互动科普

解剖飓风

Tim Beardsley

飞到狂暴喧嚣的丹尼斯（Dennis）飓风中去，如果幸运的话，科学家们能够推测出风暴是如何变成妖怪的。

佛罗里达的马斯第尔（Macdill）空军基地，1999年8月29日下午1点52分，安全训话已结束，每一个人都置身于我们亲切地称为“猪小姐”的四引擎WP3D涡轮螺浆飞机中。塞满计算机、四种不同的雷达以及各种其他仪器的飞机终于激情澎湃地滑向跑道。过去几个小时的工作迅疾得有如一场旋风：紧急安排行程，早晨6点从巴尔的摩起飞，然后是给全体飞行员下达简短命令，中间穿插着Frank D. Marks（此飞行中的首席科学家）的匆忙解释。

而我们的目的地确实是一个旋风：丹尼斯飓风。它正在佛罗里达州杰克逊维尔东面290公里处飞旋，风力达到每小时145公里，已对卡罗利纳构成威胁，北卡罗利纳堤岛上恐惧的度假者和居民堵上窗户，带上应急包裹，乘车逃避即将到来的风暴。然而来自国家海洋和大气局的科学家Marks和他的同事们却将丹尼斯看作是希望而不是恐惧之地，如果我们按计划飞行穿过风暴的曲臂，那么这次风暴就会向我们展示有关飓风和台风中心的秘密：即在确定风暴是膨胀变得更狂暴还是缓解成为无害的低压区域这一点上，究竟是风暴下面的海洋还是风暴上面的风起了更大的作用。

海洋通过增加或减少热能的形式控制着飓风的演变方式，Marks是具有这种想法的人之一。相比这下，今天的天气预报模式却将海洋作为了一个被动因素。

这些模式在预报什么时候风暴将加强时是明显失败的，1992年，当安德鲁（Andrew）飓风经过墨西哥湾流（GulfStream）温暖的水面时，突然加剧，使预报员大吃一惊；过后它在南佛罗里达造成15人死亡以及250亿美元的财产损失。1995年奥帕尔飓风在墨西哥海湾穿行了整个晚上，而晚上11时后，电视新闻向墨西哥海湾沿岸居民保证说他们只将遇到一点麻烦——造成了2到4级破坏。奥帕尔也恰好经过了一个温暖的深水涡流。虽然它在到达岸边时已有所衰落，但也造成总数超过28人的死亡，接下来1999年初的布里特（Bret）飓风和其它飓风一样（现在看来已是飓风产生模式），在通过暖水水域之后从2级上升至4级。幸运的是，它在德克萨斯无人居住的农田登陆。

假如Marks和他们同事们是正确的，那么通过对一个飓风中心详细的分析，他们应该能够弄清控制风暴存在、膨胀和消失的各种因素之间的关系。科学家需要了解飓风移动过程中不同深度海水的温度，他们也将尽可能多的了解风和浪的关系。

现在一个强度为2级的飓风——丹尼斯犹如安德鲁和奥帕尔一样，有迅速变强的不祥之兆。1998年，当博尼（Bonnie）飓风穿过墨西哥湾时没有增强，Marks由于缺乏仪器使研究受挫。但当他在八月末观察丹尼斯的路径时，他认为机会来了。因为这个时候他不仅可以弄到观察仪器，而且还有好运——华盛顿大学的Eric D' Asaro刚好沿穿过丹尼斯路径的东西线投下了三个高技术（high—tech）浮标。随着浮标的起落，可对从海平面到200米深这一通常说的混合层的温度和盐浓度进行监控。这些数据可以补充到来自“猪小姐”的观测中。Marks带领他的航空队对丹尼斯进行了详细研究，正是这个风暴把大家带入了航线。

我们小组将彻底地观察风暴，放下探测器穿过它，测量温度和风力变化的时间。前几天，国家海洋和大气局的（墨西哥）湾流四号飞机已测描好了那个地区不同海拔高度的大气条件。我们的飞行就是要解决这个难题：四次直接穿过大风暴的中心。

Marks已经有过许多次飞行穿过飓风的经历，他喜欢开玩笑说，航行最危险的部份是驾机回到空港。当然他也知道作为一个飞机驾驶员要面对的真正挑战，特别是接近积雨云形成的深深的堤墙时——这就是所说的风暴中心的眼壁。在那里风改变速度和方向是无法预知的。而且犹如龙卷风那样的强烈气旋可能在毫无先兆的情况下发生，年前，Marks驾驶着这架飞机的姐妹机Kermit飞行穿过雨果（Hugo）飓风，当时它已达到5级。正在风暴眼中进行低海拔高度飞行时，一个引擎熄火，强烈的气旋几乎将机卷进海里。“我真幸运，遭遇那件事还活着。”Marks说道。

今天早上，当进行起飞前的情况简介时，全体乘员表现出的明显虚张声势，一些有经验的成员炫耀他们蓝色飞行服上的徽章，庆祝他们是曾穿过暴风眼还活着的人。但我们爬升到佛罗里达的东海岸上空时，飞机的引擎似乎更乐于提醒我，飓风可能在几小时内改变他们的表现。我们的飞行可能持续9个小时以上，因此清点一下机载总数（19人）似乎是重要的。其中包括6名科学家及观测人员、仪器设备技术人员和机组成员。

当技师James Barr宣布置于飞机尾部的多普勤雷达不能获得明白的数据时，我们携带的这个娇贵复杂的仪器显然备受重视，这个装置与位于飞机尾部的第二个雷达一起，可以显示正在降雨的地区风速怎样。Marks说我们肯定需要这些资料。飞行指挥同意暂停，一方面让飞机绕圈飞行，一方面让Barr和主要电子技师Terry Lynch尽快修复设备。他们拉出仪器架，替换上一台传送器。

十分钟过去了，仍没有修好。Lynch开始咕哝而且看起来有些着急。又过了更令人焦急的几分钟后，他宣布成功了。每个人回归原位开始工作。

来到此次飞行任务的起点，这里离海岸几公里，已到佛罗里达与乔治亚交界的北面，电子工程师Richard McNamara从镀金的塑料包裹中取出一个具有全球定位系统的下投式测风探空仪。他将把这个仪器投入到风暴中去，当它自由下落时降落伞会张开，并用无线电向飞机表明其位置。McNamara演示在几秒钟内将其塞进仪架里，拆卸并置于一个设置在地板上的透明发射管内。飞行指挥开始倒计时“3、2、1”，于是McNamara按动触发器。伴随着巨大的呼啸声，机舱空气压力把1米长的圆筒推出机身，同时McNamara开始计肘。

几秒钟后，工作站收到信号，探测器的降落伞已经打开，当丹尼斯跑风带着探测器飞走，McNamara他们寻迹而去，在探测器逐渐下藩到海洋的过程中跟踪确定风的方向和强度。在整个飞行任务过理中，他将按程序重复进行这样的操作许多次，根据得来的信息，逐步建立一个风暴的三维图形。

我们现在已向东飞行4300米。飞行初期的那种轻松逗乐已消退，代之而来的是一种兴奋。当海岸线在我们身后远离而去，黑灰色云层隐隐出现在前面，乘员们敲打着仪器上各式各样的按键，这些仪器将对丹尼斯进行一次最详尽的分析。

下午3：15，沉着的驾驶员Ron Phillipsborn通过内部通信联络系统向我们预报前面的“天气”。现在丹尼斯雨冲刷着窗户，我们出发时的蓝色天空已看不到了，周围白茫茫一片。自飞机到达巡航高度以来，人们还可以在飞机内走动，但现在每个人都只能用安全带将自己固定在座位上。

然而航行一直相当平稳，不久密急的脚步声便重新在通道响起。雷达屏上螺旋状风与电视上的天气频道所显示的如此相似，而此刻更使人非信不可。操作人员每30分钟对云图进行编辑，并通过低速卫星与设于迈阿密佛罗里达国防大学的国家飓风中心相联系。研究人员Christopher W．Landsea，在对数据数据进行快速处理后，确定丹尼斯的风眼直径有80公里，比最大的飓风眼还大。风暴正缓慢地向北运动，冲刷着海岸，风浪连续冲击着防波堤，将铺满圆形卵石的顶部撕裂开来。

我们飞到一个位置，在这我们将启动一个叫机载非回收深水探温仪（Airborne Expendable Bathythermoraph，简称AXBT）的探测器，在控制台上，McNamara按动控制键，这些AXBT是预先装置在飞机腹部的，第一个AXBT随着爆炸声发射进现正包围着我们的风暴中。AXBT下降过程中不会有任何反应，但当它溅落到海洋里时会把一个用导线相连的温度计送入水下300米并将沿途所获得的温度用无线电向飞机报告。

我们以大约500公里/小时的速度接近眼壁，一路发射更多的GPS探针和AXBT。偶然可以在浓密的云隙问看到波涛翻滚的大海，表面满是白色的碎末。

这些由于风猛刮波浪的顶部而形成的泡沫与蔓延数公里的狂风巨浪相比之下显得极其脆弱。然而科学家推测，这些区域对于飓风将如何变化起决定作用，因为它们可以有效地在海洋与空气之间交换能量，我们所携带的仪器之一是一台辐射仪，通过在6个不同的频率上检测由海面反射回来的微波能量，可以测量这些充满泡沫的区域。无论如何，原理上是行得通的。实际上迄今为止的飞行都是因为软件的错误使装置不能正常运作。Marks希望NOAA的科学家PeterBlack（他因感冒已在佛罗里达着陆）已经成功地排除了这一故障。

飞机再次震颤起来，咖啡也跃跃欲试企图逃出塑料杯。Phillipsborn再次命令我们回到座位上，然而，现在椅子靠背和地板都在移动。我们必须忍受肠胃搅动和蹒跚前行的痛苦。我甚至开始担心机翼如此上下振动会不会折断。McNamara坐在我过道的对面，看上去没有任何惊慌，重复点火发射GPS探针或偶尔轮换发射AXBT探测器。他似乎太忙，没有时间想别的。

我感觉恶心的不适停止了，我们已经穿入了丹尼斯的风眼。头上是我们曾见到的蓝天。机外的风速只有大约每小时三海里。几乎连旗帜都不能扬起。我们努力寻找到风速和气压处于最低的地方，以确定风暴的中心点。几公里远处的巨大雨云垛清晰可见，铺展开来形成一个庞大的拱洞。我们穿进东边的眼壁，进入到在飞机周围转动的巨大风暴的中心，一路投下更多的探针。

几小时过去了，我们一直在跟踪放在风眼中心的罗盘。由于紧张并不感到饥饿，但中午已过了很久，我来到机上厨房寻找三明治，却发现一个机组成员正在那儿平静地读报。

无法预见的突然下坠习已为常，更恼人的是缓慢上升的风将你顶起一段。已修复的多普勒雷达也有遗憾，它的输出与Marks的希望相去甚远。Landsea说，仪器表明表面风已达到大约每小时160公里。丹尼斯确实变得更强大了。当它增强的时候，就将更冷的海水从深处搅上来。过后我知道丹尼斯将乔治亚和南卡罗利纳海滨的水降低了3摄氏度，并且把处于风暴中心之下的混合水层的深度大约增加了一倍。这影响了几天后循同样路径而来的费罗依得（Floyd）飓风，减低了它的狂暴。

我们将来自辐射仪的数据传输至国家飓凤中心，但Marks仍然担心这个装置，在飞行过程中，他惊奇地发现，飞机的无线电操作人员临时接通了一个由Black打来的电话。这是急待解决的，因为无线电干扰了雷达，所以Marks相信辐射仪将出现更多的问题。但事实上Black高兴地发现这个用于揭示表面风详情的仪器工作得非常好。好消息通过内部通讯系统传来，给Marks极大的安慰。飞机里的气氛变得明快起来。

飞行时间慢慢过去，我们沿着D'Araro的漂浮物的指示，飞行了很长一段航程投下AXBT和GPS探针，舱外天空由白色变成夜晚的黑色，当第四次通过飓风眼，我们再次搜寻中心位置，看它又运动了多远：中心位置的确定对预报员判定风暴的走向是很关键的。丹尼斯的西部在墨西哥湾上，可以预测它正在获取能量，然而它的中心点仍远在大西洋。Marks担心第二天它会在北卡罗尼娜登陆。

回家的路上，我们尽可能地紧靠着陆基测量站和浮标点燃施放AXBT和GPS探测器，以便使科学家能从不同的角度进行仪器测试。我们降落在MacDill时已是晚上10：24了，虽然Marks在经历了接近9小时的旅行后精疲力尽，但一天的工作似乎更使他高兴而不是疲惫。

第二天我们起来知道丹尼斯已渐渐转向东面，与墨西哥湾流平行运动。剧烈地搅动冷却了海洋的表面，以及丹尼斯未能直接经过墨西哥湾流上空，这些都意味着它不会变成令人恐怖的风暴，虽然按常理它可能。它确实给了我们十分有价值的资料。

辐射仪数据是主要的收获，但“猪小姐”的飞行与D'Asaro的浮标的顺利配合也在其它方面取得取成功。我们发射了30个GPS探针，它们中的一些正确地进入到了丹尼斯的眼壁，我们也有效地点火施放了15个AXBT；其中的三个溅落到风暴眼东西线的南面，正是D'Asaro的浮标的位置。多普勒雷达数据基本上达到了目的。此外国家航空航天局（NASA）的Ed Walsh在飞行过程中成功的使用了扫描雷达测高计，对丹尼斯海浪的方向和高度进行测量。海浪是高度不对称的而且似乎与Walsh以前在邦尼飓风中看到的类型相似。

在接下来的好几年，所有这些数据对于建立一个飓风模型都是很有用的，单独一个风暴不能全部回答飓风发展的所有问题。但Marks和他的乘员们——技术人员和研究人员已经表明他们可以在高技术仪器的武装下对一个危险气旋展开充分的探查，并且得出有价值的结果。只要他们和其他风暴的驯服者心甘情愿继续其冒险的生活并为科学努力，随着造成飓风增强的秘密的提示，将来飓风在没有任何警告的情况下变成杀人者的机会将减少。

【曹书朝／译   向俊／校】

图1 这是1999年8月29日对飓风丹尼斯进行研究飞行的飞行航速，使用这种切片式解剖的方法探测风和浪之间的相互关系，由于丹尼斯飓风表现出危险的加强趋势，因此国家海洋和大气局派遣WP3D研究飞机“猪小姐”前去探测。实际上路线与计划有些偏离。红色方块表研究员为测风而施放全球定位探针的位置，蓝色圆块表示点火施放机载非回收深水探温仪以探测海洋温度的位置。

图2承载着仪器的“猪小姐”充满了油停在MacDill空军基地的跑道上，而研究人员更喜欢涡轮螺桨飞机，因为它在遇到风暴的向下吸力时具有比喷气式飞机更好的向上升力。飞机腹部的卵形物储藏着一些雷达，飞机上所饰的纹章(见上图)记录了飞机已进行大气监测过的所有飓风，自1977年的阿尼塔(Anita．)飓风到1998年的米切(Mitch)飓风。

图3电子工程师Pdchard McNamara正装置全球定位系统探针准备发射。机舱空气压力把它从装置在地板上的管道发射出去。一旦离开飞机，探针就借助于降落伞下降，在溅落到海洋的几分钟里将风暴的有关数据传送回飞机。