氣象萬千

神奇大氣層

從遙遠的太空俯視我們的星球，能看見一片茫茫的云海飄浮在海洋與陸地之上。我們知道，云層所在的位置叫作大氣層。雖然與整個地球相比，大氣層像絲帶一樣薄（圖1），但是這條擁有5140萬億噸質量的“絲帶”，不僅是守護地球的“外衣”，還是孕育著雨雪、霜霧、雷電等各種天氣現象的家園（圖2）。

歷史上的雨

如果問大家最關心的天氣現象是什么，相信大部分人第一個想到的都是雨。降雨量的多少不僅影響我們的日常生活，還在一定程度上決定一個區域的地理條件，甚至飲食習慣。例如科學家發現，與800毫米年降水量線最接近的“秦嶺—淮河”兩側，呈現出截然不同的氣候條件；該線以南的南方地區為雨季漫長的濕潤區，農作物以水稻為主，人們愛吃稻米；而該線以北的北方地區為雨季集中而短促的半濕潤區，種植作物是更抗旱的小麥，人們愛吃面食，可謂“南稻北麥”“南米北面”。

大家可能已經知道，地球上降水量最大的地方是印度的乞拉朋齊，號稱“世界雨極”，年降水量超過20000毫米。來自印度洋的南亞季風所攜帶的巨量水汽在北上到達高聳的青藏高原時受阻，從而盡數傾瀉在高原南坡的乞拉朋齊。而與此對應的降水最少的城市是地處熱帶的秘魯首都利馬，又稱“無雨之都”，年降水量還不到50毫米。本就高溫干燥的天氣條件，再加上由南極北上的秘魯寒流，使得空氣中的水汽含量低到不足以形成降雨。

此外，降雨甚至還能影響人類歷史。一代梟雄拿破侖最終在滑鐵盧折戟，據史學家記載，法軍的失敗就是拜一場暴雨所賜。1815年6月17日，拿破侖準備與英軍決戰，但是一場如注的暴雨打亂了他的計劃，使得總攻不得不一再推遲，而暴雨后泥漿遍地的道路給行軍帶來了極大困難，與此同時英軍也避其鋒芒而不斷延緩決戰的時間。終于，由于總攻時間推遲了一天，英軍同盟普魯士的援軍趕到，突如其來的力量對比變化，驟然改變了戰局。

了解到雨的強大威力后，人類在感到敬畏的同時，也一直在試圖影響它，甚至控制它。例如，越南戰爭期間，越南軍隊利用深山老林中的胡志明小道運輸裝備和給養，支援前線與美軍進行游擊作戰。但是士兵們發現，往年這個時候雨季早已過去，可現在大雨不僅沒停，還有越下越大的趨勢，傾盆大雨下溝壑縱橫的熱帶雨林成為行軍的地獄，無數士兵被山洪吞噬。多年以后，人們才知道，原來這一切的始作俑者是美國麥金萊氣候實驗室所做的人工增雨實驗。早在1933年，瑞典氣象學家貝吉隆就提出了“冰晶降水”理論。在此基礎上，美國科學家謝弗和馮尼古特先后發現了能催云降水的干冰和碘化銀。越南戰爭中，美軍對胡志明小道空投碘化銀，以進行人工增雨。

這一事例告訴我們，人類已經初步擁有了調控天氣乃至改造自然的能力，但是這一能力不應該用在破壞和戰爭上，而應當為人類帶來福祉。

天氣預報的前世今生

讀過《三國演義》的同學肯定都知道草船借箭的故事（圖3）：統一北方的曹操揮師南下準備一統全國，孫權與劉備結盟以長江天險與其對峙。孔明答應周瑜，三天內為他制造十萬支箭。魯肅大驚失色，原本十天都難以完成的任務，三天如何完成？可孔明只吩咐他準備二十只草船，再加一千個稻草人，說三天后必定有十萬支箭。第三天凌晨，孔明約來將信將疑的魯肅登船去取箭。船隊直奔曹營而去。此時，江面濃霧驟起，伸手不見五指，多疑的曹操不知這濃霧之中埋伏著多少艘艦船，不敢貿然派兵迎擊，只好下令放箭。拂曉霧散之前，孔明吩咐滿載而歸的船隊撤退，等候在江邊的周瑜派人一數，整整十萬余支。孔明是算準了第三天凌晨江上有大霧才敢約定三天完成任務的。對熟悉長江中下游地區水文氣象條件的孔明來說，天氣現象是可以預知的，而草船借箭這一故事也是天氣預報的經典范例。

不僅天氣可以預報，氣候也可以預測。同樣是孫劉聯軍迎擊曹操的赤壁之戰，盡管時值冬季，長江江面盛行西北風，但恰逢冬至，冬至日是太陽直射點離我國所在的北半球最遠的一天，過了這一天，晝漸長夜漸短，太陽輻射開始不降反增。由于水面和陸面的熱力性質差異，高壓和低壓極有可能發生暫時反轉，導致盛行風向也發生反轉。孔明這一次又算對了，農歷十一月二十日三更時分風向果然改變，喜出望外的黃蓋立刻發動火攻船隊，風乘火勢直搗曹營，一舉改變戰局。

草船借箭和借東風這兩個例子，體現了我國古代先賢巧用天氣預報經世濟用的智慧。但是，這種預報方法過于依賴經驗，缺少理論支撐，因此經常導致預報失誤。如經典民諺“朝霞不出門，晚霞行千里”也被認為只適用于我國北方地區，而華南地區更接近“日落胭脂紅，無雨必有風”。

隨著18世紀流體力學和微分方程的誕生，氣象學逐漸擺脫它原有的經驗性，發展成一個數理基礎兼備的實證科學。20世紀，計算機的誕生更使它如虎添翼，數值天氣預報應運而生。所謂數值天氣預報，即利用大型計算機求解在一定初值和邊界條件下的大氣流體動力學和熱力學方程組，通過方程組的數值解預測未來某一時刻的天氣狀況。