许小峰
折断“蝴蝶”的翅膀——“控制”天气变化的一种探索与实验 精选
2022-8-10 22:14
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蝴蝶效应.jpg

面对复杂多变的大气,人类一直心存两个梦想,一是可测,二是可控。可测包括探测和预测,已通过现代测量技术(自动测量传感器、卫星、雷达等)和数值天气预报模式结合天气分析方法取得显著进展。而可控问题虽已经过长时间研究与实践,但相对而言仍处于初级阶段,从科学理论到业务应用,诸多问题仍在探索中。

 

所谓“可控”,即在适当条件下通过科技手段对大气的动力、热力过程进行人工干预,达到影响天气系统演变的目的,包括增雨(雪)、防雹、消雨、消雾、防霜等,避免或减轻可能造成的灾害,以及合理开发利用气候资源,即人类为了达到某种预期目标通过工程技术方法控制天气变化的过程。

 

从科学机理上,气象学家通过大量探索和试验取得了许多成果,为人工影响天气作业提供了技术方法和理论指导,并在实际业务中反复检验,不断提升和完善。尽管如此,面对地球大气和每一个天气系统这样的“庞然大物”,现有的科技水平总让人感到所及时空范围有限,心余力绌。

 

在广阔的大自然面前,若不解决以小博大的问题,以现有方式有效改变天气系统的结构和走向,会面临极大难度,可以在局部施加影响,但难以触发天气系统整体性改变。有人提出要通过借助系统内在力量实现“自我革命”,达到颠覆性效果。构想很好,但实施又谈何容易。如何才能调动系统自身能量呢?需要有科学认知的基础和可行的探索试验。

 

近期,日本理化学研究所(RIKEN)的科研团队启动该领域研究,尽管还仅是通过低维模型开展理论研究试验,与实用相差较远,但其成果或许能为同行学者的相关研究,提供观察和参考价值。这一研究结果,发表在学术杂志《地球物理学的非线性过程》(Nonlinear Processes of Geophysics2022年第一期。

 

该研究的主要科学基础是大气作为一个“混沌”系统,具有对初值的敏感性。系统在某一时刻出现的微小扰动或误差,会导致后续时间周期的巨大变化,即已被广为认知的“蝴蝶效应”。较为通俗的表述为:“一只南美洲亚马孙热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,两周后可在美国得州引发一场龙卷风。”这一研究成果是美国气象学家洛伦茨1963年发表的一篇论文中提出的,在认识天气气候变化规律、可预报性等问题上颠覆了人们以往的认知,并在社会、经济、政治、生态等更为广泛的领域产生了深刻影响。

 

既然系统对初值敏感,可否利用这一原理通过小扰动来诱发大气产生系统性转变呢?即如果无法控制强烈的龙卷风,那么是否可以选择在哪里放飞那只诱发天气变化的小蝴蝶从而达到影响龙卷风发生发展的目的呢?显然,扰动过大,则会超越工程实现能力,探索和试验正是围绕这一问题展开。

 蝴蝶效应2.jpg

 

其基本构想是,如果能通过工程性措施对大气某种状态实施适当扰动,使大气原本发生的动力轨道改变方向,且扰动的设定在人类可控的工程能力范围内,有可能实现对天气的“控制”。根据“混沌理论”,初始的微小扰动有可能引发系统的转折性变化,而如何恰当地给出有效的初始扰动,并比较其引发的变化结果,是问题的关键环节。RIKEN团队参照了观测系统模拟试验(Observing Systems Simulation ExperimentOSSE)方法,探索实现这一构想,通过计算模拟来检验天气系统的可控性。

 

OSSE是为了评估预期的新观测系统是否对数值天气预报模式能产生正面影响而发展的敏感性试验方法,在无需实际观测数据条件下就可提前对未来观测系统的可能效果给出量化分析。具体做法是首先通过数值模式模拟生成自由大气,称为自然场景(Nature RunNR),可通过将NR的格点场资料反演预期增加的新观测资料,如卫星、雷达等信息。再将这些信息同化到数值模式中计算未来变化,与作为真实大气的NR资料作比较,分析预期的新观测系统所产生的影响。

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控制与不控制系统运行对比

 

RIKEN团队另辟蹊径,将这一方法用来作对天气系统的控制试验。仿照OSSE的设计,团队构建了新的控制模拟试验(Control Simulation ExperimentCSE)方案,目的是通过添加小扰动对大气自然状态(NR)变化进行控制,使大气保持某一选定的状态,而不转向另一状态。为了简化试验,团队并没有采用真实大气的所有变量,只使用了1963年洛伦茨发现“确定性的非周期流”时用过的简化热对流方程组,虽仅保留3个变量,但系统表现出了典型的“混沌”行为。

 

在试验中,通过小于观测误差3%的微扰动来触发自然状态变化,成功导致系统被控制在洛伦茨吸引子的一个确定吸引域,即系统运动在“蝴蝶翅膀”某一翼区,而不转向另一翼。从运动状态图形上看,如同蝴蝶失去了一个翅膀,单翅飞行。这一结果,从试验角度实现了将大气动力学的轨道控制在所需演变方向,通过对大气变量的微小调整达到使天气系统不在两种显著不同状态之间发生跃变的目的。其中的关键,是要找到有效的微扰动控制方法,通过对扰动的选择与控制使系统演变沿着预期的轨道运行。

 

这种控制方式的构想于20世纪90年代就已提出,被称为“混沌的控制(The Control of Chaos)”。而这次试验目的是将这种控制应用到对天气系统的改变中。目前,探索显然仅是迈出了一小步,还需要通过更为复杂的大气模型进一步深入,也无疑将遇到更多问题和难点。但可能发生的诸多无法确定的结果,也正是科学探索的魅力所在。

《中国气象报》

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