[心得] 淺論CISK機制的維持與啟動
假日閒閒在家寫了一篇有關於CISK機制的文章
想跟大家簡單分享一下CISK機制的維持與啟動條件
文章中已經捨棄了所有複雜的數學運算
只打算用直述的方式來表達
文章內容為個人的整理與看法~希望有誤的地方高手們可以不吝指教~
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人們對於颱風發展增強的過程經常利用CISK(Conditional Instability of Second Kind)
也就是第二類條漸性不穩定理論來解釋，
但實際上CISK理論是建立在假設已經有初始擾動存在的情況下，
當達到某一條件時才能啟動CISK機制使初始擾動開始發展，
並且繼續增強為熱帶風暴等級以上的強烈氣旋。
颱風的初始擾動來源有多種情況，包括季風槽內隨機產生的小旋渦，
季風槽尾部斷裂產生的季風低壓系統，
中高層冷性旋渦經過對流活動而增暖增濕並且向下發展到地面，
或是東風波動低壓環流等等都是颱風初始擾動的可能前身。
一般在熱帶地區因為本身大氣具有對流不穩定的性質，積雲對流的尺度又小，
因此很容易就可以獲得足夠的能量而發展起來，
相對的像熱帶擾動這種系統的尺度較大，如果能量都被積雲對流所瓜分，
熱帶擾動想要發展加強的可能性幾乎為零，
因此CISK理論就是假設積雲對流的發展以及熱帶擾動的成長加強是
相互幫助而不是相互抵制，
這樣熱帶擾動才有機會繼續增強為更強大的風暴系統。
所謂的CISK機制即為，假設初始擾動已經存在，而且至少具有低層的氣旋式環流，
並且處於梯度風平衡狀態，也就是科氏力、氣壓梯度力及離心力取得平衡，
為氣流旋轉繞圈能成立的最基本假設，
同時氣流做氣旋式繞圈在北半球會認定內部為低壓系統，
高層在初始時是否具有反氣旋式的輻散環流則並非必要。
氣流移動時近地面處因為摩擦力的作用，降低空氣運動的速度，
運動速度減慢會降低科氏力與離心力的強度，
使得由外向內(高壓指向低壓)的氣壓梯度力將大於往外的離心力以及科氏力之合力，
氣流在逆時針運動的過程中因此出現往內的偏角，徑向上則是往中心輻合集中，
這一過程連帶使海面蒸發的水氣隨風往氣旋中心輻合，
當空氣往內旋轉到某一程度時無法更往中心深入，因此被迫往上抬升，
空氣上升過程中發生冷卻，水氣凝結，此時原本水氣中所伴隨的潛熱大量釋放，
造成氣旋中心氣柱的上部出現暖心構造特徵，暖心的建立同時造成中心的氣壓往下降，
氣壓梯度力的效果更強，於是上述往內輻合上升，冷凝放熱再降壓的過程就不斷重演，
而且也會使旋轉的情況越來越顯著，擾動的中心風速逐漸提升，
當中心風速達到每秒17.2公尺以上時則被升格為熱帶風暴。
以能量的觀點來說，潛熱釋放讓中高層的暖心建立，
就熱力風方程而言會讓高層呈現反氣旋型式外流，
連續方程的效果顯示這將有利於低層的環流更加的氣旋化，也就是造成低層由外往內，
高層由內往外的型態，氣壓梯度上都是由高壓往低壓方向進行，
為正常的位能耗損產生動能過程，動能的產生就可以推動氣旋不斷運轉。
由以上可知CISK機制要達到積雲尺度跟氣旋尺度的相輔相成效果，
潛熱釋放造成的暖心建立過程是非常重要的關鍵，而這一點跟海溫是否足夠息息相關，
海溫高才能提供充足的蒸發水氣以及潛熱透過海氣通量進入大氣，
因此CISK能否成立的其中一個充要條件就是海溫要夠高，
一般而言最好能達到26.5度或27度以上才有利於CISK機制順利運轉。
這邊可以再談一個有趣的問題，那就是颱風通過的海面海溫降低是什麼因素造成？
直覺式的想法可能是颱風吸收了太多的潛熱水氣造成降溫，
但實際上真正造成海溫下降的原因是因為表層暖海水被颱風攪動，
然後造成下層冷海水上翻混合而降溫，由於地球自轉科氏力的加成，
颱風移動方向的右側風速會大於左側，
因此颱風行進路線的右邊海溫下降的程度也會大於左邊，
一個越強的颱風會讓海水翻攪得越嚴重，降溫的情況因此更為明顯，
而颱風在同一海面停留越久，海水降溫也在相同原理的影響下會越顯著，
海溫下降就會讓颱風無法繼續靠CISK機制來發展增強，
所以颱風滯留太久會停止發展甚至開始減弱，
尾隨在強大颱風路線之後的颱風也可能因為海溫的下降而發展受阻，
根據研究，當海溫因為受到攪動而比原本下降超過2.5度時，
颱風加強的現象就會明顯停滯。
還有一個問題也很有意思，
究竟是海水深厚的區域還是海水較淺的區域比較有利於颱風維持強度？
答案是海水深厚的地方有利於颱風快速發展加強，因為暖水層比較深厚，
可是一但底下的冷水上混過度就會產生反效果，
海水淺的地方卻有利於颱風強度的維持，
因為底下沒有太多的冷水可以上混，颱風甚至於可以一直增強到近岸登陸才停止發展。
由另一角度而言，一但擾動的旋轉程度以及中心風速加強，
來自海表面的水氣能量通量也須要相對增加，
以維持對流的強度跟中心風速的持續提升，
因此除了系統本身所在海面的高溫海水提供水氣外，
外圍大氣環境所提供的水氣也是很重要的一部分，
周邊環境如果能提供大量水氣，
對於能量通量的提升進而使擾動系統發展更快是有利的，這種理論被稱為
WISHE(Wind Induced Surface Heat Exchange)。
不論是CISK或是WISHE，條件都是要有充足的能量供應，
也就是海面提供的水氣潛熱要足夠，特別是眼牆下方的海溫尤其重要，
其次是週圍大氣提供的水氣最好也能充足，因此一但颱風登陸，底層水氣來源被切斷，
或是進入溫度過低的海面造成水氣供應不足，
還是進入乾燥的環境(高壓下沉區)以及來自高壓或陸地之乾燥空氣侵入系統內部等等
都會造成CISK機制的運作出現問題，系統的加強也因此受阻甚至反而減弱。
CISK機制運作的另一個大敵是垂直風切，所謂垂直風切是指兩個不同高度的風之間，
方向差或速度差的大小，總合來講就是高低層風向量差異的程度，
簡而言之可以想像假設我們順著兩個不同高度的風畫上箭頭，
箭頭的長度跟風速大小成正比，然後再畫第三個箭頭連接前兩個箭頭的尖端，
第三個箭頭的尖端要指向前兩個箭頭之中比較長的那一個，
這第三個箭頭的方向就是所謂垂直風切方向，箭頭長度代表風切的強度，
越長則風切越大，因此我們可以想像當高低層風向差異越大或是風速差異越大，
向量差(箭頭長度)就會越大，代表垂直風切也就越大，
至於要取哪兩個高度的風來定義垂直風切的大小則沒有一定的定論，
目前慣用為850百帕層跟200百帕層的風來取向量差計算垂直風切的大小。
垂直風切對CISK機制的運作有什麼影響？
最大的影響就是垂直風切會讓颱風原本應該呈現的軸對稱結構失去對稱性，
一但垂直風切過大，擾動對流雲團的發展就會偏向垂直風切向量的下風處(箭頭指向處)，
中心氣柱局部或全部外露，對流釋放之潛熱就無法有效的加熱中心氣柱，
暖心建立不起來或是因此被破壞，對於CISK機制的運作就會產生嚴重干擾，
而垂直風切讓氣柱外露也會造成通風效應，
熱量散失的同時還可能捲入外界較乾燥的空氣，
對於需要極暖濕環境才能運轉的CISK機制來講無疑是一大威脅。
上面所提到的都是有利CISK機制運作的外在條件，
再來要來聊聊CISK機制起動的可能動力條件。
動力機制比較複雜，但卻可以真正了解CISK的涵義。
依照物理的角度，空氣受熱則會膨脹，因此可以推定當潛熱釋放造成暖心時，
暖心所在的氣層是膨脹的，這會造成系統地轉狀態的不平衡，
必定會產生次環流來進行調整，
也就是出現下層空氣往內上升，上層空氣往外下沉的垂直次環流，
藉由上升冷卻以及下沉增溫的作用來使大氣回歸到原本的平衡狀態，
其實也就是大家所熟知的底層輻合內流上升，高層輻散外流下沉情況，
依照前面文章所提過的，
在這個過程中加上摩擦力的作用就會在低跟高層分別出現旋轉往內跟往外的氣流場，
由於必須抵消科氏力的作用，因此一但系統位於比較高的緯度時，
環境科氏力(地球行星渦度作用)較大，
系統為抵消質量(溫度)場的變化所進行次環流地轉調整的作用效果也會跟著加強，
帶動低層旋入以及高層旋出的中心氣柱很快成形，
這是風場去對應質量(溫度)場的結果，這一變化過程其實也就啟動了CISK機制，
也就是說CISK是風場去適應溫度場變化的調整。
假如環流水氣不足，那麼一但地轉調整完成，暖心就會被平衡掉，
旋轉風場也開始SPIN DOWN而趨於減弱，但是颱風之類的熱帶氣旋往往水氣充沛，
潛熱釋放源源不絕，因此次環流中的上升作用不足以冷卻暖心，
反而會讓調整作用不斷持續，旋轉風場也就不會停止，
直到水氣供應出現短缺造成潛熱釋放減少，
地轉調整作用才會慢慢消弱暖心並且使風場旋轉開始SPIN DOWN。
因為風場對應質量場的效果大小跟緯度(科氏力)有關，
所以教科書上才會耳提面命的講說颱風的形成必須要有一定的緯度以上，
也就是科氏力要夠大才行，
2001年的畫眉颱風還有2004年印度洋的AGNI氣旋算是超越常理的奇蹟，這邊暫且不談。
那麼如果緯度太低，科氏力不夠會怎麼樣呢？在地轉風場達到平衡之前，
因為底層風場旋轉不強，旋入的水氣有限，
原本釋放的潛熱耗盡後暖心就會慢慢被次環流上升作用給抵消掉，
也就是變成質量(溫度)場去適應風場，
這樣的情況頂多造成壯觀的積雨雲簇卻無法繼續發展啟動CISK機制。
有了以上的認知可以知道緯度較高科氏力較大是有利於CISK起動的動力條件之一，
如果擾動系統位於原本就具有較強環境渦度的地方，
例如季風槽內的話，環境渦度會加強系統旋轉的力道，
因此更有利於CISK的起動與運作，
這也是颱風常常發展於季風槽內或兩高壓間環境渦度較強的區域的原因。
熱帶擾動因為對流的發展，地轉調整作用必定會發生，
但是卻不是每個擾動都會順利啟動CISK機制而增強的原因又是為何？
答案在其實是在擾動的範圍大小。
上面提過對流雲中的上升氣流因為水氣豐沛，因此會釋放潛熱，
導致次環流的上升冷卻作用效果有限，但是對流雲卻不會一直維持強度不減弱，
這表示熱量還是會經由其他管道向外流失讓對流能作用趨緩，
這個隱藏的因素就是由加熱作用所產生，跟次環流一同存在的重力波。
大自然的常態是趨於穩定的，加熱作用本身就是破壞常態穩定，
空氣在上升的過程中一方面膨脹冷卻，
另一方面還有地球引力所造成的重力效果試圖要將它拉回原處，
因此實際上空氣塊在上升時並不會像電梯那樣穩定向上，
而是會跟飄浮水中的木頭一般有些微的上下震盪，
這種震盪會造成往外傳遞的波動，就跟浮木會造成水波的情況差不多，
重力波往外傳播也會把潛熱給往外帶走，所以即使上升冷卻效果不佳，
有重力波存在的情況下也會讓能量散失掉。
而重力波散熱又跟擾動的範圍大小有什麼關係呢？
通常初生擾動的範圍都比較大，同時底部氣旋式環流也比較微弱，
對流雲發展顯得分散而且大多不在LLCC周圍，對流釋放的潛熱被重力波向外傳播帶走，
難以鞏固到中心氣柱位置造成暖心，導致無法進一步啟動CISK機制的運作。
一但透過環境渦度通量的加強，讓擾動系統底層的渦度趨於明顯，
擾動的環流範圍就會隨著渦度增加而慢慢縮小，
當緊縮到一定的尺度後，潛熱釋放對中心氣柱的加熱效果將快過於重力波的外傳作用，
暖心因此得以建立，則地轉調整方向就會轉為有利擾動增強發展的風場適應質量場之變化
此時CISK機制被啟動，擾動開始成長。
所以說初生擾動的底層渦度能否加強，關係著擾動範圍能否緊縮，
接著再關係到能否啟動CISK讓擾動成長為颱風。
擾動低層的渦度增加可以由環境對它的渦度通量提升所造成，
通常是週圍高壓型態的調整或是槽前輻散環境好轉以及槽底正渦平流的輸送，
另外小旋渦之間的互相整併也是可能的情況。
渦度是指一定環流範圍內各個單位的旋轉程度之總合，
因此同一個低壓帶內兩個旋渦的整併就等於是渦度的相加效果，
會有效提升整併後低壓系統的渦度強度，
在季風槽內的擾動以及靠近槽的擾動容易發展也是因為系統渦度提升條件較好的關係。
一些中緯度突然爆發成長為颱風的擾動就是拜槽前輻散以及正渦平流所賜，
只是這樣的颱風通常帶有斜壓擾動的色彩，發展快但衰老的可能也很快，
很容易就步入轉化為溫帶氣旋的過程。
高空TUTT的前方(通常是TUTT以南)會存在疊加於擾動高層的反氣旋，
有效改善擾動的高空輻散外流，
再透過連續方程讓底層更為氣旋式也就是底層渦度加強，環流範圍內縮，
CISK機制起動機會提高，所以才會說TUTT的存在有利於颱風或擾動的成長
只是位置要對，剛好讓前方反氣旋能疊加在擾動高層才是最理想的情況，
位置不對則效果就不好。
如果擾動一開始範圍就小，對流又很旺盛的話，
很容易就達到地轉調整方向改變的臨界點，啟動CISK而迅速增強。
最後再提一點就是對流爆發的程度強弱也跟重力波造成能量外散的程度有關，
而且是反比的效果，對流爆發越強則表示上升氣流越強，重力波的能量外散會越弱，
因此對流旺盛的擾動會特別容易發展起來，
對流活動弱的擾動就要看能否保持讓中心氣柱不會因為能量外散而SPIN DOWN，
即使已經發展為成熟颱風，
對流活動的持續與否同樣是強度能否維持或再增強的關鍵因素。
講了這麼多，尾巴再來總結一下CISK維持與啟動的條件，
其實也就是大家所熟知的颱風發展條件：
(1)海溫要足夠，最好能達到27度以上
(2)環境給予的渦度通量要好，此為迫使CISK啟動的關鍵
(3)環境不能太乾燥，相對濕度以及空氣中的液氣混合比要夠高，有利對流發展
(4)緯度至少要南北緯5度以上，科氏力效果才能顯現 (但也有特例)
(5)環境垂直風切要小，以免破壞暖心結構以及中心氣柱的垂直性
希望透過上面的解說能夠讓大家多了解一下CISK機制，
也可以知道颱風的發展條件設定背後的真正原因，
下一篇文章想跟大家聊聊颱風的結構以及運動現象，
不過可能還得寫一段時間才行囉。
以上簡單供參考~
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