臺風源地與海深之相關性及其原因的理論探討和實驗根據(jù)

江正杰

山東工商學院人文與傳播學院 山東 煙臺 264005

1 前言

筆者一次偶然的機會得到了水的蒸發(fā)量與水量之相關性理論,從這個理論出發(fā)可以預言臺風源地與海深應該存在關聯(lián),即臺風多發(fā)區(qū)域應該位于海水深度最大或較大的海域。一查網(wǎng)上資料果然大都如此。在本文中筆者先給出關于臺風源地的這個資料,然后對于其原因加以探討。至于在氣象學上更深入的大數(shù)據(jù)定量分析,則有待于氣象學界的專家繼續(xù)研究。

2 臺風(颶風)源地與海深之關系

臺風源地指經(jīng)常發(fā)生臺風(包括颶風)的海區(qū)。全世界每年平均約有80-100個臺風發(fā)生,其中絕大部分發(fā)生在太平洋和大西洋上,主要發(fā)生于8個海區(qū):位于北半球的有北太平洋西部和東部、北大西洋西部、孟加拉灣和阿拉伯海5個海區(qū);位于南半球經(jīng)常發(fā)生臺風的海區(qū)有南太平洋西部、南印度洋西部和東部3個海區(qū)。大洋西部發(fā)生的臺風要比大洋東部發(fā)生的臺風多很多,其中以西北太平洋海區(qū)發(fā)生的臺風為最多(占36%以上),而南大西洋和東南太平洋至今尚未發(fā)現(xiàn)有臺風生成。這8個海區(qū)的緯度大都在南緯或北緯5到20度的臺風多發(fā)范圍之內(nèi)。西北太平洋海域全年各月都有臺風發(fā)生,5-12月每月的臺風發(fā)生數(shù)平均在一個以上,臺風出現(xiàn)的盛期在7-10月,約占全年臺風總數(shù)的70%,其中又以8月、9月最多,約占全年臺風總數(shù)的40%。

經(jīng)統(tǒng)計可以將每年臺風發(fā)生數(shù)占全球臺風總數(shù)百分率的區(qū)域分布如下圖:

圖1

由上圖可以發(fā)現(xiàn)西太平洋臺風發(fā)生主要集中在以下(1—4)四個地區(qū),這四個海區(qū)基本都處于太平洋最深或次深的海域:

(1)菲律賓群島以東和琉球群島附近的菲律賓海海面。位于西太平洋的菲律賓海,總面積達到479.1萬平方公里,有人稱之為是世界最大最深的海,最深處達9174米,平均水深4100米。菲律賓海海底是由一系列斷層和褶皺所形成的結(jié)構(gòu)盆地,在第一島弧以東的菲律賓海溝更達到最大深度10830米深。這一帶是西北太平洋上臺風發(fā)生最多的地區(qū),幾乎全年都會有臺風發(fā)生。1—6月的臺風主要發(fā)生在北緯15度以南的菲律賓薩馬島和棉蘭老島以東的附近海面,6月以后這個臺風發(fā)生區(qū)則向北伸展,7—8月出現(xiàn)在菲律賓呂宋島到琉球群島附近海面,9月又向南移到呂宋島以東附近海面,10-12月又移到菲律賓以東的北緯15度以南的海面上。

(2)關島以東的馬里亞納群島附近海面。7-10月在群島四周海面均有臺風生成,5月以前很少有臺風,6月和11-12月臺風主要發(fā)生在群島以南附近海面上。這個海區(qū)最深的地方是太平洋關島附近的馬里亞納海溝,它的深度達11270米以上,是太平洋的最深處。

(3)馬紹爾群島附近海面上。馬紹爾群島之間為中太平洋海盆,水深一般5000—5500米,最大水深6370米。中太平洋海盆以南,南極-太平洋海嶺以北為西南太平洋海盆,水深4500—6000米,最大水深8581米。這個海區(qū)的臺風多集中在該群島的西北部和北部,這里以10月發(fā)生臺風最為頻繁,1—6月很少有臺風生成。

(4)我國南海的中北部海面。中國南海海底深度指數(shù)NO.5。

南海的中北部海底四周較淺,中間深陷;平均深度1463米,最深處達5567米。北部區(qū)域的平均海深大約有1600米。從下圖南海海底圖可以看出中北部海域海深最大。南海臺風絕大多數(shù)在北緯10-20°,東經(jīng)112-120°之間的西沙群島和中沙群島附近海面發(fā)生。這里以6-9月發(fā)生臺風的機會最多,I-4月則很少有臺風發(fā)生,5月逐漸增多,10-12月又減少,但多發(fā)生在北緯15度以南的北部海面上。而南沙群島的海面較淺,很少臺風發(fā)生,有的話也從中部洋面產(chǎn)生之后移來的,或是從菲律賓以東洋面移來的“客臺風”的影響。

圖2 南中國海海底地形圖

(5)發(fā)生臺風(颶風)次數(shù)僅次于太平洋的是大西洋,大西洋西部發(fā)生的臺風占全球臺風總數(shù)11%,比大洋東部發(fā)生的臺風多得多。而南大西洋至今尚未發(fā)現(xiàn)有臺風(颶風)生成。而大西洋西部最多颶風發(fā)生的區(qū)域就是百慕大三角地區(qū)(百慕大、美國的邁阿密、波多黎各島北岸三點組成的三角形),那里也是大西洋海深最大的區(qū)域。百慕大三角位于大西洋西側(cè)百慕大群島、佛羅里達海峽和大安的列斯群島東端的波多黎各島之間。面積約390萬平方公里(150萬平方英里)。大部分位于北緯20°-30°之間,屬于北熱帶。百慕大三角正處在南、北美之間地殼斷裂帶的北緣,火山和地震活動非常強烈,海底地形十分復雜。百慕大三角的下面,大部分是深達6000米以下的北亞美利加海盆;北部是突起于四周深海盆的百慕大海臺,西和西南側(cè)是靠近大陸和群島的廣闊的大陸架,南端是大西洋的最深處,即深達9218米或9212米的波多黎各海溝,一個在大西洋與加勒比海之間的海溝,其海洋洋底深度指數(shù)NO.2。在波多黎各南部是加勒比海,位于大西洋的西部,加勒比海平均深度為2575米,共有275.4萬平方公里,而最深處則為開曼7680米,其洋底深度指數(shù)NO.3。

(6)占產(chǎn)生全球臺風總數(shù)10%的海域位于印度洋上馬達加斯加島東北部附近的海域。馬達加斯加群島的氣候多變,時常會出現(xiàn)颶風。這里剛好是印度洋最深海溝——阿米蘭特群島西側(cè)的阿米蘭特海溝所在地。阿米蘭特海溝位于塞舌爾群島之南,切割了連接塞舌爾諸島、普洛比頓群島、馬達加斯加島的洋脊頂部,最深點位于阿爾澳悉斯島西方,深9074米。

(7)占產(chǎn)生全球臺風總數(shù)16%的是位于東太平洋的墨西哥外海海域。墨西哥灣海洋洋底深度指數(shù)NO.6。墨西哥灣的海底地形特點也是很深的海盆結(jié)構(gòu)。從海底地圖上看,這地方也是一個深海海盆結(jié)構(gòu)。更具體的地貌描述資料暫缺。這個海域產(chǎn)生的颶風不僅多,而且強度大。如2015年10月24日西半球史上最強颶風“帕特里夏”登陸墨西哥西南沿岸,40萬人受影響。

圖3 墨西哥西南太平洋海域海盆地形圖

(8)占產(chǎn)生全球臺風總數(shù)10%和3%的海域分別是孟加拉灣和阿拉伯海。這兩片海域的特點是都有海盆,深度也較大。孟加拉灣總面積為217.2萬平方公里,它的深海海盆大致呈“U”字形,平均水深為2586米,最大深度5258米。從恒河口到孟加拉灣,有一條寬7000米,深70多米,長達1海里的海底峽谷,一直潛入5000多米深的印度洋底,整個峽谷所占的面積超過恒河流域的面積。孟加拉灣是熱帶風暴孕育的地方,每年4—10月,即當?shù)叵募竞拖那镏?猛烈的風暴常常伴著海潮掀起滔天巨浪,呼嘯著向恒河--布拉馬普特拉河的河口沖去,風急浪高,大雨傾盆,造成了巨大的災害。

阿拉伯海為印度洋的一部分,位于亞洲南部的阿拉伯半島同印度半島之間,包括亞丁灣和阿曼灣在內(nèi)面積386萬平方千米,最深處為5203米,平均深度2734米。海底是一個面積廣寬的海盆,比較平坦。整個海域島嶼較少,沿海地區(qū)大陸架面積狹小。阿拉伯海處于熱帶季風氣候區(qū),終年氣溫較高。中部海域6月和11月表層水溫常在28℃以上;1月和2月溫度轉(zhuǎn)低,為24-25℃。臨近阿拉伯半島海面由于陸地干熱氣流的“烘烤”,水溫可達30℃以上。

(9)最后占產(chǎn)生全球臺風總數(shù)3%和11%的分別是位于澳大利亞西北部和東北部的海域。位于澳大利亞東北部海域的是珊瑚海,珊瑚海是世界上最大的邊緣海,珊瑚海介于伊里安島和所羅門群島之間的一部分海域,面積479萬1千平方公里。珊瑚海位于太平洋西南部,平均深度2243米,珊瑚海大部分的海底水深3千至4千米,最深處的新赫布里海溝深達9175米,故也被稱為是世界上最大最深的海。澳大利亞西北部是印度洋的沃頓海盆(其無名深淵的海深達6429米)和爪哇海溝(其無名深淵的海深達7725米)。

綜合以上十個臺風多發(fā)海域海底地形的特點可以看出,臺風源地的特點除了都是位于低緯度海區(qū)外,往往要么位于海洋最深的海域,要么位于海洋次深的海域。這些海域的海底多有深海海盆構(gòu)造,或有深海海溝構(gòu)造。未見淺海海域有臺風多發(fā)的情況。至于洋底深度指數(shù)NO.7的地中海(北緯32°--44°),深度指數(shù)NO.8的白令海,深度指數(shù)NO.9的日本海(北緯30°--45°度之間),深度指數(shù)NO.10的黑海(北緯40°--46°之間)少見臺風,是因為緯度超過了5到20度范圍。而洋底深度指數(shù)NO.4的印度洋蒂阿曼蒂那海溝平均深度為3872.4米,最大深度也達8,047米,其緯度與印度洋上馬達加斯加島東北部附近的海域近似,未見過多的臺風或?qū)倮??？梢?臺風源地與海深之間存在某種程度的必然聯(lián)系應該是比較確定的事實。當然,關于臺風(颶風)源地與海深之關系的更精確的研究還有賴于對于臺風大數(shù)據(jù)的掌握,這是筆者不具備的能力,希望有關專家能夠繼續(xù)這個研究。

3 基礎理論依據(jù)

筆者在《論氣液相溶態(tài)與氣液相混態(tài)的區(qū)分及其驗證實驗》一文中已經(jīng)論述了如下觀點和思路,可以為本文發(fā)現(xiàn)的臺風源地與海深之關系現(xiàn)象提供基礎理論根據(jù):

可以將氣體溶質(zhì)溶于水所得到的水溶液分為兩種基本形態(tài):氣液相溶態(tài)、氣液相混態(tài),氣液相溶態(tài)是氣體溶質(zhì)和液體溶劑水發(fā)生極性反應或其他化學反應后得到的液態(tài)溶質(zhì)與液態(tài)溶劑的相溶態(tài),相溶前后氣體溶質(zhì)經(jīng)過一個液化放熱的過程;氣液相混態(tài)是氣體溶質(zhì)和液體溶劑水沒有發(fā)生極性反應或水合反應以及離解和締合現(xiàn)象后得到的氣態(tài)溶質(zhì)與液態(tài)溶劑相混態(tài),是氣體溶質(zhì)均勻擴散到液體溶劑中的結(jié)果,即水溶液中的氣體溶質(zhì)從氣體分子運動能量的角度來看仍然保持特殊的“氣態(tài)”,相溶前后氣體溶質(zhì)由于溫度沒有達到液化點,故沒有經(jīng)過一個液化放熱的過程。氣液相溶態(tài)的溶解度一般大于1,氣液相混態(tài)的溶解度一般小于1。氣液相溶態(tài)、氣液相混態(tài)分別符合拉烏爾定律和亨利定律的適用條件。

筆者還指出,液態(tài)的純水本身也在某種程度上是液態(tài)的水和氣態(tài)的水共存的氣液相混態(tài),特別是在相同的氣壓下,溫度越高,水中所含的氣態(tài)水分子也越多。所謂水分的蒸發(fā),并非都是在液面的液態(tài)水突變成氣態(tài)水,而也是水中所含的氣態(tài)水溢出液態(tài)水表面的過程。水的沸騰之所以發(fā)生,乃是在液態(tài)水不斷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的情況下,液態(tài)水中的氣態(tài)水分子聚集到一定程度的結(jié)果。在水從從0℃加熱到100℃的沸騰的過程中水面的蒸發(fā)量與水面下的受熱是有關的,溫度越高蒸發(fā)量也越大。在相同的蒸發(fā)液面的情況下,液態(tài)水體積越大,蒸發(fā)量也越大。根據(jù)亨利定律,液態(tài)水中的氣態(tài)水與空氣中的水分是連通的,所以液態(tài)水之所以會蒸發(fā),原因在于液態(tài)水中水氣的含量超過了空氣中的正常水分含量。假如水中水分的含量與空氣中的水分含量相等或達到某種程度的平衡,則蒸發(fā)就不再發(fā)生,這時實際上是氣化與液化的平衡態(tài),即達到所謂飽和濕空氣含水量。所以,原則上我們可以從平衡態(tài)來推測液態(tài)水中的水氣含量,或是這個含量的上限。

4 實驗依據(jù)

據(jù)此,我們可以設計相同液面不同體積的水的蒸發(fā)量對比實驗來證明:水的蒸發(fā)量與水面下水的體積大小之相關性。如設計1:10或1:100不同體積的水,觀察其在相同液面面積和常溫情況下的蒸發(fā)量的不同,由此可以總結(jié)出水的蒸發(fā)量與水面下水的體積大小之相關性的規(guī)律。筆者(江正杰)于2017年2月17日去找王全杰教授說明原理,后在煙臺大學化學化工學院皮革與蛋白質(zhì)實驗室第一次做了這個極為簡單又意義重大的實驗,這個實驗名為“在室溫下水的蒸發(fā)量與水柱高度的相關性實驗”。

第一次試驗中選取兩組共4個量筒,編號為①②③④。一組2個,直徑均為27.5mm,滿刻度為100ml,初始盛水量分別為:①100ml、②30ml;二組2個,直徑均為21.3mm,滿刻度為50ml,初始盛水量分別為:③50ml、④10ml。實驗至今為止已經(jīng)經(jīng)過8天,做了7次觀測記錄,除了第一天沒有記錄外,后每天一記錄。最后的蒸發(fā)量分別是一組:①10 ml,②7.5 ml ;二組:③5.5,④2.5。實驗數(shù)據(jù)顯示出蒸發(fā)量與水量(水柱高)的明顯相關性:兩組中水量越大,蒸發(fā)量也明顯越大。一組:①的蒸發(fā)量是②的1.4倍;二組:③的蒸發(fā)量是④的2.2倍,這不是傳統(tǒng)理論能夠解釋的,也不能歸結(jié)為實驗誤差的結(jié)果。每一個人都可以重復這個簡單的實驗。

實驗數(shù)據(jù)也顯示:蒸發(fā)量并非主要取決于水量,與蒸發(fā)液面的關系更大。上述試驗中②比③的水量少,但是因為液面大,所以蒸發(fā)量也大。

2017年2月25日筆者在煙臺大學化學化工學院皮革與蛋白質(zhì)實驗室又進行了二次實驗。因為上次實驗受實驗設備有限的局限,設計的對照組不夠豐富,這次新購買了大量量筒,包含所能買到的所有規(guī)格的量筒,設計了7組對照試驗。實驗同樣證實在常溫下水的蒸發(fā)量與水柱高(水量)存在相關性。這次試驗還總結(jié)出一個與水柱高(水量)存在相關性的新的蒸發(fā)量公式,從而修正了舊公式的不精確性。

由以上及更多的實驗總結(jié)出以下結(jié)論:在相同的外界條件下,水的蒸發(fā)量與水面下水的體積或水量大小存在明顯的相關性。一般來說體積越大,水的蒸發(fā)量或蒸發(fā)速率也越大。具體而言可以分為幾種情況:

(1)在蒸發(fā)液面確定的情況下,水的體積(即水量)的大小與水柱高度存在正相關的關系,但不是正比例的關系,越深的水體傳到液面的蒸發(fā)量越小。

(2)在相同水量和相同蒸發(fā)液面的情況下,也可能出現(xiàn)不同水柱高度的情況,也有可能影響蒸發(fā)量或蒸發(fā)速率?？偟膩碚f,水柱高度越大,水面蒸發(fā)量或蒸發(fā)速率越小。

(3)在相同蒸發(fā)液面和相同的水柱高度情況下,也可能出現(xiàn)不同水量的情況,也有可能影響蒸發(fā)量或蒸發(fā)速率?？偟膩碚f,水量越大,水面的蒸發(fā)量或蒸發(fā)速率也越大,這個關系也弱于正比例。

筆者還根據(jù)這些新的認識來重新實驗,重新建立水池表面蒸發(fā)量計算公式。初步給出的水池表面蒸發(fā)量公式應該由兩個量構(gòu)成,完全取決于蒸發(fā)液面的基礎蒸發(fā)量V0加上與水量相關的蒸發(fā)量Vh。即總蒸發(fā)量:

通常使用的水池表面蒸發(fā)量計算公式不夠精確,只是相當于V0,將這兩個公式合為一個,就得到了新的蒸發(fā)量公式:

這樣這些實驗所驗證的論斷:液態(tài)的水中也存在氣態(tài)的水,蒸發(fā)不僅是液面的液態(tài)水的氣化過程,也是液面以下氣態(tài)的水分子溢出水面的過程等,由之組成的新蒸發(fā)理論也就得到了初步的實驗證實;進而氣體溶質(zhì)溶于水所得到的水溶液可以分為兩種基本形態(tài):氣液相溶態(tài)、氣液相混態(tài)的理論也得到了初步的實驗證實。由此理論出發(fā)需要修正許多相關的物理化學理論。

以上數(shù)據(jù)參見《論氣液相溶態(tài)與氣液相混態(tài)的區(qū)分及其驗證實驗》一文,以及《水的蒸發(fā)量與水量的相關性理論的驗證實驗分析報告》。

從空氣溶于水主要是氣液相混態(tài),液態(tài)的水中也存在氣態(tài)的水,以及蒸發(fā)是這液態(tài)的水中的氣態(tài)水分子溢出水面的過程等理論,可以預測臺風的源地與海域深度有關,這一點可以得到實證材料的驗證已如上述所示。事實是臺風的源地集中分布在各大洋最深的海域。一般認為,臺風形成的條件主要有兩個:一是比較高的海洋溫度;二是充沛的水汽。臺風形成的主要過程是這樣的:熱帶海面受太陽直射而使海水溫度快速升高,引起海水蒸發(fā)量迅速提高,提供了充足的水蒸汽。水蒸汽在抬升中發(fā)生凝結(jié),釋放大量潛熱,使對流運動進一步發(fā)展,造成海平面氣壓下降,引發(fā)周圍暖濕空氣流入補充,然后再抬升。如此循環(huán),形成正反饋。在溫度高的海域內(nèi),如果正好又碰上大氣里發(fā)生一些擾動,大量空氣開始往上升,這時上升海域的外圍空氣就源源不絕地流入上升區(qū)。又由于地球轉(zhuǎn)動的關系,使流入的空氣像車輪那樣旋轉(zhuǎn)起來。當上升空氣膨脹變冷,冷凝成水滴放出熱量,這又助長了低層空氣不斷上升,使地面氣壓下降得更低,空氣旋轉(zhuǎn)得更加猛烈,便形成了臺風。

臺風形成的兩個主要條件:比較高的海洋溫度和充沛的水汽其實是互相關聯(lián)的,一方面,比較高的海洋溫度可以產(chǎn)生充沛的水汽,另一方面充沛的水汽也可以保持比較高的海洋溫度。根據(jù)我們上面的理論,充沛的水汽不能僅僅靠海面的蒸發(fā)產(chǎn)生,主要應該是靠海面以下的全部水體產(chǎn)生。一旦海面某個區(qū)域開始形成臺風眼,產(chǎn)生抬升的氣流,除了周圍的空氣和水蒸氣會匯聚來補充外,海水里的空氣與水蒸氣也會往這個區(qū)域匯聚來補充,以抵消形成的低氣壓,可能在短時間內(nèi)加快蒸發(fā)的速度,并形成氣流的通道,這樣的通道一定是螺旋的,這就是臺風。有蒸汽和空氣溢出海平面的過程,當然也有相反的過程,這或許可能是海洋中許多異常氣象乃至于包括一些神秘現(xiàn)象的原因。

5 結(jié)論

所以,我們認為臺風的發(fā)生的確與海水的蒸發(fā)量有關,但海水的蒸發(fā)量不僅與太陽光的直射造成海面水分的蒸發(fā)有關,也與海域的深度以及海域海水的體積有關,最后還與海洋深度有關,即越深的海洋面越容易發(fā)生臺風。海水的蒸發(fā)量其實是兩個量疊加的結(jié)果:一個是海面的海水直接受陽光照射而蒸發(fā),另一個是海面以下海底以上的海水在常溫的情況下都有水蒸汽的生成,也對總的蒸發(fā)量有貢獻,因而臺風的源地必然與海深有關。事實是臺風或颶風的起源地主要是各大洋的深海區(qū)域。

當然臺風多發(fā)海域與海深的關系無疑并不是絕對的,不是意味著臺風密度的分布完全與海深的絕對值成正比,而是說在可能具備發(fā)生臺風條件的海域中發(fā)生臺風密度最大的區(qū)域一定是這個海域中最深的區(qū)域。比如南海的中北部是臺風的多發(fā)區(qū)域,之所以南海的南部(即南沙群島,約位于北緯5—10度之間)沒有成為臺風的多發(fā)區(qū)域,一定與其相較于中北部明顯較淺的緣故有關。在太平洋,由于洋面面積廣闊,可能產(chǎn)生臺風的海域不只有一個,但是在每一個臺風多發(fā)的海域其海深一般來說都比周圍較近的海域較深。至于說較淺的海域之所以偶爾也會有臺風發(fā)生,原因在于其醞釀熱帶低氣壓氣團的時間要比較長,故其發(fā)生臺風的頻率就比較小,而不是意味著較淺的海域不會產(chǎn)生臺風。

這個理論還可以說明海陸風、季風、臺風的共同本質(zhì)與海水的蒸發(fā)以及海洋隨空氣溶解度變化而發(fā)生的呼吸空氣有關。

最后再補充一點,筆者查閱的有限資料也表明,越深的海底往往也是火山活動越活躍的區(qū)域,也是海洋洋流匯聚之所在,這些因素也可能會給這些區(qū)域帶來更大量的熱量,進而產(chǎn)生更多的海水之中的水蒸氣,這對于這些區(qū)域的海面低氣壓的生成可能也會有貢獻。