瑞典裔美籍氣象學家Carl-Gustaf Rossby (1898-1957)，是現代氣象學中最具有影響力的人物。他主要的研究貢獻在大氣動力學，對航空氣象、數值天氣預報、大氣化學、雲物理、地球系統科學等也有很重要的貢獻。
1957年8月19日，Rossby因心臟病發驟逝，享年58歲，震驚整個科學界。原先Rossby友人規劃慶祝他六十歲大壽的學術特別專輯，變成Rossby的逝世紀念專輯，但未改變其初衷，即見證Rossby在大氣科學的學術發展、教學、和國際科學合作上的重要貢獻與領導角色。
Rossby的紀念專輯於1959年出版，標題為：
THE ATMOSPHERE AND THE SEA IN MOTION
SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS TO THE ROSSBY MEMORIAL VOLUME
專輯的主編是Bert Bolin，由Rockefeller University Press出版，網路上可找到全文：https://books.rupress.org/sites/books.rupress.org/files/ebooks/9780874700336_WEB.pdf。
Rossby紀念專輯的第一篇文章 (Rossby 1959)，是Rossby過世前幾個月在瑞典國家科學研究委員會的1956 年年鑑發表的文章：Aktuella Meteorologiska Problem (瑞典文，中譯為「當前氣象學面臨的問題」)，分成以下章節：
Introduction
Planetary problems of balance and circulation
A. Radiation balance and heat storage
B. Carbon dioxide and its cycle
C. Tritium and the hydrologic cycle
The general circulation of the atmosphere
Weather forecasts
Distribution of matter in the atmosphere
A. Air trajectories
B. Distribution and circulation of maritime salts
C. The circulation of sulphur and ammonia
D. The exchange of matter at the sea surface
Attempts to control atmospheric processes
這篇文章，從現在來看仍是極具意義和遠見。系列文最後一篇Part 8.5，來筆記”Attempts to control atmospheric processes”這個章節。Rossby簡要回顧了跟降水相關的雲微物理過程，例如Wegener–Bergeron–Findeisen過程和Collision and Coalescence過程，以及種雲實驗的科學原理和初步結果，最後以人類是否能干預大氣環流和氣候作為總結。我的筆記中稍微調整一下順序，希望讀起來更通順一點。
對Rossby故事有興趣的話，可以參考我之前寫的文章：https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/search/label/Carl-Gustaf%20Rossby：
Carl-Gustaf Rossby: Part 0 - Rossby’s mentorship
Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介
Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代
Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網
Carl-Gustaf Rossby: Part 4 - MIT時期
Carl-Gustaf Rossby: Part 5 - 二戰期間
Carl-Gustaf Rossby: Part 6.1 - 芝加哥大學氣象研究所的成立
Carl-Gustaf Rossby: Part 6.2 - 芝加哥的學生
Carl-Gustaf Rossby: Part 7.1 - 重返瑞典
Carl-Gustaf Rossby: Part 7.2 - 瑞典的學生
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.1 - 當前氣象學面臨的問題：輻射收支、二氧化碳和碳循環、水循環
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.2 - 當前氣象學面臨的問題：大氣環流、鋒面
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.3 - 當前氣象學面臨的問題：天氣預報
Carl-Gustaf Rossby: Part 8.4 - 當前氣象學面臨的問題：物質如何被大氣傳送
▋1. 人為干預天氣與氣候
隨著人類逐漸了解大氣的結構與運動，氣象學家也開始探討能否藉由人為方式來影響或控制天氣現象，稱為人工改造天氣 (weather modification)，這在科學上和實務上都有很高的價值。一個很好的例子是人工增雨，也稱為種雲 (cloud seeding)，是指在有雲或是適當的大氣條件下，通過人工手段來催化降雨。人工增雨可能可以幫助緩解旱象，或是讓大型活動不會被雨影響。有很多相關的報導和網站，節錄幾個：
中國政府新聞稿：《奧運史上首次實現成功人工消雨 發射火箭1104枚》，2008/08/09，新聞連結
聯合新聞網：《影／石門水庫第9次人工增雨 今增水36萬噸》，2024/05/27, 新聞連結
國立臺灣大學大氣資源與災害研究中心——人工增雨服務團 (網站連結)
人工增雨實驗最大的爭論點是這些人為干擾的有效性。因為在大多數情況下，科學家發現即使未經人為干擾的雲層還是會透過自然過程產生降水，這顯示這些人為干擾可能只是做白工。因此，為了判定種雲操作的有效程度，必須進行精心設計的一系列的長期實驗，並對其進行統計分析 (p48)。大約從1940年代到現在，人工增雨的研究以及實驗都有在進行，實地實驗結果有些成功有些失敗，目前科學界對人工增雨的有效程度還沒有定論。
Cloud seeding process. Image: Yang H. Ku/C&EN/Shutterstock.
https://earth.org/unleashing-the-power-of-cloud-seeding-navigating-potential-and-pitfalls/
目前氣候變遷是很嚴峻的問題，地球暖化速度似乎越來越快，除了減少二氧化碳排放量，透過人為手段改變地球的能量收支也是可能的方式，稱為地球工程 (geoengineering)。地球工程還可再區分為「太陽輻射管理」(Solar Radiation Management, SRM) 和「二氧化碳移除」(Carbon Dioxide Removal, CDR) 兩大類。
「太陽輻射管理」目前比較熱門的有兩個選項：
平流層氣膠注入氣候工程 (Stratospheric Aerosol Injection, SAI)，在平流層人為注入氣膠來提高地球對太陽的反照率，使得地球接收到的太陽能量減少來減緩暖化。
海洋雲增亮 (Marine cloud brightening, MCB)，將海鹽結晶噴灑到雲裡面，讓雲滴更小和延長雲的生命週期，使得雲可以反射更多太陽光回太空來減緩暖化。
Proposed methods for climate intervention that would affect climate by modifying either incoming or outgoing solar radiation. Credit: Dr. Chelsea Thompson
「二氧化碳移除」目前比較熱門的選項有直接捕捉 (Direct Air Capture)、生物能源與碳捕集和儲存 (Bioenergy with Carbon Capture and Storage)、海洋施肥 (Ocean Fertilization)、造林 (Afforestation)等。
地球工程看似是應對氣候變遷的解方之一，但由於人類對地球工程的可能後果和利弊還不甚清楚，目前科學界和業界還是以學術研究和小規模實驗的階段，還沒有計畫大規模的施作。
雖然以地球工程來減緩氣候變遷感覺像是近期提出的想法，但早在1955年，偉大數學家兼物理學家兼電腦科學家馮紐曼 (John von Neumann) 在《財星》雜誌 (Fortune) 發表的短文「我們能在科技發展下存活嗎？」(“Can we survive technology?”)，就預言大概在幾十年內，人類會以當時難以想像的規模展開對天氣和氣候的介入 ("Probably intervention in atmospheric and climatic matters will come in a few decades, and will unfold on a scale difficult to imagine at present."; von Neumann 1955)。
Rossby對此的評論是「或許大多數氣象學家不願接受馮紐曼的預測，但我們應該記住，在過去幾十年中，科技的發展一次又一次地證明，充滿遠見的夢想家比現實主義者的常識判斷更接近現實。」(“Most meteorologists would be reluctant perhaps to accept von Neumann's forecast today, but one should remember that during the last decades the technological development has time after time shown the dreams of a visionary mind to be closer to reality than the common sense judgement of the realists.”; p50)。
▋2. 降水相關的物理過程
大氣中的跟降水相關的物理過程可依照尺度區分為三類：第一類是雲微物理過程 (microphysical processes)，涉及單個雲滴的組成與演變，空間尺度約為微米等級 (10-6公尺)；第二類是中尺度過程 (mesophysical processes)，涵蓋一朵雲從發展到消散的過程，空間尺度約為公里等級 (103公尺)；第三類是巨觀尺度或綜觀尺度過程 (macrophysical or synoptic processes)，主要處理氣旋與反氣旋以及與之相關的雲系，空間尺度約為千公里等級 (106公尺) (p49)。
一般的人工干預降水是透過影響雲的微物理過程來改變降水，也稱為種雲 (cloud seeding)。種雲的思考出發點是雖然大氣中的水氣凝結過程效率很高，但不是每朵雲都會降水，如果能以人為方式促使原本不該降水的雲產生降水，就達到人工干預降水或天氣的目標 (p45)。
人為對雲微物理的干預可能會引發雲在中尺度的變化。有科學家提出降水過程釋放的潛熱應足以增強雲的垂直發展，從而形成強降水所需的輻合機制。Edward George Bowen和Patrick Squires在澳洲進行的種雲實驗，他們從數百個外觀相似的積雲群中選擇了一朵單獨的雲，對其使用乾冰進行催化。幾分鐘後，該雲出現了強烈的垂直發展，同時其頂部出現轉化成冰雲的跡象。周圍的其他雲層並未表現出類似的發展模式 (p47-48) 。
目前還沒有可靠且普遍接受的證據顯示種雲會影響到綜觀尺度。Irving Langmuir曾聲稱在美國西南部進行的一週一次的種雲實驗導致密西西比河谷的降水有相同的變化週期，且有兩到三天的延遲。然而，大多數氣象學家並不完全接受Langmuir的觀點。一個強力的反駁論點是如果能夠通過影響雲的微物理過程來改變天氣系統的發展，這代表這些天氣系統對這些微小擾動有極高的敏感性。然而，這與事實和模式互相矛盾——因為即使當時的模式完全沒有考慮雲微物理過程，大多數情況下模式仍能成功預測天氣系統的發展 (p49)。
從以上的討論，可以明確看出大氣中各種尺度的過程會相互影響，無論在種雲或是其他方面，都迫切需要進行徹底且系統性的研究 (p50)。
▋3. 雲微物理
Figure 1 in Morrison et al. (2020). Confronting the Challenge of Modeling Cloud and Precipitation Microphysics. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 12(8), e2019MS001689. https://doi.org/10.1029/2019MS001689
由於大氣中有很多氣膠如海鹽、沙塵、空氣污染物等，大氣中水氣含量只要達到一點點過飽和，這些水氣就會凝結在氣膠上形成雲滴，雲滴的大小一般來說在幾微米，通常小於20微米。雲滴可能經由一些特別的物理過程將大量的雲滴轉化為少量的雨滴，雨滴的大小約從50微米到數公分都有可能。當雨滴足夠大足夠重時，就會經由重力落到地面，形成降水。
Tor Bergeron在他的1933年發表的經典論文指出，降水的產生需要雲裡頭有大量的過冷水滴和是否存在少量的冰晶。由於液態水與冰之間的飽和水汽壓差會使冰晶迅速增長，當冰晶成長到夠大時就會落到地面，形成降水。Bergeron提出這個物理機制後，經過Walter Findeisen的改良並加入1911年Alfred Wegener的研究工作，現今這個物理過程被稱稱為Wegener–Bergeron–Findeisen過程 (名字順序可以調整，如Bergeron–Findeisen過程、 Bergeron–Findeisen–Wegener過程等; 資料來源：AMS Glossary - Bergeron–Findeisen process)。
因為液態水與冰之間的飽和水汽壓差最大值在攝氏 -12°C，約0.27百帕，強降水理應只發生在雲層高度遠超過 0°C 等溫線的雲系，這大體上與中緯度地區的觀測經驗相符，Bergeron的理論也得到了廣泛的認可 (p45)。
然而，在第二次世界大戰期間，氣象學家在熱帶地區發現即使雲頂遠低於0°C，還是可以產生很強的降水，這顯示Bergeron理論不是適用在所有情況和地區 (p45)。熱帶氣象學大師Herbert Riehl (1915–97) 鮮明的回憶當他1943年前往位於波多黎各大學校園的熱帶氣象中心 (Institute of Tropical Meteorology) 擔任講師，第一天傍晚就被淺積雲帶來的強降雨給震驚了，他和同事不懂為何沒有冷雲過程的淺積雲，可以帶來這麼劇烈的降水，也開啟他對熱帶氣象的興趣 (Riehl, 1954: Tropical Meteorology; Amazon link)。
此外，Bergeron的理論不只在熱帶地區受到挑戰，在中緯度地區也是。在美國與英國，科學家使用雷達來研究降雨的發展，特別是針對對流雲。由於雷達回波的強度與水象粒子的大小密切相關，因此可以輕易辨別雨滴形成的高度和時間。科學家發現，很多時候第一個雨滴回波出現在冰晶或雪不可能存在的高度，並且回波 (即雨滴占據的區域) 會向上和向下垂直擴展 (p45)。
種種的觀測證據都顯示雲要產生降水除了Wegener–Bergeron–Findeisen過程以外，還必須存在其他物理機制，將雲滴快速的轉化為雨滴 (p45)。
Walter Findeisen和之後的Irving Langmuir提出了碰撞—合併過程 (Collision and Coalescence process)，這個過程假設雲中存在不同大小的雲滴，因為這些雲滴的終端速度不同，彼此可能發生碰撞並且合併成更大顆的雲滴。當更大的、下落速度更快的雲滴落下時，可以收更多較小的雲滴，最終成長到雨滴的大小。然而，許多雲層並不產生降水，這表明自然界中可能存在某些因素，抑制或至少延緩了合併過程，例如雲滴所帶的電荷等 (p45)。
一個普遍共識是如果碰撞—合併過程要能快速的形成降水，雲裡頭需要從一開始就存在足夠寬的雲滴粒徑分佈譜。Alfred Woodcock和一些研究者認為，自然界中已經存在相對較大顆的氣膠如海鹽，即所謂的「巨核」(giant nuclei)。當水氣凝結在這些巨核上時，就已經成為較大顆的雲滴，而且由於巨核包含更多的鹽分或可溶解的物質，當這些物質溶解進雲滴後會進一步降低雲滴的飽和水氣壓，有更強的凝結成長速率，使得比其他小雲滴成長得更快 (p45-46)。
研究人員進行了一系列碰撞—合併過程的理論研究，但推估雲滴的收集效率需要一些特定假設，例如碰撞過程中的空氣動力學過程。由於這些特定假設會影響理論的計算，因此目前所得的理論結果差異很大，而且有許多矛盾。此外，理論研究中尚未把碰撞與合併兩個過程區分開來，而是假設每次碰撞都會導致合併，這樣的假設需要實驗結果來驗證支持，而且因為凝結核中的有機物可能會改變水的物理表面性質，從而影響合併過程 (p45-46)。
Rossby認為目前對降水過程機制仍有很多未知，似乎有必要全面重新考慮迄今為止的理論研究，並進行廣泛且系統性的實驗，尤其是針對合併過程的研究，利用超高速攝影機及其他特殊設備進行實驗將會非常理想。研究結果將有助於從目前的混亂未知中理清思路，獲得更清晰且可靠的雲微物理過程與機制，為未來大規模且昂貴的實地實驗提供堅實的基礎 (p46)。
▋4. 人工增雨實驗 (也稱為種雲)
雖然對雲微物理過程還沒有非常完整的了解，但如果能以人為方式來改變降雨，還是有巨大潛在的科學價值和商業利益，所以1940年代末期開始就有一些小規模的人工增雨實驗。
根據Wegener–Bergeron–Findeisen過程，如果能在過冷雲滴組成的雲中讓冰晶形成，就可以刺激降水過程。讓冰晶形成的可能方式有人為和自然兩種，人為方式是在雲中加入特殊的凝結核使部分雲滴凍結，自然方式如來自高雲的微小雪晶落入或混入過冷的水雲中來迅速觸發降水過程 (p46)。
最早的人工增雨實驗是1948年由Irving Langmuir和Vincent Schaefer在美國紐約州的Schenectady地區進行。他們利用飛機在一層相對較薄的過冷層狀雲中散播乾冰顆粒，每顆乾冰顆粒會快速冷卻周圍的空氣，使其溫度降低到雲滴能夠自發形成冰晶，為Wegener–Bergeron–Findeisen過程創造了適當的初始條件。在15至20分鐘後，播雲區的雲幾乎完全消散，地面報告有輕微降雪發生。在那之後，美國和澳洲有進行類似的種雲實驗，並明確證實用這種方式來消散薄的過冷層狀雲的可能性，在航空領域具有一定的應用價值 (p47)。
然而，透過飛機播撒乾冰既耗時且成本高昂，Bernard Vonnegut在1946年發現並證明微小的碘化銀晶體能夠快速將過冷水雲轉化為冰晶雲，這是一個非常重要的進步。碘化銀能如此高效可能是由於其晶體形狀和尺寸與冰相似，但其實際機制尚未完全理解。碘化銀也提供相對簡單且低成本的種雲實驗，例如在地面上安裝碘化銀煙霧產生器，讓空氣的紊流和垂直運動將其攜帶到關鍵的過冷雲層中，再經由Wegener–Bergeron–Findeisen過程引發降水。這種方法的缺點是無法控制煙霧的分佈，無法將碘化銀晶體精確引導至特定雲層 (p47)。
以上的人工增雨實驗是針對冷雲 (低於0°C的雲)，也有針對暖雲 (高於0°C的雲) 的人工增雨實驗。
芝加哥大學的Horace Byers帶領的團隊在西印度群島的信風地區對淺積雲進行實驗。他們試圖向雲中注入水來促進雲滴的合併過程，但他們的實驗結果十分混亂，還沒有得到定論。此外，世界其他地區也有人嘗試通過注入「巨核」海鹽來促進降水的釋放。但這些實驗結果也有很多爭論。人們普遍認為對暖雲人工增雨這個領域還需要投入一些新的想法來推動發展 (p48)。
人工增雨實驗最大的爭論點是這些人為干擾的有效性。因為在大多數情況下，科學家發現即使未經人為干擾的雲層還是會透過自然過程產生降水，這顯示種雲可能只是做白工。因此，為了判定種雲操作的有效程度，必須進行精心設計的一系列的長期實驗，並對其進行統計分析 (p48)。
在所有氣象系統中，地形降水 (當潮濕的空氣遇到山丘或山脈而被迫上升和冷卻時產生的雨或雪) 可能提供了種雲實驗研究的最佳條件，因為這類地形雲系統相對常見，可以在相似的天氣條件下，進行種雲的實驗組和對照組，由此進行統計分析來判定種雲操作的有效程度 (p48)。
斯德哥爾摩大學的國際氣象研究中心 (International Meteorological Institute) 的雲物理小組組長Frank Henry Ludlam規劃在瑞典耶姆特蘭 (Jamtland) 的奧維克山 (Ovik mountains) 進行在底面燃燒碘化銀的冷雲增雨實驗，但由於人員短缺，實驗尚未進行。另外，美國加州的內華達山脈 (Sierra Nevada) 上已經進行了多年的大規模人工增雨實驗，以期能增加地形降水，該實驗由水力發電相關利益集團贊助。研究利用兩個集水區，一個集水區進行人工種雲，另一個未進行，然後分析兩個集水區的徑流量來估算種雲的效率。然而，目前的數據還不足以證明種雲是否真的有效，還需要更多年的實驗數據 (p48)。
▋5. 人工干預蒸發
除了人工增雨實驗以外，1950年代的科學家也開始關注自然水體 (如湖泊、雪地等)與人造水庫的蒸發問題，以及研究能否利用某些表面薄膜來減少蒸發的可能性。
科學家之前在實驗室中已經證明可以利用某些有機物質 (特別是具有直碳鏈的極性物質) 的單分子薄膜，來減少水面的蒸發，1920年代曾進行了一些使用脂肪酸的實驗。1943年，Langmuir和Schaefer發表了一篇論文，描述了脂肪醇在這方面的特性。其中，十六碳飽和鏈的脂肪醇—鯨蠟醇 (cetyl alcohol) 具有快速擴散的特性，並能有效抑制蒸發。鯨蠟醇是一種蠟狀物質，當它與水面接觸時會自發地釋放出單分子薄膜，這層薄膜覆蓋水面後可以抑制水的蒸發。實際操作上可以在水庫中讓鯨蠟醇的小顆粒漂浮於水面，讓其自行擴散，但通常更可行的方法是將其溶解在一種揮發性溶劑中，然後適量倒入水面，讓其自行擴散 (p48-49)。
薄膜材料除了抑制蒸發的能力外，其他特性也很重要，例如薄膜在風浪作用下的持久度，以及其對水質和生態環境的潛在影響。儘管鯨蠟醇在這些方面的資訊仍不夠完整，但現有研究顯示鯨蠟醇對水質和湖泊生物都是無害的，但薄膜會被風浪弄破並帶走，因此在持續有風的情況下，需要不斷補充薄膜，以維持其作用。目前還沒有鯨蠟醇在實地應用上的可靠數據，但根據美國地質調查局 (U.S. Geological Survey) 的口頭報告，在蒸發皿實驗中，平均蒸發量減少了 18% (p49)。
這些研究帶來了以人工方式來減少天然水體與人工水庫蒸發損失的可能性。1953年，澳洲聯邦科學與工業研究組織 (CSIRO) 由William Walladge Mansfield帶領的團隊開始研究在炎熱乾燥的情況下以人工干預方式來控制水體的蒸發，類似的實驗也在非洲肯亞、美國西南部展開 (p49)。
此外，瑞典科學家Kjell Groth建議可以透過人工干預方式來抑制雪的蒸發。因為在融雪期間，雪可能會出現相當大的蒸發損失，特別是在焚風發生的時候。在瑞典北部，蒸發損失估計約佔積雪總量的10%，而在美國內華達山脈及落磯山脈南部的某些地區，這一數字據稱接近50% (p49)。
鯨蠟醇能否在低溫和雪面上形成薄膜來抑制蒸發仍需要研究，Groth建議將脂肪醇與普通紅氧化鐵 (red iron oxide) 顏料混合。顏料顆粒可吸收太陽輻射，幫助提供薄膜形成所需的能量。使用這種混合物也會產生其他額外的影響，包括改變雪面的反照率、疏水性的脂肪醇在雪的表面可能加速積雪的融化等。目前已進行了一些野外實驗來評估Groth所提出的方法的可行性，但由於瑞典的蒸發損失較小，使得定量的評估幾乎無法進行。因此，若能在落磯山脈或內華達山脈的適當地區進行試驗，將會更具研究價值 (p49)。
▋參考資料
Rossby , C.-G . (1959). Current problems in meteorology. In B. Bolin (ed.): The atmosphere and sea in motion, pp. 9-50 . Rockefeller Institute Press, New York. https://books.rupress.org/sites/books.rupress.org/files/ebooks/9780874700336_WEB.pdf
von Neumann, John. (1955). Can we survive technology? Fortune. https://fortune.com/article/can-we-survive-technology/