宇宙洪荒

　　「宇宙」的原義是：

　　「上下四方曰宇，古往今來曰宙。」

換句話說，「宇」是「空間」，而「宙」是「時間」。粗看起來，這似乎沒什麼了不起的意義。直到近來愛因斯坦發明了「相對論」，指出「時間」及「空間」是不可分離的兩個概念，這個時空合一的宇宙定義才顯出它的光輝來。
　　在相對論發明之前，時間是時間，空間是空間，兩者好像沒有什麼關係。空間指的不外乎是方向及距離。我們也都知道，空間的「維度」是三度，因而有「三維空間」或「三度空間」這樣的名詞。人類在空間的自由度似乎滿多的，想要往東往西或往南往北，甚至上天入地皆悉聽尊便。只要閣下荷包中阿堵物足夠充分，要跑多遠就跑多遠。唯獨「時間」這種東西比較不夠意思，只許人們遵循一個方向──向前。法國諾貝爾文學獎得主佛朗西（Anatole France）在他的鉅著《古今智慧的結晶》裡提到，波斯帝國國王哲米爾將要駕崩之際，他的御用學者用一句話向他簡述了人類的歷史：

　　「人出生，受苦，死亡」

這句話幾乎和佛教的創始者釋迦牟尼所說的人生歷程：「生、老、病、死」一模一樣，道出了時間的不可逆性，也道出了時間的「殘酷」。
　　但是卻有一樣東西可以把時間和空間兩者聯繫起來，那就是速度，速度是每單位時間內所走的距離。比如說，車速每小時一百公里，飛機的飛行速度每小時八百公里之類。「速度」這個概念於是乎把空間和時間連接起來了。
　　這個世界上的速度真是林林總總，各有快慢。我們常用「像蝸牛爬」來形容日常生活中所經驗到的慢速，用「牛步化」來形容某些公家機關傳遞公文的速度，用「飛跑」來形容人體最快的速度。《水滸傳》裡提到的戴宗先生，據說在腿上拴上兩個甲馬，即可日行八百里，因而被尊稱為「神行太保」。至於現代科技產物的汽車、飛機、太空船等的速度，則又非神行太保所能望其項背的了。

觔斗雲與光速

　　世界上物質的速度有沒有極限？古來從沒有人去想這個問題，因此任憑每個人的想像力去自由馳想。古人中想像力最豐富的幾位之一是《西遊記》的作者吳承恩，《西遊記》中孫悟空擁有「觔斗雲」這種快速交通工具，據說觔斗雲的速度是一個跟斗十萬八千里，以一華里約等於半公里來換算，即是五萬四千公里左右。依我的估計，翻個跟斗大約費時一秒，因此斛斗雲的速度是每秒五萬多公里。如以地表上的聲速每秒三百多公尺來比較，那觔斗雲是聲速的十七萬倍左右。換句話說，觔斗雲的「馬赫數」（Mach Number）是十七萬左右！這當然是非常非常的超音速了，現代超音速噴射戰鬥機的飛行速度有個馬赫數三以上的話就已經很了不起了。難怪這潑猴上天下海，大鬧天宮龍宮，原來是有恃無恐也。
　　但是觔斗雲雖快，卻仍遠遠比不上光速。光在真空中進行的速度每秒三十萬公里，是觔斗雲的五倍以上，難怪《西遊記》裡的神仙菩薩動不動就化作一陣金光走掉，而孫猴子也都拿他們無可奈何，還真有些科學道理。以光這樣的速度來飛行的話，一秒鐘可以環繞地球七周半（地球一圈是四萬公里），真是非我們凡人可以想像的速度了。
　　相對論最基本的理論概念之一，是指出宇宙間不能有「無限快」的物質速度，速度的極限即是上述光在真空中行進的速度，不能再比這個快了。這一點不能　不說是愛因斯坦的偉大貢獻之一。前面談到，人類日常生活經驗中的速度比起光速慢得太多太多。在那樣的慢速場合，相對論是無關緊要的。但在原子及天文世界中，基本粒子及星體的速度在許多時候是接近光速的，這個時候相對論的重要性便顯露出來了。

「現在」的長短

　　「速度有極限」這個觀念對我們的時間觀念產生很大的影響，最直接的影響恐怕是「現在」這個名詞的定義問題了。我們一般人對「現在」的定義是十分含糊的，當我們說「現在的世界」一詞時，我們多半是說過去幾十年來的世界，以相對於「古早的世界」而言。而日常生活中說「現在」，既可以是指一個鐘頭之內的時間，也可以是指一分鐘，乃至一秒鐘之內的時間。但是「一秒鐘之內」便能算是「現在」的定義嗎？粒子物理學家所研究的一些基本粒子（比原子還要小的個體），其存在總時間不過百萬分之一秒。換句話說，一秒鐘已經是這些粒子生命的百萬倍之久了。如果以人類的壽命一百年來比的話，那這一秒鐘之於粒子，等於一億年之於人類。對於這些粒子，一秒鐘自然不能叫做「現在」，如同對人類而言這一億年不能叫做「現在」一般。這些粒子的生命雖是如此短促，但在它們一生的百萬分之一秒內也會有曲折變化，都可以用科學儀器去檢查出來。
　　圖1.1是一幀基本粒子的撞擊及蛻變圖，這是在「氣泡室」中拍攝的一些基本粒子的軌迹。這些粒子的速度極快，因而照片上它們的軌迹所代表的時間也極短。有些帶電的粒子在磁場中會受到磁力的影響而轉彎，而不帶電的粒子則呈直線軌迹。這些例子都可以在這幀照片上看到。
　　在我們看來，這些粒子之生命非常簡單明瞭，但在專家的眼裡，它們可是複雜得很。既有不同的電荷、質量，其至有不同的「奇異性」、「顏色」、「味道」等量子性質，而且會有各種不同的蛻變方式。總而言之，他們會認為粒子的一生也是曲折變化，多采多姿的。當他們要描寫這些粒子軌迹中的某一點時，必須說到「現在這個粒子正在轉彎」、「正在加速中」、「正在蛻變中」等等描述粒子狀況的字眼，這裡的「現在」當然必須是比百萬分之一秒還要短的時間。如果是生命比這個還短的粒子，它們的「現在」便是要牽涉到更短的時間了。由此看來，一秒鐘之於粒子的生命，不啻「永恆」一般，就像一億年之於人類有如永恆一般。
　　不同的物體對時間的觀點是如此地不一樣。這一點莊子看得很清楚。他說：

　　「朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，此小年也。楚之南有冥靈者，以五百歲為春，五百歲為秋；上古有大椿者，以八千歲為春，八千歲為秋，此大年也。」
《莊子•逍遙遊》

　　這種在從前看來是有些「怪論」味道的句子，卻真是悟道者的言論。當人們希冀能活到二、三百歲時，這些「冥靈、大椿」也正希冀能活上幾千年、幾萬年哩，不能如此，便感到悲傷。不知生亦在宇宙中，死亦在宇宙中，時間及空間變化而已。這些不同的個體對生命長度的感受是如此地不同，假如要讓他們去定義「現在」這個名詞時，大概也會大起紛爭吧！

台灣㊣好禮

王寶貫

　多年前，一位在我們大學訪問的國際學者行將歸國前夕，我們在家裡為她辦了個餞行小餐會， 餐後按美國慣例有甜點。那天我們正好有從台灣帶來的鳳梨酥，於是也準備了幾塊在盤中供選擇。客人嘗了一塊，讚不絕口，不由地再拿了幾塊。看她如此喜愛，便 把剩下的幾塊都送給她了。

　前兩年她的兒子也來我們這裡工作，臨走之際，我們也同樣為他餞行。席間他倒先提起二十多年前他母親在美國吃到的台灣鳳梨酥，說她二十年來常提到，一直不能忘懷那香醇適口的味道。

　台灣終年氣候溫和，適合鳳梨生長， 一般都是當作生吃的水果。它在甜之外，還有特殊而濃郁的香氣，令人很難抗拒它的誘惑。但是生鳳梨又往往有頗為銳利螫口的酸味，吃多了還真會怕胃腸受不了。 不知何時卻有靈巧的糕餅師傅拿出高招來馴服這酸味，其成果便是鳳梨酥。添加了一些其他果類（例如冬瓜）及調味品而做成膏漿狀的餡，不再有酸味，卻保持了鳳 梨令人陶醉的香氣，也不過分甜膩。這團「王梨膏」包裹在一層薄酥麵餅的外殼裡，但這酥皮並不油膩到像有些月餅皮那樣成為片狀，吃的時候會掉了一桌的餅皮 屑。

　台灣傳統習慣並沒有像西方國家一樣飯後甜食這一項，甜食大都是當作零食吃的，而鳳梨酥則是我最喜愛的零食之一。小時候的鳳梨酥如同其他零 食一般往往沒有包裝，擺在店家的架子上就直接賣起來。後來隨著台灣經濟起飛，零食包裝也開始高檔起來，現在鳳梨酥也大都包裝在精巧的紙盒內了。

　鳳梨酥也是我剛來美國留學時的懷鄉食品之一。一九七○年代美國市場上幾乎沒有台灣來的食品，更別提鳳梨酥這種稀品了。那時只有一種美式無 花果餡的餅卷──Nabisco 出品的FigNewton──略與鳳梨酥相近，但只有甜味而沒有香氣，只是有時買來權充代替品，聊慰相思。

　即便跑遍華埠市場，廣東式食物則有之，台灣東西十分稀少，更沒有鳳梨酥。近年來台灣移民來美人數增長不少，市面上也漸可看到鳳梨酥了，不過總覺得還是直接從台灣帶來得最為可口

。

　內子也曾拿了些台灣鳳梨酥請她的美國同事吃，每次都毫無例外地受到歡迎，顯然這種口味洋人也不排斥。

　我的感覺是，鳳梨酥真是一種很有台灣特色的食品。假如製造商能把鳳梨的香味再稍強調一些，包裝再有台灣特色一些（目前包裝已經滿漂亮，只是缺乏特色），當會更有代表性。

　香氣溫和而不過分刺激，酥軟適口而不過分甜膩，這就是鳳梨酥──也像是台灣人的寫照。

王寶貫

自從那位宋代歷史上有名的『乞丐變宰相』的呂蒙正在他的大作《破窯賦》中道出了﹕『天有不測風雲﹐人有旦夕禍福』這句名言之後﹐天下轟傳。假如自古就有每引用一次就抽一次版稅的條例的話﹐則這位呂老先生不只是貴為三朝宰相而已﹐一定還『富可敵國』。直到現在﹐只要發生任何事先預料不到的事﹐咱們腦子裡最先浮上來得一句話大概就是這句成語。

這句成語的重點當然是在後者。雖 然呂蒙正的原意是好事壞事都包括﹐後來的人引用它卻多半在『禍』的場合上﹐一則用在警告一些得意忘形的傢伙﹐二來用在安慰一些不如意的落魄客。然而『禍 福』乃是眼睛不能看見的東西﹐遠不如『風雲』有可見的形象﹐是故用風雲之不測來比擬禍福之不可預知﹐以便加強成語之力道。其效果顯然有目共睹﹐因為你我早 就把此話當成下意識的『真理』了。

天氣諺語

在呂蒙正的時代﹐風雲的確像是不可測的。但是一些種田老農和討海老漁夫﹐卻能從他們長期和天氣打交道的經驗中歸納出一些模模糊糊的天氣規律來﹐這就是流傳下來的一些『天氣諺語』。天氣諺語淵源流長﹐《尚書－洪範》中就有﹕『星有好風﹐星有好雨』就是最早的天氣諺語例子之一。

很多天氣諺語可以用現代氣象常識去理解。例如﹕『田蠳若結堆，戴笠穿棕簑』﹐ 意思是如果看到蜻蜓（田蠳）成群飛舞﹐則代表即將下雨﹐是故農夫要頭戴斗笠﹐身披棕簑以避雨。以近代氣象學來理解﹐這是因為風雨之來﹐常在所謂的『鋒面』 附近﹐不但一般大型天氣過程有冷鋒暖鋒﹐就夏季的局部氣團雷雨也一樣有小型的雷雨鋒。在鋒面前方地區氣流普遍上昇﹐濕度也比較大﹐而這又是許多昆蟲喜歡聚 集之處。對於蜻蜓這種肉食昆蟲來說﹐這等於是Buffet的請帖﹐當然聚集來飽餐一頓。然而這現象發生不久之後﹐風雨可能就跟著來了。

另一個例子﹕『日圍箍﹐欲曝埔﹔月圍箍﹐欲落雨』。『日圍箍』是日旁有暈﹐即日暈﹐代表天氣可能晴朗﹔而若月暈（月圍箍）出現﹐則有下雨之可能。日 暈月暈﹐是由於空中有冰晶組成的卷雲折射光線造成的現象。但是卷雲從何而來﹖一個可能是當地的對流夠強盛﹐可以把水蒸氣帶到高空造成卷雲。另一個可能是附 近有較大尺度的天氣活動﹐例如鋒面﹐造成的風暴雲團中積雨雲﹐這類暴雨雲的頂部外流﹐也是卷雲的來源之一。在白天（尤其是台灣的夏季）﹐晴空的狀況有可能 引起地面受到日照加熱的影響而產生旺盛對流﹐因而造成深對流雲﹐而高空於是有大片卷雲﹐產生日暈的現象。這種因地表受熱而產生的對流一般規模較小﹐不見得 會下雨﹐若有也是短暫的西北雨﹐因此『曝埔』的機會較大。反之﹐若是看到月暈﹐由於晚上地表基本上沒有受熱的情況﹐卷雲便較有可能是來自附近有大尺度天氣 活動的雲團了﹐因此颳風下雨的機會不小。古代還有『月暈而風』的說法﹐基本上也可以這樣理解。

有一個與此有些關係的諺語是﹕『朝霞不出門﹐暮霞行千里』﹐意思是如果大清早就滿天紅霞﹐則有風雨的機會甚大﹐最好不要出門。若 是黃昏時彩霞滿天﹐倒是比較可以放心地出門﹐因為下雨機會不大。紅霞之出現﹐大都是因為極高的空中有雲﹐反射朝陽或夕陽的紅光之故。清晨一般應是一天中空 氣較穩定的時候﹐除非附近有其他天氣擾動﹐應該不會高空有雲。而紅霞出現必然代表天氣擾動已接近﹐因之高空有雲成霞。至於暮霞現象則不見得與天氣擾動有關 ﹐因為經過一整個白天的地表加熱﹐空氣本來就較不穩定﹐容易有晚霞出現﹐但漸入夜後﹐空氣一般漸趨穩定﹐不見得會有風雨。

颱風接近時﹐朝夕都容易天紅﹐也不外乎是同樣道理。

然而天氣諺語的一個特點就是『常常不準』﹐畢竟這只是一些模糊的經驗談。以前小時，常常拿些事後不凖的天氣諺語去質問傳這些諺語的老人家，他們都只是報以尷尬的微笑來解圍。

不過﹐如果作大量統計的話﹐也許它們應驗的次數會比不驗的次數要高。

天氣諺語的另一特點就是許多諺語有極強的地域性。諺語多半是當地人體會出來的經驗法則﹐畢竟不是經過嚴密科學研究出來的結果﹐因此難得會『放諸四海而皆準』。像『三萬里河東入海』或『一江春水向東流』這樣的形容詞用在中國大陸猶可﹐在台灣的地理環境就完全不對了﹐因為在台灣人口聚集的西部平原的大河大都是向西流的（東海岸自然有些東流河川）。同樣道理﹐像『冬山頭，春海口』（冬天若山頭雲起﹐也許由東北季風引起的地形雨﹐春天若海上雲起則有可能因西南氣流帶來水蒸氣而引起風雨）這個天氣諺語也只適用在台灣的地理環境﹐用在別處不見得會應驗。

現代天氣預報的發展－－氣壓計的發明

真正要把天氣弄到『風雲可測』的地步要依靠現代氣象學的發達。如同其它科學一樣﹐現代氣象學與古代氣象學的分野在於『定量』的基礎上。這不止是僅僅發明一些硬體設備而已﹐更重要的是『定什麼量』的概念。對於大氣科學來說﹐最迫切需要定量的就是溫度﹑濕度和氣壓。於是乎首先是在15世紀﹐日耳曼人庫沙(Nicholas Cusa)發明了濕度計﹐再來是16世紀的伽利略發明了早期的溫度計﹐接下來是17世紀義大利的托利切里(Evengelista Torricelli﹐1608-1647)發明了氣壓計﹐這三種儀器的發明奠定了度量大氣的熱力學狀態的定量基礎。

這三種儀器（以及它們所關聯的概念）以氣壓計最為難懂。溫度和濕度人人都可以直接感覺到－－『潮濕悶熱』『寒冷乾燥』等形容詞就是沒有儀器也可以直接感覺到﹐儀器之發明只是是之定量化。但是當初說空氣有壓力﹐卻不是那麼容易明瞭。

從古希臘的亞理斯多德一直到近代物理的老宗師伽利略﹐都認為空氣是輕飄飄的東西﹐因此不可能有重量。他們認為﹐有重量的東西就是會往下掉﹐空氣要是有重量的話早就該掉到地上了。托利切里雖曾經是伽利略的學生﹐卻不怎麼相信這種觀點。他證明的辦法是拿一支（一端開口﹐另一端有底的）玻璃管裝滿了水銀(起初是用水﹐不過水柱太高不方便)﹐將之倒扣在一個也是裝了一些水銀的較淺皿盤上。在一般不了解“氣壓”這概念的人的想法﹐那玻璃管內的水銀就應該往下掉到和外面淺皿中的水銀一樣高度才對﹐誰知拿管中水銀柱只是往下降了一小段距離就不再降了﹐硬是比皿中水銀表面高出一大截來。您說要怎麼來解釋這個現象﹖

托利切里對這個現象作出了正確的解釋。他認為這就是因為空氣有壓力壓在淺皿的水銀面上﹐而且那壓力大到可以把玻璃管中水銀柱撐在固定高度上而不會再往下降。如果空氣壓力變小了些﹐水銀柱就會再降一點。反之﹐如果空氣壓力變大了些﹐水銀柱就會往上升了點。結論就是﹕水銀柱的昇降﹐就代表了空氣壓力的變化。

至於壓力有多大﹖因為壓力是力量除上面積﹐而比淺皿水銀面高出來的那截管中水銀柱的重量就是所謂的力量﹐所以只要把這段重量除以水銀柱的面積就是空氣的壓力大小了。

自從氣壓計發明之後﹐人們就發現﹐水銀柱的高低常常都在變動。這 也就是指出﹐大氣的壓力果然不是固定的﹐而是經常起起落落﹐時大時小。更重要的是﹐由經驗發現﹐當氣壓往下降時﹐也常常是天氣變得不太好的時候﹐不是颳風 就是下雨﹔而當氣壓往上昇的時候﹐則天氣常常是變得好些好﹐如果是下雨天﹐則雲雨可能漸漸消散﹔如果原來是多雲也往往會轉成大晴天。哈﹐這其實就是天氣預 報的最基礎原則。市面上賣的一些號稱可以預報天氣的電子溫度表﹐其實根據的不外就是氣壓起伏的趨勢去猜出來的。

由於氣壓與天氣的緊密關係﹐氣壓分佈的形勢及未來的趨勢成為天氣預報的中心項目﹐大概托利切里當初也沒有想到過吧﹗

電報與氣象預報

在了解了空氣有壓力而氣壓常常在變動﹐當然並沒有馬上就令人們知道天氣規律﹐畢竟早時沒有多少氣象資料可以讓人們察覺天氣原是一波一波而來的。某種科學的發展卻常常源自另一種科學的突破（所以好的科學家不應只閉門照顧自家生意﹐應該多去了解一下別種學科的最新消息）﹐而近代天氣預報的啟發就是來自電報的發明。

古代交通工具不怎麼發達（當然是以現代的眼光來說）﹐許多人一生從未離開過他們生活的小村莊﹐最遠可能只是到鄰村去看迎神賽會﹐而且多半是安步當車走過去的。多念了幾本線裝書的知識份子最遠了不起是上京赴考﹐不外是騎匹瘦馬蹇驢﹐一路上枯藤老樹昏鴉地經過一些山村野店渺渺荒陂來到京城(至於僕人只能走路﹐還得挑擔子﹐連驢馬也沒得騎)﹐ 往往走上幾個月﹐時速也許只在兩三公里左右。但是想要覺察天氣系統的行動﹐這種慢速行動當然行不通﹐因為天氣系統之運動很快﹐非得有極快的消息傳遞方法不 可。古時人們只會模模糊糊地感到每隔三五天好像就有一次風雨﹐然而風雨從何而來卻是茫然不知。即使到了火車發明之後﹐速度仍然不夠快到能夠傳遞瞬時消息。

然而電報卻使得傳遞瞬時消息變為可能﹐於是許多之前意想不到的事情就發生了。通 過電報的消息傳遞﹐人們逐漸注意到了﹐在中緯度地區﹐似乎當西邊（例如美國的芝加哥）有些暴風雨或大風雪之後﹐東部（例如紐約）在幾天之後也往往會有同樣 的風暴發生。由於中緯度是個西風帶﹐這使得人們開始懷疑﹐天氣是不是就是從『上游』地區移往『下游』地帶的﹖從這樣的思維開始﹐氣象學家們就逐漸摸清了所 謂的天氣規律了。

天氣規律的科學

近代的氣象學更把大尺度的氣壓形勢透過對科氏力的研究和風向結合起來﹐建立了『在北半球高壓區風向順時鐘轉﹐低壓區反時鐘轉』這一個現代氣象學的基本常識。於是所謂的『天氣圖』開始出現﹐但是這些早期的天氣圖只是一些大圈圈小圈圈﹐代表著各地量到的氣壓形勢﹐有的地方是高壓區（天氣大概不壞）﹐而有些地方是低壓區（天氣大概不好）。

接下來在1920年代﹐挪威及瑞典的一群其後被稱為『貝爾根學派』(Bergen School)的氣象學家﹐主要人物包括畢耶克尼士(Vilhelm and Jacob Bjerknes)父子﹑宏波(Holmboe)﹑白吉龍(Bergeron)等人﹐他們更進一步發現了﹐風雨天氣多半發生在冷氣團和暖氣團的交綏所謂『鋒面』（front﹐意思有如兩軍交戰之前鋒)之處﹐因而創立了『極鋒學說』(Polar front theory)﹐指出在鋒面附近的溫度﹑風場及雲系的大致分佈狀況。他們幾乎是純用物理理論推論而出的大致情況居然和近年來用人造衛星所觀測到的基本上一致﹐令人對一個好的科學理論可以產生的正確預測驚訝不已。從此以後﹐天氣圖上又多了一些有牙齒狀的線條(稱為冷鋒)和有饅頭狀的線條(稱為暖鋒)﹐來標出較劇烈天氣的發生地區﹐使得對天氣現象的空間分佈了解往前推展了一大步。

另外一位也是北歐的瑞典氣象學家羅士比(Carl G. Rossby)則在1940年代研究了出了大氣中大尺度波動(長波)的原理﹐指出一個大氣擾動由一個地區移往另一個地區的時候﹐只要時間夠久(譬如說接近一天或更長)﹐則它的移動路徑必定會受到由於地球自轉而造成的科氏力的影響﹐而顯出波動的形勢。眾所週知﹐波動之所以為波動﹐必定是有作用力及回復力的相互作用才行。如果只有作用力而沒有回復力﹐就無所謂波動產生。而羅士比就是第一個指出科氏力可以作為波動的回復力的人。這種長波其後被稱為羅士比波(Rossby Wave)﹐了解羅士比波的動向就等於掌握了大氣擾動的大趨勢。

極鋒學說可以看成是天氣系統發生的空間規律﹐而羅士比波則是天氣系統的時間規律。這時空兩理論確立之後﹐現代氣象學以及隨之而來的天氣預報技術可以說大致完備了。目前的天氣預報技術當然更為精緻﹐除了傳統的天氣資料及用以上兩大理論為基礎的分析之外﹐還加上了衛星氣象資料的運用及高速電腦作出的數值預報﹐在此我們就不一一詳論了。

王寶貫

在筆者上大學的年代，每當談起「氣象」的時候，許多人沖口而出的一句話是：「晴時多雲偶陣雨」。這句話可能是那時候的台灣民眾對氣象局的總印象。舉凡報紙上讀到的，收音機裡聽到的，電視上看到的，出現最頻繁的氣象術語大搞就是它。

然 而，曾幾何時，現在和許多初次認識的朋友談起「氣象」時，最常提起的一句話卻不是上面那一句，而是「全球暖化」！時代真的是在變了。這個變化代表什麼呢？ 它代表大氣科學已經從「天氣時代」演變到「氣候時代」了，因為「晴時多雲偶陣雨」是短期的天氣預報術語，而「全球暖化」則是整個地球尺度的氣候趨勢。這當 然不是說，天氣預報不再重要，而是指出，人們開始了解到，一個地方的大氣狀況和其他地方是由緊密關聯的。

氣候不只是平均天氣

那 麼天氣和氣候又有什麼不同？以往許多人有個不很正確的想法，認為「氣候」不過就是「天氣」的長期平均狀態。基於這個概念，曾有學者認為只要統計一個地方大 約三十年左右的天氣資料加以平均，就可以得到該地的氣候狀況，而這個狀況應當相當穩定，不會有太多變化。然而，以現代的眼光看來，這個概念過分簡化了「氣 候」的意義。

最近的一些氣候「趨勢」指出，氣候是在變動的，這些變動有時還真不小，絕非以前所想像的穩定狀態。而這些變動指出，它們的背後有「氣候機制」在運作，這就是「平均天氣」這個過分簡化的概念所能詮釋的了。

首 先，最明顯的氣候變化就是「一年比一年熱」(形容詞啦！只是說從多年趨勢來看，地表溫度在上升中)。記得小時候過舊曆新年時，天氣總是冷颼颼的。那時候台 灣經濟尚未「起飛」，只能算是小康，在新年時一般家庭的「重大活動」之一便是給小孩添購一件夾克或大衣以便禦寒(現在的父母如果不買個新電腦或電玩，恐怕 不太容易過關)。可是到了大學時代，卻覺得過年時似乎不再那麼冷了。當時有種說法是，大家營養變好，以致比較不怕冷。另外一種說法則是都市發展，建築物過 多造成「熱島效應」之故。

結果近十幾年來大量的觀測資料統計指出，這個「變暖」的感覺，不是營養變好，也不是「熱島效應」，而是大氣「真的」在變暖中，是全球普遍的現象。這便是大家耳熟能詳的「全球暖化」現象了。

全 球暖化不只是大氣變暖而已，陸地及海洋表面也一樣增暖。海洋的增暖會導致蒸發量增加，結果使得全球大氣中的水蒸氣含量增大。如果大氣中的水溫狀況是平衡的 話，那麼這些增加的水蒸氣遲早要轉化成增多的降雨回到地面——這意味著「全球暖化」也將導致「全球雨量增大」。這「全球雨量增大」的現象未有確切的證實， 但個別的例子卻是存在的。

而「雨量增大」的後果之一顯然便是「水災機率增大」。水之所以成「災」當然和水利之修廢有關，但無可否認的，和 雨量也大有相關。近年來許多地方出現了「百年一遇」或甚至「五百年一遇」的大洪水，大多是和雨量突然超過原有的河川宣洩量有關，就在今年六月，筆者所居住 的美國威斯康辛州中南部就有因豪雨產生了幾十年來罕見的大洪水。威州往年的「洪水」多半只是把湖面溢出的一些水彌漫到附近道路上，今年的洪水卻是洶洶河水 衝垮河岸，連帶把原本價值不菲的河畔住宅也沖到水裡隨波逐流而去，可謂災情慘重。

幾家乾旱幾家澇

但是上面提到的「全球雨量增大」只是從全球的角度來衡量的。如果從區域性的角度來看，有些地方不但不會有雨量增大的現象，而說不定還有越來越乾旱化的情況出現。大氣是個連續體，沒有什麼地方是頭或尾，一個地方的變化毫無疑問地會影響它鄰近的地方。

假如某一個地方的雨量增大量超過大面積平均增加量，那它鄰近地區很可能會「享受」到雨量減少—也就是乾旱化。而有報導指出，近二十年來中國華北有明顯的乾旱化趨勢，蒸發量增大，降雨量減少，除了暖化的因素之外，也有上述的大氣環流變動的因素在內。

這些現象有因為海洋與大氣的運動時間及空間尺度之不同，以致使得它們的相互作用變得複雜而難以準確預測。

總 而言之，近年來大氣科學家們普遍認識到，氣候絕非只是平均天氣狀況，它有十分顯著的變動，也有一些持續性頗明顯的趨勢。這在在指出，氣候變化的背後乃是一 些物理機制在運作。而近幾十年來的研究更指出了，人類活動也在氣候變化中扮演一個十分重要的角色(而且目前似是「反派」角色居多！)，顛覆了前此認為人類 活動不會干礙天然的觀念。

而夠強的氣候變動將使人類社會付出巨大成本。在一切走向全球化的今天，事事物物彼此緊密關連。氣候些許改變可能造成糧食漲價，燃料供應失調，疾病增加，水旱災頻繁，社會動盪，乃至可能造成國際間戰爭的陰影擴大。任何正常的政府都不應該對氣候變化的議題掉以輕心。

天氣過程與氣候過程

為了進一步瞭解短期的天氣波動於長期的氣候變化，我們有必要來釐清天氣與氣候過程式如何產生的。

首先是產生天氣及氣候過程的能量來源。任何活動都需要有能量的供應才能維持，天氣及氣候來自大氣及海洋的活動，自然也需要有能源才行。

太陽能—從太陽表面輻射至地球的能量—幾乎是地面上一切活動的總能源。我們說「幾乎」，而不是百分之百，是因為地面下埋藏的放射性元素也會發出一些能量影響大氣及海洋，不過這部分實在小到可以忽略不計。

當 太陽能量「浩浩蕩蕩」地從太陽表面輻射而出時，它含有各種波長的電磁波。波長短的有紫外線、X光及伽瑪線等，波長較長的則有紅外線，微波及無線電波等，而 介於這兩大類之間的則是「可見光」—人類眼睛能夠感應得電磁波段，其波長在零點四之到零點七微米之間。巧的是，可見光是太陽電磁波中最強的部分(當然不是 真巧，而是有生物演化上的原因)。

當這些「不遠億里」(日與地之距離約一億五千萬公里)而來的輻射抵達地球位置時，首先遭遇的便是大氣的 頂層，熱氣層。由於電磁波其實是由能量大小不等的「光子」組成，這些光子會和熱氣層中的空氣分子相撞擊，而使得分子電離化，製造出一堆自由電子及帶正電的 離子出來，而同時這些光子的能量也就被消耗掉。研究指出，使得空氣分子電離化的光子，都是極短波的光子—紫外線、X光、伽瑪線，尤其是後面兩者，所以總的 結果是，這些空氣分子犧牲了小我，卻擋住了大部分的X光伽瑪線，使它們不能穿透大氣層。也幸虧有這一著，要不然地表的生物可是無法承受這些大量短波光子的 致命撞擊的。

而波長稍長些的紫外線則大部分穿透了中氣層而來的平流層頂附近，在這裡它們製造了一些臭氧分子出來，而這些臭氧分子又吞噬掉一大部分的紫外線光子(好像比「飼老鼠咬布袋」還要嚴重的情節)，也使得平流層頂比中氣層要熱，雖則它比中氣層距離太陽更遠。

剩下的太陽輻射大部分時可見光。大氣層對可見光基本上是「透明」的，所以我們可以看到星星、太陽，也可以「舉頭望明月，低頭思故鄉」。如果大氣層對可見光是不透明的話，我們舉頭只會看到漆黑一片。

但 是大氣中有時候有雲，它們會把太陽可見光反射及散射掉一部分，懸浮微粒(氣膠)的作用也類似雲。剩下的可見光則直達地面。地表(包括陸地和水面)也會反射 一些可見光回太空，但大部分是由於陸地，水面很少這些被雲，氣膠及地面反射回太空的光大約占百分之三十(因此地球——大氣系統的「返照 率」(albedo)是零點三)。

那剩下的百分之七十的太陽能到哪裡去了？答案是被地表吸收了。我們都知道地表示「不透明」的，否則我們說不定就會看到「地獄之火」或裡頭的什麼刀山油鍋之類的道具，不過從未有人真的看過。

被吸收的太陽能轉化為熱能，從地表在釋放出來。這是以紅外線的方式輻射出來的，其能量最強的部分在波長越十微米左右。這就是地表的「黑體輻射」，相當於一個溫度大約為攝氏十五度(288K)的黑體所輻射出的能量。

這個288K，向上射出的黑體輻射才是驅動大氣及海洋環流的直接能源！這個黑體輻射的總量應該相等約百分之七十的抵達地球的太陽輻射，如此才能達到「收支平衡」。

(UN/IPCC)

輻射平衡之道，以有餘補不足

但 是請讀者不要興奮得太早—僅僅知道能量的直接來源並不代表我們就已經瞭解天氣及氣候是如何運作的。猶如大家都知道新台幣時中央銀行印製的，但是若不知那些 新台幣如何透過市場機制以及大家的「打拼」使它們來到您的口袋裡或帳戶中的話，您還是沒有明白金融系統是如何影響經濟行為的。

我們知道在地球系統內，所「收入」的太陽輻射與所「支出」的地表輻射大致是平衡的，要不然的話，收入超過支出，會使地球變暖；而支出超過收入勢必使地球變冷。

但是這個收支平衡是以全球的觀點來看的，若分開局部來看卻不盡如此。這猶如一家大公司設有許多分公司，整體來說，這公司不賺也不賠，但分公司則有的賺有的賠，但結果以有餘補不足，正好歸零。

地 球的輻射平衡也是這樣。低緯度(熱帶地區)其實收入大於支出—它所接受的太陽輻射大於支出的地表輻射，是個有「淨輻射收入」的地方。中緯度地區則大致收支 平衡，但高緯度地區卻正好和熱帶相反，是個「支出」大於「收入」的地方。因此，要達到全球輻射平衡(這是物理過程必然會發生的趨勢)，惟有依靠以熱帶之有 餘能量去補高緯度地區之能量虧空。

(NASA)

但是這部分能量要如何才能「運輸」到高緯度地區去？依靠硬梆梆的地殼去傳導，恐怕是於事無補，因為效率實在太差。幸而地球表面有大氣及海洋，兩者都是流體—既能夠「傳導」熱，也可以用「對流」方式來輸送熱。

而 「天氣現象」其實便是這一連串的能量(以及動量)的輸送過程所發生的現象。因此在這個意義上，天氣過程—舉凡狂風暴雨，霜雪冰雹，掣電轟雷，飛沙走石，白 浪滔天，烏雲密佈……，說穿了就是充任輸送能量及動量的「運將」，那一波一波的天氣現象只是天氣系統(主要是大氣)在幫地球系統搬運能量的「現鈔、黃金、 白銀、鑽石等寶物」從熱帶送到高緯地區，以便使地球系統能夠達到收支平衡的動作爾。

要是我們能夠實現了解這些「運將車隊」的規模及路線，我們便能夠事先避開它們（這些運將只會揀它們最容易走的方式及路線行進，而不會考慮閣下的福祉安全），我們便不會遭受惡劣天氣的衝撞了。當然這便是「天氣預報」的責任。我們已經知道不少，但上游有許多細節待補。

但 是「氣候系統」卻有不是這個運送的問題，而是這些產生有餘及不足的地區到底本身的營運狀況是如何的問題。影響這些地區，乃至全球的收支情況有眾多的因素— 有內在的因素(地球一大氣系統內部的重組)，也有外在因素(溫室氣體的增減，太陽輻射量的改變等等)。這些因素會影響整個收支狀況，其結果也會影響「運 送」的行為。

王寶貫

幡， 現在一般是指垂直懸挂的旗子，而它們似乎都跟宗教有關。而幡狀雲 （virga）就像是在天空中懸挂的旗子。臺灣也會見到，但似乎不常有，也許是高溫高溼的氣候狀況使然。一般的小對流雲（如晴天積雲）的形成是由於空氣包 被擡升至擧升凝結層(Lifting condensation level, LCL) 後飽和而凝結成雲滴（或冰晶，如果氣溫夠冷）而來。一個小地區的LCL一般變化不大，是故這些小雲的底部大都同一高度。如果雲中狀況可使粒子因踫撞或水氣 擴散而增大，大粒子會開始沉降，掉出雲底。這些大粒子若能掉到地上，咱們就會把它們叫做雨（或雪）。但是如果雲下的狀況較乾燥，這些粒子可能沉降到某一層 次就後繼無力而蒸發掉了。結果就是在原來雲底下拖了一段尾巴，像空中懸挂的三角旗，也像浮在天空中的水母，是之謂幡狀雲。如果雲底下有風切，也會把幡吹向 一邊。

2007年12月某日，在搭乘舊金山灣區捷運（BART）去參加美國地球物理聯合會（AGU）之研討會時，往窗外一望，發覺天空中 遠遠近近全部都是幡狀雲，趕緊拿出相機拍了下來，天空中還有車窗的反光。幡狀雲通常變得很快，不消十幾分鐘就又通通變成毫無特點的雲片了，真如古人感嘆的 「吉光片羽」一般。

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