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台风观察十二年

已有 3627 次阅读 2016-10-30 08:33 |个人分类:台风观察|系统分类:论文交流|关键词:台风,,hurricane,Genesis,台风治理| 台风, hurricane, Genesis, 台风治理

台风观察十二年originnal.docx


台风观察十二年


台风观察十二年

摘要

通过过去的十二年的观察,认识到台风实际上是海洋自我冷却的一个重要方式,但是由于它的产生需要极其严苛的条件,其中的一个条件就是需要一个触发的扰动。由于没有足够多的台风来冷却大海,使得海洋表层储存了极其巨大的能量,一旦释放就可能成为破坏力极强的台风。如果我们能够认为提供触发条件,就有可能用制造小台风的方式来冷却海洋表面,从而消除台风灾害。

根据对东太平洋与大西洋台风发生地和频率的对比,提出火山爆发是东太平洋台风的主要触发机制这一假设;同样马里安纳火山弧也是西太平洋台风主要诱因之一;由于玛利安纳群岛一带有许多海下火山,地质条件极其复杂,对这个海域地质活动的全面深入考察对于中国及亚洲的台风防治极为重要。

人工制造上升气流触发小台风可能是根治台风的希望;集中发放气球或利用太阳能聚焦阵列加热空气都可能制造上升气流。这方面的实验探索具有重要的理论意义和适用价值。

Summary

The tropical ocean atmosphere is a stratified quasi-equilibriumsystem that needs a trigger to make a tropic cyclone. So the ocean absorbs too muchsolar energy but no enough ways to release, therefore once get a chance it wouldmake the hurricane very violate and disastrous. We can consider, in some sense,tropical cyclone is a way that the ocean cools itself.

If we can provide some kinds of artificial trigger mechanismto help the ocean to produce more cyclonesand make theocean cooler, we might avoid the disastrous hurricanes.

By comparing the hurricane occurrence in the East Pacific andthe Atlantic, I believe the volcano activities along the Middle America coast providethe triggers for most East Pacific hurricanes. Further study would be possibleto link the generation of an individual hurricane to a specific volcanoactivity using the available database.

The same assumption would be true to the West pacifichurricanes however the circumstances are more complicated there. Morecomprehensive investigation needed.

In essence any means can produce uplifting air mass would bepossible trigger for cyclone as long as it is big enough.  Several possibilities discussed.

台风作为一个重大的自然现象我跟许多人一样早有所闻,但是在六十岁之前还从来没有想像过我会对台风有很大的兴趣。

台风,学名是热带气旋(tropical cyclone),最小的叫热带低压(tropicaldepression,风力八级以下,不过我看到记录的,风力都大于25节以上,46.3km/小时,这属于六级),再大一些的是热带风暴(tropicalstorm,风速在34-63节,八级至十一级),然后是台风(飓风,hurricane,在亚洲也称Typhoon,应当是台风的音译,12级以上)。台风还分了几个等级,各地区的分级也略有不同。每个等级能量的差别很大。

2002-2005年,我有机会到台湾大学物理系工作,02年冬天到台湾,03年只遇到一次台风,只在夜间听到风声雨声,天亮就过去了,虽然也看到街上不少折断的树枝,印象并不太深。那一年SARS施虐,把别的都盖过了。然而0405年两年,切切实实地经历了几次台风,其中一次竟是风力为十七级最强的五级台风,他有一个很好的名字:海棠。

一遇到台风,那就寸步难行,只能窝在招待所里,思想不由自主就萦绕在台风的巨大旋涡的图像上。忽然,在2004年的一个台风天,一个想法豁然明朗:

台风实际上就是海洋自我冷却的一个方式我们有可能用台风来之治理台风!

台风之所以那么强,是因为台风不容易发生,让过大面积的海面温度过高,积蓄了巨大的能量,从而产生具有破坏力的台风。那么如果能制造更多的台风,是不是就可以消除破坏性的台风呢?

这个想法,也许不大容易理解。我们不妨先看看实例,比如今年,2016年,直到七月才有第一次台风,比常年至少晚了三个月,所以一上来就是个最强的五级台风,比05年的海棠还要强一些。

从热力学的角度,大面积的海洋,如果忽略地球的自转,几何条件非常单纯,由于海洋几乎是个绝对黑体,被加热的海水浮在大海的表面,向下传热很慢,而另一面是空气,对阳光几乎是透明的(不透明的部分已经被高层的大气吸收掉了),也就是说太阳的能量几乎完全被海洋的表层吸收,空气的热传导也很低,所以空气是被一层一层地自下而上缓慢加热。在远离陆地的大洋里,可以忽略与陆地互动,这个系统是个很稳定的似稳系统。所以在太平洋的低纬度海面上经常会风平浪静,甚至经常有平静的让帆船动弹不得的时候。海洋表面吸收的能量与空气的散热能力失衡,使得大海表层海水的温度过热储存了过多的能量。这有点像激光的泵浦过程,能量逐渐继续起来。而当这个似稳状态被打破能量能够顺畅释放的时候,就会发生激烈的物理现象。

当然,气体本身就是一个易变的系统,热传导造成的对流在小范围内会形成云雨,但是对于释放大海吸收的太阳能,远远不够,所以在太平洋和大西洋总是各有一滩热水随着季节南北两边此涨彼落。而北半球的夏天,太阳直射的天数比在南半球的夏天多(地球在远日点走的慢),所以在这时这两个热水池最大,台风也最多最强。

所幸地球在自转。这就有两个冷却海洋的机制:第一是海洋的环流,第二就是台风。南半球由于陆地少,大洋环流顺畅,这使得南半球海洋高温面积远远比北半球小,台风少得多,特别是南美洲两面边几乎就没有台风。而在北半球,大陆的面积远远大于南方,洋流受到限制,特别是太平洋,亚洲大陆与北美之间只有一个狭窄的白令海峡,太平洋与北冰洋之间的海水流动对于两洋之间的热交换简直完全可以忽略不计。所以太平洋的热水区域最大。这里有可以分成东西两大块。东边较小而西边的这一块是最大的一个。

我们对于海流无能为力,但是如果我们能够制造大量的“小台风”,帮助海洋冷却,不让海洋那么过热,仍然有可能防止台风灾害。

如果我们能制造小台风,还可能有其他用处。比如中国南方的秋老虎天气,如果近海有成风的条件,就可以制造一些凉爽的风。也许还可以用于风力发电,那将是取之不尽用之不竭的清洁能源!甚至我们是否可以用制造小台风用它的云层减少到达地表太阳光,从而是地球表面的温度降低,来补偿因为CO2增加的温室效应。我们知道,浓厚的云层对于入射的太阳光几乎是不透明的,阻挡了绝大部分入射的阳光,而局部地表温度的下降只不过减少了一点点红外辐射(温度下降一度辐射减少百分之一多一点),而且云层对于大地的红外辐射是半透明。这个不对称性可以用来帮助缓解温室效应。虽然降低CO2的排放是应对温室效应的主要的手段,但是仅仅靠这一条恐怕难以达到巴黎协定设定的遏制温室效应的目标,寻求其他手段是必要的。

那么如何人为地触发台风,就是问题的关键。为此又必须了解台风到底是怎么产生的。

触发这个词汇的使用,实际上就意味着,我们下意识地认为台风要在一个似稳的大气环境里产生,需要一个外界的推动,给这个似稳系统提供一个奇点,让海面储存的能量宣泄出去。这实际是许许多多次观察之后“无意间”产生的灵感。

有了一个令人振奋的想法,工作之余在台大图书馆寻找有关气象学和海洋科学的书籍。同时在互联网是寻找相关的信息。很可惜,渐渐地我了解到,至今还没有一个普遍接受的台风形成的机制!只有很少的共识:第一,大面积海面温度高于26℃(其实在地中海的一些台风又远远低于这个温度。不过那里台风很少,平均每年不到一次);第二,大面积的海洋上空的中高层大气湿度较高;第三,地球自转是台风形成的必要因素,所以大部分台风都起源于纬度高于5°的热带海洋,但是也有极少见的在纬度只有两度的台风;此外还有一个很苛刻的条件:既需要大气的不稳定性,以便产生涡旋运动,又要求没有“剪切风变”——这大概是我生造的一个词,用来说风力和风向没有垂直方向的剧烈变化,比如说不能在地面是东风,到了两千米以上又变成北风了。因为一旦有较大的切变,凤眼结构就不能维持。这最后一条是个很苛刻的要求。如果大气很稳定,就不能产生旋涡,而如果不稳定也就容易有切变。要求既有涡旋又没有切变,有点儿又要马儿跑又要马儿不吃草的味道。我们在夏天看到天上不同高度的云彩运动方向不同就是切变。雷雨天气往往都有这个现象。这等于要求大气的气团都是一根一根垂直的或稍有倾斜的柱子,只许稳定的平移,而这么稳定就难以自发产生旋涡。很可能,就是这个要求,使得台风难以发生。

但是,如果在很稳定的没有切变的大气系统里突然有一个外来的漩涡,当然是一个直达高空的涡旋,是不是就可以触发台风呢?

这个外来的触发,可以是火山爆发的上升气流,从远处随平均风力飘到这里,也可以是海底的地质活动加热了海水上升到海表造成海面温度差异产生了一个局部的低气压,也可以是一个海中的岛屿,在太阳的照射下与周围的海水形成了明显的对比。这种气压等压线与海岛边界相似的现象并不少见。

现在,已经渐渐有人猜测台风需要一个触发。MITKerry Emanuel研究组用计算机模拟表明在同样的气象条件下一个风力为12/秒的触发在一百多个小时之后造成台风。而更小的(最大风力为2m/s)触发则只能造成一个小得多的热带低压,他认为不能构成台风。不过,既然这个小的trigger可以产生个风力达到六七级的气旋,这个小气旋在再次遇到有利的条件的时候应当也可能造成大的台风。此外他这里用的12/秒的触发也似乎太大了一些。这已经是六级风了,许多上了记录的cyclone,初期最大风力也只有25节,即12.86/秒。很可能选择12/秒就是要小于25节。最大风力为2/秒是太小了一点。不过在212之间还有很大区间。(Kerry EmanuelDevine Winds, the History andScience of the Hurricanes

与我们对台风产生机制的一片茫然相反,对于已经形成的台风我们倒是有更多的认识,台风就像一个巨大热机,释放着存储在表层被太阳加热的海水里的能量。当强风刮过海面,可以把海水“刮起来”,因为流速大压强小,“蒸发”被大大地加强。这里我给蒸发加了一个引号,我认为强风经过海面很可能像携带沙尘暴一样刮起水的“颗粒”,实际上是过饱和的。而这个能量是非常惊人的,一个够得上台风级别热带气旋,所释放的能量与我们全人类一年的用电量差不多。而那些更强的台风则比这个还要高出许许多多倍。比如20167月的201601号尼伯特台风,就是一个五级的台风,其能量就不是我们人类所能望其项背的了。

所谓制造小台风,首先想到的是,比较弱的热带风暴,用它们来降低海洋表面的温度,只要能使得海面温度高于26°C的区域不发展到可以产生大的台风的程度,我们就可以根治台风的危害。然而,比较温和的热带风暴与最弱的台风之间能量的差别超过两个数量级。也就是说,大约一百个无害的八级或九级热带风暴在冷却海面的能力上也未必抵得上一个一级台风。换言之,仅仅在西太平洋,如果我们要用这个方法根治台风,就需要制造几万甚至几十万个无害气旋才行。这个问题曾经一度让我对这个方式感到失望。不过进一步的观察使我相信,由于我们已经能够相当准确的地预测台风的走向,也可以制造一些更大的台风来冷却大海,还可以利用双台风的牵引效应,制造两个台风让他们互相牵引,在“无害的海域”给海面降温,而不让它们发展到大陆和有人居住的地方。比如说从冬至大洋的热水池向北移动的时候开始,我们就在太平洋的这个热水池的边缘制造气旋,保持这个热水池不向北方过分发展,就应当能在很大程度上消除台风的危害。然而无论如何,都要有大量的工作,这也有个谁来买单的问题(说到买单,如果与风力发电相结合,应当不成问题)。这些都是后话了。现在首先要做的是探索是否能人为的制造出cyclone

人类一直在尝试征服台风。一个已经做过实验的“征服”台风的方式,是在台风的风暴圈里实施人工降雨。初衷是想用加强降雨的方式来冷却海面从而减轻台风的强度。开始的时候有人认为实验似乎有效果,使台风的强度减小一点,记得有一篇文章说是减少15%(在网上没有能够找到这篇文章,现在年纪大了不敢相信自己的记忆力。)如果真的把台风的强度减小15%,也算不错的效果。但是后来就不见继续的报道了,大家几乎一致认为不是那么回事儿。因为台风的降雨已经很大了,根本不缺乏凝聚的核心,再加一点人为的种子,作用可以忽略。

但是,我很欣赏美国人的这种探索的精神。在中国这样的实验肯定搞不起来,谁要是搞了也一定会被批的体无完肤。

此外,比尔·盖茨也对台风有兴趣,提出要用深海的海水来冷却表面的海水,从而减轻台风的灾害。不过比起台风所拥有的巨大的能量,人力显得过于单薄。我想与其用搅拌的方式冷却海水,还不如利用人工降雨。只要肯下功本,在一个台风刚刚发生之时,在它即将经过的地区,用人工降雨大面积地减少空气的湿度,同时也降低海面的温度,就可以抑制台风的发展,减轻台风的强度,或者改变台风的路径。但是必须在很大的面积实施人工降雨,明显改变大面积海域的湿度和海面的温度才行。一般地说,在台风所将要经过的地方,湿度都比较高,人工降雨的条件是具备的。比如这个尼伯特台风(201601号),初发地到台湾有三千公里台风要走五天多。应当有足够的时间来实施人工降雨。但是台风能量的来源是风圈扫过的海面,而这个风圈很大,比如尼伯特的七级风圈从一开始半径就有两百六十公里,而台风获得能量的范围比这个还要大。要想减弱它,至少要在一百到两百公里的宽度上实施人工降雨才行。这就要看这个成本与台风给台湾和福建浙江带来的危害相比是否值得了。这是一个3000X200平方公里的地区,搞一次人工降雨成本也是十分可观,虽然比起台风登陆造成的损失还是小得多。这种方式,如果进行详细的模拟,也许可以用更小的代价取得减弱台风的回报。因为只要在早期把它遏制住,它也就不会有后续的发展。

但是这个做法也有隐患。假如真的可以减少台风,那么海洋自我冷却的机制减弱了,会不会导致热带平均温度的升高呢,而此后台风一旦发生会不会更强,更难以控制?这跟大禹的父亲鲧治水方式是不是有点相同?另一个问题是,如果我们可以用工人工降雨改变台风的路径,会不会救了这个地方,却把台风引向其他地方?

经过长时间的反复思考和数年来对海洋气象和台风数据的观察,我还是倾向于“以其人之道反诸其人之身”,用台风来治台风。这样做有一个最大的好处:我们没有逆着天性,而是顺着自然,是在“帮着自然”用它自己的方式冷却海洋,而不是用其他的方式“逆天行事”。用大禹治水的比喻,我们这也是疏导的法子。

然而,要触发台风我们就需要对台风的产生机制有一个基本的认识。可惜,前面已经说了,现在并没有一个可以被广泛接受的理论。既然没有一个普遍接受的理论,我们就不妨尝试根据物理学的一般原理和已有的观察,提出一些能够自圆其说的假设。

从另一个角度来看,如果有个成熟的理论,那么我们的设想就基本上是个技术问题,就是如何运用用已有的理论的问题。而没有成熟的公认的理论,倒是一个更具挑战的课题。就需要我们来提供一个至少是可以工作的假设。科学研究,越是接近基础性的研究越是近乎于猜谜语,猜测大自然之谜,就是根据自然现象的提示猜测其机制。

前面说过,台风可能需要一个触发,一个trigger。这个触发,就是一个小的气旋。是在某种条件下自发产生的。的确自然界不乏产生旋涡的可能性。比如两个锋面交会,就可能“搓出”一个比较大的气旋。更不必说大气这个介质本身就有固有的不稳定性。在大西洋,的确观察到大气扰动与台风的关联,我记得又一次著名的台风,从在非洲的一个观察站观察到一个扰动到在在大西洋产生台风,之间的距离超过两千公里。——请记住这个数量概念,台风被观察到的地点,与它的真正起源,触发原点之间,可能有很大距离。

每年,全世界,热带气旋中够得上台风(十二级以上)最多也就是四五十次。把所有的能观测到气旋特征的都算上,多年平均值也不过八十几次。可见并不是所有的小小的“蝴蝶”都能煽动起巨大的风暴。

如果仅仅是大气的自发扰动是台风的种子,那么气旋的生成应当比较均匀地分布在热带海洋上。然而真实的热带气旋的生成地却并不是平均的分布在所有的经度上,这一点在东太平洋特别突出,其台风的次数仅次于西太平洋,其发源地却是很不均匀,大多数台风是集中在相对狭小的区域,请看图1


Fig 1东太平洋热带气旋发源地(2012,3,4三年共计60个热带气旋,其中台风34个)

                Fig.2大西洋热带气旋发生地2012-14,共计42个,其中台风18

这里我故意没有使用文献上的把所有的台风都统计在内的图。因为当数据量太大的时候连成一片更有许多数据点重叠在一起,反而掩盖了真相。就像我们要观察太阳,反而需要在日全食的时候更为方便。



       

Fig3.典型的北半球夏季海洋表面温度分布,取自Oceanweather Inc 网站    图中我用黑线标出东太平洋的热水区,而台风的原点集中的中心却在这个区域的西缘两侧,这是因为,台风一般走向是向西,而东面的区域没有得到台风的冷却,所以温度最高。我们看到,东太平洋的热水区远远比大西洋小得多,但是却产生了比大西洋多的多的台风,必有其地理上的原因。我的猜测是从墨西哥到中美洲的火山带的火山活动是一个值得重视的因素。

在东太平北纬5°以北的海洋从西经80°到180°的广大海域,有这么一段,台风的产生非常集中。从Fig.1我们可以看到,东太平洋在2012-14的三年中热带气旋有60次,其中台风34次,而这些台风的最初发现的地方,大多数集中在西经90°到120°之间。相比之下,在大西洋,台风的次数少得多了,而且也比较分散不那么集中。同一时期,在大西洋共有热带气旋42次,台风只有18次。而且它们的源头相当分散地分布在从非洲大陆边缘到中美洲的广大海域。如果我们认为在大西洋上主要是大气自发扰动所致——其实这种扰动也是由于撒哈拉大沙漠与其附近海洋的强烈温差有关,那么在东太平洋这么集中的产生台风应当有更特殊的原因。是什么原因使得东太平的热带气旋集中在一个大约三十度的狭窄的区间?

然而在我们想藉此推导出任何结论和观察之前需要明白,这些所谓的起点,并不是这些热带气旋最初产生的地方,在此之前那个原始的“种子”很可能已经随风漂移了或近或远的路程才发展成一个可以观察到的完整的热带低气压(TropicalDepression )特征的气旋。

既然地理分布不均匀,那么台风的产生就应当与地理因素有关

气象学家往往把注意力集注在天空,我们不妨眼睛向下,看一看地面海面甚至海下有没有跟台风形成有关的因素。我的一个猜测是,有些台风可能是大气活动自发催生的,而有些很可能跟地貌和海床的地质活动有关。为了探索这个问题,我们先把这些台风的发源地放到地球仪上去看一看。感谢GoogleEarth,我们可以很方便的知道许多过去的研究者需要多年的探索才能得到的东西。请看下图:



Fig.4-1为了显示出地震和火山,这个图的比例不能太大,否则火山图标就隐藏了(这是GoogleEarth的固有特点)。这只是东太平洋台风策源地中间的一段大约宽度大约2800公里左右。在西面远方还有五个点。

值得注意的是在东面的中美洲岸边有密密麻麻的火山和地震。图中的白色园圈旁边的数字是年份,12便是2012年。利用Google earth 工具和UnisysWeather hurricane数据作图。特此致谢!



Fig.4-2太平洋东海岸的地震火山带(在上一张图上这些火山显现不出来)



Fig.5-1东太平洋与大西洋比较,在东太平洋大部分集中在小区域,只有五个在很远的地方,而大西洋则很分散


Fig.5-2从大西洋的正面来比较大西洋与东太平洋台风发源地,为了醒目大西洋的标记用四位数,前两位是纬度的整数,后两位是精度的整数。中间的这条红线,是从西到东台风原点的跨度,跨度刚好为72个纬度。而东太平洋,除了在西面的五个孤立的的相距很远的点(它们实际应当属于西太平洋),都在31.3°之内,明显的相对集中。

下面把大西洋的台风发源地分布放大到可以看出火山标志的程度来看



Fig.6-1 放大来看大西洋的台风发源地.此图是最东面的一张,需要三张才能看到全部为了显示地震和火山比例必不能太大,地图跨度2560公里。

Fig.6-2中间部分,跨度2560公里

Fig.6-3 东面

现在我们可以把东太平洋与大西洋的台风策源地做个比较:在东太平洋,台风频发而且相对比较集中31个纬度的范围,而在大西洋则台风次数少得多,而且是比较均匀地分布在广大海域。第二,东太平洋的海岸和海下地质活动非常强烈,有不少活火山,地震也多,而在大西洋,地震少的多,火山更少。在东太平洋的东海岸,有密密麻麻的火山,这其中不乏活火山。海里也有海下的活火山。在太平洋的沿岸,从赤道附近到北纬20度,至少有43座火山在20世纪有爆发记录,而其中有27座有二级以上爆发,其中有的多年连续爆发。比如Galeras火山,2012-14年和2010年八月二级爆发,200810月到20101月为三级。所谓二级,是喷出物的体积在一百万立方米以上烟尘高度在一到五千米这样的火山爆发,地球上平均每个月一次,而三级的喷出物又要大十倍以上,烟柱高度在3-15千米,这个级别的火山爆发全球大约每三个月有一次。再如墨西哥的Colima火山,从2013年一月到现在(2016年十月)一直在爆发,根据SmithsonianInstitution的报告,1012日至18日,它的烟尘高达5.27km,向西,西北,北,和东北飘移。而危地马拉的SantaMaria火山则从1922年到现在一直在活动(3级爆发)。如果这些火山爆发带来的的大气扰动,遇上有利的条件,应当能触发台风吧。

有些火山虽然没有爆发,但是地热活动还是很明显。比如有科学考察人员登上Socorro火山的一千米高峰,测到多个喷泉的温度高达90°C,在这个高度应当是接近沸点了。而Michoacán-Guanajuato火山气孔的温度高达336°C1988年)次年为降为305度。

这种在休眠状态的火山的地热产生的热气流,如果遇上合适的大气条件会不会触发热带低压?

如果与大西洋比较就会发现一个鲜明的反差。大西洋,在北半球从赤道到北纬32度,只发现了几座座活火山,在本世纪有爆发记录的只有三座。也不能排除有些台风是与这几座火山的爆发有关联。

从这个鲜明强烈的对比,我们可以断定,东太平洋的台风肯定与火山活动有关联。

此外,在东太平洋,从地貌来说,这里有一个小岛,法属Clipperton Island,一个发育完整的环礁,恰巧就在台风源头的中心地带。这个环礁长三公里多,宽也超过2.5公里。中间的泻湖相当一部分地方比较浅,45%的面积为水草覆盖。岛屿以及礁盘与海洋接受阳光的方式有所不同,表面温度也可能不同,这种差别是不是有利于气旋的形成呢?

让我们再来看太平洋的西部。西太平洋的台风一个主要发源地区在太平洋中部马里亚纳群岛的南段,也是一个地质情况非常复杂的地带,台风也不像东太那么集中。玛利安纳群岛的火山没有太平洋东安那么多,但是也找到26座活火山,比较活跃的有六座(二级以上)。大多数台风在玛利安纳群岛以西,少部分在东面。这是因为热带地区大部分时间刮东风,但是也有少部分时间是西风,由于所谓MJO(Madden–Julian oscillation)。因此也可以说,太平洋的台风可能有相当大一部分与火山或地震活动有关联。此外在印度尼西亚和菲律宾群岛也有不少活火山。

现在至少在西半球,有相当详细的火山爆发的数据库,而气象资料也很丰富,有可能,根据已有的台风资料加上之前的气象资料可以反向推出台风的来源并把它与某个火山爆发联系起来。这将是一项很有意义的研究。我曾经试图用网上的公开的资料做这个工作,由于这类气象资料的气压分辨率比较低(比如4hp),不能追踪到火山爆发地,但是方向和事件关联还是存在的。如果能有1hp的气压图,就肯定可以追索的更近一些。

而在太平洋,由于玛利安纳群岛火山之弧有许多海下火山,现在已有的监测就不够了。我强烈建议中国有关部门实施一项太平洋的火山地质与台风起源的研究计划,充分利用卫星北斗定位等现代化手段,建立一个综合性的气象和海底地质监测系统,全面系统调查太平洋的地质活动,研究台风与地质活动的关联。这个项目需要一个从关岛之南到东京湾的火山和海洋不同深度的水温观测监测系统。中国现在应当有这个能力去做这样一件不仅仅是为中国服务的事项。当然首先还是为中国的国家利益服务,同时也可以提供一些公共产品。

我希望在全国提倡创新的气氛中,这个建议能够得到应有的重视。

其次,在印度洋,热水区域也比东太平洋大,而且温度很高,但是却只有很少的台风。这里的一个特点是火上比较少。这从反面也证明了台风与火山活动有关联。

如果这个火山活动触发台风的假设成立,那么我们能否利用太阳能,或其他方式人为地制造一个有低气压,在适当的条件下触发台风?一般而言,只要局部加热,就会有一个低气压。你点着了煤气炉,它的火苗上蹿,就是因为这里有了一个低气压。但是为了形成热带气旋,这个人为的低气压,不能太小,应当有“气象学的意义”。也就是足够大,不被局部的其他气象现象抹掉。多大才算“足够”?这应当涉及到两个方面,一个是几何尺度,另一个是上升气流的强度,恐怕上升气流的强度是主要的。

质而言之,产生低气压,无非是要制造一个上升的气流。局部的空气上升了,这里就是一个低气压。加热可以制造低气压,放飞气球也可以。而且1986年克利夫兰的气球节发生的事故也可以给我们很好的启示。

1986年,9月克利夫兰的一次慈善活动,先由志愿者给小气球充气,把充好气的气球关在在一个77*46米的笼子里。那天本来预定在下午放飞200万气球,但是天气预报说下午有雨,于是决定提前放飞,气球总数将近150万。然而,当气球飞起来之后,大雨还是不期而至,被淋湿的气球没有能够飞出去反而落回来,有铺天盖地的之势,导致机场停飞,道路阻塞,还有两位在湖上的渔民丧生。

这里我们可以得到不少有用的启示。第一,当天的天气预报说有雨,那就是说有足够的成雨条件;第二,现在的数字预报的近期局部地区的预报是很准确的,比如说现在多伦多的预报可以把未来三小时的降雨开始和结束的时间精准到十分钟。既然根据预报选定了放飞时间,那就是说在实际放飞那段时间,预报不该有雨,而这个不期而至的雨,而且是大雨,应当跟放飞活动有关。就是说,这个上升的气球群体,产生的上升气流,扰动了大气,使得降雨提前发生。不过好在这里是陆地,没有热带海洋的高温海面补充能量,只要大气中的水分耗尽了雨也就停了。我想,美国的研究台风的的朋友们应当能够根据当年的气象数据,和气球放飞的影像记录得到一些气象参数,进行数字模拟,看一看是不是气球上升使得降雨提前到来。这对于我们理解台风以及其他气象现象是很有意义的事情。

我猜测,这个气球放飞对大气的扰动在局部造成了一个低气压,上升的接近饱和的空气,在高空随着高度的增加,绝热冷却,温度下降,水蒸气凝结降雨,这个凝结过程释放出来的热量又使得空气本身加热,继续上升,使得低气压更强,成正反馈,这就是类似于热带气旋的物理过程。如果我的猜测是对的。那么我们又有几个重要的结论:

第一,最小的气象尺度可以小到几百米,只要这个扰动足够大;

第二,放飞气球也是一个可能的制造低气压的方式;

第三,最重要的是,我们可以根据这个事件估计一个触发所需要的能量。

这一百五十万个气球,其实也没有多大的体积。它们用的气球大量的就是大约长三十来公分的小气球(12吋)。150万,总体积也不过1.5*10^6*4*3.14*0.15^3/3=21,000立方米。然而它给大气造成的扰动不容忽视。一般条件下,大气的垂直运动很缓慢,在每秒几个厘米的范围,而气球的上升速度可能在每秒五到十米甚至更高。一个21000立米的群体,以这么高的速度上升,对大气的扰动是很可观的。

这个气球群体所受的浮力就是它排开的空气的重量,如果我们忽略气球的重量(这个重量粗略估计可能在浮力的一半左右,但是我们不知道他们所用气球的参数,为了估计一个上限,索性忽略之),那么浮力所做功的功率利于上升速度之乘积。假设这个速度在10--20/秒。不会更大了,设速度10/秒这个功率为:

21000m^3*1.3kg/m^3*9.8*10m/s=2.7MW

所以我们可以得到,触发功率最小值的上限在3-6MW。也就是说有这么大的功率在比较有利的气象条件下应当能够触发一个热带气旋。当然功率大一些触发的会快一些。

当然也可以用热气球。根据百度,在中国通用的体育运动的热气球是是七型热气球,最大直径17米,高23米,体积约2180立方米,最高飞行高度可达7000米。如果用100个气球,体积就是21万立米,是克利夫兰那150万小气球的十倍左右。不过为了制造上升气流,放飞的面积应当不能太大,热气球的安全问题需要认真设计方案。这个上升气流应当能算得上一个小的低气压种子了。如果我们能增加一些设计,比如加几个可以控制气球方向的翅膀和尾翼更好了。也可以保证重复利用。好在我们的气球载荷很小,就是一些气象仪器和火焰遥控的设施。但是高度不能太低,至少也得几千米。台风的上部可以达到一万八千米。不过种子不需要这么高,只要能引导大气的上升气流突破一定的高度LFClevelof free convection ),即可。是否存在这个LFC,取决于气团的湿度和高空的环境。

另一种可能,是利用太阳能加热空气,制造上升气流。太阳能加热空气的效率很低,为了提高效率,可以利用简易的凹面镜把阳光聚焦,在焦点上放一个有许多孔道的加热器。聚焦的阳光加热这个加热器,它又加热与它接触的空气,这样可以大大提高加热的效率。

这里对聚焦加热做一点估计。太阳能大体上以每平方米一千瓦计,考虑到一天之中从上午就是到下午三时仰角不能调节,但是方位角可以跟踪(也就是整个矩阵可以由船舶拖动使之面向太阳)。聚焦的效率比较容易做到60%,再高对表面的要求就高,成本也就上去了,而且在海上的比较强的腐蚀条件下,也难以维护。我的基本设想就是白色塑料冲压成型,顶多再铺一层铝箔膜。加热器应当选用耐腐蚀的材料,同时应当耐相当的高温。也许理想的材料是陶瓷。加热器会有热辐射,需要估计一个辐射损失。那么,在加热器平衡之后,温度不再升高,聚焦在加热器上的太阳能减去辐射损失应当完全转移给了空气。这个平衡所需要的时间不会太长主要取决于它的热容量。我们假设聚焦效率为60%,减掉辐射损失还有50%(即辐射损失近20%)。那么一个一平米的聚焦加热器的加热空气的功率大约为500瓦。而这个东西的成本应当很低。一两百元一个应当够了吧?然而若要搞一个尺度一百米的矩阵,也需要一万件。每个一百元,也是一百万了。这个总的加热功率达到5百万瓦,或五千千瓦。以空气的热容量为1000J/K·kg,这个五千千瓦的加热器,可以每秒钟使得五千立米的空气的温度升高一度。这应当能提供一个相当大的升力。如果是一个风速很小的天气,在六小时之后(上午九时到下午三时),加热的气团就应当能达到对流层的上部。如果我们上面计算的触发功率是对的,这个100*100的阵列应当足够触发热带低压了。

因为我们的最终目标是到海上去做实验,这个反射镜还要有一个基座是可以漂浮在海上的,而且可以相互链接锁定组成一个阵列。整个阵列可以由两条船拖动使得反射镜的方位角朝朝向太阳。仰角就不动了,选择一个平均最佳的角度。

我们可以制造几个原始的加热器做实验,测出器加热效率,单个加热器产生的气流流量。从而为大型实验提供依据。

退一步说,即使加热器的效率只有30%,也就是这个一百米见方的阵列为300万瓦。也还是有希望的。

这个实验的最大成本还在于运行。必须有大型的科学考察船或者军舰做后盾。当然做实验也不一定非要到海上去。在西湖东湖里也都是可以的,而且可以保证不会发展成台风。当然首先可以在沿海的海岛上做实验,等对触发功率的研究有了比较详细的了解,再到海上去。

此外也可以直接用加热器直接加热。比如用热气球的加热器,大约二十到五十个加热器的功率就足够大了。在原理实验阶段这应当是一个比较方便的选择。据称这种加热器的功率相当于150个家用煤气灶。一个煤气灶的最大功率肯定大于两千瓦。那么这种起就加热器的功率应当在三百千瓦以上。十个就是3MW

总结

十二年过去了,该做个总结了。

第一,           火山爆发肯定是东太平洋许多台风的诱因。现在我们还仅仅是从统计的角度认定这个可能性,我希望将来我们有可能利用现有的数据库,把一些台风与某个特定的火山爆发联系起来。这是一个值得去做的工作。

第二,           既然台风需要一个触发,我们也可以人工制造这个触发。只要这个触发的成本可以接受,我们就可以用这个方法帮助海洋冷却,从而减少甚至杜绝台风的灾害。

第三,           太平洋中部玛利安纳群岛的火山带是西太平洋台风的主要策源地,几次严重危害中国台湾和福建江浙的台风都是发源于这里。研究这里的地质活动与台风的关联实在是关系中国国家利益的重大问题。希望早日提到意识日程上来。

第四,           为了利用人工触发的台风来为大海降温,我们需要进行大量的实验研究。比如是否可以用释放气球的方式制造低气压;比如利用太阳能聚焦反射镜加热空气的效率的研究,这些探索应当不难起步。

第五,           如果我们能用人工制造上升气流的方式触发热带气旋,那么这还有助于改善局部的气候和利用风能发电。中国南方的秋老虎天气一般都是无风而湿热。这正是制造气旋的必要条件。如果在海边制造气旋给大陆送来凉爽的风和降水。而且这可能是致力温室效应的一个重要辅助手段。

最后给大家看两张关于克利夫兰气球节的图片:


克利夫兰气球 1986



图中的最高的地标建筑搞235米。


这个突发事件也许多台风研究有不可估量的意义。谨向把这个时间记录并保留下来的人们表示敬意和感谢!

欢迎朋友们传播并批评指正



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2 田云川 ddsers

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