小说《西游记》第五十九至第六十一回讲述了孙悟空三借芭蕉扇的故事。在这个经典故事中，火焰山的八百里大火阻碍了师徒四人的西行取经之路，只有铁扇公主的芭蕉扇才能扑灭火焰。为了助唐僧穿过火焰山，孙悟空前往翠云山向铁扇公主借扇。由于孙悟空曾经和观音菩萨将铁扇公主的孩子—红孩儿降服，结下了冤仇，铁扇公主哪里肯借扇子。孙悟空只能与铁扇公主斗智斗勇，经过三次交手才借到芭蕉扇，降下大雨，熄灭了火焰山的大火。

问题来了：铁扇公主的芭蕉扇有何能耐？为何能将火焰山的八百里大火熄灭呢？

天上的云怎样变成雨

我们周围的空气中或多或少都含有水蒸气，即水汽。我们把含有水汽的空气称为湿空气。在一定的温度和压力条件下，空气中所含水汽达到最大限度时，空气湿度就处于饱和状态。当空气湿度从不饱和状态达到饱和状态时，其中的气态分子会凝结成液态粒子或者凝华成固态粒子。这些液态粒子（如小水滴、过冷水滴）和固态粒子（如冰晶）或它们的混合物聚集在一起，悬浮在空中，就是我们见到的云。

如何让空气中的水蒸气达到饱和变成云呢？一般来说，有两个途径：一是增湿，即增加空气中的水汽含量；二是降温，大自然中的云雾主要是通过降温过程形成的。在这个过程中，还必须有大量气溶胶粒子充当云凝结核，因为单纯依靠水汽自身凝结或凝华很难形成云。因此，充足的水汽、降温和大量的云凝结核是云（雾）生成的必要条件。

不过，有了云并不意味着一定会出现降水，自然界中九成以上的云不会产生降水。如果想让云中的水汽转化为降水落到地面，必须让云滴或冰晶持续长大成为雨滴、雪花、霰或冰雹等较大的降水粒子。

什么是云滴呢？气象学上，通常把半径小于100微米的水滴称为云滴，把半径大于100微米的水滴称为雨滴。典型云滴的半径约为10微米，比一根头发丝的半径还小；典型雨滴的半径约为1000微米，是云滴的100倍左右。因此，大约100万个云滴聚集在一起，才能形成1个典型的雨滴。

云滴如何在较短的时间内长成一个雨滴落到地面呢？其中涉及非常复杂的物理过程。在人工影响天气领域，我们将自然界的云按照云内温度的不同分为冷云、暖云和混合云。所谓冷云，就是云内温度全部在0℃以下的云，这种云主要由冰晶和过冷水滴组成。所谓暖云，就是云内温度全部在0℃以上的云，这种云主要由小水滴组成。如果云内既有高于0℃的区域，也有低于0℃的区域，这种云就是混合云，混合云中既有冰晶和过冷水滴，也有很多小水滴。

碰并与繁生—暖云降水的秘密

暖云中虽然只有小水滴，但这些水滴大小不一、分布不均，在重力、空气浮力和阻力的共同作用下，大水滴下落的速度往往比小水滴下落的速度快。这些速度较快的大水滴在下落过程中会与速度较慢的小水滴发生碰撞与并合，即碰并，从而使得大水滴进一步增大，下落速度也随之加快，进而增加了它们的碰并机会和生长速度。

研究人员发现，如果云中存在半径大于25微米的小水滴，很容易诱发上述的重力碰并过程，形成初始的雨滴。由于大雨滴的下落末速度比云滴快，在雨滴下落的过程中可以把附近的云滴全部碰并进去，使雨滴增大；而且，雨滴越大，单位时间内碰并的云滴越多，其增大的速度也更快。

在雨滴碰撞的过程中，除了并合，还有可能发生破碎，变成多个较小的水滴。特别是当雨滴增大到一定尺度后，即使没有碰到其他水滴，也会因空气的阻力发生形变，并在变形到一定阶段后破碎成较小的雨滴。这些新生水滴会继续引发碰并机制，进而形成更多的雨滴。上述过程被称为雨滴的“繁生”。

在“碰并”和“繁生”的共同作用下，暖云会在很短的时间内产生降水。

贝吉龙过程—冷云中雨滴长大的真相

冷云中存在着温度低于0℃的冰晶和依然保持液态的过冷水滴。这些冰晶可能由水滴冻结后形成，或者少数在特殊的冰核上由水汽直接凝华形成。由于在相同温度下，水面的饱和水汽压总是大于冰面的饱和水汽压，如果云中出现大量过冷水滴和冰晶，云中的水汽压会自动调整到相对于水面不饱和但对于冰面是过饱和的状态。此时，水滴表面会因为蒸发产生水汽，这些水汽在冰晶粒子表面凝华，使得冰晶快速增大，直到水滴被消耗殆尽，我们把这个过程称为“贝吉龙过程”。贝吉龙是瑞典气象学家，他于19世纪二三十年代首先发现了冷云中过冷水滴和小冰晶转化的真相，因此后人把这一“冰—水转化”过程称为“贝吉龙过程”。

冷云中的冰晶长大到一定程度就变为雪花。在雪花掉落过程中，如果环境温度一直低于0℃，我们就能欣赏到美丽的雪景；如果环境温度长时间高于0℃，雪花会融化成雨滴，落到地面。如果雪花在降落过程中，先经过较厚的暖层发生融化，变为雨滴，并在接近地面时遇到较冷的空气层发生降温，由于此时雨滴尚未冻结，就会以过冷却雨滴的形态到达地面，这就是贵州、湖南等地冬天常出现的冻雨。如果雪花先经过较薄的暖层，而后再经过较厚的冷层，往往会形成雨夹雪天气。

知道了暖云和冷云成云致雨的秘密，我们也就明白了混合云降水的道理：在冷云部分，冰晶粒子先通过贝吉龙过程长大，然后落到暖云部分，通过“碰并”或“繁生”过程持续增长。

芭蕉扇灭火大揭秘

在小说《西游记》中，铁扇公主的芭蕉扇有两个特点。第一个特点是扇出的风特别大。铁扇公主用此扇居然把法力无边的孙悟空扇飞了5万多里。能够扇出如此大的风的扇子，当然能够轻松地将火焰山附近的空气吹走，熄灭大火。第二个特点就是扇出的风是“阴风”—包含大量冷湿空气的风。书中描写：“孙大圣执着扇子，行近山边，尽气力挥了一扇，那火焰山平平息焰，寂寂除光。”这段描述用气象学知识解读就是，芭蕉扇扇出的冷湿空气与火焰山周围的暖空气相遇，吸收了大量热量，给火焰山降了温。书中接着描写：“行者喜喜欢欢，又扇一扇，只闻得习习潇潇，清风微动。”这段描述用气象学知识解读就是，芭蕉扇带来的大量水汽被加热上升，冷却成云，加上阴风本身携带的冷空气，令人舒爽。最后的第三扇带来“满天云漠漠，细雨落霏霏”。这段描述用气象学知识解读就是，满天云彩，产生了降水—很可能是暖云降水或者混合云降水；只是由于火焰山当地的水汽条件不太理想，所以只下了小雨。如果连续扇风，则可能为降水提供更多的水汽，出现“望山头连扇四十九扇，那山上大雨淙淙”的现象。

《西游记》中“三借芭蕉扇”的故事跌宕起伏，扣人心弦。在了解了暖云和冷云的成雨机制后，我们从科学的角度再次品读这个故事，会另有一番不同的感受。