「雲物理」研究

雲,是氣候模式中非常難預測的一項因素,卻與全球暖化、空氣污染等環境議題密切相關。中研院環境變遷研究中心的王寳貫主任,研究領域從小尺度的粒子運動,一直到大尺度的風暴,試圖解答雲與環境的課題。

本文專訪氣象學家王寳貫,從物理的角度認識「雲」。
攝影│張語辰

雲到底是什麼玩意兒?
一般人其實對雲有很嚴重的誤解。看到一朵雲在飄,我們很容易誤以為一朵雲就像一棵樹、一顆蘋果,是「一樣東西」。

一朵雲其實不是真的「一樣東西」,只是彼此關係很淺的一團水珠的集合。

一朵雲飄過來的過程中,裡面的水珠有的在長大,有的則在蒸發。飄過來之後,其實水珠已經全部換掉了。即使雲的形狀看起來沒有變,但是雲的實際材料早就已經變化非常大。

我們經常說,颱風從海上過來,「在臺灣登陸」。說起來似乎是某樣東西從太平洋移動到臺灣,但事實上只是把這個「運動」傳過來。颱風抵達臺灣的時候,它的空氣已經不同於原來生成時的那團空氣,而是「氣流的運動」傳到了臺灣。

好比往池塘丟一塊石頭,水波跑出去了,但是水面上的小樹枝並不會隨著水波往外跑,只會上下動。颱風就像波動一樣,波動的形狀跑出去了,但是水氣的材料留在原地。

如果地球上沒有雲,會怎麼樣?

一般用氣候模式來推估未來氣候的變化,裡面有個很大的不確定性,就是在於「雲」。事實上,人類對雲的了解很不足。一朵雲可以支撐多久?什麼地方可以產生雲?這些問題很難回答,卻有重大的影響。

假設地球上沒有雲,會發生什麼事嗎?首先,雲的來源主要就是水蒸氣。

如果把地球上的水蒸氣都拿掉,那地球上的平均溫度會比零度還要低。

地球誕生早期,氣體被埋在地下,經過火山活動釋放出來,其中很重要的物質就是水蒸氣,使地球溫暖到平均攝氏十五度。有了水蒸氣,上空溫度夠冷,就可以凝結產生雲。

如果地球上雲太多,會怎麼樣?

如果從外太空看地球,會看到雲是最白的部分,可以把陽光反射回去。地球上如果雲很多,「反照率」就很強,地面上受到的太陽輻射就少,就會變得比較冷。

金星之所以那麼亮,原因除了離地球很近之外,也因為整個星球被一層雲包住,反照率強,陽光照射時就看起來亮晶晶。金星上的雲是硫酸,顏色沒有那麼白,而地球上的雲是白色的,反照率更強。假使地球上的雲非常濃厚,地表就會來到寒冬。

(左圖)地球的雲是白色的,雲的厚度較沒那麼厚。(右圖)金星表面被厚厚的硫酸雲遮蓋,雲的顏色較沒那麼白。
圖片來源│NASA(地球)、NASA(金星)

為什麼要了解雲的個別粒子運動?

雲對氣候的影響非常大,因此我們需要知道,雲可以在什麼地方產生?一旦產生可以撐多久?什麼樣的雲可以撐久一點?

雲裡面的小粒子,有小水珠、大雨滴,還有許多冰晶。就算是夏天,很多雲裡面也是冰晶,因為在兩、三千公尺的高度,氣溫可能就是攝氏零度以下。

冰晶的運動與雲的物理有什麼關係呢?冰晶在往下掉的時候,如果掉得很快,蒸發量就會比較大。就像是夏天很熱,沒有風的時候散熱很慢,但是開個電風扇就會覺得涼快,因為對流作用把熱帶走。一旦蒸發量大,就會吸收掉比較多周圍空氣的能量,使得那塊空氣變冷。在同樣氣壓條件下,冷空氣會下沉,而下沉氣流則會使雲散掉。

這些複雜的運動過程,我們團隊用精密的流體力學,算得非常清楚,可供模擬雲的生成與流動。

風暴上面真的沒有雲嗎?

從前氣象學家認為,風暴的頂端就是雲所能達到的最高界線,往上就是平流層,非常乾燥。一般長程飛機就是飛在平流層底部,你會發覺那裡一望無際幾乎沒有雲,因為幾乎沒有水蒸氣。

但是,後來由人造衛星發現,風暴頂端之上,竟然還有一些雲。有雲就代表有水蒸氣,那水蒸氣從哪裡來呢?

我們研究風暴模型,利用電腦解大量的方程式,得到了一個可能的結果:經由「碎波」的現象,水蒸氣可以上升到平流層,並且跟風暴有關係。在對流層頂端,因為對流很強,會產生重力波。若只是一般的波動,水蒸氣上不去平流層。但是如果像在海邊突然翻過來的「碎浪」一樣,產生「碎波」,那就可以把物質傳到平流層。

雲頂「倒捲」的形狀,即是「碎波」。王寳貫團隊以電腦模擬碎波的形狀、大小、方位、發生地點,和實際觀測情況相當吻合。
資料來源│Wang, P. K. 2004: A cloud model interpretation of jumping cirrus above storm top, Geophys. Res. Lett., 31, L18106

在風暴中,碎波會將水蒸氣往上送到平流層,這個現象有什麼意義呢?

平流層上如果有水蒸氣的話,或者有雲的話,它會使地面的暖化更嚴重。

這是因為平流層的水蒸氣,溫度非常低,特別容易吸收地面上傳過來的紅外線。

過去談全球暖化,主要談「二氧化碳」,沒有考慮到平流層上「水蒸氣」的問題。而最近研究發現,平流層上的水蒸氣有時多、有時少。我們認為,這些水蒸氣很可能是從風暴,經過碎波現象傳送上來。

假如地球上變暖的現象會影響風暴的活動,往上傳送的水蒸氣有時多、有時少。多的時候紅外線不容易傳出去,地面上變暖;少的時候熱比較容易散發出去,就會變得比較冷。

雲和空氣污染有什麼關係呢?

雲要凝結,需要有小的汙染物,也就是所謂「凝結核」。如果空氣真的是非常乾淨,乾淨到一點塵埃都沒有,我們的空氣當中根本不會有雲,每天都是藍天。

我小時候臺灣的天空很藍,現在很少那麼藍,就算是藍天也是有點灰白,那就代表空氣中有很多小粒子,吸收了水氣。尤其是臺灣這麼潮濕,很容易就吸收很多水氣,造成很薄的雲,罩在天空中。

如果塵埃太多,造成很多稀薄的雲,非常多但是分散掉了,水滴很小而不下雨,你就不會把它叫「雲」,而是叫「霾」。

現在臺灣空氣污染嚴重,除了本地污染以外,還有來自中國大陸、東南亞的污染,尤其在春天,臺灣是這三種空污來源的會合地區。但是,臺灣的空氣污染觀測相當不夠,過去都只是在地面測量。有鑒於空污觀測的不足,我們最近與德國布萊梅大學 (University of Bremen) 合作,推動「臺灣大氣化學轉化與污染傳輸」(Pro-ACT3)計畫。

「臺灣大氣化學轉化與污染傳輸計畫」的高空研究飛機。
圖片來源│吳姿蓉提供

合作的德國團隊在 2018 年 3 月開了 G550 高空研究飛機到臺南,進行一個月的觀測,探測臺灣地區、東海及南海上空多種空氣污染物的物理化學性質。這項研究將了解臺灣空氣污染物的傳輸與轉化機制,從中找出未來防制境外空污的方式。

  • 採訪編輯|歐柏昇
  • 美術編輯|張語辰

 

延伸閱讀

  • 冬天打雷為什麼是不祥之兆?氣象學家有解釋
  • 王寳貫的個人網頁
  • Kai-Yuan Cheng, Pao K. Wang and Chen-Kang Wang, 2014, “A Numerical Study on the Ventilation Coefficients of Falling Hailstones”, JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES, 71(7), 2625-2634. (SCI) (IF: 2.672; SCI ranking: 32.4%)
  • Tempei Hashino, Mihai Chiruta, Dierk Polzin, Alexander Kubicek and Pao K. Wang, 2014, “Numerical simulation of the flow fields around falling ice crystals with inclined orientation and the hydrodynamic torque”, ATMOSPHERIC RESEARCH, 150, 79-96. (SCI) (IF: 2.2; SCI ranking: 39.2%)
  • Setvak, M., K. Bedka, D. T. Lindsey, A. Sokol, Z. Charvat, J. Stastka, and P. K. Wang, 2013: A-Train observations of deep convective storm tops. Atmos. Res., 123, 229-248.
  • Wang, Pao K., M. Setvak, W. Lyons, W. Schmid, and H. Lin, 2009: Further evidence of deep convective vertical transport of water vapor through the tropopause, Atmos. Res., 94, 400-408.
  • Wang, P. K. 2004: A cloud model interpretation of jumping cirrus above storm top, Geophys. Res. Lett., 31, L18106., doi:10.1029/2004GL020787
  • Wang, P. K., 2002: Shape and Microdynamics of Ice Particles and Their Effects in Cirrus Clouds. Invited monograph in Advances in Geophysics, Vol. 45, Academic Press, 1-265.
  • 王寳貫,《雲物理學》。1997,國立編譯館(渤海堂印行) 。
  • 王寳貫,〈雷公的髮髻〉,《數理人文》第九期。
  • 新聞報導:台德合作測空污 高空研究飛機進駐