暖雲降水的形成與改造

羅季康　劉廣英

一、前言

　　水有三相它們彼此間的轉變是雲微物理（Cloud Microphysics）的中心問題。由水汽凝結成水以及由水成冰或由水汽成冰，都使集在一起的水分子數目增多而開始成雲。當小水滴長到 10 μm（10×10^-6m）而每 cm³ 中約有 100 個時該空域就已形成了雲。此時的狀況相當穩定，即微小水滴不但彼此合併的趨勢甚徽且大小亦不改變除非大家一齊長大或消失。對於降水過程而言，首先要討論的就是此種穩定狀況如何能打破，其次則是雲滴長成雨點所需的時間要能與觀測所知由成雲到下雨的時間相配合。基本上來說由雲成雨的機制（Mechanism）有兩種，第一種學說包括水滴的直接碰撞與黏合（Direct Collision and Coalescence），一般稱之爲碰撞說。第二種則是以水滴與冰晶間的交互作用爲中心的冰晶說。前者在任何一種雲的成雨過程中都很重要，而後者則雲中必須要有冰晶存在才能發生作用。由於水汽轉變成水或冰以及水結成冰的過程都是使分子規則化增加（Increasing Order）的過程，即系統的熵（Entropy）要減少，根據熱力學第二定律在此種過程進行時須克服某種自由能的障碍（Free Energy Barrier）。譬如說水滴由凝結長大中需隨時克服球面的表面張力。而在（由水或水汽）成冰過程中則需克服交界面（Interface）間的自由能。因而在純淨條件下，水汽可達數倍飽和而不凝結，水滴亦可維持至-40℃。此種非平衡狀態下的熱力過程是雲物理的重要問題。有關此方面的問題在本期陳泰然教授所撰寫專文中已作介紹，本文僅就暖雲成雨及改造的部份略加補充，以供讀者參考。