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2017-03-01藍天中似棉絮般的雲彩─雨旛
567 期
Author 作者
吳曜竹／國立中央大學大氣科學系學士、碩士，國立臺灣大學大氣科學系博士班研究生。楊明仁／國立臺灣大學大氣科學系學士，美國華盛頓大學大氣科學博士，現為臺大大氣科學系教授與理學院大氣資災中心主任。
晴朗的天空中，一朵朵的白雲呈現各種奇形怪狀，但大家是否仔細觀察過雲的底部？有些雲的底部長得像拉長的棉絮或是像水母的觸手一般，它就是我們今天要談論的主角「雨旛」。到底雨旛是什麼？它是透過何種物理機制形成的呢？
根據東漢許慎編著的說文解字：「旛，旛胡也。謂旗之下垂者。」所以說旛是指一種由上而下自然下垂且形狀狹長的旗幟，而雨旛的外觀就像是一面細長的旗幟垂掛在雲的下方（圖一）。那雨旛的組成又是什麼呢？
圖一：雨旛。（吳曜竹攝影）
大家應該觀察過熱水壺冒出的白煙，這是由高溫的水蒸氣遇冷凝結成的許多小水滴所組成，氣態的水蒸氣其實肉眼是看不見的。雲的形成過程也是類似的原理：當一塊含有水蒸氣的空氣塊受到外力抬升或因熱力因素上升，上升過程中空氣塊體積會膨脹且逐漸降溫，而當相對濕度達到或超過100%（也就是飽和或過飽和狀態），過飽和的水蒸氣會開始凝結成水滴並且釋放潛熱，這些潛熱同時還會加熱空氣塊，使得空氣塊有機會上升到更高的地方，雲也就會發展到更高的高度。
那什麼是「潛熱」呢？潛熱與我們比較熟悉、可用溫度計直接量測的「可感熱」有何不同呢？潛熱顧名思義為潛在於物質內部的熱量，平常不會釋放出來，所以也量測不到；只有當物質進行相態變化時，即氣態變成液態、或是液態變成固態時，潛熱才會被釋放出來。所以當雲中過飽和的水蒸氣開始凝結成液態水滴時，水蒸氣中的潛熱就會被釋放出來；1公斤的水蒸氣 凝結約可以釋放2.5×106焦耳的熱量，所以水氣的潛熱是很大的，這也可以用來部分解釋颱風的巨大風速，主要是因為颱風環流中眾多水氣凝結，其釋放的潛熱提供颱風強烈旋轉的動能。
相反地，當液態水滴蒸發成為水蒸氣時，水滴則會吸收環境大氣的潛熱，所以環境空氣的溫度會下降。這種現象於日常生活中也常見到，例如我們游完泳從游泳池上岸，風吹我們的身體皮膚而感受到寒意，就是因為皮膚上的水珠被風吹蒸發而將潛熱從身體帶走，所以我們的皮膚會感覺有點冷。
我們把雲內和雲外的空氣分開來看，當雲內的相對濕度達到100%或超過100%而達到過飽和的狀態，會有液態水或是固態冰存在；而雲外的空氣因為沒有液態水或固態冰存在，相對濕度不足100%是屬於未飽和的狀態。因此當雲中的小水滴透過水氣凝結與碰撞合併過程，逐漸成長成較大顆粒的雨滴時，空氣的浮力無法支撐雨滴繼續停留在空氣中，於是雨滴便開始往地面落下形成降雨。
雨滴落下的過程中會有一段路程是在雲中，因此雨滴還有機會在雲中收集小水滴而繼續成長。一旦雨滴離開了雲，進入雲外較乾燥的空氣中，便會開始蒸發。蒸發的過程中水滴吸收了環境空氣的潛熱，使得環境空氣溫度下降，空氣塊的浮力變小，所以在下雨前常常會先感受到一股涼風，就是因為雨滴蒸發冷卻的緣故。如果雲的下方是非常乾燥的空氣，雨滴離開雲之後便快速蒸發，最後雨滴沒有落到地面形成降雨就完全蒸發，這時候我們在雲底就會看到雨旛。所以說雨旛就是指一朵正在下雨的雲，它的雨滴還來不及落到地面上就蒸發殆盡的現象。雨旛與日常生活中最接近的例子，就是熱水壺冒出的白煙經過一段時間又蒸發的現象。
大氣高層的風速通常比低層的風速來得快，這種水平風場在垂直方向上的差異稱作垂直風切，雨滴落下時如果遇到垂直風切，雨滴就不只是垂直往下掉落而已，還會因為垂直風切而有水平方向上的移動，雨滴軌跡就像是被風吹起的長形旗幟一般。……【更多內容請閱讀科學月刊第567期】