人工影響臺風技術及其新想法

彭躍華，周立佳，劉永祿

(海軍大連艦艇學院軍事海洋系，遼寧大連116018)

20世紀50年代以來，環境武器開始進入人們的視野，而且受到許多軍事科學家的重視。所謂“環境武器”是指運用現代科技手段，人為地利用客觀自然環境制造地震、海嘯、暴雨、山洪、雪崩、高溫、氣霧等自然災害，改變戰場環境，以實現軍事目的的一系列技術和裝備的總稱，其技術美軍稱之為環境改造(Environmental modification，ENMOD)技術。它涵蓋了人工影響天氣的技術，其中包含有關人工影響臺風的技術［1—4］。

眾所周知，臺風是海上非常危險的天氣系統，可帶來狂風、暴雨、巨浪和風暴潮，對艦艇航海安全的影響極大。據歷史資料統計，有60%的艦艇氣象事故是由臺風造成的，因此臺風又被稱為海軍的另一個敵人。

如果能用人工方法影響臺風的強風和暴雨便能大大減輕臺風的災害，甚至可以變害為利，使臺風聽命人的意志。有人曾經估計，如果能把臺風風力減少30%，則風災可以減少一半。由此可見，用人工方法來影響臺風的強風和降雨具有十分重要的意義。另一方面，人工影響臺風在軍事上有著特殊的意義，環境武器中一個很重要的武器就是控制臺風。現代軍事專家們都在設想如何用人工產生臺風，操縱臺風，加強臺風的威力、速度，改變臺風行進路線。這樣，可以操縱臺風，襲擊敵方重要目標，如沿海城市、海上艦船、空中飛行的飛機等，從而給敵方造成重大的損失。此外，國外有科學家和發明家提出過一些阻止颶風的理論，最高明的主要有7種，其中3種從海面進行:液氮膨脹、化學薄膜覆蓋、水泵浦抽冷水，其目的是讓上層的海水降溫;另外3種從云層進行:炭黑燃燒、播云、鐳射放電;還有1種從太空進行，空間站發出的微波束。正如提出用微波束影響臺風的霍夫曼博士所言，“只要對大氣做出正確而精準的微幅改變，就能影響颶風，將它引離陸地或減低強度”。

目前對于人工影響臺風的結果和前景看法并不完全一致，其中有不少問題值得弄清楚。例如人工影響臺風的陣雨到底是利多還是害多，因為世界上有許多地區依靠熱帶氣旋的降水。有人認為，人工影響臺風后會影響臺風的降雨分布，這使有些地區得不到必要的降水。以前影響臺風的研究結果表明，試驗對臺風降水并未有什么影響，理論模式研究也表明，播撒只會引起風暴內降水有少量的增加，并且降水范圍更廣。另外，也有人提出，人工影響臺風會改變臺風的路徑，從而也會改變臺風的降水地區，使原來能獲得降水的地區而得不到降水。對這個問題，目前無論是實際試驗還是臺風路徑預報都還沒有發現人工影響臺風會產生這種作用。因為臺風的運動主要決定于大尺度環境條件，而不是受人工播撒影響的中小尺度條件。至于對大氣環流是否有影響的問題目前正在研究中。

1 人工影響臺風的基本原理

人工影響臺風，可以改變臺風的強度、移動速度和方向，以及降水分布等。目前人工影響臺風主要考慮的基本原理是，在臺風的發生和維持過程中有2個物理過程起著決定性的作用。第一是在臺風內，從海面到大氣必須要有感熱和潛熱的輸送;第二是天氣尺度臺風環流和其中對流尺度環流的相互作用。由此在濕對流中釋放的潛熱是推動臺風的主要能量來源。人們已經知道，潛熱釋放的主要部位是在風暴的眼壁區及主要的螺旋云帶中。人工影響臺風(削弱臺風)的問題實際上就是上述作用的逆過程。據第1種作用，只要使用一種方法能減少從海洋到大氣輸送的感熱和潛熱，就可以減弱臺風的強度。例如阻止臺風區內的海面蒸發是一種方法。據第2種作用，影響有組織的活躍對流區內的潛熱釋放率和分布也可能使臺風強度減弱。根據上述原理，至今人們已經提出了不少人工影響臺風的設想和建議。其中被普遍認為較有效和可行的方法是，通過人工影響臺風眼壁和螺旋云帶內的對流過程來改變臺風眼區周圍地區內力的平衡，以此使原來集中在風暴中心附近的能量重新分布，從而使臺風強度減弱，這就是美國人工影響臺風計劃(Stomfury)的理論根據［5］。

在臺風中，低層的暖濕空氣呈氣旋狀流向風暴中心區，它們帶來了大量的潛熱和感熱，同時，在流入風暴過程中從海洋上也有一些能晝加入。這些流入空氣大部分通過眼壁流向上空或流入周圍雨帶的云中。在云層中，流入空氣形成水滴和冰晶，釋放出潛熱供給風暴能量。當氣旋性旋轉的空氣呈螺旋狀向風暴中心流動時，通過絕對角動量守恒而得到切向風速。空氣愈近風暴中心，造成的切問風速愈大，直到空氣流向上方，然后在高層從風暴中心區向外流出。如果有一種過程能使這種富有水汽的低層空氣在比原先離風暴中心更遠的距離處上升，就會使風暴的切向風速減低，并且也應引起風暴熱力結構的變化，因為這時在新的上升運動區潛熱釋放率增加，而原來空氣上升區潛熱釋放率減小。由上可知，人工削弱臺風的關鍵問題是通過某種途徑來改變臺風內的空氣質量流動。

美國人工影響臺風計劃(Stomfury)的具體試驗原理為:許多臺風的雷達觀測指出，臺風眼壁以外的許多地方存在一些云，它們伸展的高度不到流出層。另外的觀測也指出，這些云中大部分都包含有過冷卻水，即溫度低于0℃的液態水。為使這種過冷卻水凍結，必須要有凍結核。冰晶是一種很有效的凍結核，另外有許多其它物質也可作為凍結核。如果用人工方法把凍結核(如碘化銀)引入云中，使過冷水凍結，在從水到冰晶的相變過程中，將釋放出融解熱(近于334.864 J/g)。這種熱量可用來加熱該部分空氣，使溫度增加，變得比周圍空氣暖而輕，浮力增加，從而使云體增長得更高大，促使上升氣流增加。當空氣上升時，膨脹冷卻，水汽凝結或凝華形成水滴與冰晶，釋放更大量的潛熱(約2.511 kJ/g)，結果使被播撒的云增長到流出層，形成新的對流通道。這種對流通道截獲了在近地面向內流入的大量潮濕空氣，使空氣不能再向內流去，而在離中心較遠的地方就上升到流出層，然后又流向外面。因而在到達新對流上升區處所獲得的切向風速比原先一直進入到舊眼壁所應有的切向風速要小。另外，由于在眼壁外緣被播撒云中的加熱增加和原眼區由于流入空氣的減少而引起的加熱減弱，會造成臺風內水平溫度減小，這也使臺風風速減小。

2 人工影響臺風試驗及其評價

根據上述原理或假說，美國對大西洋颶風進行了一系列人工影響的試驗［6—7］:1961年以來曾對4個颶風(1961年9月16日、17日Esther颶風;1963年8月23日、24日Beulah颶風;1969年9月18日、20日Debbie颶風;1971年Ginger颶風)進行了播撒作業，主要是在9 km以上層次由飛機上用陷彈法向云內撤入碘化銀。播撒的合適地區是在眼壁中或眼壁以外的某個地區。根據臺風的理論研究，在風力加強期間，與眼壁有關的最大加熱區一般位于比地面最大風速區顯著要小的半徑上，在發展進行時，風速最大區比加熱最大區以更快的速度向內移。在加熱最大值與地面風速最大值近于一致時，便停止發展，開始衰減。這個過程表明，在小于地面風最大值半徑處進行加熱有利于加強臺風，而在大于地面風最大值半徑處加熱則有利于減弱臺風。后來所進行的播撒試驗證明上述意見是正確的，當在大于地面風最大值半徑處進行播撒時，發現比通過風速最大值進行播散，風速減小的量值更大。

在人工影響臺風試驗中，除了一種情況外，其他試驗都顯示出風速有減小的趨勢，沒有一種情況表明風速是增加的。其中結果比較明顯的是1969年的Debbie颶風，臺風的溫度也有變化。Hawkins把這些結果與RosenthaI的數值試驗作了比較，結果是較一致的。

有人對美國人工影響颶風的試驗結果提出了異議［8］。由于颶風的自然變率與由播撒試驗激起的強度變化在量級上相近，因而不能完全肯定最大風速30%和15%的變化純由播撒引起，而與自然變率無關。人工影響臺風的評價問題像其它人工影響天氣問題(冰雹等)一樣，是一個重要的問題，也是一個困難的問題。

3 用動力學方法進行人工影響臺風的新想法

現行人工影響臺風的方法說到底是屬于熱力學的方法，由前述評價可知，這種方法在理論和實際效果上都存在局限性。在原理上，首先是需要條件，要求云中含有過冷水且伸展高度不到流出層，因而影響范圍有限;其次只減小了最大風速;再次沒能充分利用動力過程。在效果上，最大的問題是颶風自然變率與由播撒引起的強度變化量級近于相同，這表明效果不明顯;其次對降雨分布的影響不一定有利等。

筆者認為可以從動力學的角度提出新的方法，從臺風發生發展的幾個必要條件來分析。首先看廣闊的暖洋面，這可提供熱帶氣旋發生發展的大量不穩定能量，也是擾動形成暖心結構的基礎，但是這點很難改變，即使改變也需要付出巨大的代價。再看一定的地轉偏向力，它能使輻合氣流逐漸形成強大的氣旋式旋轉，以維持強大的梯度運動，但遺憾的是，這點更加沒法改變。再看第3個條件，低層的初始擾動，它能把低層質量、動量和水汽持續輸入，促使形成暖心［9—10］，這點乍看可以考慮把所有可能形成臺風的擾動都消除在萌芽狀態，但這根本不可能。一是因為這樣的擾動太多，很難知道哪個擾動可形成臺風，沒這么多精力也不會愿意來做這個事;二是在需要有臺風降雨的地方，極難做到對臺風實施定向、定時、定量的控制;三是這樣做很可能影響大氣環流，可能會得不償失。

改變前3個條件的可能性被否定后，再看第4個條件，對流層風速垂直切變小，只有這樣，才能使由凝結釋放的潛熱始終加熱一個有限范圍內的同一氣柱，因而可以較快形成暖心結構，另外由于對流層上下的空氣相對運動很小，從而保證了初始擾動的氣壓不斷降低，最后形成臺風。自Weightman首次提出垂直切變對臺風強度有強烈的影響至今，國外學者作了大量的研究工作［11—13］，提出了很多解釋方法，并總結了一些風切變與強度變化之間的統計和數值方面的規律。大量的觀測研究表明:強的垂直切變對臺風強度的影響具有抑制作用，即強的垂直切變能阻止臺風在環境切變氣流中發生和發展，在強的垂直切變場中，臺風的強度將減弱。通過各種觀測資料進行分析后認為:環境垂直風切變必須低于某個閉值才有利于熱帶氣旋的發展，并得出了一些統計關系，等等。另外，從不同地區臺風發生的季節和頻率來看，在西北太平洋和東北太平洋、北大西洋、南印度洋風暴一般較多，在這些地區緯向風平均垂直切變較小。在盛夏，在北印度洋和南海熱帶風暴形成很少，只在孟加拉灣北部有少數風暴生成，這是因為在這些地區風速垂直切變很大。在春秋季，在北印度洋和南海地區垂直切變小，有利于風暴發展。在東南太平洋或南大西洋，由于風速垂直切變過大，這些地區便沒有風暴形成。由此可見，風垂直切變小是一個很重要的必要條件。反之，如果能使風垂直切變增大，則臺風可能減弱甚至消亡，而且這種可能性是存在的。

基于這點，筆者提出一個新想法:如果能通過流體力學的方法找到風場的一個極不穩定點，該點受擾動后能使風垂直切變發生突變，切變突然增大很多，則可能破壞臺風的暖心結構，使臺風減弱，這可能比單純播撒凍結核更合算。當然，目前人工影響天氣的手段主要還是通過播撒凍結核和吸濕性核來實現預定目的，但也有學者已經指出了“爆炸”對云體的作用，在帶有爆炸或動力擾動的作業后，觀測到的一些現象難于用播撒效應來說明，然則可用動力擾動來解釋。引言部分提到了國外7種阻止颶風的理論，其中的微波束是很有可能實現本文想法的擾動源。

對于實現這個想法的途徑，筆者認為目前有2條:一是利用擾動增長理論和非線性最優化方法，通過臺風的數值模式找到極不穩定點;二是把擾動作為小尺度運動，臺風作為中尺度運動，利用多尺度相互作用的理論研究擾動對臺風的作用，看怎樣才能使風垂直切變最有效的增大。這2條途徑單獨弄清楚后可以結合起來，并結合已有的云物理學方法和相關人工影響天氣理論，最后得出最有效和可行的方法并付諸試驗。

4 結語

綜述了前人在人工影響臺風方面的原理方法、試驗及其評價，并從動力學的角度提出了人工影響臺風的新方法，雖然其有效性和可行性尚需驗證，但值得一試。

總之，人工影響臺風目前還處在初期階段，還有許多問題有待解決。例如如何實現作者的想法，提出更合理的影響臺風的原理或假設，云物理學上繼續研究試驗播撒的新方法和新材料，進行更多的野外試驗，收集臺風資料，進一步弄清楚臺風的自然變率，以改進影響臺風效果的評價工作，等等。隨著這些問題的逐步解決，人工影響臺風的工作必將向前邁進一大步，從而為人類最終控制和改造天氣做出重要的貢獻。

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