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刺状急流(Sting Jet)是一种极端的天气现象,是温带气旋发展到一定阶段时出现的一种狭窄的猛烈风核,包含极端强风的狭窄气流带。在迅速增强的北大西洋和北太平洋以及其他中纬度地区温带气旋中,有时会形成向地面(垂直方向延伸)的强大风暴。刺状急流通常伴随着最强、最具破坏性的风暴,可产生猛烈的、飓风级别的强风,风速可超过每小时约 160 公里(约100 英里)。
最具破坏性的温带气旋会经历这样的演变过程:形成一个弯曲的锋面和一系列云系,这些云系被一个干槽与主极锋云带隔开。当气旋发展到成熟阶段时(非常接近达到其最低中心气压时),弯曲锋面周围的云系末端会形成一个明显的钩状结构,继续包围暖空气隔离区。
钩状结构前端的狭窄区域内,气流强烈辐合,形成一个高速气流带,即刺状急流。由于气流在该区域急剧收缩加速,因此最强风出现在刺状急流所在的位置(如下图钩状结构“尖端”附近,即云系“尾部”末端的“刺”处)。
听起来有点过于专业了?其实并没有那么复杂,让我们来一探究竟。
刺状急流的定义
具有深厚冷空气系统的北大西洋气旋频繁侵袭西欧,引发一系列的破坏性的风暴和巨浪。有些气旋非常猛烈,导致大范围的树木倒塌、建筑物受损、交通中断和电力供应瘫痪。近年来,典型的刺状急流风暴包括风暴“尤尼斯”(Eunice)、风暴“莱斯利”(Leslie)、炸弹气旋“乔治”(Jorge)和风暴“奥菲莉亚”(Ophelia)。
刺状急流是一种气象现象,其最显著的特点是产生猛烈的飓风。这种现象会形成一条极其强劲的风带,通常导致风速峰值瞬间飙升至每小时 150 公里(约94 英里),有时甚至超过每小时 200 公里(约 125 英里),造成大面积严重破坏。
上图:炸弹气旋“乔治”(Jorge)的水蒸气卫星图像(水蒸气是云的主要成分:通过观察水蒸气的分布,可以更直观地了解云系的结构和发展变化,从而更好地分析风暴的强度、移动路径等。即使是浓厚的云层也无法阻挡水蒸气信号,因此水蒸气图像可以提供更全面的风暴信息)。
刺状急流是一条相对狭窄的极强风区,源自大西洋或太平洋爆发性气旋(炸弹气旋)的中对流层云系之中。
刺状急流是如何形成的?
温带气旋通常伴有两个锋区,分别是暖锋和紧随其后的冷锋。一股强劲的冷空气流在暖锋的前方进入气旋,称为冷输送带(cold conveyor belt)。
在主冷锋后面,一股更冷、更干燥的气团(通常来自北极地区)流向气旋的核心,形成一个向深低压中心的干空气侵入。这种干侵入通常环绕气旋低压,从西南方向进入。
上图:刺状急流的典型示例
冷输送带将寒冷且湿润的空气和降水(如雨和雪)带向快速发展中的温带风暴中心。与此同时,干空气侵入将较冷和非常干燥的空气带入气旋。
当冷输送带中的降水落入干侵入气流中的空气层时,水滴会迅速蒸发,进一步冷却空气团。这个过程称为蒸发冷却(evaporative cooling)。
上图:刺状急流形成的示意图
在刺状急流过程的最后阶段,强风向地面下沉,并随着气团变干而进一步增强。这些风穿过空气层,当气团在下沉急流的前端蒸发时,产生更密集的空气。因此,蒸发冷却过程清除了降水,形成了一条清晰的路径,使急流内的空气密度大大增加。
最终导致下沉动量的加速,或者换句话说,极强的风被更大力量推向包裹气旋中心的云系尖端。
上图:刺状急流头部的云带
所有这些与刺状急流相关的过程都发生在海拔约 3-4 公里的高度。被冷却的空气比周围的空气密度大很多,块速下沉到地表,在气旋原本就很强烈的风场内产生更强的风。这股冷却、加速的气流的整个区域较为狭窄,在气旋中心附近形成一个狭窄的高速气流带,即所谓的刺状急流。
一旦刺状急流完全形成,卫星图像上,这一风速最大区域显得非常明显。气旋的“逗号”云系呈钩状,就像蝎子的尾巴,这种形状给这个危险的风区赋予了其著名的名字。
上面的合成卫星图像显示了气旋与“蝎子尾巴”重叠的经典示例,看起来很熟悉。
如上所述,刺状急流的影响范围范围极其狭窄,通常仅局限于约 100-200 公里(100-125 英里)的区域,与母体大规模炸弹气旋相比,其规模宛如一道狭窄的“风刃”。刺状急流通常仅持续几个小时,但如果它影响到地表,破坏性的强风将随之而来。
上图:温带气旋的风分析图
当我们看到大西洋风暴迅速或爆发性发展时,其典型的卫星图像中显示的带状云系,这很可能会导致刺状急流的形成。云“头”会强烈地向气旋的核心弯曲,最猛烈的风可能会从那里吹向地表。
这些“逗号”云边缘的云带会在刺状急流的前端迅速消失。这是由于干空气侵入过程中气团内的强烈蒸发导致的。
如何预测这些事件?
刺状急流很难预测,因为它们相对较小,并且取决于气旋系统从初始阶段的发展情况。然而,借助当前高分辨率气象模型预报图,可以识别气旋强风场中特别猛烈的强风带。
上图:风速预测示例
当然,正如前文所述,也可以通过各种通道和光谱在卫星图像上识别刺状急流的形成。正如上文所知,冷传输带末端的钩状云指示刺状急流刺流的存在。类似于蝎子尾巴上的刺,云的形状也能提示这一风速最大区域的形成。
使用卫星图像来表示空气中的水汽含量,通常由明暗(浅色和深色)不同的色调构成。色调越深,表示该处水汽含量越少。众所周知,云是由水汽凝结成水滴而形成,但在刺状急流周围,干燥的空气带会延伸开来,提醒这一风暴带也非常干燥,这是一个小范围内移动迅速、寒冷、密度大的干空气核心。
著名的历史风暴天气事件
并非所有深层温带气旋都会发展出刺状急流,这种现象仍然比较罕见。在西欧、中欧以及北太平洋上空最强的气旋中,约二十几个被证实存在刺状急流。
下面的红外卫星动画展示了 2012 年 1 月 3 日侵袭苏格兰的一场强烈风暴,风暴中出现了刺状急流的经典示例。
与苏格兰强风事件相关的刺状急流特征
同一场风暴还在荷兰艾默伊登(Ijmuiden)产生了高达 172 公里/小时的风速。
在 2022 年 2 月 18 日的风暴“尤尼斯”Eunice)期间,英格兰最大、人口第二多的岛屿怀特岛(Isle of Wight),记录到了196 公里/小时(122 英里/小时)的破纪录风速 。打破了 1979 年在康沃尔郡的格温纳普角(Gwennap Head)创下的每小时 190 公里(118 英里)的记录。
2018 年 10 月 14 日,前飓风莱斯利 (Leslie) 带来的猛烈风暴袭击葡萄牙,维拉韦尔德 (Vila Verde) 的菲盖拉达福什 (Figueira da Foz),阵风高达每小时 176.4 公里 (109.6 英里)。据报道,该镇遭受了大面积破坏,包括多处树木被连根拔起,屋顶严重受损,以及高速公路沿线的拖车翻覆。
上图:风暴“莱斯利”(Leslie)雷达图像,伴随破坏性的刺状急流。
臭名昭著的 1987 年大风暴产生了刺状急流,风速在法国格朗维尔(Granville)的罗克角(Pointe Du Roc)最高时速达到每小时 217 公里(135 英里)。
2000 年 10 月底至 11 月初,强烈的气旋奥拉蒂亚(挪威称“Tora”)在法国卡马雷海角(Camaret-Sur-Mer)产生高达每小时 176 公里(110 英里)的风速。
最近一次是 2024 年 10 月 9 日,墨西哥湾破坏性极强的飓风“米尔顿”(Milton)在佛罗里达州坦帕(Tampa)附近登陆。
在飓风袭击佛罗里达时,风暴正迅速转变为温带气旋。风暴的背部发展出强烈的刺状急流,随着这种转化,气流急剧收缩并下沉。在风暴眼登陆后不久,下面的雷达图像显示了刺状急流产生的强风带,其狭长的回波带表明了风速极高的区域。这些强风在袭击坦帕(Tampa)和萨拉索塔(Sarasota)南部沿海地区之前的最大风速,导致了显著的风暴破坏和风暴潮。
以下近十年来西欧和其他地区一些主要风暴情况:
2022 年 2 月 18 日,破坏性风暴“尤尼斯”(Eunice)横扫西欧;
2022 年 2 月 7 日,2021/22 年冬季北大西洋季节最强烈的炸弹气旋;
2020 年 10 月 2 日,风暴“亚历克斯”(Alex)袭击法国布列塔尼和英吉利海峡;
2020 年 2 月 28 日,炸弹气旋“乔治”(Jorge);
2019 年 11 月 26 日,美国太平洋西北部发生强烈深层气旋;
2018 年 10 月 14 日,风暴“莱斯利”(Leslie)登陆葡萄牙西部,造成大面积破坏;
2017 年 10 月 16 日,风暴“奥菲莉亚”(Ophelia)在爱尔兰西南部的法斯特奈特灯塔(Fastnet Lighthouse)记录到 191 公里/小时的风速;
2017 年 3 月 6 日,强烈风暴袭击法国西北部布列塔尼地区。
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