Xoáy thuận nhiệt đới thể hiện một hoàn lưu đảo ngược với dòng không khi thổi vào ở mực thấp gần bề mặt, sau đó thăng lên trong những đám mây dông, và thổi ra tại mực cao gần tầng đối lưu.[22]

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.[23] 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,[24] 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.[24][25]

Hoàn lưu sơ cấp: những cơn gió xoáy

Dòng thổi xoáy sơ cấp trong một xoáy thuận nhiệt đới là kết quả từ sự bảo toàn momen động lượng bởi hoàn lưu thứ cấp. Momen động lượng tuyệt đối (trong khí tượng học) trên một hành tinh quay M {\displaystyle M} được tính như sau:

M = 1 2 f r 2 + v r {\displaystyle M={\frac {1}{2}}fr^{2}+vr}

trong đó f {\displaystyle f} là tham số Coriolis, v {\displaystyle v} là vận tốc gió phương vị, và r {\displaystyle r} là bán kính đến trục quay. Vế đầu tiên bên phải là thành phần momen động lượng hành tinh chiếu lên trục thẳng đứng (trục quay). Vế thứ hai bên phải là momen động lượng tương đối của hoàn lưu đối với trục quay. Vì momen động lượng hành tinh biến mất tại xích đạo (nơi mà f = 0 {\displaystyle f=0} ), nên xoáy thuận nhiệt đới hiếm khi hình thành trong phạm vi vĩ độ 5 gần xích đạo (từ 5°B đến 5°N).[2][26]

Khi những dòng khí thổi tỏa tròn vào bên trong ở mực thấp, chúng bắt đầu chuyển động xoáy để bảo toàn momen động lượng. Tương tự, khi mà dòng khí xoáy nhanh thổi tỏa tròn ra phía ngoài ở gần tầng đối lưu, vòng xoay của nó giảm dần và cuối cùng thay đổi dấu hiệu tại nơi có bán kính đủ lớn. Kết quả là một cấu trúc theo chiều dọc đặc trưng bởi một xoáy thuận mạnh tại mực thấp và một xoáy nghịch mạnh gần tầng đối lưu; theo sự cân bằng gió nhiệt, điều này phù hợp với một hệ thống có trung tâm ấm hơn môi trường xung quanh tại mọi độ cao ("lõi ấm"). Theo như cân bằng thủy tĩnh, lõi ấm chuyển đổi thành áp suất thấp hơn ở trung tâm tại mọi độ cao, với sự giảm áp suất tối đa xảy ra ở vị trí trên bề mặt.[7]