气象问题漫谈
朱雨心
不久前与人闲聊起近来中国西南五省干旱的问题以及治理沙漠的问题。我一直有些想法，以前也曾经许诺过网友要谈一下人工影响气象（主要是降雨）的问题，但是，一直以来有空的时候都用于谈论国家、民族的大事。其实，我对技术问题的兴趣远远超过政治问题。但是，技术问题常常有重大利益在其中，不便公开谈，否则，我就成了“毫不利己，专门利人”的“活雷锋”了。气象问题，是公益性的技术问题，倒是不妨公开讨论。
然而，气象问题非常复杂。一个著名的夸张的说法：亚马逊森林中一只蝴蝶扇了几下翅膀，导致在美国发生了龙卷风。虽然如此，还是有些规律可循。
一．大气环流
由于地球的自转，在地球上运动的物体受到一个额外的力的作用，这个力叫柯里奥利力。水平方向运动的物体，在柯里奥利力的作用下，在北半球会向右偏转，在南半球会向左偏转。所以，远程大炮射击时，有必要修正柯里奥利力的作用，但是在北半球的修正的方向，与在南半球的正相反。以前军队整天窝在家里，不需要考虑这其中不同。现在，“走出国门”，军舰、飞机有可能在南半球操作，别忘了在南半球所需的修正是相反的。弄错了，炮就打不准了。所以，我怀疑：北半球的“神枪手”在南半球打枪、或射箭，成绩可能会差些，因为在北半球的习惯性修正在南半球恰恰正好是错误的方向。受柯里奥利力的作用，北半球的河流右岸的冲刷会比左岸的严重（若其它因素不计）。北半球的水流或气流的漩涡是逆时针转，而南半球的是顺时针转。同样是因为柯里奥利力的作用，自由落体并不是真正的垂直落下，而是会向东偏移。
气象问题最基本的因素，一个就是这个柯里奥利力，另一个当然就是太阳。空气的主要成分氮气和氧气，基本上是不吸收太阳辐射的，只有二氧化碳和水汽能吸收部分太阳辐射。空气被太阳辐射直接加热的程度非常有限。空气主要是被地球表面的温度加热的。赤道地区受太阳照射最强烈，地球表面的空气被加热后，温度升高，变轻，向上运动。这个向上运动，在赤道地区的低空，产生一个低气压，称为：赤道低压带。于是，在低空，赤道地区两侧的空气向赤道地区流动。而受热的空气升到高空后，向赤道地区的南北两侧流动。起初，这是向北的气流，也就是南风（这里，我们只讨论北半球），但是，在柯里奥利力的作用下，气流要向右偏转，也就是向东偏转，到了维度30度上下时，这股气流已经偏转成了向东的气流了，而不再往北走了。于是，只能往下走，在低空形成一个高气压，称为：“副热带高气压带”。低空的空气，由副热带高气压带，向南流向赤道低压带。这个循环就称为：“低纬度环流”。开始时，低空的气流是一股北风，但是，在柯里奥利力的作用下，气流要向右偏转，也就是向西偏转，就成了东北风。这就是赤道两侧的低纬度地区的“信风”，也称“贸易风”。也称赤道两侧的低纬度地区为：“信风带”。而赤道地区本身是没有风的，称为：“赤道无风带”（不是什么风都没有，而是没有前面讲的那样的“大气环流”风）。所以，帆船过赤道应该靠近大陆走；如果在大洋（例如太平洋）中间过赤道，可能过不了，或是走的很慢。
副热带高气压带的作用下，低空的空气，也从副热带高气压带，向北流动。本来这是个南风，但是，在柯里奥利力的作用下，气流要向右偏转，也就是向东偏转，于是就成了西南风。所以，中纬度地区的大气环流，在中纬度地区，大致在维度30 至60度，形成所谓的：“西风带”，或“盛行西风带”。大致维度60度的地区的低空，是一个低气压带，称为：“副极地低气压带”。高纬度地区的大气环流称为：极地环流。而在极地的低空是“极地高气压带”
赤道地区的空气在上升的过程中，温度逐步下降，水汽就变成过饱和，从而析出成为云，再发展 成雨。赤道地区几乎天天下雨。而在“副热带高气压带”，高空干燥的空气向下沉降，并向南北流动。这样的气流，不但不带来降雨，而且还将地面的水汽带走。所以，“信风” 是干冷的风。“副热带高气压带”地区通常也比较干燥。地球上的沙漠大都在维度20 至30度之间，就是因为这个大气环流造成的。
而处于“西风带”的地区，西南风从海洋或南方带来了湿润的空气，降水比较多，而且降水受季节的影响比较小。所以，欧洲大部分地区以及北美中纬度太平洋沿岸，温暖、多雨。
二．水库与植被对降雨的影响
中国长江以南正在维度20 至30度之间，但是并不干燥，也没有成为沙漠，这是因为除了前面讲的全球大气候的作用外，还有东亚小气候的作用。
中国的雨水，主要来源于季风。春夏之际，在太阳的照射下，地球表面的温度上升。陆地的温度上升的快，海洋的温度上升的慢。于是在陆地与海洋之间形成的温度差。陆地的温度高，空气受热上升，在低空形成低气压；海洋温度低，在低空形成了高气压。空气从高气压的海洋流向低气压的内陆，给陆地带去了水汽。在低气压的地方，空气上升（其实，因果关系是：因为空气受热上升，而在低空形成低气压），空气升到高空后，温度降低，如果空气中含水汽比较多，就有可能过饱和，从而析出水汽，形成云，云再发展就有可能降雨。而秋冬之际，情况正好反过来。陆地的温度下降的快，海洋的温度下降的慢。于是海洋的温度高，空气受热上升，形成低气压；陆地的温度低，形成了高气压。空气从高气压的内陆流向低气压的海洋，于是，空气干燥，少雨。这种，由于大陆及邻近海洋之间存在的温度差异而形成大范围的、风向随季节有显著变化的风系，称为：“季风”。中国地处欧亚大陆与太平洋之间，季风显著。也正因为季风显著，中国的降雨在时间和空间分布上都很不均匀，所以，中国特别需要建水库，以调节水量。
从季风的角度讲，陆地与海洋的温差越大，季风也越大，降雨也就可能更多。修筑水库、植树造林，都是使地面的升温或降温更缓慢，从而会减少陆地与海洋的温差。因此，定性地讲，修筑水库与植树造林都是会减少由季风带来的雨水的。水库越多，森林越多，由季风带来的雨水就越少。所以，从大范围看，修筑水库和植树造林，不能增加水源，反而是减少水源。水库和树林的功能，是滞留雨水，从而改善对雨水的利用。
从局部看，白天，在太阳的照射下，水库升温慢，周围的陆地升温快。水库与其周围的陆地之间的温度差造成气压差，从而引起空气对流。水库是高气压，其周围的陆地是低气压，风从水库吹向周围的陆地。晚上，水库降温慢，周围的陆地降温快。水库是低气压，其周围的陆地是高气压，风从周围的陆地吹向水库。在低气压的地方，空气上升。空气升到高空后，有可能析出水汽，形成云，云再发展就有可能降雨。但是，这个局部的温差很有限，上升的气流，升不了多高，未必能析多少水汽，因此，虽然有风，却未必有雨。当然，这样的对流多少能增加空气的湿度，如果其中的水汽能被某个降雨过程所利用，或许能增加些局部的雨量。
树木要比草地与光秃土地蒸发更多的水分，而蒸发掉的水分通常未必变成雨再下到原地。所以，如果那个地方雨水很少，例如，沙漠，植树造林，只会使土地更干旱，树还是活不成的。绝大多数沙漠，是不能用植树造林的办法来改造的，只有增加降雨（或不计成本，人工灌溉）才能改造沙漠。只有当年降雨量，达到了某种植物的年需水量，那种植物才有生存的可能，也只有这时才有可能运用某些保持水份的措施，来尽可能提高对雨水的利用，包括利用植物本生对雨水的滞留。所以，人工改造沙漠的关键，不是植树造林，也不是提高对雨水的利用的技术措施，而是人工改变气候，从而增加雨水。只要雨水增加到一定的程度，草木是自己会长出来的。当然，加上人工干预，草木会长的更快、更好些。一般而言，草所需要的水分比树木，所以，改造沙漠或干旱地区， 应该首先是设法种草；水更多了，才能考虑种树。
三，风车问题
修建风车，尤其是在沿海修建风车，是妨碍季风的，因此，定性地讲，也是会减少由季风带来的降雨的。当然，倘若只建少量的风车，代表一下“先进文化”，那不至于会有明显影响。但是，倘若真的把它当回事，成千上万大规模地竖起风车来，那可能就有明显的影响了。一只蝴蝶扇了几下翅膀，都有可能在千里之外弄出龙卷风来（尽管是说说而已），这成千上万的巨型风车扇起来，很可能影响气候。直观的看，东南沿海地区的风车，在春夏之际，最好不要运行，以便让从海洋来的湿热空气，尽可能地深入内陆。
在内陆建风车，定性地讲，当然也是妨碍空气流动的，数量多了，也是会改变气候的。是有利的改变，还是不利的改变，都要具体分析后才能知道。简单的把风车当作“绿色能源”是不正确的。少量的风车，对气候可能没有明显的影响，当然，对能源的贡献，也是微不足道，这时，风车是“绿色能源”。倘若风车多到对能源的贡献不再是微不足道时，对气候的影响也可能不再是微不足道，那时，风车只怕就不再是“绿色能源”了。
西北地区，例如新疆以及河西走廊的风，应该是西风带的风。西风带的风本来应该是温暖、湿润的。但是新疆离海洋太远了，风里水分也许是不多了，但是，应该还是比没有风好。所以，在新疆以及河西走廊地区，大规模地修建风车，定性地讲，也妨碍西风带的气流流动的，因此只会使西北更干旱。影响究竟有多大，要具体分析。总的来说，以环保为动机修建风车，很可能得不偿失的。
理论上讲，最好是在南半球的西风带上建风车。南半球的西风带，几乎都是海洋，没有什么挡风的东西，所以常年大风不停，刮的海水都由西往东流。在那里，空中可以建风车，水下还可以建“水车”，效率特别高。麻烦之处在于：其一，海上立风车不方便，那一带水浅能打桩的地方不多，大多数地方只能用浮筒（例如船），还有锚固的问题。其二，那里离人口中心太远，输电不便。但是，倘若暂且不计这些不方便，在南半球的西风带上建风车，除了发电效率特别高外，还有一些气象上的有利之处。
因为，定性地讲，这些风车是阻碍南半球的大气环流的。影响有多大，那要看风车的规模有多大。而大气环流的总的效果是：热带的暖空气与极地的冷空气之间的对流。所以，阻碍南半球的大气环流的后果是：南极变的更冷。这样，有利于抵消因为地球平均气温上升而造成南极冰川融化的影响。只要南极冰川不融化，海水不因此而上涨，地球平均气温上升一些本没有什么害处，反倒有不少好处。另一方面，南半球的大气环流受阻，必然促进北半球的大气环流，从而使北半球升温，并有利于雨水的增加，和植物物的生长。
太阳能发电的情况与风车发电在某些方面有些类似。少量的太阳能发电，对气候的影响微不足道，当然，对能源的贡献，也是微不足道。当太阳能发电多到对能源的贡献不再是微不足道时，对气候就可能也是不再是微不足道。光伏电池的效率大致在10% 到20%。太阳能锅炉的发电效率大致在30%。植物对太阳能的利用效率大致是1%。除了这些被利用的太阳能，太阳辐射的其余部分，一份被反射，其余的部分被吸收变成热。利用太阳能对气候的影响，在于变成热的那一部分能量，是比原先多，还是比原先少。倘若比原先多，则太阳能发电会导致升温；倘若比原先少，则太阳能发电多半会导致降温温。温度的改变会影响气候。
四．人工影响气候
毛主席说“人定胜天”。从正确方面去解释，在一定限度之内，这话是不错的。就人工影响气候而言，在一定限度之内，这是可以实现的。例如，人工降雨，就是在一个很小时间和空间的里，在一个很小的限度之内，人工影响气候的方法。人工降雨，是在有云、或者至少是有比较充足的水汽，这样一个限度之内实现的。更进一步，就是人工控制水汽的输送。例如，前面讲的巨型风车，成千上万，甚至几十万的巨大风车，某个时候，都反过来当电风扇用了（可以设计成是风车-风扇两用。这在技术上没有问题），就能在一定限度之内，人工控制水汽的输送。这在技术上是可以实现的。有没有必要那样做，那是另外一回事。如果绿化沙漠是个宗教使命，我们不计代价，专门建个巨大的核电站，以及巨大的海水淡化厂，在沙漠里每一百米装个喷灌头，每天喷水，那沙漠马上就变成绿州了。这些在技术上都没有任何障碍。有没有必要这样做，那是另外一回事。或许有一天，国家被资本主义经济规律（或曰：市场经济规律）逼得走投无路，需要制造就业机会、开拓市场、扩大内需之类，不妨就去干这个绿化沙漠的事，这比发放什么“消费券”之类，更积极些，也没有发动战争之类那么吓人。
就中国的气候而言，在大范围内人工影响气候，可以首先考虑：把长江流域的梅雨北移到华北地区。这可能比较容易实现，效果也比较明显。梅雨时，江南雨水过剩。而且长时间的阴雨，妨碍农作物的光合作用，影响产量。梅雨北移，有利于江南的农业生产，也使江南的气候更加宜人，而华北地区可以得到不少雨水和热量，有利于华北地区的农业生产，也会使华北地区的气候更加宜人，生态环境更加改善。要使梅雨北移，必须要改变大气的温度、压力平衡。以当前的技术，改变平衡的方法，最可行的，一是微波辐射，也就向大气人工辐射微波。要研究人工辐射微波对气候的影响，找出人工辐射微波对所需的气候效果（例如：梅雨北移）最明显的地点、时间（即，辐射微波的地点、时间）、和所需的微波能量。这些，在一定限度之内，在技术上都是能办到的。经济上是否可行，取决于所需的微波能量的大小。另一个改变大气温度、压力平衡的方法就是前面讲的巨型风车-风扇。这在一定限度之内，技术上没有问题，有没有必要这样做，那是另外一回事。经济上是否可行，取决于所需的风车-风扇（阵）规模的大小
在某种意义上讲，我们希望气象这个系统非常不稳定，希望真的一只蝴蝶扇了几下翅膀，都能导致龙卷风，因为，如果真是那样，那么，一旦我们知道了诀窍，我们只需要在适当的地点、时间，用一台风车-风扇（这比那蝴蝶强大几百万倍），扇几下就行了, 或是只要少量的微波辐射加热一下就行了。我倒是认为，所谓的非常不稳定，只是那个数学模型非常不稳定，气象本身实际上并不是那么不稳定。
在中国，大范围内人工影响气候的另一个可以优先考虑的项目，是帮助印度洋来的水汽翻越念青唐古拉山。技术手段还是微波辐射加巨型风车-风扇。在藏南适当的地点，建立一系列微波辐射站和巨型风车-风扇。比较合适的地点，应该是在雅鲁藏布江大峡谷附近。在风向适合以及印度洋来的水汽比较充足的季节，开动微波辐射站和巨型风车-风扇阵。这样能增加青藏高原东部的降雨，对改善西北的干旱也会有些帮助。这些，在一定限度之内，在技术上都是能办到的。有没有必要这样做，那是另外一回事。所增加的黄河、长江、澜沧江、以及怒江的水量还能增加不少发电量，能够补偿开动微波辐射站和巨型风车-风扇阵所耗的电能。
人工影响气候的另一个技术手段是改变地表对阳光的吸收，以增加或降低温度。例如，大范围布撒黑色的铝箔或塑料碎片，或布撒高反射的铝箔或镀铝塑料碎片。但是，这些只有在没有植被的荒漠地区才可能实施，而且，容易被雨水冲走，或被雪覆盖，需要经常不断地布撒，很不方便。成本不低。又不能随意精确控制，效果不如微波辐射和巨型风车-风扇。改变植被的数量或种类，也能在一定限度之内改变地表对阳光的吸收。
在更大的规模上人工影响气候，可以考虑在太空中设置巨型反光镜和遮阳板，将阳光反射到需要增加温度的地方，或是将需要降温的地方的阳光遮住。反光镜和遮阳板都可以用铝箔。例如，50米宽的铝箔，卷成三四米直径的园筒，用火箭发射到太空，然后展开，可以形成很大一个镜面，这在技术上可以办到。还可以再将几条铝箔接起来，形成一个更大的镜面。这在技术上也可以办到。维持镜面的形状，简单的方法是将铝箔固定在一个框架上。太空中，框架是可以很轻巧的。要随意移动反光镜的位置和指向，必须要装火箭发动机。可以采用电火箭（即，离子火箭），推力小而持续，容易精确控制，比较适用。电源可由附设的太阳能电池板提供。很大的镜面最好不用框架，以简化结构、降低成本。理论上讲，只要控制住铝箔（反光镜）的四个角（矩形的反光镜），或三个角（三角形的反光镜）的位置，就能控制反光镜的位置和指向。所以只需在每个角上各装一台火箭就可以了。当然，火箭必须要控制的非常精确，既能将铝箔绷紧，又不会将铝箔拉破。可以在铝箔（反光镜）的每个角之间各拉上一根细钢丝，这样，就不用担心会将铝箔拉破，对火箭的控制的要求就可以大大地降低，在技术上更容易办。
到了这个程度，我们就能够在一个相当大的限度之内，人工影响气候，你就是要在撒哈拉大沙漠里下雨，估计都能办到。
朱雨心 2010年5月15日。
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