Xoáy thuận nhiệt đới là một vùng áp suất tương đối thấp trên tầng đối lưu, với sự xáo trộn áp suất lớn nhất diễn ra tại vị trí có độ cao thấp gần bề mặt. Trên Trái Đất, mức áp suất ghi nhận được tại trung tâm của xoáy thuận nhiệt đới là một trong những mức thấp nhất từng quan trắc được tại mực nước biển.[3] Môi trường gần tâm xoáy thuận nhiệt đới là ấm hơn xung quanh tại mọi độ cao, do đó chúng có đặc tính như một hệ thống "lõi ấm".[4]

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.[5] Khi ở trên cao, dòng khí thổi ra khỏi tâm bão, tạo ra một màn mây ti.[6]

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.[7]

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.[8] 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.[9][10]

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.[11] 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.[8]

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.[12]

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.[13]

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.[5] 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.[14]

Kích thước

Có nhiều chuẩn đo phổ biến để xác định kích cỡ của xoáy thuận nhiệt đới. Trong đó phổ biển nhất là sử dụng bán kính gió tối đa, bán kính gió 34 knot (tức là vùng bán kính có gió bão, vận tốc gió lớn hơn 34 knot), bán kính đường đẳng áp kín phía ngoài xa nhất (ROCI), và bán kính gió tan biến.[16][17] Một chuẩn đo bổ sung là bán kính mà tại đó trường xoáy tương đối của xoáy thuận giảm xuống đến 1×10−5 s−1.[18]

Trên Trái Đất, kích cỡ của xoáy thuận nhiệt đới trải dài trên một khoảng rộng, từ 100 đến 2000 km khi đo bằng bán kính gió tan biến. Xoáy thuận nhiệt đới trên Tây Bắc Thái Bình Dương là lớn nhất và trên Đông Bắc Thái Bình Dương là nhỏ nhất. Nếu bán kính của đường đẳng áp kín phía ngoài xa nhất nhỏ hơn 2 vĩ độ (222 km), ta có một xoáy thuận nhiệt đới "rất nhỏ". Bán kính từ 3 đến 6 vĩ độ (333 – 670 km) được xem là trung bình. Xoáy thuận nhiệt đới có kích thước "rất lớn" khi mà ROCI lớn hơn 8 vĩ độ (888 km).[15] Những quan trắc chỉ ra kích cỡ chỉ nhỏ nếu liên quan đến các biến như cường độ bão (vận tốc gió tối đa), bán kính gió tối đa, vĩ độ, và cường độ tiềm năng tối đa.[17][19]

Kích thước đóng một vai trò quan trọng trong sự điều chỉnh mức độ thiệt hại gây ra bởi một cơn bão. Nếu tất cả những yếu tố khác là như nhau, một cơn bão lớn hơn sẽ tác động đến một khu vực rộng lớn hơn trong một khoảng thời gian dài hơn. Bên cạnh đó, trường gió rộng gần bề mặt có thể tạo ra nước biển dâng cao hơn do sự kết hợp của chiều dài sóng lớn hơn, thời gian dài hơn và sự tăng cường thiết lập các cơn sóng.[20] Ví dụ như cơn bão Sandy tấn công miền Đông nước Mỹ trong năm 2012 là một trong những cơn bão gây thiệt hại lớn nhất trong lịch sử nước Mỹ do kích thước rất lớn của nó.

Hoàn lưu phía trên của những cơn bão mạnh mở rộng trong phạm vi tầng đối lưu của khí quyển, tại khu vực vĩ độ thấp là 15.000 - 18.000 m.[21]