每年，威力强大的旋转风暴挟带时速超过120公里的强风，横扫热带海洋并侵袭海岸，往往沿带造成广大面积的破坏。这些旋转风暴在西太平洋称为台风，在大西洋与东太平洋称为飓风，而在印度洋则称为旋风，当它们重击人烟稠密的地区时，可能会造成上千人死亡与数十亿美元的财产损失，而且完全没有任何东西可以阻挡它们。
难道我们对这些自然界可怕的力量真的永远束手无策吗？我与研究伙伴都不如此认为。我们的研究团队正在探索如何将飓风推移到比较不危险的路径上，或是减弱它们的强度。虽然要达到这个大胆的目标可能还要花上几十年，但是我们的成果显示，现在开始研究其可能性，一点儿也不嫌早。
一旦考虑要控制飓风时，研究人员必须非常准确地预测其行进路线，以及找出会影响飓风行为的物理性变化（例如温度的改变），而且还要知道如何制造出这些变化。这个研究虽然才刚起步，但是由过去几年来成功执行的飓风计算机模拟可知，调控飓风在未来应该可以实行。此外，造成各种天气预报困难的因素──大气对微小刺激的极端敏感性，可能就是我们试图控制飓风的关键。例如我们的研究一开始就利用小幅度变动飓风的初始状态来改变飓风的路径，这个尝试结果非常成功，后续的研究也都相当顺利。
如果要理解飓风与台风等强烈热带风暴为何易受人为干预的影响，就必须从了解它们的本质与起源着手（参见下页〈飓风发展结构剖析〉）。飓风（台风亦同）是诞生在热带海洋上的雷雨云团。低纬度海洋不断提供热与水气给大气，海面上方因而生成温暖潮湿的空气。当这些空气上升时，水气会凝结形成云或降水。凝结会释放热，这些热就是当初在海洋表面的水，蒸发时所吸收的太阳能量。这所谓的「凝结潜热」释放，使得空气浮力增加，透过此自我增强回馈的过程而继续上升。最后热带低压会开始组织与强化，形成我们所熟知的「风眼」（无风的中心地带，飓风会绕其旋转）。当飓风接触到陆地时，暖水的补充来源被切断，其强度因而迅速减弱。
驭风之梦
「破风计画」小组的目标是减缓飓风的发展，采用的方法则是使用人造雨技术增加眼墙（风眼四周的高风速环状云区）外围第一个降雨带的降水量（见延伸阅读1）。他们利用飞机在飓风内部最高、最冷处投洒碘化银，它四散的颗粒物质，应当能做为因上升运动而过冷的水气在结冰过程中所需要的凝结核。如果一切皆如预期，云将迅速成长，消耗掉海面供应的温暖潮湿空气，从而替换了先前的眼墙。透过这个过程，风眼的半径将变大，飓风的强度因而减弱，这个方法类似于旋转的溜冰者，将手臂张开以降低转速一般。
结果「破风计画」并未得到清楚的结论，如今气象学家不认为这种人造雨的方法对飓风会有效，原因是风暴中的过冷水气含量稀少，与先前的看法相反。
混沌天气
我们当前的研究源自于我30年前的一个直觉，当时我是在学习混沌理论的研究生。混沌系统是一个行为看似随机，但实际上却受到规范的系统，它也对初始条件特别敏感，因此，对初始条件看起来无关紧要的随意变化，便可能生成深远的影响，而且很快就导致不可预测的结果。对飓风而言，微小的差异出现在如海水温度、大尺度气流的位置（它能引导风暴的行进），甚至是绕着风眼旋转的雨云形状等特征上，都能强烈影响飓风可能的路径与威力。
这种大气对微小作用的极度敏感性，加上天气预报模式里微小误差会迅速加剧的特性，便是造成长期（五天以上）预报非常困难的原因。不过这种敏感性也让我好奇，刻意加在飓风上的微小初始差异，是否可生成足以影响飓风的强大效力，不论是表现在将飓风引离人口稠密区，或是减低其风速。
在那个年代，我无法继续探索这些想法。不过，在过去10年间，数值模拟和遥测技术已经有了长足的进步，让我能重新投入我感兴趣的大尺度天气调控研究。在得到了美国航太总署先进观念研究所的经费支持后，我和大气与环境研究公司（AER）这个全国性的研发顾问机构里的同事，希望能利用复杂的飓风计算机模式，找出最终可能实际应用的方法。我们特别利用了天气预报技术，模拟以前的飓风，藉由观察模拟出来的飓风变化，来测试各种干扰的效果。
模拟混沌
就预报本身而言，就算是现今最好的天气预报计算机模式，仍然有许多改善的空间，不过它们经过更改后拿来模拟飓风却非常有用。这些模式倚赖数值方法来模拟飓风复杂的发展过程，也就是在短暂而连续的时步（time
step）内将风暴的状态估算出来。数值天气预报运算的基本假设是：大气整体的质量、能量、动量与水份，既不会生成也不会消灭。在如飓风这般的流体系统里，这些守恒量都是随着风暴的气流移动，不过，在靠近系统的边界或边缘地带，情况就会变得比较复杂，例如在海面，我们的模拟就得将大气可能获得或失去这四种守恒量的情形考虑进去。
模式工作者将大气状态定义为所有可量测的物理变量的完整描述，包括压力、温度、相对湿度以及风向、风速，这些物理量要符合计算机模拟所根据的物理性质而守恒。在大多数的天气模式里，这些可观测的变数是定义在用以表示大气的三维网格上，因此每个高度的每种性质都可以做出图形来。模式工作者把所有网格上变数值的集合，称为模式的状态。
在执行预报时，数值天气预报模式会从某一瞬间时刻以微小的时步，重复向前计算模式的状态（时步可由几秒到几分，视模式所解析的运动尺度而定）。在每个时步里，模式计算的作用包括：各种随着风改变的大气性质、蒸发过程、降水、表面摩擦以及在重要地区的长波辐射冷却与日照加热。
遗憾的是，气象预报是有瑕疵的。首先，模式的初始状态总是既不完整也不精确。飓风的初始状态尤其难确定，这是因为直接的观测稀少且不易执行。然而我们由卫星云图得知，飓风有着复杂且精密的结构，这些云图或许很有用处，但是我们需要知道更多。其次，就算有完美的初始状态，强烈热带气旋的计算机模式本来就容易出现误差。例如大气状态只在格点上计算，因此无法正确处理小于网格长度（相邻两格点的间距）的现象特征。如果模式没有非常高的分辨率，眼墙附近的结构（飓风最重要的特征）就会变得和缓而且细节不明。此外，模式和它企图模拟的真实大气一样，有着混沌的行为。上述缺陷所导致的误差，会随着预报的运算进程快速成长。
资料同化
尽管有这些限制，这个技术对我们的目标仍然非常有用。我们为实验更改出一个高效率的预报初始化系统，称之为四维变分资料同化（4DVAR）系统，其中第四维指的是时间。在欧洲中期天气预报中心（ECMWF）这个世上首屈一指的气象中心里，每天都使用这个复杂的技术来预报天气。在预报开始前，为了最有效使用所有由卫星、船舶、浮标和空飘仪器所收集的观测资料，4DVAR会将这些测量值，以及对大气初始状态有根据的首次猜测值结合起来，这个过程称为资料同化。这个首次猜测值通常是在原始观测时间点的六小时预报值。值得注意的是，4DVAR是在观测时间点当下并入每笔观测资料，而非将数小时期间的资料组合起来。观测资料与首次猜测值同化所得的结果，则用来启动下一个六小时的预报作业。
理论上，资料同化生成了对天气状态的最佳估计，模式表现在对观测值的拟合和对首次猜测值的拟合是平衡的。虽然这个问题的统计理论很明确，但是要适切地应用它所需要的假设与信息却只是个近似，因此资料同化的实际运用其实是艺术与科学参半。
具体而言，4DVAR找出的大气状态不仅能满足模式的方程序，而且也很接近首次猜测值与实际观测值。它能达成这个困难的工作，靠的是往回调整在六小时区段之初的模式初始状态，调整的根据则是在这段时间内模式所得的模拟值与观测值之间的差异量。特别的是，4DVAR利用这些差异量来计算模式的敏感度，亦即计算各参数需要多大的改变，才会在模式对观测值的拟合程度上生成影响。这个计算过程会利用到所谓的共轭模式，在时间上往回运算六小时的时间片，接着一个最佳化的程序会选出对模式初始状态最好的调整方式，使得模拟值能最接近真实飓风在这六小时之间的进展。
由于这个方法是利用对模式方程序的近似来进行调整，因此整个程序（模拟、比较、共轭模式以及最佳化）必须不断地重复来微调结果。在程序完成时，六小时模拟所得的最终状态便成为下一个六小时的首次猜测值。
当模拟出过去的某个飓风后，接着我们可以在不同时刻改变它的一个或数个特性，并且检视这些变动的效果。结果显示这类变动大部份都无疾而终，只有具某些特殊特征的扰动（能引发自我增强机制的特别型态或结构）才会不断发展至足以对飓风生成重大影响。要了解这个概念，我们可以想像有一对音叉，一个不断振动，另一个则静止不动。如果将这两个音叉调到不同的频率，静止的音叉虽然不停地受到另一个音叉造出的声波冲击，它仍然不会跟着振动；然而若两者有着相同的频率，第二个音叉将因共振反应而与前者发生共鸣。相似地，我们的挑战便是找出能生成稳定反应的正确刺激（亦即对飓风的改变），从而达到我们的需求。
平息风暴
为了探索大气系统的敏感度，能否被用来改变如飓风这般威力强大的大气现象，我们在AER的研究团队，日前针对两个发生在1992年的飓风进行了计算机模拟实验。飓风伊尼基（Iniki）在当年9月通过夏威夷群岛中的考艾岛（Kauai），造成数人死亡、庞大的财产损失、整片森林被夷为平地。飓风安德鲁（Andrew）则在8月时袭击了弗罗里达州迈阿密以南的地区，致使该区满目疮痍。
令人讶异的是，尽管当前的预报技术里有着种种缺陷，我们的首次实验立即就成功了。为了改变伊尼基的路径，我们先选定希望飓风六小时后所在的位置，大约是在原路径西方97公里。接着我们用这个目标制作出一份人造观测资料，并把它输入4DVAR中。我们让计算机去计算，要让飓风路径通过目标位置，各重要性质在初始状态所需的最小改变量。在这个早期的实验里，我们并未排除任何可能对风暴系统所做的人为改变。
最重要的改变经证实为初始的温度和风。一般跨网格的温度调整不过是摄氏几十分之一度，但是在模式最底层、风暴中心以西的地方，发生了增加将近2℃这种非常显著的改变。计算结果得到风速变化量约为每小时3~5公里，不过有几个地方速度的改变量可达每小时32公里，这是由于风暴中心的风向轻微改变之故。
虽然原始的伊尼基与调整后的版本，结构看起来几乎一模一样，然而对重要变数的改变量，实际上已经大到足以使后者在最初六小时的模拟中向西偏移，随后向北而去，考艾岛因此得以避开风暴中危害最大的风。对风暴初始条件相当微小的人为改变，透过模拟风暴的复杂非线性方程组传递，在六小时后达成预计的位置变换结果。这次实验使我们相信，在找出调节真实飓风所需要的变化上，我们的研究方向是正确的。在接下来的实验里，我们使用更高的网格分辨率来模拟飓风，并且把4DVAR的目标设置为减少财产损失。
在一次使用加入扰动的实验里，我们计算了当安德鲁飓风袭击弗州海岸时，若要限制其表面风速所需要的温度增加量。我们的目标是让初始温度的修正量越小越好（如此在真实世界越容易达成），并且在起始六小时里的最后两小时，让破坏力最强的风威力减弱。在这次的试验里，4DVAR找出了限制风灾最好的方法，就是在靠近风眼的地方对初始温度进行最大的改变。此处模拟生成的温度改变在某些位置可达2或3℃，较小的温度变化（少于0.5℃）可以延伸到距离风眼805~966公里处。这些变化特征类似波动，以飓风为中心的环状加热及冷却区交互出现。虽然一开始只有温度发生变动，但是其他重要的变数很快就都受到影响。在原始的飓风模拟案例里，具破坏力的风（时速超过90公里）六小时后就席卷了弗州南部的人口稠密地区，然而，在调控的模拟案例里，这种情况便不再出现。
而在测试这些结果的稳固程度方面，我们对一个更复杂、分辨率更高的模式版本施以同样的扰动，所得到的结果都非常相似，这表示我们的实验对个别模式选定的配置并不特别敏感。然而经过六小时之后，具破坏力的风又再度在扰动的模拟案例里出现，因此若真要保护好弗州南部，就必须再放入扰动，确实情况看起来是需要放入一连串计画好的扰动，如此才能持续掌控飓风若干时间。
谁来止雨
如果事实就像我们的结果所建议的一样，飓风内部与周围微小的温度变化，可以让它的路径往预知方向偏移，或是减慢它的风速，那么接下来的问题就是如何制造出这种扰动。当然，没人有本事瞬间改变像飓风那样庞然大物的温度，不过，加热飓风周围的空气，在一段时间内改变其温度，却是有可能做得到的
。
在我们计画进行的实验中，将会计算减弱飓风或改变其路径所需的精确大气加热型态与强度。毫无疑问的，它所需要的能量必然很大，不过绕地球轨道运行的一系列太阳能量站最后可以用来提供充足的能量。这些生产能量的卫星使用巨大的镜子将太阳光聚集在太阳能电池上，收集到的能量随后会发射到地面的微波接收器上。当前太空中的太阳能量站，是设计成将微波辐射设置在能穿越，但不会加热大气的频率，如此能量就不会浪费掉。然而，对调控天气而言，若将向下的微波频率调整成易被水气所吸收，那么就可以随心所欲地加热不同高度的大气层。不过由于雨滴能强力吸收微波，在雨云里面或下方的飓风结构将会被遮蔽，不适合用此种方法加热。
在先前的实验里，4DVAR找出温度变化最大的位置，正好是微波加热法无法作用的地方，因此我们进行了一个实验，强迫飓风中心的温度在计算最佳扰动过程中保持不变，最后的结果与原来的实验相似，不过为了弥补飓风中心初始温度的无变动，其他时间的温度变化幅度就变得很大。值得注意的是，在模拟期间，靠近风暴中心的温度变化发展极为迅速。
另一个调节强烈热带风暴的可能方法，就是在海面上覆盖一层具生物分解性的薄油膜，藉着降低海面蒸发量来直接限制飓风可使用的能量。此外，在飓风接近前数日，或者距离尚在数千里之外时，经由渐进的调节也可能对它生成影响。藉由改变大气压力等作用，喷射气流高度的大尺度风场也许会发生变化，这对飓风强度与路径就能生成重大影响。再者，对我们的日常活动稍微做些改变，也可能制造出适当的初始改变，例如改变飞机的飞行路线，使其凝结尾出现在能增加云量的位置，或是改变作物灌溉工作，使蒸发量增加或减少。
功成之后
如果未来气象调控真能奏效，那可能会引发严重的政治问题。万一人为干预造成飓风侵袭了另一个国家的领土呢？此外，即使1970年代末期联合国大会就禁止使用天气改造技术做为武器，某些国家仍然可能跃跃欲试
。
不过在关心这些事之前，我们必须先证明这个方法应用在其他大气现象上同样有效。事实上，我们认为这个技术应该率先试用来增加降雨量，然后以此为测试基础，往上扩展，将我们的概念应用在一个较小、能够装置许多感应仪器的区域内。由于空间尺度缩小了，扰动的介入可以由飞机或地面完成。如果我们对云的物理、计算机模拟，以及资料同化技术的理解，进步的速度和我所希望的一样快的话，这些改变幅度不大的试验或可在10~20年内动工；一旦成功之后，从太空来加热以进行大尺度的天气改造，将可望成为地球上各国都愿意追求的一个合理目标。
【2004-11-01/科学人/33期/P.39】
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