雨的科學：從雨滴的形成、積雨雲的組織到降雨量與氣候環境的解析

第一部 地球降雨的微觀等級特徵

地球上的自然現象，大多是因為這就是地球，所以才會發生。因此想要理解地球，並非一定要從地球規模的程度來觀察和調查，從日常生活中的自然現象當作出發點，也是可行的。此外，想要理解雨也是一樣，只要知道雨的微觀等級特徵，就等於知道了地球上大自然的有趣以及不可思議之處。

第一章 雨滴的形狀與大小
從空中落下來的雨滴是什麼形狀呢？如果被問到的話，大家會怎麼回答呢？以每秒數公尺掉落下來的雨滴，落下時看起來就像是從天上牽引下來的線，若是不借助任何儀器直接觀察雨滴的話，將無法觀測到雨滴形狀 。即使如此，就像是繪本裡面常見到的插圖，有人會將水滴想像成薤菜的形狀，也有人會從水滴的性質猜想雨滴的形狀應該是球型才對。不過，即使小雨滴的形狀是球型，但是如果聽到有人說，稍微大的雨滴呈現底部平坦的饅頭狀落下時，你是否會感到很驚訝呢？

球型的雨滴
就算是沒有高速攝影機等特殊裝置，從前的人也可以透過觀察自然現象推測出雨滴的形狀。其中一個自然現象是各位經常看到的–––美麗的彩虹。光折射進入水滴之後，此時水滴的作用就跟菱鏡一樣，光在水滴裡面反射之後再折射出來，並且分成好幾個不同的顏色，這就是彩虹（圖1・1）。這個水滴是球型的。總而言之 ，從前的人是先觀察彩虹，然後再透過光變成彩虹的原理去推敲雨滴的形狀是球型。令人驚訝的地方是，光是看著從天空降落下來的雨滴所反射出來的亮光，並且觀察在這短短的時間間隔內所閃爍出來的光芒，就足以推敲出雨滴掉落下來時的模樣是一下子往橫向發展，一下子往縱向發展了。

雨滴掉落的速度
半徑在0.1毫米以上的水滴才會被稱作雨滴。其理由有兩個，一個是當水滴大於0.1毫米以上時，掉落速度就會大於雲層裡面空氣的上升速度，此時水滴才會開始降下來變成雨滴；另一個理由則是當水滴大小足夠，變成雨滴降落下來時，才不會容易在過程中蒸發掉。
應該有人看過在太空中的無重力實驗裡，一個呈現球狀的大水滴漂浮在半空中的照片或影片吧。水滴是液體，裡面的水分子因為表面張力的關係，讓整個水滴盡可能維持在最小面積，因此就變成了球的形狀。 不過，不管多大的雨滴，從空中落下時都會受到其他兩種不同的作用力影響，分別是朝著地球牽引的重力以及與地球重力反方向作用的空氣阻力。在這兩種作用力下所產生的速度稱為終端落下速度。圖1・2所表示的就是雨滴大小與終端速度的關係圖。重力指的就是重量，當雨滴愈大，牽引雨滴的重力也就愈大。那麼當重力愈大的時候，感覺好像速度也會變快，有趣的是，當雨滴的大小到達一定程度的時候，終端速度幾乎只會停留在每秒約9公尺的地方。換言之，即使相同的掉落速度，雨滴愈大，阻力就會愈大 。實際上，當雨滴變大時，會因為受到的空氣阻力變大，而無法繼續保持由表面張力所形成的球型，並且慢慢地變成底部呈平坦狀的饅頭型。
從空氣中掉落下來的物品，會有個保持在空氣阻力最大的狀態下掉落下來的性質。大雨滴也是一樣，會以饅頭的形狀並且保持水平掉落下來。絕對不會以像是薤菜的形狀掉落下來。雖然如此，雨滴會以每秒約9公尺的速度落下，但是實際上人類的眼睛無法看出雨滴的形狀是饅頭型。

雨滴的分裂
請注意到圖1．2中並無標記（與饅頭型的雨滴同體積球體的）半徑3毫米以上的雨滴。 說實在的，在地球上機乎不會降下如無重力實驗中大小半徑超過3毫米以上的雨滴。 以前電視台記者在豪雨現場做轉播時，會提到降下來的雨滴大到像是乒乓球一樣，但事實並非如此。原本以饅頭型降落下來的大雨滴，當體積更大的時候，就會開始變得平坦，接著連此形狀都無法保持，進而形成圖1・3所示的王冠型，最後分裂開來。這個時候雨滴會分裂成好幾個小水滴，王冠邊緣的部分傾向形成大水滴，包覆王冠的水膜則是傾向變成小水滴。雨滴之所以會以這種方式進行分裂，是因為當雨滴受到地球引力牽引高速落下時，即使受到空氣的黏性及密度所產生出來的阻力影響，雨滴依然還是會因為水的表面張力強度影響而變形。 因此，當雨滴半徑大小接近3毫米時就會分裂，或者是雨滴半徑大小不會超過3毫米的情況，就是地球上雨的特徵。
雨滴的分裂現象會在雨滴半徑超過2・5毫米的時候發生，而且雨滴愈大就愈容易出現。雨滴在落下時會受到空氣中的亂流影響，進而出現各式各樣的形狀。一般認為雨滴分裂的機率與空氣亂流有關。下雨時，除了大雨滴會降下之外，下雨滴也會分裂成小雨滴，同時小雨滴也會是降雨的一部分 ，但下雨現象中有趣的地方不只如此。
關於這部分，在後面的章節將會有更詳細的解說，如果要讓小雲塊所構成的雲層能更有效率且更快下雨的話，雲層裡就必須先存在著某種程度大小的水滴。當從大雨滴分裂出來的小水滴進入到雲層時，雲層裡的水氣會與剛剛進來的水滴結合在一起，更有效率地形成雨滴。這種降雨方式稱為連鎖反應 。也就是說，只要當雲層裡出現會產生會分裂的水滴，且分裂之後所產生的大多數水滴會因為上升的空氣，重新進到原本的雲層或者是旁邊的雲層等各項條件俱足時，造雨反應就會像是被鍊在一起的鎖鏈般，一個接著一個出現。一般認為颱風眼牆周圍的雲會緊密地排在一起，且伴隨著大雨滴下起滂沱大雨，正是因為形成雨滴的連鎖反應所造成的現象 。

垂直風洞
也許正在閱讀此書的你會覺得很不可思議，想著「作者怎麼會知道雨滴分裂的樣子呢？」。基本上，只要使用高速攝影機開著閃光燈對著空中降下來的雨滴拍照，就可以觀察到水滴的樣子，但是要能拍到分裂瞬間的機會是在是太少了，寄託於偶然是不足以當作科學的。實際上使用一個名為垂直風洞的裝置，藉由人工的方式先讓水滴浮在空中，再觀察水滴的分裂狀況。圖1・4為垂直風洞裝置的概要圖。因為這一個裝置原理簡單，所以不會動用到太多經費 。其實筆者開始在名古屋大學的研究室擔任助教的時候，就已經在研究室裡製作出這個裝置，進行雨滴分裂的實驗了。製作原理很簡單，只需要在垂直風洞下方設置一個幫浦等裝置，讓風由下往上吹，並將風速設定成和雨滴的掉落速度一樣，即可完成。接著再根據想要觀察的雨滴大小（掉落速度），適度地調整風速。技術上比較困難的地方在於：為了盡可能減少上吹風裡的亂流，所以必須在下方設置葉片讓空氣流動變得緩和，以及為了容易觀察雨滴，所以要把往上吹的風速稍微往水平方向調整，好讓雨滴可以漂浮在風洞正中央左右的位置。完成之後，就可以用高速攝影的方式來拍攝漂浮在風洞裡面的雨滴形狀變化，之後再以低速播放的方式把放映出來，即可仔細觀察分裂的狀況。
使用垂直風洞，除了可以觀察到漂浮中(落下中)雨滴的形狀、雨滴分裂時形狀的變化、調查雨滴大小與分裂機率的關係性之外，在風洞的上方貼上濾紙，收集由下往上的水滴之後，即可知道分裂的結果，也就是有多少水滴形成，形成的水滴大小為何。前面的章節也有稍微提過，在調查雲層裡雨滴形成的過程中，知道雨滴分裂的機率，以及雨滴分裂之後產生的水滴大小與數量的分佈（粒徑分佈）是非常重要的事。在德國、美國等國家中有著更大、性能更好的垂直風洞，不僅能做更精密的雨滴分裂實驗，也能觀察飄浮在空中（掉落下來時）雨滴表面以及內部的流動方向等非常有趣的實驗 。
不單只有雨滴的分裂。在雲層裡，雨滴、冰雹、霰、雪結晶等的成長，全都是其粒子在空氣中落下時所產生的現象。只是想要在雲層裡觀察這些粒子掉落、成長的狀況是不可能的。因此在研究雨和雪的時候，就會依照觀察目的的需求，花費時間、勞力改裝垂直風洞上的裝置，以完成各式各樣的實驗。
雖然無法實際觀察到空氣中正在落下的雨滴形狀，但仔細想想有件事情很有趣，就是為什麼從前的人大多會把雨滴想像成薤菜呢？也許是他們看到從水龍頭滴下來的水滴所聯想到的吧！的確，如果是看到醫院病床旁吊掛的點滴，一滴一滴往下流的液體形狀的確是薤菜型。只是即使說雨滴是以饅頭的形狀掉落下來，也無法在繪本上畫出以饅頭造型落下的雨滴吧！果然，繪畫的時候，雨滴的形狀不是薤菜型就不是下雨了。

雨滴的溫度
每一顆雨滴都會有個性質，那就是溫度。在這裡也稍微講解一下這部分吧！到目前為止，筆者被問過幾次「雨滴的溫度是幾度呢？」或是「你們如何測量雨滴的溫度呢？」各位讀者應該都有過被雨淋到感覺特別冷的時候吧？基本上，氣溫愈往高度愈高的高空去，溫度就愈低 。也許有人會認為雨滴從氣溫低的高空降落下來，擁有冰冷的溫度是理所當然的。但是，雨滴掉落下來的時候，也會通過接近地面較為溫暖的空氣，因此應該會受到這些空氣的影響而提高溫度才對。實際上，雨滴的溫度必須用比較複雜的方式來決定的。
現在學校和家庭中都有使用乾濕球溫度計。這個溫度計是由藉著讓測量溫度的地方直接裸露在空氣中的乾球溫度計，以及用沾水的紗布等布料覆蓋著測量溫度地方的濕球溫度計所組成，不僅能測量溫度，還能測量濕度。當濕度愈低，濕球溫度計的溫度就會比乾球溫度計愈低，只要利用兩者之間的差異就能測量出濕度。就像是夏天只要在庭院灑水，周圍就會變得涼快一樣，因為水蒸發時需要大量的熱（從空氣中吸收熱能），所以水蒸發之後，水溫就會下降 ，周圍空氣的溫度也會跟著下降。當乾濕球溫度計中的濕球溫度計裡所含的水蒸發時，同樣也會吸收熱能，使得濕球溫度計的溫度比乾球溫度計要來得低，所以當濕度愈低時，濕球溫度計的溫度也就會愈低。雨滴的溫度也與濕球溫度計的溫度一樣，幾乎適用於同一個原理。簡單來說，雨滴的溫度與測量接近地面空氣的濕球溫度計所測量出來的結果差不多，也可以說當濕度愈低溫度就愈低。雨滴掉落下來時，會不停地經過不同溫度、濕度的空氣，雖然說雨滴越大，雨滴的溫度就會與該處空氣中的濕球溫度計所測量出來的溫度差距愈大。但即使是如此，雨滴的溫度還是會遠低於地表的溫度。因此，當身體被雨淋濕的時候，身上的水就會跟著蒸發，覺得開始變冷也是理所當然的。
筆者就讀研究所時所提出的第一篇研究論文，主題就是假設從雲層裡降落下來的雨滴為一群體的話，此群體會在降落過程中蒸發掉多少水分 。目的在於，當使用人工降雨形成雲並且下雨時，用數值計算出雨滴在雲層下方蒸發時，雨量會減少多少。 對於此計算而言，重點在於要正確地知道雨滴溫度是透過上述過程所產生。只不過因為這個計算方式非常複雜，即使用到當時最大台的電腦也無法計算出來。原本只是希望能將自然界中的雨滴溫度，當作微觀物理過程的結果展現出來而已，沒想到正要開始計算的時候，才發現困難至極。
剛剛提到的是雨滴蒸發時的溫度，不過在降雨之前的雲層裡，雲滴成長的過程、雪結晶變大的過程以及雪融化的過程中，雲滴、雪結晶、雪的溫度也扮演著極為重要的角色。但是，當開始要試著要正確的求出剛剛提到那些溫度時，才發現這些也是非常複雜且數值龐大的計算項目。

第一部 地球降雨的微觀等級特徵

地球上的自然現象，大多是因為這就是地球，所以才會發生。因此想要理解地球，並非一定要從地球規模的程度來觀察和調查，從日常生活中的自然現象當作出發點，也是可行的。此外，想要理解雨也是一樣，只要知道雨的微觀等級特徵，就等於知道了地球上大自然的有趣以及不可思議之處。

第一章 雨滴的形狀與大小
從空中落下來的雨滴是什麼形狀呢？如果被問到的話，大家會怎麼回答呢？以每秒數公尺掉落下來的雨滴，落下時看起來就像是從天上牽引下來的線，若是不借助任何儀器直接觀察雨滴的話，將無法觀測...

看著雲在空中蓬鬆輕柔地飄著，不斷地變化形狀的景象，日本人會將它用來比喻過於模糊不清，摸不著邊際，不知要從何開始進行的事情。用文字來形容的話，「就像是要用手去抓雲一樣」。另外還有一句諺語：「形成了雲，變成了雨」(譯註：為杜甫《貧交行》中「翻手作雲覆手雨」的日文翻譯)，是指原本晴空萬里的天空出現了黑雲，轉眼間覆蓋住整片天空，有時候也會下起大雨，這種激烈的天氣變化。
下雨是日常生活中司空見慣的現象。雖然會有太陽雨，每個人也都知道雨是從雲裡面降下來的，但是當被孩子們一臉認真地問：「為什麼雨會從天空降下來呢？」、「為什麼雨不會像瀑布一樣接二連三地降下來，而是變成水滴一滴一滴地降下來呢？ 」、「為什麼在炎熱的夏天，會發生下冰雹而不是下雨的情況呢？」或是「如果說雲是由水滴所匯聚而成的，那為什麼雲就不會掉下來呢？」等問題的時候，是否會疑惑該如何回答是好呢？
雲和雨是一種非常有趣的大自然現象，也為地球這顆水行星帶來獨特的景觀，只是對於生活在地球上的人而言，這種常見的現象不足為奇，多數人也不會對它產生疑問。反倒是從前的人會認為下雨這個現象有著各式各樣不可思議的事，即使他們沒有現代高科技的觀測儀器，也會仔細地觀察各種降雨現象。比如說，數十年前就已經出版的優秀書籍，像是《雨》（岡田武松著）、《降水的物理學》（高橋喜彥著）、《雨的科學》（礒野謙治）等等。這些書中，除了提到當時的雨的科學之外，還生動有趣地刻劃出從前的人對於降雨這種現象說不定也有這種想法的內容。
從書寫 這些書籍的年代至今，已經有不少科學技術問世，可以進一步幫助雨的科學研究，連降雨方式也都能被準確地預報。想要理解雨這個大自然的現象，當然就必須先了解雨降下來前存在的地方——雲。近年來的研究中，最大的變化應該就是前面所提到的「就像是要用手去抓雲一樣」的雲，現在已經可以調查出，從微觀等級到地球規模等級的現象有著密切的關聯性。尤其是，隨著感測器以及電腦的發展，現在可以像是「抓著雲」一樣，直接用雲原本的規模進行調查雲和雨了。
雲和雨的科學，其中一個特徵是發生在千分之1毫米左右大小的現象或是過程裡會產生非常大的作用 。人造雨以及人為改變氣象原本只是氣象學的一個夢想，但是在20世紀過半開始，雲和雨的微觀物理也發展了起來，而這也是人工降雨的科學基礎之一 。這部分的研究方式，主要是透過降雨過程相關的室內實驗，以及使用飛機在雲中進行觀測等。另一方面，各種激烈的天氣現象如大雨、集中豪雨、大雪、打雷、冰雹、龍捲風、陣風、突然出現的強風以及颱風等等，每年都在地球上各地區帶來相當大的災害。這些氣候現象都與非常發達的雲有關係。一部分雲和雨的科學，就是朝著提供這類型自然災害的預報和防止災害發生的大目標而發展至今。而對這些研究而言，最有助力的觀測手段就是稱為雷達的感測器 。
電腦的進步，讓雲和雨的科學有了飛躍性的發展 。當雲出現，接著變成雨降下來的現象，主要是由微觀物理以及氣流力學等錯綜複雜的科學所形成。要調查這種複雜的相互作用，且範圍擴及到全體的雲時，必須使用到可以高速演算大量數值的電腦，才能將不可能化為可能。也就是說，有了電腦來模擬雲的數值，才能讓「抓住雲的研究」 變成可進行的研究。
另一個顯著的進步，就是可以透過人造衛星來觀測雲及降雨的狀態。從前的氣象觀測大多是以自己為中心，觀測周圍的狀態。從可以透過人造衛星來觀測雲及降雨的狀態到現在，最多不過20年，就已經大幅度地改變雲的觀測方式了。會帶來集中豪雨的雲塊直徑尺寸會達到數百公里，利用從前的觀測方式無法掌握到全貌。但是只要使用人造衛星進行觀測，便可以在尚未降下集中豪雨，而且是初期就能觀察到雲塊的全貌。另外，即使雲位於距離自己所在位置非常遙遠的區域，也可以即時觀測到。藉此可以知道世界各地的雨，會隨著地區以及氣候的不同而出現各式各樣的樣貌，同時各個地區的生活方式、習慣也會有所不同。現在可以即時觀測並比較各個地區中，會帶來雨水的雲有著什麼樣的變化。換言之，現在已經到了一個任誰都可以自然地以全球視角來觀察整個地球氣候變化的時候。
要理解複雜的地球自然氣候變化時，通常會先拆解每個過程，透過拆解過程來理解過程中發生什麼事，最後再把這些過程組合起來，試圖從中解讀整個氣候的變化。但是，觀察完整的氣候現象並且要循序漸進地理解它，這一個出發點也是很重要的 。這個跟理解生物一樣，除了透過基因科學來理解生物之外，同時也要有著如動物行為學般能理解動物整體的行動才行。現在只要透過人造衛星，就能觀察到大範圍的雲，而且是觀察到雲最原本的樣貌。真的可以說是雲或雨的科學也能「觀察理解整個氣象現象」了。
現在，地球環境科學因為地球環境發生了問題而快速地發展起來，同時也知道了微生物以及大氣中微量的氣體成分對於維持地球規模的自然環境而言，扮演著非常重要的角色。 同樣的，雲和雨的微觀物理，在地球規模的現象中也是如此。
本書會先從微觀等級到地球規模的程度，透過各式各樣的空間規模來觀察雨，並加入新知識，指出對於地球自然環境非常重要的下雨現象以及有趣之處。非常重要的下雨現象以及有趣之處。本書目錄I.地球上降雨的微觀等級特徵、II.雲的組織化以及III.雨的氣候學，並非各自獨立的科學，而是有著互相緊密連接的關係，對於要理解地球上的雲與雨的變化，每一章節所講述的內容都非常重要。若是各位能透過本書，開始關注到地球上的降雨現象是件多麼有趣和重要的事，對筆者而言，將是莫大的榮幸與喜悅。

看著雲在空中蓬鬆輕柔地飄著，不斷地變化形狀的景象，日本人會將它用來比喻過於模糊不清，摸不著邊際，不知要從何開始進行的事情。用文字來形容的話，「就像是要用手去抓雲一樣」。另外還有一句諺語：「形成了雲，變成了雨」(譯註：為杜甫《貧交行》中「翻手作雲覆手雨」的日文翻譯)，是指原本晴空萬里的天空出現了黑雲，轉眼間覆蓋住整片天空，有時候也會下起大雨，這種激烈的天氣變化。
下雨是日常生活中司空見慣的現象。雖然會有太陽雨，每個人也都知道雨是從雲裡面降下來的，但是當被孩子們一臉認真地問：「為什麼雨會從天空降下來呢...

作者序

I.地球降雨的微觀等級特徵
第一章 雨滴的形狀與大小
第二章 雨的強度與雨滴的大小分佈
第三章 會下雨的雲和不會下雨的雲
第四章 大部分的雨都是融化後的雪
第五章 降雨方式會因為人類活動而改變

II.雲的組織化
第六章 積雨雲的生涯
第七章 宛如生物般的積雨雲
第八章 集中在一起的豪雨
第九章 透過人造衛星觀察到的雲群（雲簇 Cloud Cluster）
第十章 因地形效應所引起的降雨強度變化以及集中現象

III.雨的氣候學
第十一章 氣候與雨量
第十二章 副熱帶地區的降雨
第十三章 雨的遙相關
第十四章 雨的年際變化
第十五章 海洋惑星的水問題

解說「抓住雲的研究」的研究者第一人 藤吉康志
參考文獻 & 索引

作者序

I.地球降雨的微觀等級特徵
第一章 雨滴的形狀與大小
第二章 雨的強度與雨滴的大小分佈
第三章 會下雨的雲和不會下雨的雲
第四章 大部分的雨都是融化後的雪
第五章 降雨方式會因為人類活動而改變

II.雲的組織化
第六章 積雨雲的生涯
第七章 宛如生物般的積雨雲
第八章 集中在一起的豪雨
第九章 透過人造衛星觀察到的雲群（雲簇 Cloud Cluster）
第十章 因地形效應所引起的降雨強度變化以及集中現象

III.雨的氣候學
第十一章 氣候與雨量
第十二章 副熱帶地區的降雨
第十三章 雨的遙相關
第十四章 雨的年際變化...