《西游記》里有趣的天氣知識

高欣 李婧婧 蔡兆鑫

故事概況

1986版的《西游記》里有這樣一段故事。唐僧師徒一路向西，來到一個叫車遲國的地方，這個地方有三位國師，分別是虎力大仙、鹿力大仙和羊力大仙，這三位道士法力高強，能夠呼風(fēng)喚雨，點石成金，因此在這個國家中道士的地位特別高。同樣作為出家人的和尚們，因為求雨不成，被國王罰作道士的苦力。孫悟空知道后，路見不平，解救了和尚，得罪了三位國師，在倒換通關(guān)文牒的時候受到了國師的刁難。三位國師一定要與孫悟空一行人比試本領(lǐng)，才肯讓他們離開，而他們比試的第一項就是求雨。最終孫悟空要風(fēng)得風(fēng)，要雨得雨，戰(zhàn)勝了三位國師。

小時候看到這段情節(jié)的時候，只是覺得孫悟空一如既往的神通廣大，贏得比賽也是意料之中。而某一天，當(dāng)我陪著孩子一起重溫1986版的《西游記》時，不經(jīng)意間才發(fā)現(xiàn)，原來這場小規(guī)模的賭斗中，竟然還蘊含著科學(xué)道理，那就是人工增雨。

人工增雨的概念

人工增雨，一般是根據(jù)云的情況（性質(zhì)、高度、厚度、濃度、范圍等），采用飛機、高炮、火箭、地面催化劑發(fā)生器（煙爐）等方式，分別向云體播撒致冷劑（干冰、液氮）、成核劑（碘化銀）、吸濕劑（食鹽、尿素、氯化鈣）等催化劑，從而改變云滴的大小、分布和性質(zhì)，改變浮力平衡，加速其生長，達到增加降水的目的。

需要注意的是，人工增雨和人工降雨并不相同，人工增雨往往是天氣已經(jīng)具備降雨的條件，在此基礎(chǔ)上，通過一些方法讓降雨增加，而人工降雨是通過人工的手段，讓不具備降雨條件的天氣下雨，前者是“錦上添花”，后者是“無中生有”。

人工增雨的方式

聲波催化增雨

我們先看看虎力大仙是如何求雨的，原文里是這樣描述的：“這一上壇，只看我的令牌為號：一聲令牌響風(fēng)來，二聲響云起，三聲響雷閃齊鳴，四聲響雨至，五聲響云散雨收?！痹趯嶋H賭斗時，只見虎力大仙手持令牌，大聲呼喊，然而只是起了一場大風(fēng)，并未下雨。電視劇里此時虎力大仙不免大驚失色，“怎么就不靈了呢？之前就用此法求雨的呢！”這應(yīng)該是他的內(nèi)心獨白吧。此法之前靈驗，這次不靈，原因到底是什么呢？這就要來分析一下他的求雨手段了。

按照原文的描述，虎力大仙的求雨手段是“五聲”，他的具體動作也是“大聲呼喊”，因此聲音就是他求雨的核心?；⒘Υ笙傻那笥攴绞娇梢哉f是現(xiàn)代人工影響天氣中“聲波催化”這一增雨方式的雛形。

自然云中存在很多分布均勻的小云滴，它們在浮力的作用下，穩(wěn)定地漂浮在云中?，F(xiàn)代氣象學(xué)中，利用流體力學(xué)的原理，用強聲波激發(fā)云粒子震動，增大了它們相互撞擊并合的概率，讓很多小云粒子變成一個大的云滴，從而掉落下來，產(chǎn)生了降水。

虎力大仙在施法的過程中，不斷向高空大喊，就是在向云中發(fā)出聲波?，F(xiàn)在的科技工作者們發(fā)明了聚能空氣炮（或稱燃氣炮）和低頻強聲波。前者是一種運用沖擊波對局部天氣進行干擾的新型作業(yè)裝備，其工作原理是在點火室中，將燃料和氧化劑按照預(yù)定的混合比例引燃，在爆轟室中形成爆轟波；爆轟波不斷被加強，形成穩(wěn)定的高能沖擊波，通過連續(xù)向天空發(fā)射調(diào)制好的沖擊波，使炮口上方區(qū)域氣象條件發(fā)生變化。后者是通過電聲低頻強聲波裝置原型機，向云中連續(xù)發(fā)射低頻（30～300千赫茲）聲波，進而增加云中不同粒子間的碰并系數(shù)。這兩種裝置均可以對云滴粒子譜的展寬產(chǎn)生重要作用，對云中降水粒子下落有加速促進的影響，從而達到影響局部天氣條件的目的，而且還具有安全性高、環(huán)保、不需要申請空域、作業(yè)成本極低、操作簡易的特點。

不過“聲波催化”這種增雨方法仍處于試驗階段，更多的是對較低的云層起作用，很多技術(shù)參數(shù)仍在探索之中，成功率比較低。所以虎力大仙之前偶有求雨成功，而在與孫悟空的賭斗中遭遇失敗也是正?，F(xiàn)象。

播撒催化劑增雨

孫悟空為什么沒有經(jīng)過任何試驗，“一把”就成功了呢？先來看看他的方法吧。電視劇中，感覺孫悟空的方法簡單粗暴，把金箍棒往天上一指，要風(fēng)得風(fēng)，要雨得雨。不過，有個細節(jié)不可忽略，孫悟空用金箍棒指天給信號的時候，金箍棒的頂端噴射出發(fā)光物體，直上云霄，發(fā)射四次后，天空下起了瓢潑大雨。

金箍棒頂端噴射出的發(fā)光物體和現(xiàn)代人工影響天氣中的催化劑極為相似。而金箍棒向天空發(fā)射發(fā)光物體，更是像極了人工增雨過程中的核心環(huán)節(jié)——向云中播撒催化劑。相關(guān)人員需選擇合適的云，通過飛機、火箭或者高炮向云中播撒催化劑，最終達到降雨的目的，這是目前人工增雨最為常用的手段。

在氣象上，根據(jù)云內(nèi)的溫度，云層一般可以分為暖云和冷云，暖云是指云頂溫度在0 ℃以上的云，冷云是指云底溫度在0 ℃以下的云。我們平時常見的是混合云，即云層中既有暖云的部分，也有冷云的部分。暖云中，云粒子形態(tài)比較簡單，全部為液態(tài)；冷云比較復(fù)雜，根據(jù)云頂溫度的不同，云中可能會出現(xiàn)液態(tài)的過冷水滴和固態(tài)的冰晶、雪花、霰粒子等多種物質(zhì)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果冷云中溫度不夠低，利用制冷劑可以快速降低云內(nèi)溫度，讓水滴快速凝結(jié)，形成大量冰晶，加速降雨；如果冷云中比較干凈，富含大量低于0 ℃還保持液態(tài)的過冷水滴，同時云中缺乏冰核，我們可以依據(jù)冷云的靜力催化和動力催化原理，向云中撒播碘化銀等物質(zhì)，讓過冷水滴快速結(jié)冰。

其中，靜力催化就是在冷云中引入適量的人工冰晶，由冰晶通過凝華過程及隨后的凇附或碰并過程形成冷云降水；而動力催化是在云的過冷卻部位引入大量人工冰晶，使云中過冷水迅速轉(zhuǎn)化為冰晶，并加強凝華過程，釋放大量凍結(jié)潛熱和凝結(jié)潛熱，增加云體溫度和浮力，促使云體在垂直和水平方向發(fā)展，延長云的生命期，從而增加降水。如果云為暖云，可以向云中撒播新型高分子吸水材料、食鹽、尿素，甚至大水滴等，促進水滴和云滴碰并，這種作業(yè)方式被稱為暖云催化。

我們再回到電視劇中的場景，先來分析一下這次求雨的天氣背景和云層情況。借助一位百姓的話——“萬歲，今年一春無雨，但恐夏月干荒，特來啟奏，請那位國師爺爺祈一場甘雨，普濟黎民。”可以發(fā)現(xiàn)，此次求雨發(fā)生的時間是在春末夏初，天氣已經(jīng)開始炎熱起來，這個季節(jié)的降水通常是冷暖混合云降水，下雨過程中，烏云密布，天雷滾滾。烏云密布說明覆蓋范圍廣，天雷滾滾說明云中有較強的上升氣流，因此此次降水是積層混合云降水，是春末夏初最常見的降水系統(tǒng)，也是最適合人工催化的降水系統(tǒng)。而孫悟空很有可能就是將催化劑發(fā)射到云中，催化劑在云層中迅速被釋放擴散，形成立體的三維空間催化帶，促進了云滴到雨滴的轉(zhuǎn)變，從而引發(fā)降水。這與我們現(xiàn)在人工影響天氣作業(yè)中，發(fā)射火箭和高炮的場景非常相似，這種作業(yè)方式相對成熟，因此降雨賭斗的過程中，孫悟空能夠更勝一籌。

資助課題：國家自然科學(xué)基金項目，項目編號41805111

作者單位|高欣，山西省氣象服務(wù)中心；李婧婧，山西省大氣探測中心；蔡兆鑫，山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心