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热带气旋研究100年进步
发布日期 ：2023-05-11
█ 作者：Kerry Emanuel（美国麻省理工学院洛伦兹中心）
█ 编译：李婧华贾朋群
摘要：一个世纪前，气象学家认为热带气旋是浅涡旋，只延伸到对流层以上几千米。除了知道对流以某种方式参与其中，对其物理过程一无所知。1938年，一场强飓风袭击了人口稠密的美国东北部，没有任何预警，造成数百人死亡。但自美国气象学会成立以来，热带气旋研究蓬勃发展，成为一项广泛而深入的研究，涵盖从大气和海洋动力学到生物地球化学的各个领域。热带气旋预报和预警在精度和范围上取得的成功，在几十年前还被认为是不可能的。本文试图梳理上个世纪热带气旋研究的非凡进展，并为今后富有成效的研究指明一些研究方向。
1 引言
1919年美国气象学会（AMS）成立时，水手、工程师和科学家在热带气旋的气候学特征方面取得了长足的进步，包括其易形成的区域、路径、季节变率和地面风场。到了19世纪中叶，这些特征研究被汇编成许多论文，其中最著名的是Henry Piddington爵士于1844年出版的《航海者之角——印度和中国海域的风暴手册》，作者基于William Redfield和William Reid的早期研究，制定了一项策略，使海上船只可以避开或更安全地驶过热带气旋（Piddington 1848）。当时观测数据还很稀少，尽管19世纪末耶稣会牧师、哈瓦那贝伦天文台主任Benito Viñes神父在加勒比地区建立了一个简易的观测网，他还提出了高空风在引导飓风中的重要性（Viñes,1885）。
尽管这些贡献很有价值，但对于热带气旋的垂直结构或驱动它的基本物理机制几乎一无所知。事实上，在上世纪30年代，基于热带气旋登陆后观测到地面风速迅速减小，人们普遍认为其环流仅向上延伸了3km左右，而关于其动力来源的主流理论来自James Pollard Espy，在19世纪中叶，他曾猜测，气旋一般都是由在条件不稳定的大气中释放潜热驱动的，这种理念甚至一直持续至今。
AMS成立的一个世纪以来，热带气旋的测量、认识和预报方面取得了很大进展。本文试图梳理这些进展，并在广阔的气象学领域的重要发展背景下加以阐述。事实上，热带气旋研究进展的规模和广度如此之大，给试图在一篇文章中进行总结的人提出了挑战。在这里，我试图以我的视角记录一下热带气旋研究最重要的进步，目的更多地在于可读性而非全面性，同时强调其历史意义。
热带气旋主题的广泛性也构成了本文组织框架上的挑战。我选择按时间顺序开始，但在讨论20世纪末的事件时，转向了以主题为基础的结构。
2 分水岭年：1943—1968年
1943年7月27日，美国陆军航空队Joseph B.Duckworth上校和领航员Ralph O'Hair中尉从得克萨斯州机场带走了一名空军AT-6教练员，成为第一批穿越飓风眼的飞行员。到了20世纪40年代末，空中侦察飓风和台风开始普及，这标志着直接测量海面上热带气旋的高峰时代的到来；在此之前，少量的观测来自风暴穿过船只、岛屿和沿海地区。虽然这些早期的测量足以建立起热带气旋的一般气候学及其海面风场、降雨和气压场的结构，但对其三维结构仍几乎一无所知，进一步的进展需等待飞机测量时代的到来。
常规空中侦察的迅速实施，很大程度上是由于美国在战争期间发生了一系列海军在猛烈风暴中遇难的事件。其中包括1944年9月在大西洋飓风中“沃灵顿号”驱逐舰沉没，导致248名水手丧生。虽然对“沃灵顿号”来说为时已晚，但风暴后来经过了新泽西州莱克赫斯特的美国海军航空站东部，成为第一个被气象雷达探测到的飓风。三个月后，海军上将William Halsey毫不知情地将美国第三舰队第38特遣部队直接驶入了恶劣的台风中心，台风Cobra击沉了三艘驱逐舰并夺走了790名船员的生命。有些船只配备了雷达，因此Cobra成为雷达记录的第二个热带气旋（图1）。雷达图像显示了清晰的风眼、眼壁和雨带，但那时的雷达业务员没有接受过培训来解释这样的图像。
这一事件促使美国海军开始了侦察和预报行动，后来成为联合台风警报中心。时至今日，该中心仍然继续提供有价值的预报和预警。西太平洋热带气旋的常规空中侦察在第三舰队发生灾难后不久开始，并持续到1987年。
来自空中侦察的大量新数据激发了人们对热带气旋的研究兴趣，德国犹太人Herbert Riehl就是其中一员。1940年，Riehl加入美国陆军航空队后被派往纽约大学参加气象学项目。毕业后，Riehl遇到了罗斯贝，后者为他在华盛顿大学找到了一份气象工作。1942年，Riehl受聘为芝加哥大学新成立的气象研究所的讲师，在那里汇集了罗斯贝、Horace Byers、Helmut Landsberg、Victor Starr、George Platzmann、George Benton和Verner Suomi等大师。第二次世界大战太平洋战区开战迫切需要热带天气预报。罗斯贝在波多黎各建立了热带气象研究所（ITM），由芝加哥大学和波多黎各大学联合运作。Riehl于1943年7月被派往那里，与Clarence Palmer、Gordon Dunn和Reid Bryson等著名学者在一起。Riehl在ITM时的经历是革命性的，促使他认真研究热带气象学，最终出版了同名教科书（Riehl 1954）。
当时的一篇开创性论文是“飓风的形成模式”（Riehl 1950），据我所知，这是第一篇明确认识到海洋热量传输对热带气旋加强起关键作用的论文。他在温熵图中阐述了能量循环，但在文中没有试着具体量化能量循环或建立最大风速或中心气压的关系。
这一问题留给了另一位德国科学家Ernst Kleinschmidt。1951年Kleinschmidt应罗斯贝邀请访问了斯德哥尔摩大学，1959—1960年应Riehl邀请访问了芝加哥大学。Kleinschmidt的想法在当时被认为很古怪，但其中一些后来被广泛认可6。他发表了一篇关于热带气旋的论文（Kleinschmidt 1951），第一个建立了热力学能量循环函数最大风速的定量公式。同Riehl一样，Kleinschmidt也认识到海面热量传输的关键作用。
Kleinschmidt的论文预示了对热带气旋物理学的现代理解，但也许是因为它是用德语写的，所以当时并没有被广泛阅读，如果不是雷丁大学的Alan Thorpe和他在英国气象局的同事们将其“复活”的话，这篇论文可能会消失得无影无踪。Gray（1994）把Kleinschmidt的研究与大约35年后的研究之间进行了详细比较。
罗斯贝吸引了大批杰出的访问学者来到芝加哥大学，其中包括芬兰大气科学家Erik Palmén。特别值得注意的是他的论文“热带飓风的形成和结构”(Palmén 1948)，作者认为热带气旋的能量来自热带大气的条件不稳定性，这一思路可追溯到Espy(1841)的工作中。Palmén没有提及海洋局地焓通量，但他基于探空仪在1944年一次飓风眼中的上升探测、假定热带平均测深代表未扰动环境、并以他对海面风场特征和热力风平衡的认识，绘制了笔者认为的第一个飓风垂直剖图。如图2所示，Palmén描绘的图非常有预见性，他把眼壁展示成为一种锋面，放大了温度随海拔的异常，并推断风眼中的空气正在下降。图中甚至显示了平流层低层风暴中心有小的冷异常，这在最近的高空飞机观测和一些数值模拟中都能看到。