第七課：大氣中的水 一、前言：水的獨特性 二、大氣中的水分---濕度(露、霜) 三、雲的形成與分類 四、降水 五、 雲改造---種雲

一、前言： 許多自然災害都離不開水的禍害，例如:辛樂克颱風、莫拉克風災(八八水災) ，為什麼呢 ? 這是因水的獨特性。

辛樂克颱風災情(2008.9.13)

廬山溫泉: 氾濫平原被過度使用例 辛樂克颱風造成的豪雨，南投塔羅灣溪暴漲，洪水傾洩，廬山溫泉街變成汪洋一片，看不到陸地。

莫拉克風災(八八水災)積留待清理土石

莫拉克風災將屆滿週年，經濟部長施顏祥表示，水利署清淤進度超前，這 1年的清淤量等同42座台北101大樓。截至 8月1日止，疏濬總量超過8700萬立方公尺，是過去疏濬量 4倍以上。 施顏祥表示，台灣 1年砂石需求量大概是6000萬立方公尺，莫拉克風災沖刷土方量高達12億立方公尺，等於可供台灣使用20年。本來估計台灣 1年河川疏濬大概是2000萬立方公尺，直到 8月 1日止，疏濬總量已經超過8700萬立方公尺，是過去疏濬量 4倍以上。

NHK紀錄片:小林滅村肇因深層崩壞 八風災快滿週年，當時傷亡最嚴重的小林村。滅村的原因，政府只說是雨量太大造成的，不過日本公共電視台NHK所拍攝的紀錄片中，卻指出這是深層崩壞引發。一年了，受災的小林村民還是難以走出傷痛，沉痛呼籲政府應該好好調查、所有類似的危險山坡地。

水的獨特性 1. 地球上唯一「三相」(氣、液、固態)共存物質。 1. 地球上唯一「三相」(氣、液、固態)共存物質。 2. 水凝結成固態後，體積膨脹，密度變小，因此可以浮在水面。冰隔熱效果好，冰層下方的水不會因為天氣變冷而結冰，水族因而可在冰面下生存。 3. 水的熱容量很大。一卡的熱可提高一公克的水一度，但可提高一公克的空氣溫度四度。海洋、湖泊都有調節氣溫的作用。 4. 水產生相變化的潛熱量比大部分物質所需的潛熱量大。冰→水：80卡；水→水氣：540卡。大氣中，水物質不時產生相變化，釋放出相當多的潛熱，是大氣運動所需能量的主要來源之一。

二、大氣中的水分---濕度(露、霜) 1. 濕度:一般在氣象學中指的是空氣濕度，它是空氣中水蒸氣的含量。空氣中液態或固態的水不算在濕度中。不含水蒸氣的空氣被稱為乾空氣。 濕度用來標示大氣中的水蒸氣含量。絕對濕度標示大氣中單位體積水蒸氣的質量。相對濕度則是當時大氣中水蒸氣含量與大氣中濕度飽和時水蒸氣含量的比值，通常以百分比表示。濕度50%表示當時單位體積大氣所含水蒸氣的質量是相同溫度下濕度飽和所含水蒸氣質量的一半。由於飽和時水蒸氣含量和溫度有關，未飽和的大氣在降溫後可能達到飽和的情況。當大氣飽和時的溫度稱為露點(dew point)。

相對濕度公式 相對濕度 = 100% *水蒸氣壓 / 飽和水蒸氣壓

A. 起始狀態 B. 開始蒸發 C. 開始液化 D. 達於平衡

濕度比較

濕度比較

在氣象學和水文學中濕度是決定蒸發的重要數據。它對不同的氣候區的產生起決定性的作用。大氣中的水蒸氣在水循環過程中也是必不可少的。通過水蒸氣水可以很快地在地球表面運動。水在大氣中形成降水、雲和其它現象，它們決定了地球的氣象和氣候。

2. 濕度與身體健康 我們知道身體藉排汗達到降溫目的， 但事實上並非排汗本身降溫， 乃是藉汗水蒸發來帶走體熱。濕度高，表示空氣中水蒸氣壓很高並更接近飽和，則蒸發速率降低，身體無法藉排汗降溫以保持固定體溫，人體的溫度升高，身體便要致病， 例如以下狀況。(參考熱指數表) 中暑(heat stroke ): 中暑時身體無法對其溫度進行自我調節。體溫急速上升，排汗功能失效，身體無法自行降溫。熱衰竭: 身體流失大量水分及汗液中鹽分後作出的反應。熱痙攣:發生於那些劇烈活動時出汗過量的人群。肌肉缺少鹽分時會引起疼痛的抽筋症狀。

熱指數表 (Heat Index Table)

Korey Damont Stringer (May 8, 1974–August 1, 2001) was an American football player who died from complications brought on by heat stroke, during training camp in Mankato, Minnesota while in training camp with the Minnesota Vikings of the National Football League.(中暑)

急救中暑者的目標是盡速使患者體溫下降及取得醫療援助。 討論: 電風扇用途: 清涼解暑和流通空氣、防暑降温

空氣濕度對身體健康影響 空氣濕度過大或過小，都對人體健康不利。濕度過大時，體內甲狀腺素及腎上腺素分泌的濃度就相對降低，細胞就會“偷懶”，人就會感到無精打采。長時間在濕度較大的地方工作、生活，還容易患風濕性、類風濕性關節炎等濕痹症。但濕度過小時，蒸發加快，乾燥的空氣使人皮膚乾裂，出現口渴、幹咳、聲嘶、喉痛等症狀，極易誘發咽炎、氣管炎、肺炎等病症。空氣過於乾燥或潮濕，都有利於一些細菌和病菌的繁殖和傳播。  正是因為空氣濕度影響著人體健康，所以人們在日常生活中，不僅要關注溫度和晴雨，也要關注身邊無時不在的空氣濕度及其變化。

3. 露(dew)和霜(frost): 當相對濕度超過100%，凝結就會產生。當氣溫在露點以下時，即空氣中的水蒸氣壓高於此溫度下的飽和蒸氣壓時，就開始結露發生霧化。簡單說，當氣溫降低,水的飽和蒸氣壓就會降低，當飽和蒸氣壓低於空氣中的水蒸氣壓時(過飽和)，水蒸氣就會在物體表面凝結成露水。比如，在晴空夜晚，當溫度低於露點溫度，以致於水氣飽和，在地面上形成露。如果露點溫度在０ºC以下，則水污直接在接觸面上凝華為白色的冰晶，稱為霜。露和霜的形成必須具備兩個條件，即晴朗的天氣和無風。這樣，夜間地面輻射冷卻迅速，近地面的空氣有足夠長的時間與冷地面接觸，使溫度降低，水汽凝結。

露

霜

三、雲的形成： 一旦空氣中的水氣凝結成小水滴，或進一步凝結成冰晶，就形成「可見」的雲。雲的形成有許多方式，但是最基本的是，必須使空氣飽和(水氣)，甚至超飽和。其過程，譬如：(1)增加水氣含量，(2)降低溫度，(3)兩者同時發生。

三、雲的形成與分類： 1. 雲形成的條件 雲的形成要有兩個最基本的條件：一是有充分的水汽，二是有使水汽凝結的空氣冷卻，兩個條件缺一不可。 有了大量的水汽，有了空氣冷卻，水汽還不能凝結形成雲，這時還需要另一個促使水汽凝結的條件--凝結核。 單個水汽分子之間相互合併的能力在一般氣溫條件下是很小的，它們相碰後往往又分開。即使聚合起來形成細小的水滴，也因為水汽分子很小，其形成的小水滴也很微小，而迅速被蒸發掉。要使水汽發生凝結，必須還要有使水汽依附、聚集

的凝結核。在大氣中含有大量的微小粒子，例如鹽粒、煙粒、塵埃等，它們在水汽凝結成水滴的過程中起著凝結的核心作用。氣象上稱這些微小的粒子為凝結核(condensation nuclei)。 凝結核是很小的，它比起雲滴(雲中水滴或冰晶)、雨滴要小得多。通常，雨滴半徑為1毫米，雲滴為1／100毫米，而凝結核只有1／10000~>l／1000毫米，人的頭髮絲半徑約為5／100毫米。從這些數字可以得出比較直觀的印象，即凝結核比人的頭髮絲還要細得多。當具備了充足的水汽、使空氣冷卻的上升運動和凝結核以後，雲就水到渠成地形成了。

2. 凝結過程：  水氣是看不到的。我們看到的雲是由水滴或冰晶形成，小水滴形成須要有凝結核(圖) 。凝結核的大小約0.1~0.2μm，一旦生成小水滴可以在數分之內形成2000μm的雨滴。以體積而言，水滴可在數分鐘之內成長1012倍(圖)。 如果水面是曲面，須較多水氣量才能達到飽和

雲滴 雨滴 凝結核 雨滴、雲滴和凝結核的相對大小

3. 形成雲的上升運動 當空氣上升、膨脹、冷卻時就形成雲(圖) ，常見的空氣上升的因素(圖)有下列: (a)對流 (b)受山抬舉 (c)低層空氣輻合(converge) ，如地形雲(lenticular cloud ，如圖) 。 (d)冷暖氣團交界 圖: 空氣因對流作用上升

圖: 空氣上升的主要原因素：(左上)對流，(右上)受山抬舉，(左下)低層空氣輻合，(右下)冷暖氣團交界處

一般而言，較穩定的大氣所產生的雲，多層狀雲；較不穩定大氣，多積狀雲(圖)。 圖:大氣穩定度會影響雲的成長

圖::在山後的地形雲

4. 雲的分類: 最早將雲分類是英國何華特爵士(Luke Howard)在1803年所創議，後來又經過修訂，現在國際間將根據形狀與高度將雲分為四「族」(families)，即低雲族、中雲族、高雲族及直展雲族。前三族大致都呈層狀，低雲族內有層雲、層積雲和雨層雲三「屬」(genera)，中雲族有高積雲和高層雲兩屬，高雲族含卷雲、卷層雲及卷積雲三屬，最後一族直展雲可穿透各水平雲層;往垂直方向伸展很高，含積雲及積雨雲兩屬。但其中高層雲雖然一般都在中層，卻能伸展至更高，雨層雲雖然一部分在低層，但大部分位於中層。(見圖) 下面是這十屬雲的簡單說明 :

卷雲 Cirrus 卷層雲 Cirrostratus 卷積雲 Cirrocumulus 積雨雲 Cumulonimbus ------------------------------ 積雨雲 Cumulonimbus 高積雲 Altocumulus 高層雲 Altostratus ------------------------------ 積雲 Cumulus 雨層雲 Nimbostratus 層積雲 Stratuscumulus 層雲 Stratus

地面天氣圖

(1) 卷雲 (存在高度：11,000米以上) 這是一種細緻而分散的雲，具有纖維組織，像羽毛、頭髮、亂絲或馬尾，姿態很多：孤懸高空而無雲影:日出日落時顯示紅色或橘紅色。鰶閉O一種最高的雲，清晨太陽還沒有到地平線，就已經照到這一種雲。

(2) 卷層雲 (存在高度：約10,500米左右)它是最高最薄的一種雲幕，彷彿由亂絲織成，太陽或月亮被遮掩的時候，仍能看到它的輪廓，並且周圍常出現一種暈。凡天空有暈，一定有卷層雲；但厚的卷層雲像幕二樣拉到天邊，也可以不生暈。

(3) 卷積雲 (存在高度：約9,500米以左右) 這種雲很少出現，偶而滿佈全天的時候，漁夫們稱之為「鮪魚天」，因為天空好像佈滿魚鱗，個體很小，呈白色而無雲影，有時呈波浪狀，太陽或月亮被遮住，很容易產生「華」。卷積雲大都和卷雲或卷層雲同時出現。

(4) 高層雲 (存在高度：約8,500米以左右) 高層雲大都掩蔽全天，逐漸變厚變低時，使人有陰沈之感，當它轉變為雨層雲之前，常有疏落約雨滴降下;相反來說，高層雲也可由雨層雲升高而成。

(5) 高積雲 (存在高度：約8,000米左右) 高積雲的個體比卷積雲大，中央有雲影，常連成一片，底部呈波浪形;或排成一長列，或交織成棋盤狀，有時像群羊倦伏，有時像無數雲母片，也有像豆莢，或小塊棉絮狀，式樣很多。

(6) 層積雲 (存在高度：約6,500米左右) 它的個體比高積雲更大，外形較柔和，結構不太明顯。如果連成一片則底部具有波浪形態和明暗相間的灰色陰影，層積雲大都像巨大的滾軸，雲底以下代表渦流層。高山所見的雲海大多為層積雲，換句話說，這種雲的頂部很像「海」。

(7) 層雲 (存在高度：2,000米以左右) 層雲是一種均勻一致的灰白色低雲，似霧，但不與地相接。當它籠罩在山腰的時候，邊緣有下瀉的姿態，到了那裡，就是濃霧。

(8) 雨層雲 (存在高度：1,500米以下) 這是一種典型的壞天氣雲，黯黑而無定形，很像被布，使天空因而陰暗，凡屬持久性雨，一定是從雨層雲中降落。

(9) 積雲 (存在高度：約5,000米左右) 積雲彷彿棉花堆，底部平坦，頂部隆起像土丘、花椰菜或塔狀。陽光斜射時，積雲的明暗面很明顯，如果和太陽在同一方向，中央陰暗，邊緣特別明亮。

(10) 積雨雲(存在高度：一般在3,000米左右，發展巨大時，可從2,000多米處垂直身展至10,000多米的高空，橫越整個雲帶。)這是一種最濃厚而龐大的雲，垂直伸展極高，底部黯黑:難以分辨，頂部聳起如山岳或高塔，而且還常有鐵砧狀的偽卷雲，作巨大的羽扇狀伸出，近底部則有襤褸低雲，彼此相混，降水有時呈「雨旛」形式。

5. 霧(fog): 霧是指在接近地球表面的大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水氣凝結物，是一種常見的天氣現象。霧能影響能見度，對交通影響很大。根據國際上的定義，霧中的能見度要小於1公里。當氣溫達到露點溫度時（或接近露點），空氣裡的水蒸氣凝結生成霧。

霧的種類 (1) 輻射霧（Radiation fog）：日落後近地面空氣的溫度逐步下降，令空氣裏的水氣凝結，形成無數懸浮於空氣裡的小水點，這便是輻射霧。多出現於晴朗而風力微弱的秋冬晚上或清晨，在日出後不久或風速加快後便會自然消散。

輻射霧

(2). 平流霧（Advection fog）：當暖濕空氣平流流經較冷水面或陸地時，暖濕氣流遇冷絕熱冷卻凝結成霧。這種現象通常在冬天發生，持續較長時間，有時甚至可達數百米厚度。平流霧出現時間不定，往往可持續較長時間，除非風向轉變或停止，平流霧才會消散，通常發生於春季夜間。清晨時湖面霧氣彌漫，但天空仍然明朗

舊金山金山大橋

(3). 蒸氣霧：這通常在冷空氣流過較暖的水面時形成。水蒸氣會很快便經由蒸發作用而進入大氣層並且逐漸降至露點以下而冷凝，最後形成蒸氣霧。蒸氣霧通常會在極地發生，並且最常見於晚秋及早冬時的大型湖泊旁。它與大湖降雪效應及大湖降雨效應有密切關係，並且通常會生成凍霧或白霜。

(4)上坡霧：當風將空氣吹向山坡時，使其向上流動，再因絕熱膨脹而冷凝時產生上坡霧。 (5) 谷霧：通常發生在冬天的山谷裡。當較重的冷空氣移至山谷裡，暖空氣同時亦在山頂經過時產生了溫度逆增現象，結果生成了谷霧，而且可以持續數天。(例:登玉山)

谷霧 上坡霧

四、降水(precipitation) 大氣雲中之水汽因凝結而降落到地面，稱之為降水 (precipitation)。降水的形式包括液態與固態，可細分為雨、雪、凍雨、霙(霰)、冰雹等，臺灣地區之降水型態仍以降雨(rainfall)為主。 1. 降水的形式 根據溫度分佈，降水有下列形式: (如圖) (A) 雨 (B) 雪 (C) 凍雨(freezing rain) (D) 霙(雨夾雪、sleet) (E) 冰雹: 從積雨雲中降落下來的冰塊或冰球， 形狀可從小碎片到高爾夫球、棒球大小。

圖: 冰風暴時的凍雨(freezing rain)

圖: 霙

圖:冰雹是積雨雲中猛烈的上升和下降氣流造成的。

2.      雲滴的成長 根據溫度，雲可分別暖雲和冷雲， 暖雲的溫度> 0oC， 冷雲的溫度< 0oC， (圖) ，兩者的成長過程不同。 圖: 積雨雲中的溫度

(1)暖雲 大部分的暖雲不易產生降水，因為： (i)水滴太小，幾乎懸浮在空中； (ii)水滴下降時，周圍的空氣溫度漸漸上升，水滴會蒸發。 下降的水滴，若要到達地面形成降水，必須(i)下降速度夠大，(ii)水滴夠大，所以到達地面時，不會完全被蒸發掉。依凝結過程，水滴很難迅速成長(須數日之久) ，最有效的成長方法是碰撞結合(圖) ，因大水滴下降速度大於小水滴，因此大水滴在下降過程可以吞併小水滴而成長(圖) 。

圖: 碰撞結合

(2)   冷雲 --- 冰晶過程 在冷雲中，過冷水滴與冰晶並存。由於在同一溫度，冰面的飽和水氣低於水面的飽和水氣(如圖之容器實驗) 。因此空氣中的水氣不斷凝固，但對水滴而言，水氣量未飽和而繼續蒸發。結果冰晶愈大，水滴愈小(圖)。

冰晶易碎，形成許多小冰晶。這些小冰晶則充當結冰核，形成更多的大冰晶。卷雲溫度滴(< -40oC)，不需結冰核就可凝固成冰晶。這些冰晶如果過重，掉離卷雲，進入下方冷雲充當結冰核(圖)，可使冷雲中冰晶數量迅速增加。

五、 雲改造---種雲: 雲的形成與空氣中的灰塵物質有關，這些物質成為凝結核以吸附小水滴，故凝結核越多降雨機會越高，因此在缺雨時飛機噴灑乾冰或碘化銀在雲中以吸附水滴， 稱為”種雲”(cloud seeding)。同樣原理當空氣中多污染物質時，空氣中增加許多凝結核，降雨的機會也增加。