海上科考：研究季風(fēng)降水變化

這是印度一個炎熱的夏日。在干燥的北部平原，遲緩的風(fēng)在上空徘徊。人們焦灼的目光投向天空，他們期待季風(fēng)帶來潮濕和降雨，然而天空依然是清澈的藍(lán)天。攜帶著降雨的云彩何時才能到來？

即使是一流的氣象學(xué)家也難以回答這個問題。這就是為什么在千里之外的南邊，一艘科學(xué)試驗(yàn)船漂浮在孟加拉灣中部進(jìn)行科學(xué)考察的原因。船上有24名海洋學(xué)家，他們正在研究季風(fēng)與海洋的關(guān)系。

幾千年來，印度的農(nóng)民，特別是一些種植規(guī)模比較小的農(nóng)民，急切地希望能夠預(yù)測每年6月到9月的季風(fēng)降雨情況，以便更好地灌溉莊稼。他們需要了解旱災(zāi)發(fā)生的可能性和降雨發(fā)生的時間，以減少農(nóng)業(yè)種植的盲目性，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。季風(fēng)降雨所造成的滾滾河流還為當(dāng)?shù)厝藗兲峁┝素S富的電能。

然而，現(xiàn)在還難以做到對季風(fēng)的準(zhǔn)確預(yù)測。降雨和風(fēng)都與印度洋的海水相關(guān)，海洋學(xué)家們正在探索一個季風(fēng)系統(tǒng)，其中降雨、風(fēng)和海平面都是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，但是，現(xiàn)在科學(xué)家對這些環(huán)節(jié)了解不多。

科考船正好位于河流、海流和風(fēng)相遇的地方，這并非偶然，而是有意為之。在那里，科學(xué)家們正在尋找一些關(guān)于海洋如何對風(fēng)、陸地產(chǎn)生影響的線索。不久，這些風(fēng)將會在印度干燥的平原上空匯聚成高聳的烏云，最終帶來涼爽的降雨，并緩解旱情。

對于我們中的許多人來說，看到“季風(fēng)”一詞首先會想到熱帶地區(qū)的傾盆大雨。但是，科學(xué)家認(rèn)為降雨始于風(fēng)，沒有風(fēng)就不會有降雨。“季風(fēng)”這個詞來源于阿拉伯語，意思是與“季節(jié)”有關(guān)的風(fēng)。最早在印度洋北部航行的貿(mào)易商，認(rèn)識到這種風(fēng)每年有規(guī)律地變換兩次方向，冬季從東北方向吹來，夏季則從西南方向吹來。

但是，風(fēng)只是整個季風(fēng)系統(tǒng)的一個組成部分，季風(fēng)系統(tǒng)就像一個巨大的熱力發(fā)動機(jī)，其中溫度差異是驅(qū)動風(fēng)移動的原因。在夏季，陸地的表面吸收太陽的熱量，使其上方的大氣變得暖熱，暖熱的空氣在大陸上空膨脹并上升，在上升的過程中，來自印度洋的空氣涌入，并取代原來大陸上的空氣，這些就是季風(fēng)，從西南方向穿過海洋吹來，帶著潮濕的空氣，在陸地上形成大雨。

暴雨中不斷上升的空氣，能有效地將熱量從海洋輸送到陸地，并上升到陸地大氣的上空，在上空，空氣平穩(wěn)返回大海，逐漸冷卻并向海洋下沉，以完成循環(huán)。這個循環(huán)還會使熱量穿過赤道，從經(jīng)歷夏季的北半球到經(jīng)歷冬季的南半球。這個循環(huán)的關(guān)鍵是來自海洋的水，溫暖海域的水蒸發(fā)，產(chǎn)生水蒸氣，保持大量的熱能。

當(dāng)溫暖濕潤的空氣在陸地云層中升起時，水蒸氣會凝結(jié)回液態(tài)雨滴的狀態(tài)，并在此過程中以熱的形式釋放其儲存的能量。大氣中的額外加熱對季風(fēng)系統(tǒng)起到了推動作用，可以擴(kuò)展空氣的體積并降低空氣的密度，空氣的表面壓力會降低，從而加快季風(fēng)的速度。

這看起來就像擰緊發(fā)條的時鐘，基本上季風(fēng)的運(yùn)行原理就是這樣。然而，在這個季風(fēng)季節(jié)，印度和鄰近的國家并不一定都能得到穩(wěn)定的降雨。相反，雨水就像波浪一樣，會一波一波地到達(dá)，每一次降水會持續(xù)一周或者數(shù)周，大雨或者暴雨總是在無雨的平靜期之后才會到來。人們只能對即將到來的降雨進(jìn)行預(yù)報，無法進(jìn)行中長期的預(yù)報，人們無法預(yù)知一周或者數(shù)周以后的天氣狀況，也不能預(yù)測整個季風(fēng)季節(jié)總的降雨量。

海洋能否改善中長期季風(fēng)預(yù)報？這是研究人員需要回答的問題。

氣象學(xué)家擁有復(fù)雜的大氣數(shù)值模型，可以模擬一般的季風(fēng)和降雨周期，但這些模擬都忽略了海洋的影響因素，如果在大氣層下方再加上海洋的影響，模型會變得更加完善。海洋和大氣之間的相互作用，對于正確模擬天氣尤為關(guān)鍵：處理好風(fēng)暴期和平靜期之間的變動。

問題在于，難以為印度洋創(chuàng)建滿足兩個主要要求的模型：即模型不僅要大（覆蓋整個印度洋），還要準(zhǔn)，能夠正確地預(yù)測海洋表面的溫度。目前的海洋模型將該區(qū)域劃分為統(tǒng)一的網(wǎng)格，并假設(shè)每個網(wǎng)格內(nèi)的海洋條件均勻，每個網(wǎng)格的寬度都是數(shù)十公里，都充滿了層層旋渦的水流，網(wǎng)格的表面充滿了波浪，這些波浪不穩(wěn)定，并且在不同溫度下混合移動。為了獲得更好的模擬效果，網(wǎng)格精度必須提高，尺寸必須減小，這意味著模型網(wǎng)格的總數(shù)要成幾何級數(shù)增加。但是，受到計(jì)算資源的限制，這方面很難做到。

海洋模型難以準(zhǔn)確地表示孟加拉灣海洋表面正在發(fā)生的事情。孟加拉灣是恒河和布拉馬普特拉河（中國境內(nèi)稱雅魯藏布江）流入大海的地方，也是南亞次大陸迎接季風(fēng)的地方。河流與季風(fēng)的匯合，造成孟加拉灣淡水咸水的混合模式。長期以來，海洋學(xué)家一直懷疑海灣中不斷變化的海洋條件在季風(fēng)中起著關(guān)鍵作用。

夏天，孟加拉灣的平靜表面在熱帶陽光下迅速升溫。溫水蒸發(fā)，將熱量和濕氣釋放到風(fēng)中。受到擠壓的潮濕氣流向陸地橫掃，海洋學(xué)家的“如歌”號科考船已經(jīng)在孟加拉灣漂泊了兩天。大氣似乎對空氣和水之間的溫差特別敏感，如果海面溫度稍微變暖，則會有更多的水汽蒸發(fā)。海洋學(xué)家希望能夠預(yù)測的是，海面變暖或冷卻的速度到底有多快，這正是科考隊(duì)正在忙著測量的東西。

來自美國、印度和斯里蘭卡相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究人員、工程師和學(xué)生等加入了該項(xiàng)目的研究，該研究還得到了美國海軍研究辦公室和印度地球科學(xué)部的支持。研究人員對孟加拉灣這片廣闊的海域和陸地充滿了興趣。研究人員在該地區(qū)進(jìn)行海上科考，并帶來了很多小工具來觀察和記錄海面下的條件，這是一個隱藏在衛(wèi)星控制之外的區(qū)域，惡劣的環(huán)境會對精密的測量儀器造成致命的傷害：海水中的鹽分會腐蝕金屬，海洋中的藻類和藤壺類生物會吸附在測量儀器上，海流還會對儀器造成扭曲和變形，魚也會偶爾對測量儀器造成破壞。

解決的辦法是盡可能多地在測船附近部署不同類型的工具，并將觀測范圍擴(kuò)展到更廣闊的地方，從測船附近的深水區(qū)擴(kuò)展到數(shù)百公里以外。研究人員部署了漂流儀器，將數(shù)據(jù)發(fā)送回來，遠(yuǎn)程控制的小測船能夠遠(yuǎn)離科考船，進(jìn)行測量并傳回?cái)?shù)據(jù)。