人工影響臺(tái)風(fēng)技術(shù)及其新想法

彭躍華，周立佳，劉永祿

(海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系，遼寧大連116018)

20世紀(jì)50年代以來，環(huán)境武器開始進(jìn)入人們的視野，而且受到許多軍事科學(xué)家的重視。所謂“環(huán)境武器”是指運(yùn)用現(xiàn)代科技手段，人為地利用客觀自然環(huán)境制造地震、海嘯、暴雨、山洪、雪崩、高溫、氣霧等自然災(zāi)害，改變戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)軍事目的的一系列技術(shù)和裝備的總稱，其技術(shù)美軍稱之為環(huán)境改造(Environmental modification，ENMOD)技術(shù)。它涵蓋了人工影響天氣的技術(shù)，其中包含有關(guān)人工影響臺(tái)風(fēng)的技術(shù)［1—4］。

眾所周知，臺(tái)風(fēng)是海上非常危險(xiǎn)的天氣系統(tǒng)，可帶來狂風(fēng)、暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮，對(duì)艦艇航海安全的影響極大。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，有60%的艦艇氣象事故是由臺(tái)風(fēng)造成的，因此臺(tái)風(fēng)又被稱為海軍的另一個(gè)敵人。

如果能用人工方法影響臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)和暴雨便能大大減輕臺(tái)風(fēng)的災(zāi)害，甚至可以變害為利，使臺(tái)風(fēng)聽命人的意志。有人曾經(jīng)估計(jì)，如果能把臺(tái)風(fēng)風(fēng)力減少30%，則風(fēng)災(zāi)可以減少一半。由此可見，用人工方法來影響臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)和降雨具有十分重要的意義。另一方面，人工影響臺(tái)風(fēng)在軍事上有著特殊的意義，環(huán)境武器中一個(gè)很重要的武器就是控制臺(tái)風(fēng)。現(xiàn)代軍事專家們都在設(shè)想如何用人工產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)，操縱臺(tái)風(fēng)，加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的威力、速度，改變臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線。這樣，可以操縱臺(tái)風(fēng)，襲擊敵方重要目標(biāo)，如沿海城市、海上艦船、空中飛行的飛機(jī)等，從而給敵方造成重大的損失。此外，國(guó)外有科學(xué)家和發(fā)明家提出過一些阻止颶風(fēng)的理論，最高明的主要有7種，其中3種從海面進(jìn)行:液氮膨脹、化學(xué)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(jìn)行:炭黑燃燒、播云、鐳射放電;還有1種從太空進(jìn)行，空間站發(fā)出的微波束。正如提出用微波束影響臺(tái)風(fēng)的霍夫曼博士所言，“只要對(duì)大氣做出正確而精準(zhǔn)的微幅改變，就能影響颶風(fēng)，將它引離陸地或減低強(qiáng)度”。

目前對(duì)于人工影響臺(tái)風(fēng)的結(jié)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(tái)風(fēng)的陣雨到底是利多還是害多，因?yàn)槭澜缟嫌性S多地區(qū)依靠熱帶氣旋的降水。有人認(rèn)為，人工影響臺(tái)風(fēng)后會(huì)影響臺(tái)風(fēng)的降雨分布，這使有些地區(qū)得不到必要的降水。以前影響臺(tái)風(fēng)的研究結(jié)果表明，試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)降水并未有什么影響，理論模式研究也表明，播撒只會(huì)引起風(fēng)暴內(nèi)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(tái)風(fēng)會(huì)改變臺(tái)風(fēng)的路徑，從而也會(huì)改變臺(tái)風(fēng)的降水地區(qū)，使原來能獲得降水的地區(qū)而得不到降水。對(duì)這個(gè)問題，目前無論是實(shí)際試驗(yàn)還是臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)都還沒有發(fā)現(xiàn)人工影響臺(tái)風(fēng)會(huì)產(chǎn)生這種作用。因?yàn)榕_(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)主要決定于大尺度環(huán)境條件，而不是受人工播撒影響的中小尺度條件。至于對(duì)大氣環(huán)流是否有影響的問題目前正在研究中。

1 人工影響臺(tái)風(fēng)的基本原理

人工影響臺(tái)風(fēng)，可以改變臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、移動(dòng)速度和方向，以及降水分布等。目前人工影響臺(tái)風(fēng)主要考慮的基本原理是，在臺(tái)風(fēng)的發(fā)生和維持過程中有2個(gè)物理過程起著決定性的作用。第一是在臺(tái)風(fēng)內(nèi)，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(tái)風(fēng)環(huán)流和其中對(duì)流尺度環(huán)流的相互作用。由此在濕對(duì)流中釋放的潛熱是推動(dòng)臺(tái)風(fēng)的主要能量來源。人們已經(jīng)知道，潛熱釋放的主要部位是在風(fēng)暴的眼壁區(qū)及主要的螺旋云帶中。人工影響臺(tái)風(fēng)(削弱臺(tái)風(fēng))的問題實(shí)際上就是上述作用的逆過程。據(jù)第1種作用，只要使用一種方法能減少?gòu)暮Ｑ蟮酱髿廨斔偷母袩岷蜐摕幔涂梢詼p弱臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。例如阻止臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)的海面蒸發(fā)是一種方法。據(jù)第2種作用，影響有組織的活躍對(duì)流區(qū)內(nèi)的潛熱釋放率和分布也可能使臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱。根據(jù)上述原理，至今人們已經(jīng)提出了不少人工影響臺(tái)風(fēng)的設(shè)想和建議。其中被普遍認(rèn)為較有效和可行的方法是，通過人工影響臺(tái)風(fēng)眼壁和螺旋云帶內(nèi)的對(duì)流過程來改變臺(tái)風(fēng)眼區(qū)周圍地區(qū)內(nèi)力的平衡，以此使原來集中在風(fēng)暴中心附近的能量重新分布，從而使臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，這就是美國(guó)人工影響臺(tái)風(fēng)計(jì)劃(Stomfury)的理論根據(jù)［5］。

在臺(tái)風(fēng)中，低層的暖濕空氣呈氣旋狀流向風(fēng)暴中心區(qū)，它們帶來了大量的潛熱和感熱，同時(shí)，在流入風(fēng)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(fēng)暴能量。當(dāng)氣旋性旋轉(zhuǎn)的空氣呈螺旋狀向風(fēng)暴中心流動(dòng)時(shí)，通過絕對(duì)角動(dòng)量守恒而得到切向風(fēng)速?？諝庥L(fēng)暴中心，造成的切問風(fēng)速愈大，直到空氣流向上方，然后在高層從風(fēng)暴中心區(qū)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(fēng)暴中心更遠(yuǎn)的距離處上升，就會(huì)使風(fēng)暴的切向風(fēng)速減低，并且也應(yīng)引起風(fēng)暴熱力結(jié)構(gòu)的變化，因?yàn)檫@時(shí)在新的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)潛熱釋放率增加，而原來空氣上升區(qū)潛熱釋放率減小。由上可知，人工削弱臺(tái)風(fēng)的關(guān)鍵問題是通過某種途徑來改變臺(tái)風(fēng)內(nèi)的空氣質(zhì)量流動(dòng)。

美國(guó)人工影響臺(tái)風(fēng)計(jì)劃(Stomfury)的具體試驗(yàn)原理為:許多臺(tái)風(fēng)的雷達(dá)觀測(cè)指出，臺(tái)風(fēng)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(cè)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(tài)水。為使這種過冷卻水凍結(jié)，必須要有凍結(jié)核。冰晶是一種很有效的凍結(jié)核，另外有許多其它物質(zhì)也可作為凍結(jié)核。如果用人工方法把凍結(jié)核(如碘化銀)引入云中，使過冷水凍結(jié)，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(zhǎng)得更高大，促使上升氣流增加。當(dāng)空氣上升時(shí)，膨脹冷卻，水汽凝結(jié)或凝華形成水滴與冰晶，釋放更大量的潛熱(約2.511 kJ/g)，結(jié)果使被播撒的云增長(zhǎng)到流出層，形成新的對(duì)流通道。這種對(duì)流通道截獲了在近地面向內(nèi)流入的大量潮濕空氣，使空氣不能再向內(nèi)流去，而在離中心較遠(yuǎn)的地方就上升到流出層，然后又流向外面。因而在到達(dá)新對(duì)流上升區(qū)處所獲得的切向風(fēng)速比原先一直進(jìn)入到舊眼壁所應(yīng)有的切向風(fēng)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(qū)由于流入空氣的減少而引起的加熱減弱，會(huì)造成臺(tái)風(fēng)內(nèi)水平溫度減小，這也使臺(tái)風(fēng)風(fēng)速減小。

2 人工影響臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)及其評(píng)價(jià)

根據(jù)上述原理或假說，美國(guó)對(duì)大西洋颶風(fēng)進(jìn)行了一系列人工影響的試驗(yàn)［6—7］:1961年以來曾對(duì)4個(gè)颶風(fēng)(1961年9月16日、17日Esther颶風(fēng);1963年8月23日、24日Beulah颶風(fēng);1969年9月18日、20日Debbie颶風(fēng);1971年Ginger颶風(fēng))進(jìn)行了播撒作業(yè)，主要是在9 km以上層次由飛機(jī)上用陷彈法向云內(nèi)撤入碘化銀。播撒的合適地區(qū)是在眼壁中或眼壁以外的某個(gè)地區(qū)。根據(jù)臺(tái)風(fēng)的理論研究，在風(fēng)力加強(qiáng)期間，與眼壁有關(guān)的最大加熱區(qū)一般位于比地面最大風(fēng)速區(qū)顯著要小的半徑上，在發(fā)展進(jìn)行時(shí)，風(fēng)速最大區(qū)比加熱最大區(qū)以更快的速度向內(nèi)移。在加熱最大值與地面風(fēng)速最大值近于一致時(shí)，便停止發(fā)展，開始衰減。這個(gè)過程表明，在小于地面風(fēng)最大值半徑處進(jìn)行加熱有利于加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，而在大于地面風(fēng)最大值半徑處加熱則有利于減弱臺(tái)風(fēng)。后來所進(jìn)行的播撒試驗(yàn)證明上述意見是正確的，當(dāng)在大于地面風(fēng)最大值半徑處進(jìn)行播撒時(shí)，發(fā)現(xiàn)比通過風(fēng)速最大值進(jìn)行播散，風(fēng)速減小的量值更大。

在人工影響臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)中，除了一種情況外，其他試驗(yàn)都顯示出風(fēng)速有減小的趨勢(shì)，沒有一種情況表明風(fēng)速是增加的。其中結(jié)果比較明顯的是1969年的Debbie颶風(fēng)，臺(tái)風(fēng)的溫度也有變化。Hawkins把這些結(jié)果與RosenthaI的數(shù)值試驗(yàn)作了比較，結(jié)果是較一致的。

有人對(duì)美國(guó)人工影響颶風(fēng)的試驗(yàn)結(jié)果提出了異議［8］。由于颶風(fēng)的自然變率與由播撒試驗(yàn)激起的強(qiáng)度變化在量級(jí)上相近，因而不能完全肯定最大風(fēng)速30%和15%的變化純由播撒引起，而與自然變率無關(guān)。人工影響臺(tái)風(fēng)的評(píng)價(jià)問題像其它人工影響天氣問題(冰雹等)一樣，是一個(gè)重要的問題，也是一個(gè)困難的問題。

3 用動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行人工影響臺(tái)風(fēng)的新想法

現(xiàn)行人工影響臺(tái)風(fēng)的方法說到底是屬于熱力學(xué)的方法，由前述評(píng)價(jià)可知，這種方法在理論和實(shí)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(fēng)速;再次沒能充分利用動(dòng)力過程。在效果上，最大的問題是颶風(fēng)自然變率與由播撒引起的強(qiáng)度變化量級(jí)近于相同，這表明效果不明顯;其次對(duì)降雨分布的影響不一定有利等。

筆者認(rèn)為可以從動(dòng)力學(xué)的角度提出新的方法，從臺(tái)風(fēng)發(fā)生發(fā)展的幾個(gè)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(fā)生發(fā)展的大量不穩(wěn)定能量，也是擾動(dòng)形成暖心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，但是這點(diǎn)很難改變，即使改變也需要付出巨大的代價(jià)。再看一定的地轉(zhuǎn)偏向力，它能使輻合氣流逐漸形成強(qiáng)大的氣旋式旋轉(zhuǎn)，以維持強(qiáng)大的梯度運(yùn)動(dòng)，但遺憾的是，這點(diǎn)更加沒法改變。再看第3個(gè)條件，低層的初始擾動(dòng)，它能把低層質(zhì)量、動(dòng)量和水汽持續(xù)輸入，促使形成暖心［9—10］，這點(diǎn)乍看可以考慮把所有可能形成臺(tái)風(fēng)的擾動(dòng)都消除在萌芽狀態(tài)，但這根本不可能。一是因?yàn)檫@樣的擾動(dòng)太多，很難知道哪個(gè)擾動(dòng)可形成臺(tái)風(fēng)，沒這么多精力也不會(huì)愿意來做這個(gè)事;二是在需要有臺(tái)風(fēng)降雨的地方，極難做到對(duì)臺(tái)風(fēng)實(shí)施定向、定時(shí)、定量的控制;三是這樣做很可能影響大氣環(huán)流，可能會(huì)得不償失。

改變前3個(gè)條件的可能性被否定后，再看第4個(gè)條件，對(duì)流層風(fēng)速垂直切變小，只有這樣，才能使由凝結(jié)釋放的潛熱始終加熱一個(gè)有限范圍內(nèi)的同一氣柱，因而可以較快形成暖心結(jié)構(gòu)，另外由于對(duì)流層上下的空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小，從而保證了初始擾動(dòng)的氣壓不斷降低，最后形成臺(tái)風(fēng)。自Weightman首次提出垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有強(qiáng)烈的影響至今，國(guó)外學(xué)者作了大量的研究工作［11—13］，提出了很多解釋方法，并總結(jié)了一些風(fēng)切變與強(qiáng)度變化之間的統(tǒng)計(jì)和數(shù)值方面的規(guī)律。大量的觀測(cè)研究表明:強(qiáng)的垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響具有抑制作用，即強(qiáng)的垂直切變能阻止臺(tái)風(fēng)在環(huán)境切變氣流中發(fā)生和發(fā)展，在強(qiáng)的垂直切變場(chǎng)中，臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度將減弱。通過各種觀測(cè)資料進(jìn)行分析后認(rèn)為:環(huán)境垂直風(fēng)切變必須低于某個(gè)閉值才有利于熱帶氣旋的發(fā)展，并得出了一些統(tǒng)計(jì)關(guān)系，等等。另外，從不同地區(qū)臺(tái)風(fēng)發(fā)生的季節(jié)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(fēng)暴一般較多，在這些地區(qū)緯向風(fēng)平均垂直切變較小。在盛夏，在北印度洋和南海熱帶風(fēng)暴形成很少，只在孟加拉灣北部有少數(shù)風(fēng)暴生成，這是因?yàn)樵谶@些地區(qū)風(fēng)速垂直切變很大。在春秋季，在北印度洋和南海地區(qū)垂直切變小，有利于風(fēng)暴發(fā)展。在東南太平洋或南大西洋，由于風(fēng)速垂直切變過大，這些地區(qū)便沒有風(fēng)暴形成。由此可見，風(fēng)垂直切變小是一個(gè)很重要的必要條件。反之，如果能使風(fēng)垂直切變?cè)龃?，則臺(tái)風(fēng)可能減弱甚至消亡，而且這種可能性是存在的。

基于這點(diǎn)，筆者提出一個(gè)新想法:如果能通過流體力學(xué)的方法找到風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)極不穩(wěn)定點(diǎn)，該點(diǎn)受擾動(dòng)后能使風(fēng)垂直切變發(fā)生突變，切變突然增大很多，則可能破壞臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)，使臺(tái)風(fēng)減弱，這可能比單純播撒凍結(jié)核更合算。當(dāng)然，目前人工影響天氣的手段主要還是通過播撒凍結(jié)核和吸濕性核來實(shí)現(xiàn)預(yù)定目的，但也有學(xué)者已經(jīng)指出了“爆炸”對(duì)云體的作用，在帶有爆炸或動(dòng)力擾動(dòng)的作業(yè)后，觀測(cè)到的一些現(xiàn)象難于用播撒效應(yīng)來說明，然則可用動(dòng)力擾動(dòng)來解釋。引言部分提到了國(guó)外7種阻止颶風(fēng)的理論，其中的微波束是很有可能實(shí)現(xiàn)本文想法的擾動(dòng)源。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的途徑，筆者認(rèn)為目前有2條:一是利用擾動(dòng)增長(zhǎng)理論和非線性最優(yōu)化方法，通過臺(tái)風(fēng)的數(shù)值模式找到極不穩(wěn)定點(diǎn);二是把擾動(dòng)作為小尺度運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)作為中尺度運(yùn)動(dòng)，利用多尺度相互作用的理論研究擾動(dòng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的作用，看怎樣才能使風(fēng)垂直切變最有效的增大。這2條途徑單獨(dú)弄清楚后可以結(jié)合起來，并結(jié)合已有的云物理學(xué)方法和相關(guān)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(yàn)。

4 結(jié)語

綜述了前人在人工影響臺(tái)風(fēng)方面的原理方法、試驗(yàn)及其評(píng)價(jià)，并從動(dòng)力學(xué)的角度提出了人工影響臺(tái)風(fēng)的新方法，雖然其有效性和可行性尚需驗(yàn)證，但值得一試。

總之，人工影響臺(tái)風(fēng)目前還處在初期階段，還有許多問題有待解決。例如如何實(shí)現(xiàn)作者的想法，提出更合理的影響臺(tái)風(fēng)的原理或假設(shè)，云物理學(xué)上繼續(xù)研究試驗(yàn)播撒的新方法和新材料，進(jìn)行更多的野外試驗(yàn)，收集臺(tái)風(fēng)資料，進(jìn)一步弄清楚臺(tái)風(fēng)的自然變率，以改進(jìn)影響臺(tái)風(fēng)效果的評(píng)價(jià)工作，等等。隨著這些問題的逐步解決，人工影響臺(tái)風(fēng)的工作必將向前邁進(jìn)一大步，從而為人類最終控制和改造天氣做出重要的貢獻(xiàn)。

［1］ 楊喜存，單軍勇.環(huán)境試驗(yàn)過程控制和試后恢復(fù)中的問題分析［J］.裝備環(huán)境工程，2013，10(1):98—101.YANG Xi-cun，SHAN Jun-yong.On Process Control of Environmental Testand Problems in Restoration after Test［J］.Equipment Environmental Engineering，2013，10 (1):98—101.

［2］ 趙保平，張韜.系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)估若干問題探討［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9(2):54—62.ZHAO Bao-ping，ZHANG Tao.On Environmental Testand Evaluation of System Grade Products［J］.Equipment Environmental Engineering，2012，9(2):54—62.

［3］ 王曉賓，馬征征，大氣對(duì)艦載激光武器的影響及對(duì)策［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9(3):33—37.WANG Xiao-bin，MA Zheng-zheng.Effects of Atmosphere on Shipborne Laser Weapon System and Countermeasures［J］.Equipment Environmental Engineering，2012，9(3): 33—37.

［4］ 陳鳳貴，姜明波，杜智濤，等.地面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置需求與設(shè)計(jì)［J］.裝備環(huán)境工程，2013，10(1): 79—82.CHEN Feng-gui，JIANG Ming-bo，DU Zhi-tao，et al.Requirement and Design of Standard Wind Speed Measuring Equipment in Surface Wind Fields［J］.Equipment Environmental Engineering，2013，10(1):79—82.

［5］ GENTRY R C.Project Stom fury［J］.Bulletin of American Meteorology Society，1960，50(6):404—409.

［6］ GENTRY R C.Hurricane Debbie Modification Experiments，August 1969［J］.Science，1970，168(3930): 473—475.

［7］ BLACK PG，SENN H Y.Airborne Radar Observations of Eye Configuration Changes，Bright Band Distribution and Precipitation Tilt during the 1969 Multiple Seeding Experiments in Hurricane Debbie［J］.Monthly Weather Review，1972，100(3):208—217.

［8］ SHEETSR C.Analysis of Hurricane Debbie Modification Results Using the Variational Optimization Approach［J］.Monthly Weather Review，1973，101:663—684.

［9］ POWELLM D，VICKERY P J，REINHOLD TA.Reduced Drag Coefficient for High Wind Speeds in Tropical Cyclones［J］.Nature，2003，422:279—283.

［10］GRAYW M.Global View of the Origin of Tropical Disturbances and Storms［J］.Monthly Weather Review，1968，96:669—700.

［11］ DEMARIA M.The Effect of Vertical Shear on Tropical Cyclone Intensity Change［J］.Journal of Atmosphere Science，1996，53:2076—2087.

［12］ CORBOSIERO K L，and MOLINARI J.The Effects of VerticalWind Shear on the Distribution of Convection in Tropical Cyclones［J］.Monthly Weather Review，2002，130:2110—2123.

［13］WONG M L M，CHAN JC L.Tropical Cyclone Intensity in Vertical Wind Shear［J］.Journal of Atmosphere Science，2004，61:1859—1876.