2009年12月18日星期五

人工影响飓风计划(1962-1983)-科学松鼠会

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人工影响飓风计划(1962-1983)

Fri, 18 Dec 2009 10:43:33 +0800

Stormfury_small按照气象学定义,飓风(发生在西北太平洋的称为台风)是指中心持续风力达到12级以上的热带气旋。飓风中心是相对平静的区域,卫星云图上可以看到一整片涡旋云区中间有个无云的眼区。围绕眼区的是一圈快速旋转并强烈上升到对流层顶的云,像是螺旋飞速向上攀升的圆形墙,又称眼壁(eyewall)。这是飓风最具破坏力的区域,最大持续风力和瞬时风力都发生在眼壁区。向外延展的对流涡旋云区也伴随着强风和暴雨,卫星观测显示这些多为螺旋向外延伸的螺旋雨带(rainband)。形象但不精确地打个比方,飓风就像一个被旋转地球、发热的海水和湿热空气一起催生出来的火爆陀螺,被中层大气环流抽着移动,所到之处狂风暴雨。飓风一旦登陆,强风、暴雨、风暴潮和洪水之类的灾害往往让无数人失去生命或者无家可归。想象一下,如果可以把飓风制服,让这群全身危险品的醉汉平静下来,成为乖乖运送淡水的扛水工人,那该多完美。就算不能一步实现,给飓风"去去火"也不错。Project STORMFURY就是当时人们所做的尝试。

1946年,Irving Langmuir等人发现云种播撒产生降水的机制。干冰粉和碘化银粉末可以促使云产生冰晶,因为云中存在很多在零度以下仍为液态的过冷水。这些过冷水遇到干冰或碘化银会迅速结晶,并快速增长成冰晶或雪片,这样能帮助云层产生降水。Irving Langmuir随后把这个理念带到飓风领域。尽管有质疑的声音,美国通用电器公司,美国陆军通信兵、美国空军、美国海军合作进行第一个人工影响飓风的计划–Project Cirrus。1947年11月13日,第8号飓风正由西向东移动,远离佐治亚州和北卡罗来纳州海岸。一架飞机在飓风外围雨带播撒下约36公斤的干冰粉末。随后据机组人员所说,云层出现了很明显的改变,但是没有任何观测显示飓风的结构和强度有所变化。之后飓风突然转头向西行进,并在佐治亚州和南卡罗来纳州登陆。这引起公众强烈不满,Irving Langmuir也在报告中声称飓风转向是由于人工干扰造成的。这项计划被迫取消,甚至被威胁将被起诉。后来因为1096年曾出现过一例类似的异常转向,而且观测记录显示第8号飓风在播撒干冰之前已有迹象将转向。这样他们才免于被起诉。人工影响飓风计划就此搁浅。

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1947年第八号飓风路径图

1954年和1955年两年内6个强飓风袭击美国东海岸,导致近400人死亡。飓风带来的伤亡和财产损失的惨痛刺激政府开始重视飓风研究。1955年美国气象局成立飓风研究课题(National Hurricane Research Project, NHRP),其中一个宗旨就是试图影响或改变飓风。科学家们认为,眼壁附近区的空气非常不稳定。如果进行云种撒播,冰晶过程释放的热量会对眼区的气压场产生扰动,眼壁的不稳定被激发而向外扩张。根据角动量守恒原理,最大持续风速就会降低。时隔14年,1961年9月16日,NHRP和美国海军合作,向飓风 Esther眼壁播撒了大量碘化银,风速减弱10%。第二天他们继续播撒碘化银,但是不在眼壁区以内,风速没有减弱。这组对比试验被认为成功地证实了当时的科学假想。

1962年整年没有适合计划的热带气旋出现。终于等到1963年8月飓风Beulah的出现,Stormfury迫不及待地开始飞行。23 日,Beulah的眼区还不明显,最大持续风速约为40米每秒,尚未达到强飓风(major hurricane)的强度。Stormfury播撒出现错误,将碘化银撒到外围区域,观测没有显示任何强度变化。第二天,Beulah发展出明显的眼区,最大持续风速达到50米每秒。当飞机将碘化银播撒到目标位置,在外围新的眼壁开始形成,最大风速减弱20%,最大风速半径也外扩到新的眼区位置。这样的结果看似又一次证实了Stormfury提出的科学假想。随后Stormfury计划的科学假想也考虑了动力学因素,在冰晶形成的过程中,不但有能量释放,产生的浮力也增强了云团中的对流上升运动。如果在眼壁区以外的强大积云塔中播撒,将加强积云塔的对流活动并产生新的眼壁。新的眼壁夺走原先眼壁的水汽和动量输送发展起来并取代旧的眼壁。这样的眼壁外扩的过程将减弱飓风的强度。但是Stormfury计划证明这个科学假想的过程存在一个逻辑缺陷,不过被观测证实已经是20年以后 ��事了。

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Stormfury计划示意图

1965年Stormfury项目计划对飓风Betsy进行播撒,并对媒体通报了这件事。但是,飓风Betsy突然折向,奔向陆地。于是 Stormfury取消了飞行计划。之后飓风Betsy在佛罗里达州登陆。但是很多媒体没有接到Stormfury飞行取消的通知,仍然在宣传。公众和国会以为Stormfury计划又把"祸水"引来。Stormfury计划花了两个月时间说服国会相信他们跟飓风Betsy无关。之后几年到直到1969年飓风Debbie之前,不是由于飓风季节不够活跃,就是因为飓风的位置太靠近陆地或者离陆地太远,Stormfury计划一直没有机会进行播撒试验。飓风 Debbie符合Stormfury计划的飓风减弱理论所有的要求:位置适当,强度够强,眼区明显。两次播撒以后,飓风风速分别减弱31%和18%。这第三次证实了Stormfury计划的科学假想。他们满心希望地准备扩大试验范围和频率,把在这几年来改进了的播撒设备和观测设备充分发挥。可惜天公不作美,70年代初西北大西洋飓风活动非常不频繁,没有出现任何适合Stormfury播撒的飓风。1971年Stormfury尝试对飓风Ginger播撒。这个飓风强度较弱而且眼区不明显,播撒以后没有出现任何改变。美国海军退出该计划,而且项目使用的飞机也到达了操作年限。项目重造了两架 Lockheed WP-3D飞机。加上美国大气海洋局的一架C-130B,美国空军一架WC-130H和美国宇航局的一架Convair 990, 5架飞机可以更好地观测播撒和飓风强度的变化之间的关系。西北大西洋缺乏试验对象迫使Stormfury计划寻求在北太平洋和其他海域试验的机会。 Stormfury计划无法证明播撒过程是否会改变飓风的过程和路径,于是基于安全和其他考虑,没有国家同意在邻近海域进行试验。于是1971年对飓风 Ginger的播撒试验成为Stormfury计划最后一个飓风试验。

70年代开始,随着计算机等设备的不断发展,科学家们逐渐具备各自分析和研究的能力,不再依赖Stormfury计划这样庞大的政府计划。 Stormfury计划失去了政治上的优势。在飓风播撒期间,Stormfury计划也在观测和播撒普通积云。观测发现和普通积云不同,飓风中存在很少的过冷水,这并不适合云种播撒增加降水的机制。另一方面,1977年飓风Anita和1979年飓风David都出现新的眼壁在外围发展并取代旧的眼壁过程。人们开始怀疑之前Stormfury计划几次所谓成功干扰飓风强度的播撒试验,很可能是正好碰到飓风自身演变。Stormfury计划不得不承认其无论是云物理学还是统计学上都是不可靠的。1983年Stormfury计划正式叫停,留下很多宝贵的观测资料设备和八卦故事供后来的研究者反复引用。

参考文献和图片来源:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Stormfury

2. http://www.aoml.noaa.gov/hrd/hrd_sub/sfury.html

3. Willoughby, H. E., D. P. Jorgensen, R. A. Black, and S. L. Rosenthal, 1985: Project STORMFURY, A Scientific Chronicle, 1962-1983, Bull. Amer. Meteor. Soc., 66, 505-514

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