气旋

气旋（Cyclone）又称低气压，^[1]是占有三度空间的、在同一高度（等压面）上，具有闭合等压（高）线，中心气压（高度）低于周围的大型涡旋，^[2]实质是一个由气流垂直运动连接而成的低空辐合、高空辐散的环流系统。^[5]它在北半球作逆时针旋转；在南半球则相反。^[2]按形成与活动地区，气旋可分为温带气旋、热带气旋和极地气旋；按热力结构，气旋可分为锋面气旋和无锋面气旋。^[6]气旋主要分布在中纬度内陆地区、低纬度洋面及两极地区等。^[3][4][5]

气流从四周流向低空的低压区，使低压区中心的空气被迫抬升至高空后向四周流出，低层大气不断从四周流入低压中心以补充上升的空气，到高空后又自动流出，如此循环往复形成了气旋。^[5]在一定条件下，不同的气旋还可互相转化。^[7]

气旋是产生天气现象和进行天气分析预报的主要天气系统，^[7]其常见表现形式有台风、龙卷风、中尺度气旋等，^[8][9]过境多带来狂风暴雨、巨浪、风暴潮等灾害天气，对人类的生产生活造成了重大影响。^[10][11]近几十年来，世界气象组织不断改进监测方法，平均统计误差每年下降约1%。目前，气旋的中心位置可根据卫星云图推断，误差范围仅为几十千米。^[12]

1844年，英国气象学与航海学家亨利·皮丁顿（Henry Piddington）发明了“气旋（Cyclone）”一词。^[13]“Cyclone”的词根为“cycl”，即“circle”，有圆、圈或循环之意。^[14][15]

气旋内部存在着两种冷暖不同的气团，即冷区和暖区。一般情况下，北半球气旋的南面为暖区，其它三面为冷区，暖区和冷区之间，存在着暖锋和冷锋。由于气旋自西向东运行，故暖区的东面边缘为暖锋，暖区的西面边缘为冷锋，锋面均向冷区一方倾斜。气旋中的暖区随着高度的增加而扩大，而冷区随着高度增加而缩小。^[16]

气旋的范围是以最外围闭合等压线的直径来表示，一般来说，气旋的范围约为1000千米，大的可达2000~3000千米，小的气旋范围约200~300千米。^[6]

气旋的强度常用中心气压值来表示，中心气压值越低，气旋越强；反之则气旋越弱。气旋的强度是不断变化的，地面气旋的中心气压值一般在1010~970百帕之间，强大的气旋可低于935百帕。^[7]大多数情况下，海上气旋强于陆地气旋，冬季气旋强于夏季气旋。^[6]

气旋实质上是一个由气流垂直运动连接而成的低空辐合、高空辐散的环流系统。气流从四周流向低空的某个低压区，使区域内空气被迫抬升，气流升至高空后又向四周流出，如此循环，低层大气会不断从四周向低压中心流入以补充上升的空气，高空大气又自动流出，由此形成气旋。^[5]

在一定条件下，不同气旋是可以互相转化的。^[7]如根据地面气压场分布特征，热带气旋变为温带气旋可分为两种典型形式：一种是热带气旋在中纬度锋的作用下消失，新的温带气旋在锋面产生；另一种是热带气旋移入锋区并与温带气旋合并。^[17]

温带气旋的形成

温带气旋从初生到消亡共需经历四个阶段，一般周期为3~5天，不同地区差异较大。通常温带气旋在初生阶段移速较快，成熟阶段较慢，锢gù囚消亡阶段最慢。^[18]

初生阶段：气旋生成前，往往先有一条准静止锋或缓行冷锋，锋线的北侧冷气团处吹偏东风，南侧暖气团处吹偏西风。两侧冷暖气流发生波动，使冷气团向南侵袭，暖空气向北扩张，产生涡旋，地面图上开始出现低压中心，比四周气压低2~3百帕，当能绘制出第一条闭合等压线时，气旋形成。^[18]

成熟阶段：冷暖锋进一步发展，锋面降水继续加强，雨区扩大，地面图上等压线增多，中心气压时常会比外围低10~20百帕。这也是气旋最强的阶段。^[18]

锢囚阶段：气旋发展到锢囚阶段，会出现锢囚锋。此时冷暖锋相遇使锋面抬升作用加强，降水范围增大，气旋中心气压有时会比四周低20百帕以上，并且不再下降。^[18]

消亡阶段：气旋与锋面逐渐脱离，成为一个冷性涡旋，地面气压逐渐升高，受地面摩擦影响，环流减弱消失，整个气旋趋于消亡。^[18]

热带气旋的形成

热带气旋的形成随地区不同而异，它主要是由太阳辐射在洋面所产生的大量热能转变为动能（风能和海浪能）而产生。^[19]一般情况下，热带气旋的形成需具备以下六个条件：^[20]

海水表面温度不低于26.5℃，且水深大于50米。这能造成上层大气足够不稳定，维持对流和雷暴。^[20]

大气温度随高度迅速降低，释放潜热，给热带气旋提供能量。^[20]

对流层中下层空气潮湿，相对湿度必须大于40%~50%，利于天气扰动的形成。^[20]

在离赤道超过5个纬度的地区生成。否则地转偏向力的强度不足以使吹向低压中心的风偏转并围绕其转动，环流中心便不能形成。^[20]

垂直风切变不能太强，使热带气旋对流发展无阻碍。^[20]

一个预先存在的且拥有环流及低压中心的天气扰动。^[20]

1970年以来，热带气旋形成的强度大为提高。全球大气模式和风的垂直切变等几种因素以复杂的方式相互发生作用，增加了热带气旋的强度。然而，经科学家研究发现，海水表面温度是最重要的影响因素，因此随着全球气候变暖，热带气旋会变得越来越强烈。^[21]

气旋通常按气旋形成和活动的主要地区或热力结构进行分类。按活动地区可分为温带气旋、热带气旋和极地气旋等；按热力结构可分为锋面气旋和无锋面气旋等。^[6]

温带气旋

温带气旋是主要在锋面上发展起来的、能够移动的气旋，大部分属锋面气旋，主要在温带地区形成于活动。其直径一般为1000千米，大的可达2500~3000千米，小的约200~300千米。过境常伴大风、暴雨和大浪。^[22]

热带气旋

热带气旋是一种具有有组织的对流和暖心结构的非锋面气旋，主要发生在热带洋面上，也常入侵中纬度地区。其直径一般为600~1000千米，大的可达2000千米，小的只有100千米或更小。过境产生狂风暴雨天气，海面有巨浪和风暴潮。^[23]

极地气旋

极地气旋是一种持续的、大规模的极地高空冷性气旋，主要发生在地球两极地区，且冬季强、夏季弱。其直径一般为1000~2000千米。^[5]

锋面气旋

锋面气旋属于温带气旋，频繁产生和活动于温带地区。发展强烈的锋面气旋可带来强烈的降水、雷暴、大风等恶劣天气。^[24]

无锋面气旋

不在锋面上形成、内部无冷暖锋面的气旋叫作无锋面气旋，主要分布在热带洋面上。热带气旋、热低压都属于无锋面气旋，过境可带来云雨和雷暴天气。^[24][25]

热带气旋主要发生在低纬洋面上一些特定的海域，即西北太平洋、东北太平洋、西北大西洋、孟加拉湾、阿拉伯海、西南太平洋、南印度洋西部和澳大利亚西北等洋区赤道附近的热带洋面海域，东南太平洋和南大西洋没有热带气旋。热带气旋主要分布在北半球，其高发生区分布在以下三个海域：中国的南海中北部偏东洋面、菲律宾以东至加罗林群岛之间洋面、加罗林群岛中部至关岛附近洋面。^[4]

温带气旋主要分布在中纬度内陆地区，集中在西伯利亚地区和北美东北部；另有两个沿海气旋生成区位于东海和日本海。活跃在中国的温带气旋，主要有两个较为集中的地带，一个在25°N~35°N，如江淮气旋、东海气旋和台湾气旋等；一个在45°N~55°N，如蒙古气旋、东北气旋、黄河气旋和黄海气旋等。^[3]地中海、大洋洲南部地区、墨西哥湾和北大西洋西部洋面也是温带气旋的发生地。^[26]

极地气旋主要发生在地球的两极地区。^[5]

气旋的常见表现形式较多，如台风、龙卷风、中尺度气旋等，都属于气旋活动。^[8][9]

台风

台风是指中心附近最大平均风力12级及以上，风速大于等于32.6米每秒的热带气旋，是热带气旋四个强度等级中的最高等级。在北太平洋西部、中国南海地区称其为“台风”；在大西洋、加勒比海及北太平洋东部则称其为“飓风”。国际上以其中心附近的最大风力来确定强度并进行分类，从强到弱分别为超强台风、强台风、台风、强热带风暴、热带风暴、热带低压。^[27]

龙卷风

龙卷风指从高空向下伸展出的强烈转动的漏斗状的云柱，上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转一边向前移动，是一种强烈的风的涡旋。龙卷风的平均直径仅为200~300米，持续时间也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。但它风力极强，其移动速度平均15米每秒，最快的可达70米每秒。^[28]

中尺度气旋

在猛烈的雷雨中，单个的雷雨柱往往是较大的旋转云团的一个部分，这就是中尺度气旋。它是一种生命期较短的次天气尺度低压系统，由于中尺度气旋的平均直径小于1000千米，生命期通常短于24小时，因此中尺度气旋的预报极为困难。大约有一半的中尺度气旋都是伴随着龙卷风而产生的，并且出现龙卷风时，在中尺度气旋内也会出现较强的风切变。^[29][30]

温带气旋对中高纬度地区的天气变化有着重要的影响。温带气旋经过时多风雨天气，有时伴有暴雨或强对流天气，有时近地面最大风力可达10级以上。春季蒙古气旋与中国北方沙尘暴有密切的关系，沙尘暴发生区域基本上与大风区相对应，主要分布在蒙古气旋中心附近或气旋外围的偏南象限。两者发生日数有比较一致的多年变化趋势。^[11]

热带气旋可带来狂风巨浪、风暴潮、暴雨等灾害天气。最大风速达100米每秒，强风可使海水暴涨形成风暴潮，致使海水倒灌；热带气旋登陆后降落的暴雨可达100~150毫米，带来洪涝灾害。^[10]

在北美，温带气旋带来的冬季风暴会造成严重的土地损失。每年11月至翌年4月，在大西洋沿岸海湾地区，冬季风暴每周或数十天发生一次，冷锋过境前，低压产生很强的向岸风引起沿岸水位增长，冷锋过后强的离岸风将沿岸水驱走。这样频繁的水位变化和海浪振荡对堰洲岛、大陆和海湾都造成侵蚀。1962年3月一场代号为“圣灰星期三”的风暴与风暴潮同时发生，持续了将近36个小时，狂风巨浪造成了从新英格兰到佛罗里达的东部沿海地区的洪水和海岸侵蚀。^[11]

热带气旋具有很强的破坏力，狂风会掀翻船只、摧毁房屋和其他设施，巨浪能冲破海堤，暴雨能引起山洪暴发。中国是世界上受热带气旋影响最严重的国家之一，平均每年登陆中国的热带气旋约有9个，最多的年份有16个，最少的年份有5个，平均每个登陆中国的热带气旋造成的经济损失达5~6亿元，死亡百余人。^[19]

中国也是世界上温带气旋风暴潮发生频率较高的国家之一。2003年10月渤海湾、莱州湾沿岸发生了1992年以来最强的一次温带气旋风暴潮，在天津、河北、山东地区造成的直接经济损失近6亿元，其中河北沧州地区的经济损失占了一半。渤海中部2艘较大货轮沉没，44人遇难。2007年3月渤海湾、莱州湾出现1969年以来最强的一次温带风暴潮过程。受其影响，辽宁省、河北省、天津市、山东省和江苏北部沿海出现4~6米的巨浪和狂浪，多数船只被损坏，防潮堤被推毁，对海滨建筑物和海洋作业、港口生产及沿海居民生活造成极大的威胁。^[11]

世界气象组织已为气旋的监测和预报分配好了职责，五个区域专责气象中心在各自负责的区域内提供气旋轨迹和强度预测。得益于改进过的观测方法和数值模型，近几十年来，平均统计误差每年下降约1%。根据卫星云图推断出的气旋中心位置，不确定性范围仅为几十千米。至于预测方面，预测期每拉长一天，不确定性范围都增加约100千米，因此气旋的24、48及72小时位置预测偏差不会超过100、200和300千米。但以上仅仅是平均值，预报的可靠性还因气旋及周边环境而异。由于气旋内部过程及其与环境的相互作用十分复杂，目前气旋强度（如风力、降水量、浪高等）预测方面的进展仍有局限。^[12]