氣象問題漫談
朱雨心
不久前與人閑聊起近來中國西南五省幹旱的問題以及治理沙漠的問題。我一直有些想法，以前也曾經許諾過網友要談一下人工影響氣象（主要是降雨）的問題，但是，一直以來有空的時候都用於談論國家、民族的大事。其實，我對技術問題的興趣遠遠超過政治問題。但是，技術問題常常有重大利益在其中，不便公開談，否則，我就成了“毫不利己，專門利人”的“活雷鋒”了。氣象問題，是公益性的技術問題，倒是不妨公開討論。
然而，氣象問題非常複雜。一個著名的誇張的說法：亞馬遜森林中一隻蝴蝶扇了幾下翅膀，導致在美國發生了龍卷風。雖然如此，還是有些規律可循。
一．大氣環流
由於地球的自轉，在地球上運動的物體受到一個額外的力的作用，這個力叫柯裏奧利力。水平方向運動的物體，在柯裏奧利力的作用下，在北半球會向右偏轉，在南半球會向左偏轉。所以，遠程大炮射擊時，有必要修正柯裏奧利力的作用，但是在北半球的修正的方向，與在南半球的正相反。以前軍隊整天窩在家裏，不需要考慮這其中不同。現在，“走出國門”，軍艦、飛機有可能在南半球操作，別忘了在南半球所需的修正是相反的。弄錯了，炮就打不準了。所以，我懷疑：北半球的“神槍手”在南半球打槍、或射箭，成績可能會差些，因為在北半球的習慣性修正在南半球恰恰正好是錯誤的方向。受柯裏奧利力的作用，北半球的河流右岸的衝刷會比左岸的嚴重（若其它因素不計）。北半球的水流或氣流的漩渦是逆時針轉，而南半球的是順時針轉。同樣是因為柯裏奧利力的作用，自由落體並不是真正的垂直落下，而是會向東偏移。
氣象問題最基本的因素，一個就是這個柯裏奧利力，另一個當然就是太陽。空氣的主要成分氮氣和氧氣，基本上是不吸收太陽輻射的，隻有二氧化碳和水汽能吸收部分太陽輻射。空氣被太陽輻射直接加熱的程度非常有限。空氣主要是被地球表麵的溫度加熱的。赤道地區受太陽照射最強烈，地球表麵的空氣被加熱後，溫度升高，變輕，向上運動。這個向上運動，在赤道地區的低空，產生一個低氣壓，稱為：赤道低壓帶。於是，在低空，赤道地區兩側的空氣向赤道地區流動。而受熱的空氣升到高空後，向赤道地區的南北兩側流動。起初，這是向北的氣流，也就是南風（這裏，我們隻討論北半球），但是，在柯裏奧利力的作用下，氣流要向右偏轉，也就是向東偏轉，到了維度30度上下時，這股氣流已經偏轉成了向東的氣流了，而不再往北走了。於是，隻能往下走，在低空形成一個高氣壓，稱為：“副熱帶高氣壓帶”。低空的空氣，由副熱帶高氣壓帶，向南流向赤道低壓帶。這個循環就稱為：“低緯度環流”。開始時，低空的氣流是一股北風，但是，在柯裏奧利力的作用下，氣流要向右偏轉，也就是向西偏轉，就成了東北風。這就是赤道兩側的低緯度地區的“信風”，也稱“貿易風”。也稱赤道兩側的低緯度地區為：“信風帶”。而赤道地區本身是沒有風的，稱為：“赤道無風帶”（不是什麽風都沒有，而是沒有前麵講的那樣的“大氣環流”風）。所以，帆船過赤道應該靠近大陸走；如果在大洋（例如太平洋）中間過赤道，可能過不了，或是走的很慢。
副熱帶高氣壓帶的作用下，低空的空氣，也從副熱帶高氣壓帶，向北流動。本來這是個南風，但是，在柯裏奧利力的作用下，氣流要向右偏轉，也就是向東偏轉，於是就成了西南風。所以，中緯度地區的大氣環流，在中緯度地區，大致在維度30 至60度，形成所謂的：“西風帶”，或“盛行西風帶”。大致維度60度的地區的低空，是一個低氣壓帶，稱為：“副極地低氣壓帶”。高緯度地區的大氣環流稱為：極地環流。而在極地的低空是“極地高氣壓帶”
赤道地區的空氣在上升的過程中，溫度逐步下降，水汽就變成過飽和，從而析出成為雲，再發展 成雨。赤道地區幾乎天天下雨。而在“副熱帶高氣壓帶”，高空幹燥的空氣向下沉降，並向南北流動。這樣的氣流，不但不帶來降雨，而且還將地麵的水汽帶走。所以，“信風” 是幹冷的風。“副熱帶高氣壓帶”地區通常也比較幹燥。地球上的沙漠大都在維度20 至30度之間，就是因為這個大氣環流造成的。
而處於“西風帶”的地區，西南風從海洋或南方帶來了濕潤的空氣，降水比較多，而且降水受季節的影響比較小。所以，歐洲大部分地區以及北美中緯度太平洋沿岸，溫暖、多雨。
二．水庫與植被對降雨的影響
中國長江以南正在維度20 至30度之間，但是並不幹燥，也沒有成為沙漠，這是因為除了前麵講的全球大氣候的作用外，還有東亞小氣候的作用。
中國的雨水，主要來源於季風。春夏之際，在太陽的照射下，地球表麵的溫度上升。陸地的溫度上升的快，海洋的溫度上升的慢。於是在陸地與海洋之間形成的溫度差。陸地的溫度高，空氣受熱上升，在低空形成低氣壓；海洋溫度低，在低空形成了高氣壓。空氣從高氣壓的海洋流向低氣壓的內陸，給陸地帶去了水汽。在低氣壓的地方，空氣上升（其實，因果關係是：因為空氣受熱上升，而在低空形成低氣壓），空氣升到高空後，溫度降低，如果空氣中含水汽比較多，就有可能過飽和，從而析出水汽，形成雲，雲再發展就有可能降雨。而秋冬之際，情況正好反過來。陸地的溫度下降的快，海洋的溫度下降的慢。於是海洋的溫度高，空氣受熱上升，形成低氣壓；陸地的溫度低，形成了高氣壓。空氣從高氣壓的內陸流向低氣壓的海洋，於是，空氣幹燥，少雨。這種，由於大陸及鄰近海洋之間存在的溫度差異而形成大範圍的、風向隨季節有顯著變化的風係，稱為：“季風”。中國地處歐亞大陸與太平洋之間，季風顯著。也正因為季風顯著，中國的降雨在時間和空間分布上都很不均勻，所以，中國特別需要建水庫，以調節水量。
從季風的角度講，陸地與海洋的溫差越大，季風也越大，降雨也就可能更多。修築水庫、植樹造林，都是使地麵的升溫或降溫更緩慢，從而會減少陸地與海洋的溫差。因此，定性地講，修築水庫與植樹造林都是會減少由季風帶來的雨水的。水庫越多，森林越多，由季風帶來的雨水就越少。所以，從大範圍看，修築水庫和植樹造林，不能增加水源，反而是減少水源。水庫和樹林的功能，是滯留雨水，從而改善對雨水的利用。
從局部看，白天，在太陽的照射下，水庫升溫慢，周圍的陸地升溫快。水庫與其周圍的陸地之間的溫度差造成氣壓差，從而引起空氣對流。水庫是高氣壓，其周圍的陸地是低氣壓，風從水庫吹向周圍的陸地。晚上，水庫降溫慢，周圍的陸地降溫快。水庫是低氣壓，其周圍的陸地是高氣壓，風從周圍的陸地吹向水庫。在低氣壓的地方，空氣上升。空氣升到高空後，有可能析出水汽，形成雲，雲再發展就有可能降雨。但是，這個局部的溫差很有限，上升的氣流，升不了多高，未必能析多少水汽，因此，雖然有風，卻未必有雨。當然，這樣的對流多少能增加空氣的濕度，如果其中的水汽能被某個降雨過程所利用，或許能增加些局部的雨量。
樹木要比草地與光禿土地蒸發更多的水分，而蒸發掉的水分通常未必變成雨再下到原地。所以，如果那個地方雨水很少，例如，沙漠，植樹造林，隻會使土地更幹旱，樹還是活不成的。絕大多數沙漠，是不能用植樹造林的辦法來改造的，隻有增加降雨（或不計成本，人工灌溉）才能改造沙漠。隻有當年降雨量，達到了某種植物的年需水量，那種植物才有生存的可能，也隻有這時才有可能運用某些保持水份的措施，來盡可能提高對雨水的利用，包括利用植物本生對雨水的滯留。所以，人工改造沙漠的關鍵，不是植樹造林，也不是提高對雨水的利用的技術措施，而是人工改變氣候，從而增加雨水。隻要雨水增加到一定的程度，草木是自己會長出來的。當然，加上人工幹預，草木會長的更快、更好些。一般而言，草所需要的水分比樹木，所以，改造沙漠或幹旱地區， 應該首先是設法種草；水更多了，才能考慮種樹。
三，風車問題
修建風車，尤其是在沿海修建風車，是妨礙季風的，因此，定性地講，也是會減少由季風帶來的降雨的。當然，倘若隻建少量的風車，代表一下“先進文化”，那不至於會有明顯影響。但是，倘若真的把它當回事，成千上萬大規模地豎起風車來，那可能就有明顯的影響了。一隻蝴蝶扇了幾下翅膀，都有可能在千裏之外弄出龍卷風來（盡管是說說而已），這成千上萬的巨型風車扇起來，很可能影響氣候。直觀的看，東南沿海地區的風車，在春夏之際，最好不要運行，以便讓從海洋來的濕熱空氣，盡可能地深入內陸。
在內陸建風車，定性地講，當然也是妨礙空氣流動的，數量多了，也是會改變氣候的。是有利的改變，還是不利的改變，都要具體分析後才能知道。簡單的把風車當作“綠色能源”是不正確的。少量的風車，對氣候可能沒有明顯的影響，當然，對能源的貢獻，也是微不足道，這時，風車是“綠色能源”。倘若風車多到對能源的貢獻不再是微不足道時，對氣候的影響也可能不再是微不足道，那時，風車隻怕就不再是“綠色能源”了。
西北地區，例如新疆以及河西走廊的風，應該是西風帶的風。西風帶的風本來應該是溫暖、濕潤的。但是新疆離海洋太遠了，風裏水分也許是不多了，但是，應該還是比沒有風好。所以，在新疆以及河西走廊地區，大規模地修建風車，定性地講，也妨礙西風帶的氣流流動的，因此隻會使西北更幹旱。影響究竟有多大，要具體分析。總的來說，以環保為動機修建風車，很可能得不償失的。
理論上講，最好是在南半球的西風帶上建風車。南半球的西風帶，幾乎都是海洋，沒有什麽擋風的東西，所以常年大風不停，刮的海水都由西往東流。在那裏，空中可以建風車，水下還可以建“水車”，效率特別高。麻煩之處在於：其一，海上立風車不方便，那一帶水淺能打樁的地方不多，大多數地方隻能用浮筒（例如船），還有錨固的問題。其二，那裏離人口中心太遠，輸電不便。但是，倘若暫且不計這些不方便，在南半球的西風帶上建風車，除了發電效率特別高外，還有一些氣象上的有利之處。
因為，定性地講，這些風車是阻礙南半球的大氣環流的。影響有多大，那要看風車的規模有多大。而大氣環流的總的效果是：熱帶的暖空氣與極地的冷空氣之間的對流。所以，阻礙南半球的大氣環流的後果是：南極變的更冷。這樣，有利於抵消因為地球平均氣溫上升而造成南極冰川融化的影響。隻要南極冰川不融化，海水不因此而上漲，地球平均氣溫上升一些本沒有什麽害處，反倒有不少好處。另一方麵，南半球的大氣環流受阻，必然促進北半球的大氣環流，從而使北半球升溫，並有利於雨水的增加，和植物物的生長。
太陽能發電的情況與風車發電在某些方麵有些類似。少量的太陽能發電，對氣候的影響微不足道，當然，對能源的貢獻，也是微不足道。當太陽能發電多到對能源的貢獻不再是微不足道時，對氣候就可能也是不再是微不足道。光伏電池的效率大致在10% 到20%。太陽能鍋爐的發電效率大致在30%。植物對太陽能的利用效率大致是1%。除了這些被利用的太陽能，太陽輻射的其餘部分，一份被反射，其餘的部分被吸收變成熱。利用太陽能對氣候的影響，在於變成熱的那一部分能量，是比原先多，還是比原先少。倘若比原先多，則太陽能發電會導致升溫；倘若比原先少，則太陽能發電多半會導致降溫溫。溫度的改變會影響氣候。
四．人工影響氣候
毛主席說“人定勝天”。從正確方麵去解釋，在一定限度之內，這話是不錯的。就人工影響氣候而言，在一定限度之內，這是可以實現的。例如，人工降雨，就是在一個很小時間和空間的裏，在一個很小的限度之內，人工影響氣候的方法。人工降雨，是在有雲、或者至少是有比較充足的水汽，這樣一個限度之內實現的。更進一步，就是人工控製水汽的輸送。例如，前麵講的巨型風車，成千上萬，甚至幾十萬的巨大風車，某個時候，都反過來當電風扇用了（可以設計成是風車-風扇兩用。這在技術上沒有問題），就能在一定限度之內，人工控製水汽的輸送。這在技術上是可以實現的。有沒有必要那樣做，那是另外一回事。如果綠化沙漠是個宗教使命，我們不計代價，專門建個巨大的核電站，以及巨大的海水淡化廠，在沙漠裏每一百米裝個噴灌頭，每天噴水，那沙漠馬上就變成綠州了。這些在技術上都沒有任何障礙。有沒有必要這樣做，那是另外一回事。或許有一天，國家被資本主義經濟規律（或曰：市場經濟規律）逼得走投無路，需要製造就業機會、開拓市場、擴大內需之類，不妨就去幹這個綠化沙漠的事，這比發放什麽“消費券”之類，更積極些，也沒有發動戰爭之類那麽嚇人。
就中國的氣候而言，在大範圍內人工影響氣候，可以首先考慮：把長江流域的梅雨北移到華北地區。這可能比較容易實現，效果也比較明顯。梅雨時，江南雨水過剩。而且長時間的陰雨，妨礙農作物的光合作用，影響產量。梅雨北移，有利於江南的農業生產，也使江南的氣候更加宜人，而華北地區可以得到不少雨水和熱量，有利於華北地區的農業生產，也會使華北地區的氣候更加宜人，生態環境更加改善。要使梅雨北移，必須要改變大氣的溫度、壓力平衡。以當前的技術，改變平衡的方法，最可行的，一是微波輻射，也就向大氣人工輻射微波。要研究人工輻射微波對氣候的影響，找出人工輻射微波對所需的氣候效果（例如：梅雨北移）最明顯的地點、時間（即，輻射微波的地點、時間）、和所需的微波能量。這些，在一定限度之內，在技術上都是能辦到的。經濟上是否可行，取決於所需的微波能量的大小。另一個改變大氣溫度、壓力平衡的方法就是前麵講的巨型風車-風扇。這在一定限度之內，技術上沒有問題，有沒有必要這樣做，那是另外一回事。經濟上是否可行，取決於所需的風車-風扇（陣）規模的大小
在某種意義上講，我們希望氣象這個係統非常不穩定，希望真的一隻蝴蝶扇了幾下翅膀，都能導致龍卷風，因為，如果真是那樣，那麽，一旦我們知道了訣竅，我們隻需要在適當的地點、時間，用一台風車-風扇（這比那蝴蝶強大幾百萬倍），扇幾下就行了, 或是隻要少量的微波輻射加熱一下就行了。我倒是認為，所謂的非常不穩定，隻是那個數學模型非常不穩定，氣象本身實際上並不是那麽不穩定。
在中國，大範圍內人工影響氣候的另一個可以優先考慮的項目，是幫助印度洋來的水汽翻越念青唐古拉山。技術手段還是微波輻射加巨型風車-風扇。在藏南適當的地點，建立一係列微波輻射站和巨型風車-風扇。比較合適的地點，應該是在雅魯藏布江大峽穀附近。在風向適合以及印度洋來的水汽比較充足的季節，開動微波輻射站和巨型風車-風扇陣。這樣能增加青藏高原東部的降雨，對改善西北的幹旱也會有些幫助。這些，在一定限度之內，在技術上都是能辦到的。有沒有必要這樣做，那是另外一回事。所增加的黃河、長江、瀾滄江、以及怒江的水量還能增加不少發電量，能夠補償開動微波輻射站和巨型風車-風扇陣所耗的電能。
人工影響氣候的另一個技術手段是改變地表對陽光的吸收，以增加或降低溫度。例如，大範圍布撒黑色的鋁箔或塑料碎片，或布撒高反射的鋁箔或鍍鋁塑料碎片。但是，這些隻有在沒有植被的荒漠地區才可能實施，而且，容易被雨水衝走，或被雪覆蓋，需要經常不斷地布撒，很不方便。成本不低。又不能隨意精確控製，效果不如微波輻射和巨型風車-風扇。改變植被的數量或種類，也能在一定限度之內改變地表對陽光的吸收。
在更大的規模上人工影響氣候，可以考慮在太空中設置巨型反光鏡和遮陽板，將陽光反射到需要增加溫度的地方，或是將需要降溫的地方的陽光遮住。反光鏡和遮陽板都可以用鋁箔。例如，50米寬的鋁箔，卷成三四米直徑的園筒，用火箭發射到太空，然後展開，可以形成很大一個鏡麵，這在技術上可以辦到。還可以再將幾條鋁箔接起來，形成一個更大的鏡麵。這在技術上也可以辦到。維持鏡麵的形狀，簡單的方法是將鋁箔固定在一個框架上。太空中，框架是可以很輕巧的。要隨意移動反光鏡的位置和指向，必須要裝火箭發動機。可以采用電火箭（即，離子火箭），推力小而持續，容易精確控製，比較適用。電源可由附設的太陽能電池板提供。很大的鏡麵最好不用框架，以簡化結構、降低成本。理論上講，隻要控製住鋁箔（反光鏡）的四個角（矩形的反光鏡），或三個角（三角形的反光鏡）的位置，就能控製反光鏡的位置和指向。所以隻需在每個角上各裝一台火箭就可以了。當然，火箭必須要控製的非常精確，既能將鋁箔繃緊，又不會將鋁箔拉破。可以在鋁箔（反光鏡）的每個角之間各拉上一根細鋼絲，這樣，就不用擔心會將鋁箔拉破，對火箭的控製的要求就可以大大地降低，在技術上更容易辦。
到了這個程度，我們就能夠在一個相當大的限度之內，人工影響氣候，你就是要在撒哈拉大沙漠裏下雨，估計都能辦到。
朱雨心 2010年5月15日。
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