(原文出處：http://www.wunderground.com/blog/24hourprof/mesovortices-in-the-eye-of-super-typhoon-haiyan )
By:Lee Grenci
昨日(11/7)超級颱風海燕向西趨向菲律賓群島途中，在其風眼內有一種被稱為中尺度渦旋的螺旋雲系生成。我擷取這段來自韓國地球同步衛星COMS-1於11月7日0515UTC拍攝的可見光影像，如此你便可以看見中尺度渦旋。而下面(更大張的循環動畫)COMS-1衛星所拍攝的可見光雲圖動畫循環之時間則是11/6 2130Z至11/7 0815Z(菲律賓時間11/7 0530AM-0415PM)
這個由韓國地球同步衛星COMS-1所拍攝GIF格式的可見光雲圖動畫顯示了海燕風眼中伴隨螺旋低雲係發展的中尺度渦漩生成過程。動畫循環之時間則是11/6 2130Z至11/7 0815Z(菲律賓時間11/7 0530AM-0415PM)。更大張的循環動畫(圖片承蒙CIMSS)，請參考史考特．巴克麥爾的部落格。
在很強的熱帶氣旋眼內生成的中尺度渦漩通常為Meso-Beta尺度(注)，具有2-20km的空間尺度，此類中尺度渦漩並不常常產生強風，但有助解釋為何強熱帶氣旋眼內並不往往是乾淨且"弱風"的狀態(與中尺度渦旋相關的擾動可以從眼壁產生較強風向眼內吹...)。
奇怪的是，伴隨中尺度渦漩的什強颶風眼常呈多邊形結構(參考這張於2003/9/13 1812Z所拍攝的伊莎貝爾颶風可見光雲圖)，事實上目前已在高解析度的雲圖中發現的多邊形眼結構有三角形至六邊形等等。確實某些時候這些多邊形結構的邊不常常連接在一起。但這種缺陷並不會影響我所要傳達的訊息。關於多邊形結構的知識我將在稍後做更詳盡深入的說明。但首先，也許是對於強熱帶氣旋眼內低雲的知識概念並不直觀明了，我在此先提供一些關於眼內低雲的相關背景知識。
眼內低雲的生成
我們有時可以在颶風或颱風內核區域的眼內逆溫層下方觀測到低雲形成，這些高度約在850mb(約高1500m)且性質穩定的逆溫層乃是反映了眼內下沉運動增溫過程，在這些高度相對較低的區域內，有數個不同水汽源有助於低雲之生成。
颶風眼內有助低雲生成的水汽源來源有下列三種：1.高海溫下的蒸發過程2.眼牆(雷暴積雨雲)下方降水蒸發冷卻下沉產生輻散作用向眼內推進之水汽平流3 .眼內下沉空氣於途中所攜帶的水汽進入逆溫層下方大氣(譯按：多半來自中高層眼壁，氣流順此區域下沉所致) (圖片版權及承蒙：賓州大學線上天氣預報含證教學課程)
溫暖海水蒸發產生之水汽被困在逆溫層下方的結果並不令人奇怪。此外，伴隨渦漩的紊流混合作用有助於濕空氣沿內眼牆向內輸送，而下沉區域(眼內下沉氣流)之傳輸作用(平流)有助於水汽平流向下傳輸至邊界層內部(即逆溫層下方，參考上面理想化示意圖中的綠箭頭)。此外，有時自眼牆雷暴積雨雲底下方的下沉氣流也會在底層流入至眼內...例如上方理想模式中的淡藍箭頭顯示之降水蒸發冷卻之下沉氣流至海面外逸流入眼內的過程。
你分析這個過程可以了解，水汽注入眼內逆溫層下方約850mb的高度，配合逆溫層下方微弱的上昇運動，將為颶or颱風眼內的層雲及層積雲之形成鋪好舞台。
不過有些小疑問，為什麼在某些颶風眼內的層雲發展的較其他個案更加明顯呢？事實上，中尺度渦漩(例如在超級颱風海燕中生成的這些)只會在大型颶風眼內形成的低雲上成長起來，接下來讓我們來調查看看背後原因。
颶風眼內的中尺度渦漩與紊流
從一些基礎知識開始介紹：我們都同意氣塊在颶風下方海表面大氣內流會以氣旋式過程螺旋內流入颶風底層眼內。在摩擦力僅造成10%的風速減弱(譯按：動量耗損)的影響下，可將這個氣塊內流過程視為角動量守恆，故氣塊內流其速度增加的過程是不令人意外的。然而一旦內部下沉向外輻散的氣流產生之離心力與氣壓梯度力(譯按：其實還要考慮科氏力，會和離心力一起作用與氣壓梯度力產生梯度風平衡)平衡，內流氣塊就會停止螺旋內流而上升形成眼牆。
現在把舞台焦點放在眼內核區域的下沉運動，透過記錄顯示下沉運動的來源主要有兩者：1.首先下沉運動是一種對於發展中之風眼，其周圍眼牆的持續大範圍上昇運動形成之熱塔(發展很高的雷暴積雨雲)潛熱釋放過程所產生的強迫反應現象，此下沉作用對於眼牆內上升潛熱釋放過程也有促進維持之作用2.藉由紊流以及/或中尺度渦漩之波破裂過程將高動量之空氣向眼內混合，這些來自眼壁向眼內湧入的高動量空氣又反過來使得眼周圍下方的邊界層上風速達到超梯度風(較梯度風平衡時之風場更快速)等級。此處空氣繼續下沉並於底部向外輻散至眼牆，進一步促進下沉運動。此兩種非靜力平衡擾動過程為眼內下沉運動提供了坦途。
上面的flash動畫(原文未提供)可以讓你更易於掌握了解颶風眼牆邊界內空氣混合的結果。在你開始(理解上述過程)以前，請先看看此動畫，這顯示(沒有說明)眼內氣塊下沉達邊界層上方離開眼(焦點應放在眼內氣塊下沉並向眼牆輻散之過程)。此乃梯度風平衡結果之下導致的氣塊自邊界層之上外流過程。圖片版權及承蒙：賓州大學線上天氣預報含證教學課程。
從此討論延伸出的結果之一乃是，在中尺度渦漩(有時稱"亞風暴")的作用下有助將動量自眼牆向內混合至眼，由此為出發並考慮許多的觀測結果可以發現颶風眼內環境並不總是如同普遍認為的那座"平靜的島嶼"。因此現在問題變成：大型颶風眼內的中尺度渦漩是如何生成的？
中尺度渦漩如何形成？
最近在賓州大學的最新研究顯示，這些中尺度渦漩更大的表親：中緯度渦漩也以同樣的方式發展壯大。的確，這些中尺度渦漩的發展很容易和眼和眼壁之間的強溫度梯度形成之斜壓區聯想在一塊(渦流盛行在強斜壓區，即斜壓不穩定環境條件下成長)(譯按：原文這裡將強溫度梯度視為斜壓區其實有爭議，不是有溫度梯度就是斜壓。斜壓成立的另一個條件是等壓(高)線與溫度梯度交角，方有斜壓能。然而在熱帶氣旋眼內，等高線與等溫度線是梯度反向且相互平行無交角，即"相當正壓"態)。中尺度渦漩生成的因素可能缺乏有時出現在眼及眼壁之間的強烈水平風切變，規模大的水平風切可以在眼周圍引發氣旋式漩渦發展並透過斜壓不穩定加劇發展。
(數值模擬顯示成熟的颶風眼如何從環形演變為多邊形的風眼結構(色階)。資料承蒙美國科羅拉多州立大學的韋恩．舒伯特博士，此處免費檢閱舒伯特博士於1999年發表的一份關於中尺度渦漩的研究論文。)
正壓不穩定(譯按：水平風切所致)概念也曾被用來解釋關於中尺度渦漩生成研究的理論基礎，檢視上圖關於一個成熟颶風內相對渦度變化的數值模擬分析，紅色為眼牆內相對渦度極大值之區域(強烈的摩擦輻合產生的氣旋式渦度，一如花式溜冰選手將手臂內縮減少旋轉半徑進而增加旋轉量(譯按：其實就是角動量守恆的概念))。注意眼壁外及風眼內的大相對渦度梯度值。雖然充分解釋這種演變過程的物理和數學方法超出了本部落格的範疇，但這個數值模擬的結果，至少可以讓你了解從一個環形(形狀如環)演變成多邊形風眼結構的過程是可能會發生的。
但風眼的多邊形眼牆結構持續時間不長。觀看這個從10至20小時然後接續從22到48小時的數值模擬過程。 (總結一下，看看這個48小時的動畫模擬)。注意在第48小時出現在眼中央的單一中尺度渦漩。當模擬開始時，紊流混合引起的高渦度值，以漩渦方式進入眼內，為眼周圍的中尺度渦漩生成提供了坦途。伴隨中尺度渦漩的渦度擴散(發散，變得不那麼集中)。剩餘渦度向內移動，進而導致風眼的中心旋轉起來。這種“位於中心”的中尺度渦漩已經被觀測到......看看2005年8月28日於墨西哥灣沿岸的卡翠娜颶風眼中心附近的中尺度渦漩。
我希望這篇文章能讓你更加了解在成熟颶風眼內的中尺度渦漩成因。
注：
根據Orlanski(1975)的分類，中尺度可以分成：
Meso-γ(中-γ尺度)：大小介於2~20km，一般的午後熱對流、單胞雷暴屬之。
Meso-β(中-β尺度)：大小介於20~200km，發展強烈的單胞雷暴、海陸風、較小的多胞型雷暴、超級胞及小型颮線。
Meso-α(中-α尺度)：大小介於200~2000km，多數的中尺度對流、颮線甚至於接近綜觀尺度的熱帶氣旋屬之，一般的MCS也多指這個大小範圍內的對流系統，中尺度對流複合體(Mesoscale convective complex,MCC)亦屬之。
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上面這篇文章是透過正壓不穩定以及紊流混合的動力過程解釋中尺度渦漩成因，但是其實還有一些要素沒有解釋：就正壓不穩定之下如何引發中尺度渦漩的生成的過程，這裡沒有Kossin and Shubert(1999)文章內的複雜數學式，純粹以物理概念解釋中尺度渦漩的來龍去脈。
風眼到眼牆有急遽增大的風速，眼牆至外圍雨帶又有急遽減弱的風速，這種風速分布就如文中所提與角動量守恆以及眼牆上的梯度風平衡伴隨眼內下沉等機制有關，如此的水平風切過程造就了眼牆上的擾動，這些由水平風切變造成的擾動發展過程稱為正壓不穩定，不過這些擾動生成到發展中尺度渦漩之間還需要一點連結：
對於颱風動力過程有一些概念的板友想必都應該聽過一個名詞：渦旋羅士比波(Vortex Rossby Wave, VRW)，這是一種在熱帶氣旋等具有內部渦度梯度分布的強烈渦漩系統出現的波動。對一個成熟的颶風而言，相對渦度ζ可以做：
故可知如文中圖示，在眼牆上有最大值的相對渦度(風速最大)，可知颶風眼內渦度梯度向外，眼牆外渦度梯度向內，根據Rossby Wave的傳播方式：恆指向渦度梯度左側傳播，我們對於正壓不穩定引發VRW有了清楚的理解：
故可知，對於有渦度梯度的背景流場而言，必須要有擾動作用方能引發Rossby Wave形成傳播，在成熟的風眼內，此時的擾動來源便為水平風切下的正壓不穩定，在眼內眼外引發VRW沿眼牆傳播繞行，這些傳播發展的波動就形成了我們所見到的中尺度渦漩，現在再把整篇文章提到的前置條件也加進來做總整理。
風眼內部的中尺度渦漩成因：
首先，你必須要有一個夠強具有明顯風眼結構的颱風(雲捲風眼不算喔)，有強烈的眼牆對流上升及眼內下沉造成低層逆溫，以及三種水汽來源被困在逆溫層內達飽和形成低雲
再來，伴隨颱風發展風眼生成的同時，眼牆風速加大形成正壓不穩定並伴隨VRW生成：
於是波動在眼內的部分，便會帶動低雲運動同時傳播混合，形成中尺度渦漩，也就是原文中最後一張數值模擬渦度生成混合的示意圖，渦旋因波動關係可以是正或負渦度：
(＠゜▽゜@)ノ~~~就是這樣啦
總結：強度越強(風速越大)，眼牆對流越旺盛，海溫越高，滿足這三種條件就可以形成眼內的中尺度渦漩雲系，所以一個越強的颱風理論上它的風眼底層就越不乾淨，有大量的低雲渦在裡面轉啊轉，所以有幸站在成熟風眼內(前提是你得挺過眼牆才行)的你向上望應該只會看到一片灰白的天空及許多的層積雲在你頭上其他啥都沒有，運氣好才會有日月星辰藍天等景象，不過要是有也很局部短暫。故在紅外線雲圖下看到清澈的風眼只是個假象，因為這些低雲的亮度溫度高，向上輻射長波輻射能量也越強，反映出來的就是一塊高溫區，而溫度越高的區域在紅外雲圖上就越透明。
逆溫層的強弱取決於下沉運動強弱，此運動強度正比下沉的氣塊路徑，路徑越長，下沉逆溫層越盛(溫度越高以及厚度越厚)，覆蓋在低雲上的強暖逆溫層之暖空氣向上方出的長波輻射會疊加低雲本身向上長波輻射，進一步提高該區亮度溫度，故導致此時看到的眼內溫度就越高，因此此時在紅外強調雲圖上的眼內溫度就越高形成所謂的"深藍眼"，看似乾淨其實不然。
又，有經驗的風友應該發現，深藍眼常常出現在一些強度甚強對流發展越旺盛的系統，例如海燕及妮妲等個案，剛剛前面提到下沉運動強弱正比路徑長度，又路徑長度正比於對流高度，故對流越旺盛結構越紮實的熱帶氣旋伴有的下沉及逆溫也就越強，越易生成深藍眼。
(其實也要考慮中高層暖心強弱以及眼牆逸入混合作用帶來的影響，但較複雜，這裡先不談)
附上一張目前(2014年)最新的東太平洋颶風Lowell伴隨風眼生成時的中尺度渦漩動畫
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