【參賽回顧】從Nor’easter到「完美風暴」──關於1991年萬聖節前後北美東岸的那些事

dujuan2003

(題圖：「完美風暴」於溫帶氣旋和熱帶氣旋時期的巔峰)

基本資料：
名稱：Unnamed Hurricane、Halloween Nor’easter of 1991、Perfect Storm
生命週期：1991年10月28日－1991年11月3日
最高風力：65節(颶風時期)
最低氣壓：972百帕(溫帶氣旋時期)

最佳路徑：



前言：
「完美風暴(Perfect Storm)」一詞來自英語，用作形容由眾多意外的巧合共同導致的惡劣狀況。這個詞彙在何時開始被應用於氣象界已不可考，但是要數到最廣為人知的個案，當然是1991年北大西洋的那場風暴。

1991年10月末－11月初，一股Nor’easter吞併了颶風Grace，其後由溫帶氣旋轉化為一熱帶氣旋。在各種大氣條件配合下，它在北大西洋急劇增強，以極其罕見的路徑移近北美東岸，為該區帶來嚴重的風暴潮──以上種種的因素，使它在事後被稱為「完美風暴」。

以下將會從環流背景開始，講述「完美風暴」的發展之路，並說明系統造成嚴重災害的原因。如無特別註明，以下提及之時間皆為協調世界時(UTC)。

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第一節：環流背景

墨西哥灣暖流，是北大西洋的重要洋流。它為北美東岸帶來較高的海溫，其上方的氣團得到增溫增濕，使沿海地區的氣候較同緯度的內陸地區溫和及多雨，同時也導致該區不時受到溫帶氣旋的吹襲。

來自北極的冷空氣，不時隨著西風波動南下至北美大陸，與北美東岸較暖的氣團相遇，兩者之間的強烈溫度梯度，形成了斜壓不穩定性。當准靜止鋒的前緣出現波動時，冷空氣向南擴展，密度較低的暖空氣被抬升，導致輻合中心附近的氣壓降低，地面因科氏力產生氣旋性環流，溫帶氣旋由此形成。當美國東岸受到溫帶氣旋吹襲時，由於該區位處氣旋的西北側，強勁的風雨往往從東北面而來，因此這一帶的溫帶氣旋又被稱為「Nor’easter」。


(圖1.1：Nor’easter形成示意圖)

與熱帶氣旋一樣，Nor’easter的形成，可以從大氣振盪的相位變化看出端倪。

根據NOAA的一項研究報告，在厄爾尼諾事件期間，會有較多Nor’easter於10月－4月影響美國東岸，並帶來較大的風暴潮。而在1991年，一次中等強度的ENSO暖相(厄爾尼諾)事件揭開序幕──在厄爾尼諾的環流背景下，北美上空的副熱帶急流較正常偏南，當上游的極地急流出現劇烈波動時，兩支急流便有可能在墨西哥灣－美國東岸一帶重合，促使冷空氣南下，觸發Nor’easter的形成。


(圖1.2：厄爾尼諾與Nor’easter)

對於冷空氣會否南下至北美東部，較常使用的指標包括北大西洋振盪(NAO)、北極振盪(AO)和太平洋-北美振盪(PNA)。1991年10月的大部分時間，NAO皆處於負位相，意味著北大西洋上空的西風波動較為劇烈；與NAO有著相當程度正相關的AO，也在該月下旬轉為負位相，意味著北半球西風帶的經向活動加劇──這兩者代表著冷空氣較易南下至北美大陸，有利於Nor’easter的生成。




(圖1.3a-c：大氣指數與北美)

而另一項指標PNA指數，則在1991年10月下旬維持在負位相──一般而言，PNA的負位相，對應著北美上空「西槽東脊」的格局，Nor’easter影響北美東岸的可能性相對較低。但是當東部沿海地區有槽位大幅南落時，Nor’easter仍有可能在洋面上形成，對北美東岸造成嚴重影響。「完美風暴」正是這樣的一個例子。


(圖1.4：1991年10月的大氣振盪指數，數據來自NOAA)

10月27日，北太平洋上游極高的建立，使東太平洋高壓進一步北抬，北美大槽大幅南落。五大湖(Great Lakes)附近的短波槽，也因為美國中部的脊位隆起而開始加深，打擊了北大西洋副高。移至副高弱點的熱帶氣旋Grace，在16-22時之間便由熱帶風暴顯著增強為一颶風；而槽後的冷高壓也蠢蠢欲動，鋒面在安大略湖上空開始產生擾動，並逐漸東移…….這兩股性質迥異的天氣系統，即將在北美東岸的洋面上引發一場驚濤駭浪。


(圖1.5：10月27日12時的地面天氣圖，當時Grace仍是一股副熱帶低氣壓，尚未被升格為熱帶風暴)

第二節：溫帶氣旋階段

萬聖節是西方的傳統節日，民眾通常會穿起奇裝異服，挨家挨戶收集糖果，在歡樂的氣氛中慶祝。可是在1991年10月末，NOAA的預報人員卻沒有這般的閒情逸緻──因為數值模式已經連續多報表示，未來數天將有一場風暴影響新英格蘭(New England)及其鄰近海域。


(圖2.1：10月28日0時之高空天氣圖)

10月28日0時，數值模式大幅調強這股風暴的強度。此時北美大槽繼續加深，使北美東部的脊位進一步北抬，加拿大東部沿海的短波槽進一步加深。與之對應的就是槽後冷高壓的加強，以及颶風Grace接近停滯的移動路徑。從當天12時的地面天氣圖可見，冷高壓的中心氣壓上升至接近歷史高位的1046百帕，而其前方的擾動也已移至加拿大新斯科細亞(Nova Scotia)沿海，相關的鋒面即將與北大西洋洋面上的Grace交鋒。較早前數值模式預測的風暴，似乎無可避免。因此NOAA屬下的海洋預報中心(Marine Prediction Center)在28日的報文中，史無前例地以「發展中的危險風暴(developing dangerous storm)」來形容有關的威脅。


(圖2.2：10月28日12時之地面天氣圖)

10月29日，數值模式預測的預測終於成為事實。首先是颶風Grace的轉化──隨著Grace的東移，其北側的暖濕空氣往東北切離，流向鋒面氣旋，暖空氣的抬升增加了斜壓不穩定性，使系統得以增強。

然後是冷空氣的配合──由於北美大槽由正斜轉為反斜，北美東部的脊位在北美大槽與鋒面氣旋之間插入，加拿大東部的短波槽逐漸脫離上游，以切斷低渦的姿態南下。與之對應的是對流層頂「下陷」的區域，高位渦值的冷空氣能夠更有效地注入系統，系統斜壓不穩定性進一步增加。兩者結合起來，就是系統的急劇增強──在29日12時－30日12時期間，系統的中心氣壓便急降了28百帕，幅度之大達到了「爆發性增強」的最低要求(24百帕/天)。


(圖2.3：颶風Grace被「完美風暴」吸收之示意圖。圖片來自Cordeira and Bosart(2011))


(圖2.4：10月29日12時的高空天氣圖)


(圖2.5：10月28-29日對流層頂(2PVU)分析圖，藍灰色區域為對流層頂高度。圖片來自Cordeira and Bosart(2011))

而更糟糕的是，這枚「氣象炸彈」有移向北美大陸的趨勢。正如上文所述，由於系統的西側有脊位插入，系統受到有關脊位的引導，在29日起轉往西南偏西移動，與一般的Nor’easter的走向完全相反。半圓效應加上與冷高壓之間的氣壓梯度，結果就是在北大西洋掀起重重的風浪──NOAA位於西經66.6度、北緯41.1度附近的浮標，於10月30日錄得11.9米(39尺)高的大浪；而在加拿大新斯科細亞(Nova Scotia)對開海面的另一浮標，更在同日錄得30.7米(100尺)高的巨浪，創下該區有紀錄以來的新高。


(圖2.6：10月30日12時的衛星雲圖)

10月30日12時，系統增強為一60節、972百帕的溫帶氣旋，同時開始步入暖隔離(warm seclusion)階段──冷鋒與暖鋒成垂直「T骨」分佈，暖鋒開始往系統的中心捲曲。這是因為在系統西移的同時，東移的冷鋒逐漸領先於系統(移至氣旋中心以東)，此時暖平流便能從系統的外圍進入核心部分，導致氣旋採取Shapiro-Keyser模式發展下去。


(圖2.7：10月30-31日系統的暖隔離形成圖，藍線為850百帕位溫，藍色粗線為294K等位溫線。圖片來自Cordeira and Bosart(2011))

然而冷鋒東移的過程，本身也預示著一樣東西，就是冷空氣最終會完全包圍系統的核心部分，導致系統脫離鋒面，無法繼續透過斜壓能量的轉換維持強度。31日0時，系統的暖隔離結構形成，同時其北側的暖鋒部分斷裂，意味著其溫帶氣旋階段到達尾聲。


(圖2.8：10月31日0時之高空天氣圖)

此時的環流形勢，又有了新的變化──北美大槽的東移，使下游北美東部的脊位受到打擊而減弱；與此同時，上游加拿大東部的脊位東移至格陵蘭一帶，讓北大西洋副高可在系統和阿速群島(Azore Islands)的切斷低渦之間插入。在副高脊位的更替下，系統的引導氣流由先前的東西向逐漸轉為南北向，以致系統於10月31日－11月1日出現逆時針的打轉路徑。在南下的過程中，系統攜帶著暖隔離結構，移入墨西哥灣暖流。其生命中的另一階段，即將在此展開……

第三節：熱帶氣旋階段

正如第一節所述，由於有墨西哥灣暖流的存在，洋面上的空氣得到增溫增濕。這也是北大西洋不時有切斷低渦、溫帶氣旋轉化為熱帶氣旋的原因之一。NOAA屬下的美國國家颶風中心(NHC)的預報人員，對於這種情景也應司空見慣。可是1991年10月末－11月初的那場風暴，卻難倒了一眾的預報人員……

10月31日18時，系統已失去斜壓性(各個象限已無明顯的溫差)，但核心部分仍未發展出中心密集雲區(CDO)，因此NHC判斷系統已經轉化為一股副熱帶氣旋(subtropical cyclone)。11月1日6時，系統核心部分的對流增加，在形態上與一股熱帶風暴強度的熱帶氣旋相近。


(圖3.1：11月1日6時之衛星圖像)

此時美國的媒體，仍然專注於報導系統在溫帶氣旋時期造成的災害(詳見第四節及附錄)，卻不知道系統周遭的環境，已變得適合熱帶氣旋發展。原因之一是海表溫度的改善──在系統南下的過程中，其周遭的海表溫度從不到20度上升至23度左右(按：年報中有提到是「接近26度」)。儘管仍然低於熱帶氣旋的26度「傳統門檻」，但是對於從溫帶氣旋轉化的系統而言，此等海溫仍然足以支持系統的發展。


(圖3.2：11月1日之海表溫度再分析)

除了海表溫度之外，另一原因是系統上方的高空冷渦帶來的利好因素──冷渦與洋面之間顯著的溫差，增加了大氣的不穩定性，從而促進了系統對流的發展；而冷渦的東側則為系統帶來良好的高空輻散，在某程度上補償了海表溫度上的不足。以上的因素，使原先帶有暖隔離結構的系統更有效地發展出熱帶性質，繼而轉化為一股成熟的熱帶氣旋。


(圖3.3：11月1日0時之高空天氣圖)

11月1日15時，系統的風眼開始形成，顯示這股副熱帶氣旋的中心風力已是接近颶風程度。在震驚的同時，NHC內部開始緊張起來──因為當系統的中心風力增強至颶風程度之時，當局便必須把系統升格為颶風及作出命名。為確認系統的性質和狀況，NHC決定派出偵察機收集數據。

(註：在2001年或以前，副熱帶氣旋不會被NHC命名，但當局仍會發出與熱帶氣旋相若的警報和預測。若系統的中心風力達到颶風程度，則會認定系統已轉化為一股颶風。)


(圖3.4：11月1日18時之雲圖)

11月2日0時左右，偵察機傳來實測數據：「最高飛行高度(850百帕層面)風速86節、烈風圈55公里、中心氣壓約981百帕、中心氣溫較外圍高攝氏4度」。其中暖心部分的數據，對NHC而言尤其重要──因為這證明了系統已轉化為一股颶風！

基於以上的數據，NHC建議對這股熱帶氣旋作出命名，可是經過美加兩地的氣象部門商討後，NHC最終同意命名有可能對公眾、媒體和應急部門造成不必要的混亂，加上系統以颶風姿態存活的時間不會很長，因此決定不作出命名，只維持著海上及沿海地區的風浪警報。

誠\然，當北美大陸再次被槽位所控制時，這股颶風東面的北大西洋副高，便成為了引導系統穩定地往東北北移動的唯一角色了。在這樣的環流背景下，這股颶風終將移離北緯40度以南的墨西哥灣暖流，面對著低水溫對其對流發展的抑制，以及北面的西風急流對它的抽絲剝繭。


(圖3.5：11月2日0時之高空天氣圖)


(圖3.6：11月2日14時的衛星雲圖)

11月2日14時，系統回到其出生地新斯科細亞(Nova Scotia)。此時的系統已由數天前初生的溫帶氣旋，轉變為一股減弱中的熱帶風暴，對加拿大東部的影響也已大不如前。此後系統繼續往東北北移動，最終在11月3日0時於愛德華王子島(Prince Edward Island)附近完全消散，結束了其波濤起伏的一生。

第四節：事後、命名

綜觀系統的一生，雖然其中心最高風力是在熱帶氣旋階段錄得的，但是因系統轉化為熱帶氣旋之前的特殊環流背景，它對美國東岸影響最大的時期，還是在其溫帶氣旋階段。

在美國東岸，北至緬因州、南至佛羅里達州和波多黎各的多個沿海城市，皆受到系統引發的風暴潮或強風侵襲，多處出現水浸和沙灘侵蝕的情況，其中以麻省的災情最為嚴重──風暴期間，當地出現7.6米(25尺)高的風暴潮，導致沿海地區出現海水倒灌，多條道路被淹浸。在連日的大雨和強風下，過百間房屋倒塌或嚴重損毀，數以百計的民眾需要撤離，有7個郡更被列為災區。只計這個州份，這場風暴已經造成數以億計美元的經濟損失。


(圖4.1：風暴過後，麻省的沙灘滿目瘡痍)


(圖4.2：麻省有房屋被連根拔起)


(圖4.3：北卡羅萊納州一間汽車旅館被沙石掩埋)


(圖4.4：北卡羅萊納州一間沙灘屋被沙石沖毀)


(圖4.5：新澤西州海洋城(Ocean City)沿海出現海水倒灌)


(圖4.6：新澤西州海洋城的街道出現水浸)


(圖4.7：紐約州有房屋被沖至地基外露)

這場風暴在美國造成至少13人死亡，其中6人是來自在海上遇難的漁船Andrea Gail──該艘船隻在10月26-27日從加拿大紐芬蘭(Newfoundland)返回美國麻省，但是在當地時間10月28日傍晚遇上狂風和巨浪後失去聯絡。美加兩地的海岸防衛隊在10月31日展開搜索，惟始終未能找回船上的6人。

而在北面的加拿大，則以紐芬蘭的災情較為嚴重。風暴期間，當地錄得11.6厘米(4.4吋)的單日降雪量及110公里/小時(59節)的陣風。暴風雪導致多處停電，並引發至少35宗交通意外，造成1死1重傷。另外在紐芬蘭和新斯科細亞(Nova Scotia)沿海，分別有數艘船隻被沖毀。

1992年7月，NOAA以「1991年萬聖節Nor’easter(Halloween Nor’easter of 1991)」為題，就這場風暴發表調查報告。報告中提到，數值模式在應對逆行(往西移動)的溫帶氣旋的經驗不足，並低估了系統於當地時間10月30日下午快速西移和增強的趨勢，以致新英格蘭(New England)沿海出現較預期嚴重的風暴潮。另外有部分州分(像是新罕布什爾州、新澤西州)的氣象部門未能準確描述風暴潮的嚴重程度，以致媒體和民眾輕視其威力，加劇了災情。

而這場風暴更為人熟悉的另一個名字，則要說到時任的NOAA氣象學家Robert Case和記者Sebastian Junger──兩人在一次交談中提到，這場造成嚴重風暴潮的猛烈風暴，是源於各項氣象因素的「完美」組合(Case形容之為「50-100年一遇」)，因此把它命名為「完美風暴(Perfect Storm)」。後來Junger以漁船Andrea Gail在這場風暴中遇難的事件為藍本，撰寫了《Perfect Storm》一書，而有關書籍在2000年被改篇為同名電影，使這股風暴更為人熟悉。

如今25年即將過去，當「完美風暴」成為最差狀況的代名詞、當「完美風暴」的名聲被「怪獸風暴」桑迪蓋過之時，又有多少人記得，當年在北美東岸發生的那場「完美風暴」，到底是怎樣的一回事呢？

dujuan2003

附錄：
表1：美國部分城市在「完美風暴」侵襲期間錄得的風暴潮


表2：美國部分城市在「完美風暴」侵襲期間錄得的最高水位


表3：「完美風暴」對各個州分造成的損失估計


表4：美國各個州分在「完美風暴」下的影響概述


資料來源：
Atlantic Hurricane Season of 1991, Pasch and Avila (1992)
NCDC - Satellite Events Art Gallery - The Perfect Storm, NOAA
NCDC - Satellite Events Art Gallery - Unnamed Hurricane (1991), NOAA
\"erfect Storm\" Damage Summary, NOAA
1991 Unnamed “Perfect Storm”, Canadian Hurricane Centre
[url=http://www.nws.noaa.gov/os/assessments/pdfs/Halloween%20Nor\'easter%20of%201991.pdf]Natural Disaster Survey Report - The Halloween Nor\'easter of 1991[/url], NOAA (1992)
The Ocean Prediction Center and \"The Perfect Storm\", NOAA
NOAA Meteorologist Bob Case, The Man who Named the Perfect Storm, NOAA
Cyclone Interactions and Evolutions during the Perfect Storms, Cordeira and Bosart(2011)
Strong El Nino could bring increased sea levels, storm surges to U.S. East Coast, NOAA
U.S. Investigation into the Disappearance of the Andrea Gail, U.S. Coast Guard

dujuan2003

後記：

細心的你應該留意到，這次的標題並沒有使用「颱風」「回顧」之類的字眼──因為這次的回顧涉及到溫帶氣旋、副熱帶氣旋、氣旋轉化等題材，而且其主要災害並非在其熱帶氣旋階段發生，作為一篇放置在《颱風回顧》版的回顧，其實還是有一定的爭議的。

至於為何會選擇這股風暴作為題材……經過上兩篇回顧之後，行文的風格已經大致確立，那只有在選材上作出新的嘗試。而從結果看來，確實是非常大膽──甚至可以說是過了頭。

這篇回顧，雖然符合自己的標準，但老實說並不完美──除了氣象知識有限以致未能更深入地探討其發展趨勢之外，另一原因是本文有必要花較多筆墨在災後部分，所以分析的比重較以往有所減少。

最後，還是要[strike]感謝党、感謝国家、[/strike]感謝論壇連續第三年舉辦回顧大賽。沒有回顧比賽的話，這條懶蟲是不會有動力寫回顧，發掘那些稀奇古怪的天氣系統的。若斑竹認為這篇回顧較為適合放在溫帶氣旋版塊，請在回顧大賽後才移動，謝謝！

PS:
原定計畫是打算加上關於同期美國中部暴風雪(1991 Halloween blizzard)的部分，但是因時間和篇幅所限而擱置。
若各位有興趣的話，不妨從這個方向繼續寫下去……

小范老师

读完了 非常好的一篇文章 忍不住点赞 讲完美的文笔和环流知识结合在了一起 这篇文章真的可以算是佳作了 楼主长中短期环流都分析的很到位 而且文笔也很美 真的棒

地狱守护神

文笔生动 行文流畅 内容丰富