互动科普

我们能否设法减轻飓风的危害，或者改变它的行进方向呢？

每年都有一些巨大的漩涡风暴挟带着速度在每小时120公里以上的狂风横扫热带海面，然后直扑沿海陆地风暴所到之处，大片的土地受到严重危害。这类排山倒海的风暴在大西洋和东太平洋地区称为飓风，在西太平洋地区称为台风，而在印度洋地区则被称为气旋。这些风暴以雷霆万钧之势席卷人口稠密的地区，可以让数千人死于非命，并造成数十亿美元的财产损失。在风暴经过的路上，绝对没有什么东西能够安然无恙。

人类注定永远也奈何不得这些可怕的自然力量吗？我和研究伙伴们认为并非如此。我们的研究小组正在考察是否可以设法把飓风引到危害不那么大的行进路线上，或者是否可以通过其他方法减轻其危害。虽然这一雄心勃勃的目标或许要在数十年后才能实现，但我们的成果表明，现在就着手研究这类可能性并非操之过急。

即使是为了考虑如何控制飓风，研究人员也必须能极其精确地预测风暴的行进路线，弄清哪些物理变化（例如气温的改变）会影响飓风的行为，还要找到合适的方法来实现这类变化。这项工作目前尚处于萌芽阶段，但过去几年对飓风进行的卓有成效的计算机模拟研究表明，控制飓风有朝一日可能会变成现实。应当指出，无论何种气候都是极难预测的，其根源在于大气对微小的刺激非常敏感，但事实证明，这种敏感性很有可能正是实现我们所梦寐以求的飓风控制的关键。例如，我们干预飓风的首次尝试——在计算机模拟中让飓风的初始状态发生轻微的变化以影响飓风的路线——获得了引人注目的成功，而随后的一系列研究结果也乐观。

为了弄清飓风和其他强烈热带风暴为何可以通过人类的干预加以控制，我们必须对这些风暴的性质和起源有所了解[见40~41页图]。飓风其实就是热带海洋上空逐渐形成和发展起来的雷暴群。低纬度地区的海洋持续不断地向大气输送热量和水分，在海洋表面上方产生大量温暖而潮湿的空气。当这些暖湿空气上升时，其中的水蒸汽遇冷凝结，形成云层和降水。冷凝释放出潜热，也就是使海洋表面的水蒸气所需的太阳热能。这种所谓的冷凝潜热使空气变得更轻，从而上升得更高，这样就形成了一个越轻就升得越高、越高就变得越轻的反馈循环。最终产生不断加强的热带低压，形成人们熟悉的飓风眼，即飓风绕其旋转的一个平静的中央区域。飓风登陆后，其暖热水汽的供应来源即被切断，从而导致飓风强度迅速减弱。

制服飓风之梦

由于飓风的很大一部分能量来自海洋上空的水蒸汽冷凝成云和雨时所释放出来的热，因此，当研究人员最初梦想制服这些难以对付的庞然大物时，他们的工作主要集中在运用云层催化技术来改变冷凝的尝试上（云层催化是当时唯一一种实用的人工影响天气的方法）。1960年代初，美国政府任命的一个代号为“雷霆风暴工程”（Project Stormfury）的科学咨询专家小组进行了一系列大胆（甚或有点鲁莽）的实验，以确定这一构想是否行得通。

雷霆风暴工程的目标，是通过增强风暴眼壁外第一道雨（即风暴眼周围的一个环状云层与狂风区）中的降雨来延缓飓风的发展。为了实现这目标，研究人员用飞机向该雨带中的云层撒布碘化银颗粒以促进人工降雨，上升到风暴中最高且最冷的区域后进入过冷状态的水蒸气将借助于碘化银的成核作用而形成冰。如果一切不出所料的话，云层将更快地生长起来，消耗掉海面附近的暖湿空气，从而取代先前的风暴眼壁。因此这一过程将使风暴眼的半径增大，从而削弱飓风的强度，就象一位飞快地旋转的滑冰者在张开双臂后其转速将放慢一样。

雷霆风暴工程的实验结果充其量只能说是模棱两可的。今天的气象学家认为，云层催化法应用于飓风这一特殊场合的效果并不理想，因为这类风暴中其实并没有多少过冷水蒸汽，这同人们早先的看法恰好背道而驰。

混沌的大气

我们现在进行的研究源于我在30年前凭直觉提出的一项见解，当时我还是一名攻读混沌理论的研究生。一个混沌系统的行为看起来似乎是完全随机的，但实际上它要受某些规则的支配。而且这类系统还有一个特点：它对初始条件极其敏感，因此表面上看来无足轻重的随机输入可能对混沌系统产生极大的影响，迅速演变出种种难以预测的结果。对于飓风来说，它的某些特性（例如海洋的温度、驱动飓风前进的大尺度风流的位置乃至围绕风暴眼旋转的雨云的形状等）一旦出现微小的变化，就可能对飓风未来的路线和威力产生强烈的影响。

大气对细微的影响非常敏感，再加上天气预报模型中任何一点微小误差都有可能随着计算的进行如同利滚利般地迅速增大，这两项因素使长期天气预报（即提前5天以上预报）变得极为困难。但这种敏感性也使我突发奇想：我们有意对飓风施加的轻微作用是否会产生某些可能影响飓风行为的强烈效果，比如把飓风从人口稠密区引开或者是降低飓风的风速。

当时我还无法深入研究这些构想。但在过去10年中，计算机模拟和遥感技术已经取得了长足的进展，使我再度对大尺度天气控制的问题产生了兴趣。借助美国航空航天局（NASA）超前创意研究所提供的资金，我和合作者们正在一家科技咨询公司——大气与环境研究公司（AER）中运用详尽的计算机飓风模型来确定最终有哪些类型的干预措施可以在实际操作中加以尝试。特别是我们运用了天气预报技术来模拟历史上各次飓风的行为，然后通过观察计算机模拟的飓风发生的变化来检验各种干预措施所产生的效果。

模拟混沌

即使是现今最佳的计算机天气预报模型在用于预测时也远不能令人满意，但在动了一番心思之后，它们对于模拟飓风仍然可能相当有用。这些模型采用数值计算方法来模拟风暴复杂的发展过程，也就是把时间分为许多连续的小段，然后计算每一时间段内各种大气条件的估计值。数值天气预报的计算基于这样一条假设，即在大气内部质量、能量、动量和水分等是既不可能增加也不可能减少的。在飓风之类的流体系统中，这些守恒量跟着风暴一起流动。但在风暴的边界或边缘附近，情况就比较复杂了。例如，在海面上，我们的模拟要把大气获得或失去上述4种基本守恒量的情况考虑进去。

开发模型的研究人员把大气状态定义为所有相关的可测物理变量的综合，包括压力、温度、相对湿度以及风速和风向等。这些变量对应于计算机模拟所依据的那些守恒的物理性质。对于大多数天气模型，这些可观测的变量定义于一个代表大气层的3维网格上，因而对任何一个高度我们都可以绘出一幅表示每种变量分布状况的地图。模型开发中把所有网格点上的所有各变量之值的总和称为模型状态。

为了做出一项预测，数值天气预报模型反复地使模型的状态从某一瞬间出发经历一段很短的时间后推进到下一瞬间（这一时间段的长度从几秒到几分不等，视模型所分辨的运动尺度而定。）在每一时间段内，模型都要计算出携带着各个大气参量一起流动的风的作用，同时还要计算出有关区域发生的蒸发、降雨、表面摩擦、红外冷却以及日光加热等各种过程的作用。

遗憾的是气象预测并不完善。首先，模型的初始状态总是不完整、不准确的。飓风的初始状态尤其不容易界定，因为对飓风的直接观测非常稀少，而且很难进行这种观测。不过根据卫星云图我们已经知道飓风具有复杂而细致的结构。虽然这些云图可能有用，但我们需要知道的东西却远远超出云图所能提供的资料。其次，即使我们已经完全掌握了初始状态的所有方面，强烈热带风暴的计算机模型本身也容易出现误差。例如，大气仅仅是用一个由许多店组成的网格来模拟的，因此小于网格长度（即两个相邻网格点之间的距离）的特征就无法正确地纳入模型中。除非有极高的分辨率，否则飓风眼壁（这是飓风最重要的特征）附近的结构将被抹平，无法清楚地显示出细节来。此外，这些模型也同它们所模拟的大气一样，具有混沌行为，因而上述两种误差（即初始条件的误差和模型本身存在的误差）将随着预测计算的进行如同滚雪球般地迅速增大。

尽管存在这些局限性，此方法对我们来说仍是很有价值的。我们采用了一个极为有效的预报初始值设定系统，称为“四维变量数据匹配法”（four-dimentional variation data assimilation，缩写为4DVAR），加以适当改进后用于我们的实验。此名称中所指的第四维是时间。国际上名列前茅的气象中心之一——欧洲中期天气预报中心的研究人员就是运用这种高级的方法来预报每天的天气。为了在预报开始之前充分利用卫星、观测船、浮标和机载传感器等收集的所有观测资料，4DVAR把这些测量值同对大气初始状态的一个初次合理估计结合起来，此方法称为数据匹配。这种初次估计通常是在进行原始观测的时刻做出的一项6小时预报。应当指出，4DVAR只是在观测进行的那一时刻把各次观测考虑进去，而不是把跨越几个小时的一个时间段上的各项观测集中起来。然后研究人员根据观测数据和初次估计综合所得的结果来确定下一次6小时预报的初始状态。

从理论上说，利用数据匹配可以获得对天气的最佳近似，因为这一方法力求解决模型的表示既要与观测结果匹配又要与初次估计匹配之间的矛盾。虽然这个问题的统计理论已经很清楚，但正确运用此理论所需要的假设及信息仅仅是近似的。因此，实用的数据匹配法既是一门科学，也是一门艺术。

具体地说，就是4DVAR要找出既满足模型方程又与初次估计和实际观测均比较接近的大气状态。为了完成这一棘手的任务，4DVAR将根据6小时预报期内所进行的观测和模型模拟结果之间的差异，回过头来调整6小时预报期开始时的初始模型状态。特别是4DVAR将利用这些差异来计算模型的敏感程度，也就是每一参数的微小波动将会对模拟结果与观测结果的吻合程度产生什么样的影响。这一计算采用了所谓伴随模型，整个计算过程是由6小时预报期的终点出发向起点倒推回去的。然后通过一个优化程度找出对初始模型状态的最佳调整方案，从而获得与真实的飓风在这6小时内的发展状况最为接近的模拟。

由于这一调整使用的是近似的模型方程，因此整个过程包括模拟、比较、伴随模型的计算以及优化等，必须一次又一次地反复进行，以逐步改进所得的结果。当这一过程最终完成后，6小时预报期结束时的模拟条件就可以作为下一个6小时预报期的初次估计值。

在模拟了过去发生的一次飓风之后，我们可以在任一给定时刻改变这次飓风的一个或多个参数，然后考察这类干扰会对飓风造成什么样的影响。结果表明绝大多数这类干扰最终都烟消云散，什么影响也没留下。只有具备某些特殊性质的干扰——即具有诱发自我增强的反馈模式或结构的干扰——才会发展到足够强的程度，以至对风暴产生重大的影响。为了领会这种说法的含义，我们设想有一对音叉，其中一只在振动，而另一只则静止。如果这两只音又的固有频率不同，那么尽管第二只音又受到第一只音叉发出的声波的反复撞击，它仍然不会振动。但如果两只音又的固有频率相同，那么第二只音叉将产生共振回应，与第一只音叉同步振动。类似地，我们面临的问题是要找到合适的刺激（也就是使飓风发生适当的变化），它能诱发飓风产生强烈的回应，从而导致我们所希望的结果。

制服风暴

为了考察我们是否能够利用大气系统的敏感性来调节飓风这样威力非凡的大气现象，我们在AER公司的研究小组对1992年发生的两次飓风进行了计算机模拟实验。飓风伊尼基（Iniki）在1992年9月横扫美国夏威夷的考爱岛，导致数人死于非命，无数财产化为乌有，成片森林夷为平地。而在此前一个月，飓风安德鲁（Andrew）席卷美国迈阿密以南的佛罗里达部分地区，使该地遭受重创。

出人意料的是，尽管现有的预报方法并不完善，但我们首次模拟实验仍然取得了立竿见影的成功。为了改变伊尼基的路线，我们首先确定了我们希望该飓风在6小时之后移动到何处——大约位于预期路线以西95公里左右。然后我利用这一目标位置得出一些虚拟的观测结果，并将其输入到4DVAR中。我们让计算机计算出飓风的各关键定义参数的初始值至少要改变多少才会让它转到通往目标位置的一条路线上。在这次早期实验中，我们允许对此飓风采取任何一种人工干预措施。

结果证明，改变最显著的是初始温度和风速。温度的变动在整个网格上通常只有十分之几度，但在风暴中心以西模型的最低一层中却出现了最显著的改变：上升了将近2℃。计算表明，风速的改变幅度一般为3~5公里/小时，但在几处地方，由于飓风中心附近风向有轻微变化，风速的改变高达32公里/小时。

伊尼基飓风在经过上述摆弄后，虽然其结构看起来和原先几乎一模一样，但关键参数变化幅度之大已经足以让改变后的飓风在模拟的头6小时中转道向西，然后朝正北挺进，从而使考爱岛得以躲过该飓风最具破坏力的狂风的袭击。用人工方法使伊尼基飓风各初始条件发生的变动虽然幅度比较小，但它经过模拟飓风的复杂的非线性方程组逐步放大，在6小时后就使飓风的位置出现了预期的变化。这次实验的结果使我们相信，我们的方向是正确的。沿着这一方向走下去，我们必能确定需要什么样的变化来调节真实飓风的行为。在随后几次飓风模拟实验中，我们使用分辨率更高的网格来模拟飓风，并把4DVAR设定在尽量减少财产损失这一目标上。

在利用修改后的程序进行的一次实验中，我们计算出为了减轻安德鲁飓风登陆佛罗里达后所造成的地面风破坏，需要使温度发生多大的变化。我们的目标是使初始温度的变动尽可能地小（温度变动越小，在实际操作中越容易实现），同时在头6个小时的最后2小时中削弱破坏力最强的风。在这次实验中，4DVAR发现，为了限制狂风造成的破坏，最佳办法是使飓风眼附近的初始温度发生最大的变化。在飓风眼附近的几个地方，模拟实验得出的温度变化幅度高达2℃~3℃。而从飓风眼向外延伸到800~960公里的范围上，温度变动则比较小（低于0.5℃）。这些温度波动呈现一种波浪状的模式，即一个个环状的升温带和降温带以飓风为中心交替排列。虽然模拟开始时改变的只有温度，但所有关键参数很快都受到影响。在原来的模拟飓风中，6小时过去之后有破坏力的风（风速大于90公里/小时）横扫佛罗里达州南部的人口稠密区，而在采取了人工干预措施的模拟实验中则没有出现这种情况。

为了检验这些结果是否站得住脚，我们将同样的干预措施应用于分辨率更高的一种改进版4DVAR模型中。这次实验获得的结果与前一次几乎一样，说明我们的实验同我们选用何种具体的模型版本基本无关。不过，经过6小时后，有破坏力的风又出现在加入了调控措施的模式中。因此，为了让佛罗里达州南部安然无恙地躲过飓风，还需要采取其他一些干预手段。事实上，不管我们想把飓风控制多长的时间，都需要对飓风进行一系列有计划的干扰。

操纵飓风的秘诀

我们的实验结果提示，飓风内部和飓风周围温度的微小变动可以使飓风的路线转到预期的方向上，或者是降低飓风的风速。如果确实如此，那么问题就变成我如何能实现这样的干预。不用说，要让飓风这个庞然大物的温度一眨眼工夫就从里到外通通改变，任何人也没有这样的神通。不过我们或许可以设法加热飓风周围的空气，这样就可以逐渐调整飓风的温度。

我们打算进行若干次这种摆弄飓风的实验。在这些实验中我们将计算出削弱其强度或改变其路线所需加热大气的确切布局和强度。毫无疑问，加热大气以操纵飓风所需的能量非同小可，但是部署一组在环绕地球轨道上运行的太阳能电站最终或许可以提供足够的能量。这些发电的卫星可以利用巨大的反射镜将阳光聚集于太阳能电池上，然后将收集到的太阳能以微波波束的形式向下发送到地面上的微波接收站。当前的空间太阳能电站设计方案采用的微波频率将使微波在穿越大气层时不对空气加热，从而避免能量的浪费。但是，出于操纵天气的需要，我们可以让下行微波改用更容易被水蒸气吸收的频率，这样就能够随心所欲地加热不同层次的大气。由于雨滴对微波有强烈的吸收作用，因此雨云内或雨云下方的飓风区域将受到遮蔽，无法通过这种方式加热。

在我们早先的实验中，4DVAR计算出了微波加热不起作用的地方的大幅温度变动，因而我们进行了一次在计算最优调节期间使飓风中心的温度保持恒定的实验。最终结果与原始实验的结果大同小异，但由于飓风中心的初始温度没有变化，因而必须加大其他地方的温度变动幅度以作为补偿。值得注意的是，在模拟过程中，飓风中心附近的温度变化发展得很快。

调节剧烈的热带风暴的另一种潜在方法是在海面上覆盖一层可生物降解的油膜。这层油膜可降低蒸发速率，从而直接限制飓风能够获取的能量。当飓风接近之前若干天在距其最终目标区数千公里外的地方采取渐进式的干预措施，也能对飓风产生影响。这些措施通过改变空气压力，可能引起急流层上的大尺度风模式发生变化，而此种变化可以对飓风的强度及路线产生重大影响。此外，对人类的日常活动做一些相对不重要的改动（例如恰当安排飞机航班路线以精确控制飞机凝结尾流的位置或改变作物灌溉方法以增强或削弱蒸发等），说不定也会产生恰当的初始干预效果。

难以预料的后果

如果气象操纵在将来某个时候真的被证明是行得通的，那么它可能造成严重的政治问题。假如对飓风的干预导致飓风闯进另一个国家的领土大肆破坏，那将会出现什么情况？此外，尽管1970年代后期出台的一项联合国公约禁止把气候调节当作武器来使用，但某些国家仍可能情不自禁地对气象武器产生兴趣。

然而，我们的方法还必须在飓风以外的其他大气现象上获得验证以后，这类担忧才会真正抬头。事实上，我们相信这些方法应该首先在增加降雨的工作中进行检验。然后我们就可以在一个密布各种探测装置的比较小的区域内，以这一思路为基础检验我们的各种设想。对于这类小规模的试验，可以从飞机或地面上采取干预措施。如果我们对云层物理学的认识、云层的计算机模拟以及数据匹配技术的进展不出所望的话，这类较小规模的试验可能在大约10-20年内就会展开。在这些试验获得成功以后，以空间加热为手段的更大尺度上的天气调控就可能成为世界各国一致追求的下一个合理目标。

武晓岚/译

曾少立/校