台风源地与海深之相关性及其原因的理论探讨和实验根据

江正杰

山东工商学院人文与传播学院 山东 烟台 264005

1 前言

笔者一次偶然的机会得到了水的蒸发量与水量之相关性理论,从这个理论出发可以预言台风源地与海深应该存在关联,即台风多发区域应该位于海水深度最大或较大的海域。一查网上资料果然大都如此。在本文中笔者先给出关于台风源地的这个资料,然后对于其原因加以探讨。至于在气象学上更深入的大数据定量分析,则有待于气象学界的专家继续研究。

2 台风(飓风)源地与海深之关系

台风源地指经常发生台风(包括飓风)的海区。全世界每年平均约有80-100个台风发生,其中绝大部分发生在太平洋和大西洋上,主要发生于8个海区:位于北半球的有北太平洋西部和东部、北大西洋西部、孟加拉湾和阿拉伯海5个海区;位于南半球经常发生台风的海区有南太平洋西部、南印度洋西部和东部3个海区。大洋西部发生的台风要比大洋东部发生的台风多很多,其中以西北太平洋海区发生的台风为最多(占36%以上),而南大西洋和东南太平洋至今尚未发现有台风生成。这8个海区的纬度大都在南纬或北纬5到20度的台风多发范围之内。西北太平洋海域全年各月都有台风发生,5-12月每月的台风发生数平均在一个以上,台风出现的盛期在7-10月,约占全年台风总数的70%,其中又以8月、9月最多,约占全年台风总数的40%。

经统计可以将每年台风发生数占全球台风总数百分率的区域分布如下图:

图1

由上图可以发现西太平洋台风发生主要集中在以下(1—4)四个地区,这四个海区基本都处于太平洋最深或次深的海域:

(1)菲律宾群岛以东和琉球群岛附近的菲律宾海海面。位于西太平洋的菲律宾海,总面积达到479.1万平方公里,有人称之为是世界最大最深的海,最深处达9174米,平均水深4100米。菲律宾海海底是由一系列断层和褶皱所形成的结构盆地,在第一岛弧以东的菲律宾海沟更达到最大深度10830米深。这一带是西北太平洋上台风发生最多的地区,几乎全年都会有台风发生。1—6月的台风主要发生在北纬15度以南的菲律宾萨马岛和棉兰老岛以东的附近海面,6月以后这个台风发生区则向北伸展,7—8月出现在菲律宾吕宋岛到琉球群岛附近海面,9月又向南移到吕宋岛以东附近海面,10-12月又移到菲律宾以东的北纬15度以南的海面上。

(2)关岛以东的马里亚纳群岛附近海面。7-10月在群岛四周海面均有台风生成,5月以前很少有台风,6月和11-12月台风主要发生在群岛以南附近海面上。这个海区最深的地方是太平洋关岛附近的马里亚纳海沟,它的深度达11270米以上,是太平洋的最深处。

(3)马绍尔群岛附近海面上。马绍尔群岛之间为中太平洋海盆,水深一般5000—5500米,最大水深6370米。中太平洋海盆以南,南极-太平洋海岭以北为西南太平洋海盆,水深4500—6000米,最大水深8581米。这个海区的台风多集中在该群岛的西北部和北部,这里以10月发生台风最为频繁,1—6月很少有台风生成。

(4)我国南海的中北部海面。中国南海海底深度指数NO.5。

南海的中北部海底四周较浅,中间深陷;平均深度1463米,最深处达5567米。北部区域的平均海深大约有1600米。从下图南海海底图可以看出中北部海域海深最大。南海台风绝大多数在北纬10-20°,东经112-120°之间的西沙群岛和中沙群岛附近海面发生。这里以6-9月发生台风的机会最多,I-4月则很少有台风发生,5月逐渐增多,10-12月又减少,但多发生在北纬15度以南的北部海面上。而南沙群岛的海面较浅,很少台风发生,有的话也从中部洋面产生之后移来的,或是从菲律宾以东洋面移来的“客台风”的影响。

图2 南中国海海底地形图

(5)发生台风(飓风)次数仅次于太平洋的是大西洋,大西洋西部发生的台风占全球台风总数11%,比大洋东部发生的台风多得多。而南大西洋至今尚未发现有台风(飓风)生成。而大西洋西部最多飓风发生的区域就是百慕大三角地区(百慕大、美国的迈阿密、波多黎各岛北岸三点组成的三角形),那里也是大西洋海深最大的区域。百慕大三角位于大西洋西侧百慕大群岛、佛罗里达海峡和大安的列斯群岛东端的波多黎各岛之间。面积约390万平方公里(150万平方英里)。大部分位于北纬20°-30°之间,属于北热带。百慕大三角正处在南、北美之间地壳断裂带的北缘,火山和地震活动非常强烈,海底地形十分复杂。百慕大三角的下面,大部分是深达6000米以下的北亚美利加海盆;北部是突起于四周深海盆的百慕大海台,西和西南侧是靠近大陆和群岛的广阔的大陆架,南端是大西洋的最深处,即深达9218米或9212米的波多黎各海沟,一个在大西洋与加勒比海之间的海沟,其海洋洋底深度指数NO.2。在波多黎各南部是加勒比海,位于大西洋的西部,加勒比海平均深度为2575米,共有275.4万平方公里,而最深处则为开曼7680米,其洋底深度指数NO.3。

(6)占产生全球台风总数10%的海域位于印度洋上马达加斯加岛东北部附近的海域。马达加斯加群岛的气候多变,时常会出现飓风。这里刚好是印度洋最深海沟——阿米兰特群岛西侧的阿米兰特海沟所在地。阿米兰特海沟位于塞舌尔群岛之南,切割了连接塞舌尔诸岛、普洛比顿群岛、马达加斯加岛的洋脊顶部,最深点位于阿尔澳悉斯岛西方,深9074米。

(7)占产生全球台风总数16%的是位于东太平洋的墨西哥外海海域。墨西哥湾海洋洋底深度指数NO.6。墨西哥湾的海底地形特点也是很深的海盆结构。从海底地图上看,这地方也是一个深海海盆结构。更具体的地貌描述资料暂缺。这个海域产生的飓风不仅多,而且强度大。如2015年10月24日西半球史上最强飓风“帕特里夏”登陆墨西哥西南沿岸,40万人受影响。

图3 墨西哥西南太平洋海域海盆地形图

(8)占产生全球台风总数10%和3%的海域分别是孟加拉湾和阿拉伯海。这两片海域的特点是都有海盆,深度也较大。孟加拉湾总面积为217.2万平方公里,它的深海海盆大致呈“U”字形,平均水深为2586米,最大深度5258米。从恒河口到孟加拉湾,有一条宽7000米,深70多米,长达1海里的海底峡谷,一直潜入5000多米深的印度洋底,整个峡谷所占的面积超过恒河流域的面积。孟加拉湾是热带风暴孕育的地方,每年4—10月,即当地夏季和夏秋之交,猛烈的风暴常常伴着海潮掀起滔天巨浪,呼啸着向恒河--布拉马普特拉河的河口冲去,风急浪高,大雨倾盆,造成了巨大的灾害。

阿拉伯海为印度洋的一部分,位于亚洲南部的阿拉伯半岛同印度半岛之间,包括亚丁湾和阿曼湾在内面积386万平方千米,最深处为5203米,平均深度2734米。海底是一个面积广宽的海盆,比较平坦。整个海域岛屿较少,沿海地区大陆架面积狭小。阿拉伯海处于热带季风气候区,终年气温较高。中部海域6月和11月表层水温常在28℃以上;1月和2月温度转低,为24-25℃。临近阿拉伯半岛海面由于陆地干热气流的“烘烤”,水温可达30℃以上。

(9)最后占产生全球台风总数3%和11%的分别是位于澳大利亚西北部和东北部的海域。位于澳大利亚东北部海域的是珊瑚海,珊瑚海是世界上最大的边缘海,珊瑚海介于伊里安岛和所罗门群岛之间的一部分海域,面积479万1千平方公里。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,最深处的新赫布里海沟深达9175米,故也被称为是世界上最大最深的海。澳大利亚西北部是印度洋的沃顿海盆(其无名深渊的海深达6429米)和爪哇海沟(其无名深渊的海深达7725米)。

综合以上十个台风多发海域海底地形的特点可以看出,台风源地的特点除了都是位于低纬度海区外,往往要么位于海洋最深的海域,要么位于海洋次深的海域。这些海域的海底多有深海海盆构造,或有深海海沟构造。未见浅海海域有台风多发的情况。至于洋底深度指数NO.7的地中海(北纬32°--44°),深度指数NO.8的白令海,深度指数NO.9的日本海(北纬30°--45°度之间),深度指数NO.10的黑海(北纬40°--46°之间)少见台风,是因为纬度超过了5到20度范围。而洋底深度指数NO.4的印度洋蒂阿曼蒂那海沟平均深度为3872.4米,最大深度也达8,047米,其纬度与印度洋上马达加斯加岛东北部附近的海域近似,未见过多的台风或属例外。可见,台风源地与海深之间存在某种程度的必然联系应该是比较确定的事实。当然,关于台风(飓风)源地与海深之关系的更精确的研究还有赖于对于台风大数据的掌握,这是笔者不具备的能力,希望有关专家能够继续这个研究。

3 基础理论依据

笔者在《论气液相溶态与气液相混态的区分及其验证实验》一文中已经论述了如下观点和思路,可以为本文发现的台风源地与海深之关系现象提供基础理论根据:

可以将气体溶质溶于水所得到的水溶液分为两种基本形态:气液相溶态、气液相混态,气液相溶态是气体溶质和液体溶剂水发生极性反应或其他化学反应后得到的液态溶质与液态溶剂的相溶态,相溶前后气体溶质经过一个液化放热的过程;气液相混态是气体溶质和液体溶剂水没有发生极性反应或水合反应以及离解和缔合现象后得到的气态溶质与液态溶剂相混态,是气体溶质均匀扩散到液体溶剂中的结果,即水溶液中的气体溶质从气体分子运动能量的角度来看仍然保持特殊的“气态”,相溶前后气体溶质由于温度没有达到液化点,故没有经过一个液化放热的过程。气液相溶态的溶解度一般大于1,气液相混态的溶解度一般小于1。气液相溶态、气液相混态分别符合拉乌尔定律和亨利定律的适用条件。

笔者还指出,液态的纯水本身也在某种程度上是液态的水和气态的水共存的气液相混态,特别是在相同的气压下,温度越高,水中所含的气态水分子也越多。所谓水分的蒸发,并非都是在液面的液态水突变成气态水,而也是水中所含的气态水溢出液态水表面的过程。水的沸腾之所以发生,乃是在液态水不断转化为气态水的情况下,液态水中的气态水分子聚集到一定程度的结果。在水从从0℃加热到100℃的沸腾的过程中水面的蒸发量与水面下的受热是有关的,温度越高蒸发量也越大。在相同的蒸发液面的情况下,液态水体积越大,蒸发量也越大。根据亨利定律,液态水中的气态水与空气中的水分是连通的,所以液态水之所以会蒸发,原因在于液态水中水气的含量超过了空气中的正常水分含量。假如水中水分的含量与空气中的水分含量相等或达到某种程度的平衡,则蒸发就不再发生,这时实际上是气化与液化的平衡态,即达到所谓饱和湿空气含水量。所以,原则上我们可以从平衡态来推测液态水中的水气含量,或是这个含量的上限。

4 实验依据

据此,我们可以设计相同液面不同体积的水的蒸发量对比实验来证明:水的蒸发量与水面下水的体积大小之相关性。如设计1:10或1:100不同体积的水,观察其在相同液面面积和常温情况下的蒸发量的不同,由此可以总结出水的蒸发量与水面下水的体积大小之相关性的规律。笔者(江正杰)于2017年2月17日去找王全杰教授说明原理,后在烟台大学化学化工学院皮革与蛋白质实验室第一次做了这个极为简单又意义重大的实验,这个实验名为“在室温下水的蒸发量与水柱高度的相关性实验”。

第一次试验中选取两组共4个量筒,编号为①②③④。一组2个,直径均为27.5mm,满刻度为100ml,初始盛水量分别为:①100ml、②30ml;二组2个,直径均为21.3mm,满刻度为50ml,初始盛水量分别为:③50ml、④10ml。实验至今为止已经经过8天,做了7次观测记录,除了第一天没有记录外,后每天一记录。最后的蒸发量分别是一组:①10 ml,②7.5 ml ;二组:③5.5,④2.5。实验数据显示出蒸发量与水量(水柱高)的明显相关性:两组中水量越大,蒸发量也明显越大。一组:①的蒸发量是②的1.4倍;二组:③的蒸发量是④的2.2倍,这不是传统理论能够解释的,也不能归结为实验误差的结果。每一个人都可以重复这个简单的实验。

实验数据也显示:蒸发量并非主要取决于水量,与蒸发液面的关系更大。上述试验中②比③的水量少,但是因为液面大,所以蒸发量也大。

2017年2月25日笔者在烟台大学化学化工学院皮革与蛋白质实验室又进行了二次实验。因为上次实验受实验设备有限的局限,设计的对照组不够丰富,这次新购买了大量量筒,包含所能买到的所有规格的量筒,设计了7组对照试验。实验同样证实在常温下水的蒸发量与水柱高(水量)存在相关性。这次试验还总结出一个与水柱高(水量)存在相关性的新的蒸发量公式,从而修正了旧公式的不精确性。

由以上及更多的实验总结出以下结论:在相同的外界条件下,水的蒸发量与水面下水的体积或水量大小存在明显的相关性。一般来说体积越大,水的蒸发量或蒸发速率也越大。具体而言可以分为几种情况:

(1)在蒸发液面确定的情况下,水的体积(即水量)的大小与水柱高度存在正相关的关系,但不是正比例的关系,越深的水体传到液面的蒸发量越小。

(2)在相同水量和相同蒸发液面的情况下,也可能出现不同水柱高度的情况,也有可能影响蒸发量或蒸发速率。总的来说,水柱高度越大,水面蒸发量或蒸发速率越小。

(3)在相同蒸发液面和相同的水柱高度情况下,也可能出现不同水量的情况,也有可能影响蒸发量或蒸发速率。总的来说,水量越大,水面的蒸发量或蒸发速率也越大,这个关系也弱于正比例。

笔者还根据这些新的认识来重新实验,重新建立水池表面蒸发量计算公式。初步给出的水池表面蒸发量公式应该由两个量构成,完全取决于蒸发液面的基础蒸发量V0加上与水量相关的蒸发量Vh。即总蒸发量:

通常使用的水池表面蒸发量计算公式不够精确,只是相当于V0,将这两个公式合为一个,就得到了新的蒸发量公式:

这样这些实验所验证的论断:液态的水中也存在气态的水,蒸发不仅是液面的液态水的气化过程,也是液面以下气态的水分子溢出水面的过程等,由之组成的新蒸发理论也就得到了初步的实验证实;进而气体溶质溶于水所得到的水溶液可以分为两种基本形态:气液相溶态、气液相混态的理论也得到了初步的实验证实。由此理论出发需要修正许多相关的物理化学理论。

以上数据参见《论气液相溶态与气液相混态的区分及其验证实验》一文,以及《水的蒸发量与水量的相关性理论的验证实验分析报告》。

从空气溶于水主要是气液相混态,液态的水中也存在气态的水,以及蒸发是这液态的水中的气态水分子溢出水面的过程等理论,可以预测台风的源地与海域深度有关,这一点可以得到实证材料的验证已如上述所示。事实是台风的源地集中分布在各大洋最深的海域。一般认为,台风形成的条件主要有两个:一是比较高的海洋温度;二是充沛的水汽。台风形成的主要过程是这样的:热带海面受太阳直射而使海水温度快速升高,引起海水蒸发量迅速提高,提供了充足的水蒸汽。水蒸汽在抬升中发生凝结,释放大量潜热,使对流运动进一步发展,造成海平面气压下降,引发周围暖湿空气流入补充,然后再抬升。如此循环,形成正反馈。在温度高的海域内,如果正好又碰上大气里发生一些扰动,大量空气开始往上升,这时上升海域的外围空气就源源不绝地流入上升区。又由于地球转动的关系,使流入的空气像车轮那样旋转起来。当上升空气膨胀变冷,冷凝成水滴放出热量,这又助长了低层空气不断上升,使地面气压下降得更低,空气旋转得更加猛烈,便形成了台风。

台风形成的两个主要条件:比较高的海洋温度和充沛的水汽其实是互相关联的,一方面,比较高的海洋温度可以产生充沛的水汽,另一方面充沛的水汽也可以保持比较高的海洋温度。根据我们上面的理论,充沛的水汽不能仅仅靠海面的蒸发产生,主要应该是靠海面以下的全部水体产生。一旦海面某个区域开始形成台风眼,产生抬升的气流,除了周围的空气和水蒸气会汇聚来补充外,海水里的空气与水蒸气也会往这个区域汇聚来补充,以抵消形成的低气压,可能在短时间内加快蒸发的速度,并形成气流的通道,这样的通道一定是螺旋的,这就是台风。有蒸汽和空气溢出海平面的过程,当然也有相反的过程,这或许可能是海洋中许多异常气象乃至于包括一些神秘现象的原因。

5 结论

所以,我们认为台风的发生的确与海水的蒸发量有关,但海水的蒸发量不仅与太阳光的直射造成海面水分的蒸发有关,也与海域的深度以及海域海水的体积有关,最后还与海洋深度有关,即越深的海洋面越容易发生台风。海水的蒸发量其实是两个量叠加的结果:一个是海面的海水直接受阳光照射而蒸发,另一个是海面以下海底以上的海水在常温的情况下都有水蒸汽的生成,也对总的蒸发量有贡献,因而台风的源地必然与海深有关。事实是台风或飓风的起源地主要是各大洋的深海区域。

当然台风多发海域与海深的关系无疑并不是绝对的,不是意味着台风密度的分布完全与海深的绝对值成正比,而是说在可能具备发生台风条件的海域中发生台风密度最大的区域一定是这个海域中最深的区域。比如南海的中北部是台风的多发区域,之所以南海的南部(即南沙群岛,约位于北纬5—10度之间)没有成为台风的多发区域,一定与其相较于中北部明显较浅的缘故有关。在太平洋,由于洋面面积广阔,可能产生台风的海域不只有一个,但是在每一个台风多发的海域其海深一般来说都比周围较近的海域较深。至于说较浅的海域之所以偶尔也会有台风发生,原因在于其酝酿热带低气压气团的时间要比较长,故其发生台风的频率就比较小,而不是意味着较浅的海域不会产生台风。

这个理论还可以说明海陆风、季风、台风的共同本质与海水的蒸发以及海洋随空气溶解度变化而发生的呼吸空气有关。

最后再补充一点,笔者查阅的有限资料也表明,越深的海底往往也是火山活动越活跃的区域,也是海洋洋流汇聚之所在,这些因素也可能会给这些区域带来更大量的热量,进而产生更多的海水之中的水蒸气,这对于这些区域的海面低气压的生成可能也会有贡献。