一口氣變大。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| t | 抵達所需時間(小時) |
| L | 九州南方到關東外海的路程(公里) |
| v | 颱風中心移動的速度(每小時公里)。並非風速 |
| 轉向前的移動速度 | 每小時 20 公里(南方海面上緩慢移動的大致標準) |
| 轉向後的移動速度 | 每小時 50 公里(乘上西風帶時的大致標準) |
| 九州南方到關東外海的路程 | 約 1000 公里 |
| 若維持轉向前的速度,所需時間為 | 1000 ÷ 20 = 50 |
| 若以轉向後的速度計算,所需時間為 | 1000 ÷ 50 = 20 |
| 縮短的時間為 | 50 - 20 = 30 |
單位都是小時。同樣的路程,時間從50小時縮短到20小時,足足少了30小時,超過整整一天的差距。「原本以為還有兩天,結果隔天早上就到了」的情況,就是從這個差距產生的。開始準備防颱的時機,不能用轉向之前的感覺來判斷,原因就在這裡。
高中高中+為什麼放著不管,颱風也會稍微往西北移動
高中地球是圓的,而且會自轉。因此,移動中的空氣會受到一種看似存在的力量影響。這就是科氏力,在北半球會使物體往前進方向的右側偏,南半球則往左側偏。颱風的漩渦在北半球呈逆時針旋轉,也是這股力量造成的結果。
高中+科氏力的強度,緯度越高就越大。也就是說,颱風漩渦的北側和南側,受到的力量強度略有不同。這個差異,會讓漩渦周圍的氣流出現些微不對稱,使得颱風即使完全沒有導引氣流,也會緩緩地朝西北方向移動。這種運動稱為貝他漂移,速度大約是每小時數公里左右。實際的路徑,就是這股自身的運動加上遠遠更大的導引氣流的合成結果。
大學用算式來看「漩渦被大範圍氣流帶著走」
在大學的氣象學中,會用渦度這個量來表示大氣旋轉的程度。颱風,就是渦度遠比周圍大得多的一團空氣。這團空氣隨時間如何移動,是由渦度被氣流帶動的過程(平流),以及地球自轉造成渦度隨緯度變化的效應(貝他效應)共同組成的守恆定律來描述的。颱風中心的移動,對應的是這個式子當中平流項佔主導地位的觀點。也就是說,「颱風被周圍的風帶著走」這個說法,並不是比喻,而是把方程式中的主要項,直接轉換成日常用語而已。在實際的數值預報中,正是以這個想法為基礎,再加入海面水溫,以及颱風本身改變周圍大氣的效應等因素進行計算。這個守恆定律的名稱是「渦度方程式」,而貝他效應造成的自身運動,則稱為「貝他漂移」。
📖 算式推導與更深入的內容:維基百科「渦度」(日文) / 維基百科「科氏力」(日文)
研究目前仍未完全明白的事
- 預報的極限在哪裡。 路徑預報的誤差,在這數十年間確實逐漸縮小。但由於大氣本身具有「微小的初始差異會逐漸放大成巨大差異」的特性,能夠縮小到什麼程度是有極限的。這個極限的具體數值,目前尚未確定。
- 轉向的位置,是否正逐漸北移。 有報告指出,颱風達到最強盛時所在的緯度,以及轉向的位置,長期來看有偏北的趨勢。不過由於觀測方式隨著時代不斷改變,這個變化幅度該如何估算,目前仍有討論。
- 如何預報像迷路一樣游移不定的颱風。 當導引氣流微弱時,颱風會因為自身改變周圍大氣而決定自己的路徑。這種相互作用很難處理,因此仍有預報大幅失準的情況。
也就是說,這篇文章的內容,也只是「目前已知範圍內的說明」。颱風接近時,請務必確認氣象廳與地方政府發布的最新資訊。
與教科書的關聯(依程度區分)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科 第2分野「氣象及其變化」 | 高氣壓周圍的風向、颱風路徑隨季節的差異 |
| 高中 | 地科基礎「大氣的運動」/物理基礎「速度與時間」 | 西風帶、轉向後所需時間的計算 |
| 高中+ | 地科「大氣大循環」的延伸內容 | 科氏力隨緯度變化,以及貝他漂移 |
| 大學 | 氣象學・地球流體力學(渦度與平流) | 「漩渦被大範圍氣流帶著走」這一觀點在算式上的意義 |
| 研究 | 颱風路徑預報、氣候變遷與颱風 | 預報的極限、轉向位置的長期變化 |
| ― | 與生活的關聯 | 防颱準備時機的決定方式、路徑預測圖圓圈的判讀 |
- 日本氣象廳(気象庁)「台風の一生」「台風の進路」相關解說資料(含發生、發展、轉向的說明)。
- 日本氣象廳(気象庁)「台風進路予報の精度検証」相關報告(預報圓的意義,以及誤差的推移)。
- 小倉義光《一般気象学》東京大學出版會(大氣大循環、渦度與平流的基礎,日文書籍)。
- Holland, G. J., Tropical Cyclone Motion: Environmental Interaction Plus a Beta Effect, Journal of the Atmospheric Sciences, 1983(關於導引氣流與貝他效應對颱風移動影響的研究)。
- Kossin, J. P. 等, The poleward migration of the location of tropical cyclone maximum intensity, Nature, 2014(關於最盛期位置向高緯度偏移趨勢的研究)。
※ 移動速度與路程的數值,是為了幫助理解機制而採用的代表性參考值,每個颱風實際情況會有很大差異。
※本文為大眾科學解說文章。文中所列數值,僅為幫助理解機制的參考概估值。關於颱風的路徑、強度,以及接近時應採取的行動,請務必遵循氣象廳、地方政府等公家機關發布的最新資訊與指示。