Xoáy thuận nhiệt đới

Trường gió

Trường gió gần bề mặt của xoáy thuận nhiệt đới đặc trưng bởi dòng không khí quay nhanh quanh tâm hoàn lưu đồng thời tỏa tròn vào bên trong. Tuy nhiên, tại rìa phía ngoài của cơn bão, không khí gần như yên tĩnh, do sự tự quay của Trái Đất, không khí có momen động lượng tuyệt đối khác 0. Khi không khí thổi vào trong, chúng bắt đầu chuyển động xoáy (ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu, và theo chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu) để bảo toàn momen động lượng. Đến một khoảng bán kính bên trong, dòng không khí bắt đầu thăng lên đến đỉnh tầng đối lưu. Bán kính này thường trùng khớp với bán kính trong của thành mắt bão, là nơi có gió gần bề mặt mạnh nhất của cơn bão, do đó, nó được biết đến như là bán kính gió tối đa. Khi ở trên cao, dòng khí thổi ra khỏi tâm bão, tạo ra một màn mây ti.
Quá trình đã đề cập trước đó dẫn đến kết quả là trường gió có cấu trúc gần như đối xứng trục: vận tốc gió là thấp ở tâm, tăng lên nhanh chóng khi di chuyển ra phía ngoài đến vùng bán kính gió tối đa, và sau đó ngày một giảm dần khi đi ra vùng có bán kính lớn hơn. Tuy nhiên, trường gió thường thể hiện sự biến thiên theo không gian và thời gian, như là có thể tăng giảm kích thước phụ thuộc vào các yếu tố môi trường xung quanh và bản thân cơn bão. Theo chiều thẳng đứng, gió mạnh nhất là ở gần bề mặt và phân rã tại độ cao trong phạm vi tầng đối lưu.

Mắt và trung tâm

Tại vùng trung tâm của một xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành, không khí chìm hơn là thăng lên. Với một cơn bão đủ mạnh, không khí có thể chìm trong một lớp đủ sâu để ngăn chặn sự hình thành mây, bằng cách đó, mắt bão sắc nét được tạo ra. Thời tiết bên trong mắt thường yên bình và không có mây, mặc dù biển có thể động cực kỳ dữ dội. Mắt thường có dạng tròn, và đường kính điển hình là vào khoảng 30 – 65 km, mặc dù đã từng quan sát được những con mắt nhỏ bề rộng chỉ 3 km hay là lớn đến 370 km.
Vùng mây bao quanh rìa của mắt được gọi là thành mắt bão. Thành mắt bão thường mở rộng ra phía ngoài cùng với độ cao, giống như một sân vận động bóng đá; hiện tượng này đôi khi được đề cập đến như là hiệu ứng sân vận động. Thành mắt bão cũng là nơi tìm thấy những cơn gió mạnh nhất, không khí thăng lên với tốc độ nhanh nhất, mây đạt đến độ cao lớn nhất, và sự ngưng tụ - hay lượng ẩm là nhiều nhất. Tổn thất do gió nặng nề nhất xảy ra là khi thành mắt bão của một xoáy thuận nhiệt đới di chuyển qua phía trên đất liền.
Trong những cơn bão yếu hơn, mắt bão có thể bị che khuất bởi một khối mây dày đặc ở trung tâm (central dense overcast - CDO), đó là màn mây ti trên tầng cao kết hợp với vùng mây dông mạnh tập trung gần tâm của xoáy thuận nhiệt đới.
Thành mắt bão có thể biến đổi theo thời gian trong sự hình thành của chu trình thay thế thành mắt bão, hiện tượng này là một phần của những xoáy thuận nhiệt đới cường độ mạnh. Những dải mây mưa phía ngoài có thể tổ chức thành hình dạng tròn như một "chiếc nhẫn" mây dông di chuyển chậm vào phía trong, và chúng được tin rằng đã lấy đi lượng ẩm và momen động lượng của thành mắt bão ban đầu. Khi thành mắt bão đầu tiên suy yếu, xoáy thuận nhiệt đới cũng sẽ suy yếu tạm thời. Cuối cùng thành mắt bão phía ngoài sẽ thay thế cho thành mắt bão trước tại thời điểm cuối của chu trình, và từ đó cơn bão có thể tăng cường trở lại, có thể đạt đến hoặc thậm chí vượt qua cường độ tối đa lúc trước phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố điều kiện môi trường.

Cường độ

"Cường độ" bão được định nghĩa là sức gió, hay là vận tốc gió tối đa trong cơn bão. Vận tốc này được lấy trong khoảng thời gian 1 phút hoặc 10 phút tại độ cao tham chiếu tiêu chuẩn là 10 m. Sự lựa chọn một khoảng thời gian trung bình, cũng như cách thức quy ước tên gọi theo từng cấp độ của bão, là khác nhau giữa các trung tâm dự báo và khu vực đại dương - nơi xoáy thuận nhiệt đới hình thành.
Nếu có cơ hội, xoáy thuận nhiệt đới có thể trải qua một trạng thái khí tượng được biết đến như là một sự tăng cường độ nhanh chóng (rapid intensification), hay một giai đoạn mà trong đó vận tốc gió tối đa tăng lên nhanh chóng trong một quãng thời gian ngắn. Trung tâm Bão Quốc gia Hoa Kỳ định nghĩa sự tăng cường độ nhanh chóng là khi vận tốc gió duy trì liên tục trong 1 phút tối đa của một xoáy thuận nhiệt đới tăng lên ít nhất 30 knot (35 dặm/giờ, 55 km/giờ) trong khoảng thời gian 24 tiếng. Để cho hiện tượng này có thể xảy ra cần phải có một số điều kiện. Nhiệt độ nước biển phải cực kỳ ấm (gần bằng hoặc trên 30 °C, 86 °F), và nước ở nhiệt độ này phải đủ sâu để những con sóng không làm nước lạnh phía dưới trồi lên trên bề mặt. Độ đứt gió (wind shear) phải thấp; khi mà độ đứt gió cao, sự đối lưu và hoàn lưu của xoáy thuận sẽ bị gián đoạn. Thông thường, phải có mặt một xoáy nghịch (antycyclone) trên tầng đối lưu cao ở trên cơn bão cũng như để cho áp suất cực thấp trên bề mặt hình thành, không khí phải thăng lên rất nhanh trong thành mắt bão của cơn bão, và một xoáy nghịch trên tầng cao sẽ giúp điều chỉnh dòng khí này thoát ra một cách hiệu quả.

Vật lý và năng lượng học

Trường gió trong không gian ba chiều của một xoáy thuận nhiệt đới có thể được phân tách thành hai bộ phận: một hoàn lưu sơ cấp (hoàn lưu cơ bản) và một hoàn lưu thứ cấp. Hoàn lưu sơ cấp là phần chuyển động luân chuyển của dòng thổi; nó là hoàn toàn tròn. Hoàn lưu thứ cấp là phần chuyển động đảo ngược của dòng thổi (vào - lên - ra - xuống), nó có hướng tỏa tròn và theo chiều thẳng đứng. Hoàn lưu sơ cấp là nơi tồn tại gió mạnh nhất và chịu trách nhiệm về những tổn thất lớn nhất mà một cơn bão gây ra, trong khi hoàn lưu thứ cấp quản lý năng lượng học của cơn bão.

Hoàn lưu thứ cấp: một động cơ nhiệt Carnot

Nguồn năng lượng chủ yếu của một xoáy thuận nhiệt đới là lượng nước bốc hơi từ bề mặt đại dương, chúng ngưng tụ lại thành những đám mây và mưa khi không khí nóng ẩm bay lên cao và lạnh đi đến độ bão hòa. Năng lượng học của hệ thống có thể được lý tưởng hóa như một động cơ nhiệt Carnot khí quyển. Đầu tiên, dòng không khí thổi vào gần bề mặt thu thập năng lượng nhiệt chủ yếu thông qua sự bay hơi của nước tại nơi có nhiệt độ bề mặt đại dương ấm (trong quá trình bay hơi, nước biển lạnh đi và không khí ấm lên). Thứ hai, dòng khí ấm bay lên và lạnh dần đi trong phạm vi thành mắt bão trong khi tổng hàm lượng nhiệt được bảo tồn. Thứ ba, dòng khí thổi ra ngoài và mất nhiệt qua bức xạ nhiệt vào không gian tại nhiệt độ của tầng đối lưu lạnh. Cuối cùng, không khí chìm xuống và ấm lên tại rìa phía ngoài của cơn bão khi tổng hàm lượng nhiệt vẫn được bảo tồn. Giai đoạn một và ba là gần như đẳng nhiệt, trong khi giai đoạn hai và bốn là gần như đẳng entropy. Dòng thổi đảo ngược vào - lên - ra - xuống được biết đến như là hoàn lưu thứ cấp. Quan điểm Carnot cung cấp một giới hạn trên cho vận tốc gió tối đa mà một cơn bão có thể đạt được.
Các nhà khoa học ước tính một xoáy thuận nhiệt đới tỏa ra năng lượng nhiệt từ 50 đến 200 exajoule (10¹⁸ J) một ngày, tương đương với khoảng 1 PW (10¹⁵ watt). Mức năng lượng tỏa ra này tương đương 70 lần mức tiêu thụ năng lượng của toàn bộ con người trên Trái Đất và 200 lần công suất phát điện trên toàn cầu, hay tương đương với việc một quả bom nguyên tử có đương lượng 10 megaton nổ mỗi 20 phút.

Cấu trúc chung

Một cơn bão nhiệt đới trưởng thành bao gồm một hoàn lưu ngang gần đối xứng và một hoàn lưu đứng. Các hoàn lưu này đôi khi được gọi là hoàn lưu sơ cấp và hoàn lưu thứ cấp. Sự kết hợp của 2 hoàn lưu tạo thành một dạng chuyển động xoáy ốc. Không khí hội tụ theo hình xoắn ốc vào khu vực trung tâm của bão ở mực thấp, hầu hết dòng thổi vào bị giới hạn trong lớp biên mỏng có độ dày cỡ 500 m đến 1000 m.
Mắt bão là khu vực trong tâm của bão, nơi không có mây hoặc ít mây, lặng gió, có dòng giáng yếu. Thông thường chỉ có những cơn bão mạnh trường thành mới hình thành mắt bão rõ nét.
Hoàn lưu sơ cấp của xoáy thuận nhiệt đới mạnh nhất ở các mực thấp tại vùng mây thành mắt bão và giảm dần theo cả độ cao và bán kính. Trường nhiệt độ thể hiện một cấu trúc lõi nóng với nhiệt độ lớn nhất ở trong mắt bão do sự giải phóng ẩn nhiệt khi không khí nâng lên trong thành mây mắt bão.
Dòng thổi ra của xoáy thuận nhiệt đới nằm ở nửa trên tầng bình lưu với hoàn lưu xoáy nghịch ở ngoài bán kính vài trăm km.

Sự hình thành

Bão hình thành được phải hội đủ các điều kiện cần thiết như nhiệt độ của nước biển phải cao (tính từ mặt nước đến độ sâu hơn 50 mét ít nhất là trên 26.5 °C): Những nơi có bão biển thường ở trong vùng biển nhiệt đới ở cả hai bán cầu: Bán cầu Bắc và Bán cầu Nam, khí áp của khí quyển phải cực thấp để thu hút năng lượng từ các khu vực áp cao chung quanh và bão phải được duy trì nghĩa là không bị vật cản khi có lực ma sát (như khi đổ bộ vào đất liền). Do đó, bề mặt đại dương hoặc biển nhiệt đới, trong khoảng 10⁰ - 30⁰ vĩ tuyến Bắc và Nam, ở phía Tây các đại dương, nơi có lực Coriolis mạnh và có hiện tượng các dương lưu nóng duy trì nhiệt độ cao cho bão hình thành. Khu vực tam giác Bermuda (Tam Giác Quỷ) ở miền Tây Đại Tây Dương là một thí dụ điển hình, nơi có nhiều siêu bão cấp hành tinh.

Sự tăng cường

Năng lượng của bão được tăng cường vì nhiều nguyên nhân: Do các luồng không khí ẩm từ các khu áp cao xung quanh hút vào, hoặc do kết hợp với sóng Đông, nơi có các khu áp thấp nhiệt đới xâm nhập vào áp cao chí tuyến, hoặc mạnh lên khi đi vào vùng có dòng biển nóng... Thường thì năng lượng của bão biển giảm khi đi vào đất liền vì tốc độ của gió giảm đi do ma sát với đất liền.

Quỹ đạo

Tâm bão nhiệt đới thường di chuyển theo quỹ đạo parabol, ở bắc bán cầu, vào giai đoạn mới hình thành, hầu hết các cơn bão đều di chuyển theo hướng tây, sau đó tiếp tục di chuyển theo hướng tây bắc và giai đoạn sau cùng, nếu không bị suy yếu, sẽ di chuyển theo hướng đông bắc. Ở nam bán cầu, ban đầu bão di chuyển về hướng tây, sau chuyển về tây nam, rồi đến hướng đông nam. Nhưng cũng có những cơn bão di chuyển theo quỹ đạo rất phức tạp, nói chung quỹ đạo của bão phụ thuộc vào sự phân bố khí áp bề mặt trong khu vực lân cận.

Các xoáy thuận nhiệt đới tiêu biểu

Bão Bhola năm 1970 là cơn bão có sức hủy diệt gây ra hậu quả nặng nề nhất trong lịch sử. Bão đã đổ bộ vào vùng đồng bằng sông Hằng ở Ấn Độ và Bangladesh, làm ít nhất 300 nghìn người đã chết, 100 nghìn người mất tích, và ảnh hưởng đến gần 1 triệu người. Ở Trung Quốc, bão Nina năm 1975 gây mưa lớn đã làm vỡ đập Bản Kiều và giết chết hơn 100 nghìn người. Siêu bão năm 1780 ở khu vực Bắc Đại Tây Dương đã giết chết khoảng 22.000 người ở Tiểu Antilles.. Bão nhiệt đới Thelma vào tháng 11 năm 1991 đã giết chết hàng ngàn người Philippines.
Cơn bão Katrina đổ bộ vào Hoa Kỳ làm 1.836 người chết, thiệt hại tài sản lên tới 81,2 tỉ USD (2008), với tổng thiệt hại hơn 100 tỉ USD (2005). Bão Mitch làm 10.000 người thiệt mạng ở Mỹ Latinh.
Siêu bão dữ dội nhất trong lịch sử là siêu bão Tip ở Tây Bắc Thái Bình Dương năm 1979, với mức áp suất thấp kỉ lục là 870 hPa (652,5 mmHg) và tốc độ gió duy trì cực đại 165 hải lý trên giờ (85 m/s) (tức 310 km/h duy trì gió trong 1 phút).. Bão Keith ở Thái Bình Dương và cơn bão Camille và Allen ở Bắc Đại Tây Dương cũng có cùng sức gió với bão Tip. Siêu bão Nancy năm 1961 đã ghi nhận tốc độ gió kỉ lục 185 hải lý trên giờ (95 m/s) (tức 346 km/h duy trì gió trong 1 phút), nhưng nghiên cứu gần đây cho thấy tốc độ gió từ những năm 1940 đến những năm 1960 đã đo sức gió quá cao, không chính xác, do vậy bão Nancy có thể có sức gió thấp hơn. Bão Paka năm 1997 ở Guam được ghi nhận gió giật lên tới 205 hải lý (105 m/s) (tức 378 km/h).
Siêu bão Tip còn giữ kỉ lục là cơn bão lớn nhất với sức gió trên 64 km/h trải rộng với đường kính 2170 km. Cơn bão nhỏ nhất được ghi nhận, cơn bão nhiệt đới Marco, hình thành trong tháng 10 năm 2008, ở vịnh Mexico với sức gió trên 64 km/h trải rộng với đường kính 37 km.
Bão John là cơn bão nhiệt đới tồn tại lâu nhất và có đường đi dài nhất, kéo dài 31 ngày trong năm 1994 đi được 13280 km. Bão Rewa năm 1993-1994 có đường đi dài nhất ở Nam Bán Cầu, 8920 km.