如果要理解颶風與颱風等強烈熱帶風暴為何易受人為干預的影響，就必須從了解它們的本質與起源著手（參見下頁〈颶風發展結構剖析〉）。颶風（颱風亦同）是誕生在熱帶海洋上的雷雨雲團。低緯度海洋不斷提供熱與水氣給大氣，海面上方因而產生溫暖潮濕的空氣。當這些空氣上升時，水氣會凝結形成雲或降水。凝結會釋放熱，這些熱就是當初在海洋表面的水，蒸發時所吸收的太陽能量。這所謂的「凝結潛熱」釋放，使得空氣浮力增加，透過此自我增強回饋的過程而繼續上升。最後熱帶低壓會開始組織與強化，形成我們所熟知的「風眼」（無風的中心地帶，颶風會繞其旋轉）。當颶風接觸到陸地時，暖水的補充來源被切斷，其強度因而迅速減弱。

馭風之夢

「破風計畫」小組的目標是減緩颶風的發展，採用的方法則是使用人造雨技術增加眼牆（風眼四周的高風速環狀雲區）外圍第一個降雨帶的降水量（見延伸閱讀1）。他們利用飛機在颶風內部最高、最冷處投灑碘化銀，它四散的顆粒物質，應當能做為因上升運動而過冷的水氣在結冰過程中所需要的凝結核。如果一切皆如預期，雲將迅速成長，消耗掉海面供應的溫暖潮濕空氣，從而取代了先前的眼牆。透過這個過程，風眼的半徑將變大，颶風的強度因而減弱，這個方法類似於旋轉的溜冰者，將手臂張開以降低轉速一般。

結果「破風計畫」並未得到清楚的結論，如今氣象學家不認為這種人造雨的方法對颶風會有效，原因是風暴中的過冷水氣含量稀少，與先前的看法相反。

混沌天氣

我們目前的研究源自於我30年前的一個直覺，當時我是在學習混沌理論的研究生。混沌系統是一個行為看似隨機，但實際上卻受到規範的系統，它也對初始條件特別敏感，因此，對初始條件看起來無關緊要的隨意變化，便可能產生深遠的影響，而且很快就導致不可預測的結果。對颶風而言，微小的差異出現在如海水溫度、大尺度氣流的位置（它能引導風暴的行進），甚至是繞著風眼旋轉的雨雲形狀等特徵上，都能強烈影響颶風可能的路徑與威力。

這種大氣對微小作用的極度敏感性，加上天氣預報模式裡微小誤差會迅速加劇的特性，便是造成長期（五天以上）預報非常困難的原因。不過這種敏感性也讓我好奇，刻意加在颶風上的微小初始差異，是否可產生足以影響颶風的強大效力，不論是表現在將颶風引離人口稠密區，或是減低其風速。

在那個年代，我無法繼續探索這些想法。不過，在過去10年間，數值模擬和遙測技術已經有了長足的進步，讓我能重新投入我感興趣的大尺度天氣調控研究。在得到了美國航太總署先進觀念研究所的經費支持後，我和大氣與環境研究公司（AER）這個全國性的研發顧問機構裡的同事，希望能利用複雜的颶風電腦模式，找出最終可能實際應用的方法。我們特別利用了天氣預報技術，模擬以前的颶風，藉由觀察模擬出來的颶風變化，來測試各種干擾的效果。

模擬混沌

就預報本身而言，就算是現今最好的天氣預報電腦模式，仍然有許多改善的空間，不過它們經過修改後拿來模擬颶風卻非常有用。這些模式倚賴數值方法來模擬颶風複雜的發展過程，也就是在短暫而連續的時步（time step）內將風暴的狀態估算出來。數值天氣預報運算的基本假設是：大氣整體的質量、能量、動量與水份，既不會生成也不會消滅。在如颶風這般的流體系統裡，這些守恆量都是隨著風暴的氣流移動，不過，在靠近系統的邊界或邊緣地帶，情況就會變得比較複雜，例如在海面，我們的模擬就得將大氣可能獲得或失去這四種守恆量的情形考慮進去。

模式工作者將大氣狀態定義為所有可量測的物理變量的完整描述，包括壓力、溫度、相對濕度以及風向、風速，這些物理量要符合電腦模擬所根據的物理性質而守恆。在大多數的天氣模式裡，這些可觀測的變數是定義在用以表示大氣的三維網格上，因此每個高度的每種性質都可以做出圖形來。模式工作者把所有網格上變數值的集合，稱為模式的狀態。 在執行預報時，數值天氣預報模式會從某一瞬間時刻以微小的時步，重複向前計算模式的狀態（時步可由幾秒到幾分，視模式所解析的運動尺度而定）。在每個時步裡，模式計算的作用包括：各種隨著風改變的大氣性質、蒸發過程、降水、表面摩擦以及在重要地區的長波輻射冷卻與日照加熱。

遺憾的是，氣象預報是有瑕疵的。首先，模式的初始狀態總是既不完整也不精確。颶風的初始狀態尤其難確定，這是因為直接的觀測稀少且不易執行。然而我們由衛星雲圖得知，颶風有著複雜且精密的結構，這些雲圖或許很有用處，但是我們需要知道更多。其次，就算有完美的初始狀態，強烈熱帶氣旋的電腦模式本來就容易出現誤差。例如大氣狀態只在格點上計算，因此無法正確處理小於網格長度（相鄰兩格點的間距）的現象特徵。如果模式沒有非常高的解析度，眼牆附近的結構（颶風最重要的特徵）就會變得和緩而且細節不明。此外，模式和它企圖模擬的真實大氣一樣，有著混沌的行為。上述缺陷所導致的誤差，會隨著預報的運算進程快速成長。

資料同化

儘管有這些限制，這個技術對我們的目標仍然非常有用。我們為實驗修改出一個高效率的預報初始化系統，稱之為四維變分資料同化（4DVAR）系統，其中第四維指的是時間。在歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）這個世上首屈一指的氣象中心裡，每天都使用這個複雜的技術來預報天氣。在預報開始前，為了最有效使用所有由衛星、船舶、浮標和空飄儀器所收集的觀測資料，4DVAR會將這些測量值，以及對大氣初始狀態有根據的首次猜測值結合起來，這個過程稱為資料同化。這個首次猜測值通常是在原始觀測時間點的六小時預報值。值得注意的是，4DVAR是在觀測時間點當下併入每筆觀測資料，而非將數小時期間的資料組合起來。觀測資料與首次猜測值同化所得的結果，則用來啟動下一個六小時的預報作業。

理論上，資料同化產生了對天氣狀態的最佳估計，模式表現在對觀測值的擬合和對首次猜測值的擬合是平衡的。雖然這個問題的統計理論很明確，但是要適切地應用它所需要的假設與資訊卻只是個近似，因此資料同化的實際運用其實是藝術與科學參半。

具體而言，4DVAR找出的大氣狀態不僅能滿足模式的方程式，而且也很接近首次猜測值與實際觀測值。它能達成這個困難的工作，靠的是往回調整在六小時區段之初的模式初始狀態，調整的根據則是在這段時間內模式所得的模擬值與觀測值之間的差異量。特別的是，4DVAR利用這些差異量來計算模式的敏感度，亦即計算各參數需要多大的改變，才會在模式對觀測值的擬合程度上產生影響。這個計算過程會利用到所謂的共軛模式，在時間上往回運算六小時的時間間隔，接著一個最佳化的程式會選出對模式初始狀態最好的調整方式，使得模擬值能最接近真實颶風在這六小時之間的進展。

由於這個方法是利用對模式方程式的近似來進行調整，因此整個程序（模擬、比較、共軛模式以及最佳化）必須不斷地重複來微調結果。在程序完成時，六小時模擬所得的最終狀態便成為下一個六小時的首次猜測值。

當模擬出過去的某個颶風後，接著我們可以在不同時刻改變它的一個或數個特性，並且檢視這些變動的效果。結果顯示這類變動大部份都無疾而終，只有具某些特殊特徵的擾動（能引發自我增強機制的特別型態或結構）才會不斷發展至足以對颶風產生重大影響。要了解這個概念，我們可以想像有一對音叉，一個不斷振動，另一個則靜止不動。如果將這兩個音叉調到不同的頻率，靜止的音叉雖然不停地受到另一個音叉造出的聲波衝擊，它仍然不會跟著振動；然而若兩者有著相同的頻率，第二個音叉將因共振反應而與前者發生共鳴。相似地，我們的挑戰便是找出能產生穩定反應的正確刺激（亦即對颶風的改變），從而達到我們的需求。

平息風暴

為了探索大氣系統的敏感度，能否被用來改變如颶風這般威力強大的大氣現象，我們在AER的研究團隊，日前針對兩個發生在1992年的颶風進行了電腦模擬實驗。颶風伊尼基（Iniki）在當年9月通過夏威夷群島中的考艾島（Kauai），造成數人死亡、龐大的財產損失、整片森林被夷為平地。颶風安德魯（Andrew）則在8月時襲擊了弗羅里達州邁阿密以南的地區，致使該區滿目瘡痍。

令人訝異的是，儘管目前的預報技術裡有著種種缺陷，我們的首次實驗立即就成功了。為了改變伊尼基的路徑，我們先選定希望颶風六小時後所在的位置，大約是在原路徑西方97公里。接著我們用這個目標製作出一份人造觀測資料，並把它輸入4DVAR中。我們讓電腦去計算，要讓颶風路徑通過目標位置，各重要性質在初始狀態所需的最小改變量。在這個早期的實驗裡，我們並未排除任何可能對風暴系統所做的人為改變。 最重要的改變經證實為初始的溫度和風。一般跨網格的溫度調整不過是攝氏幾十分之一度，但是在模式最底層、風暴中心以西的地方，發生了增加將近2℃這種非常顯著的改變。計算結果得到風速變化量約為每小時3~5公里，不過有幾個地方速度的改變量可達每小時32公里，這是由於風暴中心的風向輕微改變之故。

雖然原始的伊尼基與調整後的版本，結構看起來幾乎一模一樣，然而對重要變數的改變量，實際上已經大到足以使後者在最初六小時的模擬中向西偏移，隨後向北而去，考艾島因此得以避開風暴中危害最大的風。對風暴初始條件相當微小的人為改變，透過模擬風暴的複雜非線性方程組傳遞，在六小時後達成預計的位置變換結果。這次實驗使我們相信，在找出調節真實颶風所需要的變化上，我們的研究方向是正確的。在接下來的實驗裡，我們使用更高的網格解析度來模擬颶風，並且把4DVAR的目標設定為減少財產損失。

在一次使用加入擾動的實驗裡，我們計算了當安德魯颶風襲擊弗州海岸時，若要限制其表面風速所需要的溫度增加量。我們的目標是讓初始溫度的修正量越小越好（如此在真實世界越容易達成），並且在起始六小時裡的最後兩小時，讓破壞力最強的風威力減弱。在這次的試驗裡，4DVAR找出了限制風災最好的方法，就是在靠近風眼的地方對初始溫度進行最大的改變。此處模擬產生的溫度改變在某些位置可達2或3℃，較小的溫度變化（少於0.5℃）可以延伸到距離風眼805~966公里處。這些變化特徵類似波動，以颶風為中心的環狀加熱及冷卻區交互出現。雖然一開始只有溫度發生變動，但是其他重要的變數很快就都受到影響。在原始的颶風模擬案例裡，具破壞力的風（時速超過90公里）六小時後就席捲了弗州南部的人口稠密地區，然而，在調控的模擬案例裡，這種情況便不再出現。

而在測試這些結果的穩固程度方面，我們對一個更複雜、解析度更高的模式版本施以同樣的擾動，所得到的結果都非常相似，這表示我們的實驗對個別模式選定的配置並不特別敏感。然而經過六小時之後，具破壞力的風又再度在擾動的模擬案例裡出現，因此若真要保護好弗州南部，就必須再放入擾動，確實情況看起來是需要放入一連串計畫好的擾動，如此才能持續掌控颶風若干時間。

誰來止雨

如果事實就像我們的結果所建議的一樣，颶風內部與周圍微小的溫度變化，可以讓它的路徑往預知方向偏移，或是減慢它的風速，那麼接下來的問題就是如何製造出這種擾動。當然，沒人有本事瞬間改變像颶風那樣龐然大物的溫度，不過，加熱颶風周圍的空氣，在一段時間內改變其溫度，卻是有可能做得到的 。

在我們計畫進行的實驗中，將會計算減弱颶風或改變其路徑所需的精確大氣加熱型態與強度。毫無疑問的，它所需要的能量必然很大，不過繞地球軌道運行的一系列太陽能量站最後可以用來提供充足的能量。這些生產能量的衛星使用巨大的鏡子將太陽光聚集在太陽能電池上，收集到的能量隨後會發射到地面的微波接收器上。目前太空中的太陽能量站，是設計成將微波輻射設定在能穿越，但不會加熱大氣的頻率，如此能量就不會浪費掉。然而，對調控天氣而言，若將向下的微波頻率調整成易被水氣所吸收，那麼就可以隨心所欲地加熱不同高度的大氣層。不過由於雨滴能強力吸收微波，在雨雲裡面或下方的颶風結構將會被遮蔽，不適合用此種方法加熱。

在先前的實驗裡，4DVAR找出溫度變化最大的位置，正好是微波加熱法無法作用的地方，因此我們進行了一個實驗，強迫颶風中心的溫度在計算最佳擾動過程中保持不變，最後的結果與原來的實驗相似，不過為了彌補颶風中心初始溫度的無變動，其他時間的溫度變化幅度就變得很大。值得注意的是，在模擬期間，靠近風暴中心的溫度變化發展極為迅速。

另一個調節強烈熱帶風暴的可能方法，就是在海面上覆蓋一層具生物分解性的薄油膜，藉著降低海面蒸發量來直接限制颶風可使用的能量。此外，在颶風接近前數日，或者距離尚在數千里之外時，經由漸進的調節也可能對它產生影響。藉由改變大氣壓力等作用，噴射氣流高度的大尺度風場也許會發生變化，這對颶風強度與路徑就能產生重大影響。再者，對我們的日常活動稍微做些改變，也可能製造出適當的初始改變，例如改變飛機的飛行路線，使其凝結尾出現在能增加雲量的位置，或是改變作物灌溉工作，使蒸發量增加或減少。

功成之後

如果未來氣象調控真能奏效，那可能會引發嚴重的政治問題。萬一人為干預造成颶風侵襲了另一個國家的領土呢？此外，即使1970年代末期聯合國大會就禁止使用天氣改造技術做為武器，某些國家仍然可能躍躍欲試 。

不過在關心這些事之前，我們必須先證明這個方法應用在其他大氣現象上同樣有效。事實上，我們認為這個技術應該率先試用來增加降雨量，然後以此為測試基礎，往上擴展，將我們的概念應用在一個較小、能夠裝置許多感應儀器的區域內。由於空間尺度縮小了，擾動的介入可以由飛機或地面完成。如果我們對雲的物理、電腦模擬，以及資料同化技術的理解，進步的速度和我所希望的一樣快的話，這些改變幅度不大的試驗或可在10~20年內動工；一旦成功之後，從太空來加熱以進行大尺度的天氣改造，將可望成為地球上各國都願意追求的一個合理目標。

【2004-11-01/科學人/33期/P.39】