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微物理的魔法：雲中水滴與冰晶如何相互影響？
熱帶對流雲在地球氣候系統中扮演著至關重要的角色。透過對流和潛熱的釋放，能量從地表傳輸到上層大氣。雲層的反照率高於其下方的海洋，這使得更多的入射太陽輻射被反射回太空。由於熱帶系統的頂部遠比地球表面冷，這些高層對流雲的存在有助於降低氣候系統的整體溫度。然而，熱帶氣旋這一顯著的雲系不僅影響氣候，還能造成巨大的死亡和破壞，因此準確預測其動態顯得尤為重要。
雲的微物理學描述了雲的結構和性質，涉及水滴和冰晶在微觀尺度上的互動。
背景
自1997年啟動以來，熱帶降雨測量任務（TRMM）通過遙感技術，提供了整個熱帶地區降雨量的定量估計。此衛星在其感測器錄製的輻射中轉換出降雨值的過程，最重要的變量是水凝物的特性。熱帶氣旋中的雲通常是混合相雲，意味著液體水和固體水（冰）同時存在。在低於冰點的高度，液體水通常占主導，而在攝氏-40度以下，固體水更為常見。在0°C到-40°C之間，水可以同時以兩種形式存在。固體水的形狀各異，這必須在輻射傳輸計算中加以考量。
水凝物的形成與形狀
液態水滴的形狀一般為球形，這是表面張力的影響。隨著水滴大小的變化，掉落過程中的氣流摩擦可能會使水滴的底部稍顯扁平；而固體冰晶則不容易形成圓形結構，它們通常通過沉積形成六角形結構，但在riming或聚集形成graupel的過程中也可能呈現異形。冰粒形狀主要受生成環境的溫度和過飽和影響。在強上升流的區域，能夠形成更多的水凝物，而graupel則主要出現在上升流較弱的區域。
粒子的大小隨著高度增加而減少，較低高度的大粒子與小粒子碰撞並聚集。
參數化
不同的雲微物理參數化方案對於冰相類別的分類有所不同。許多方案通常使用至少三種分類：雲冰、graupel和雪。這些區別能幫助運算出不同形態的冰的下墜速度。不同參數化方法之間的差異將可能導致 hydrometeor 的下墜速度有顯著的差異，而這在模擬熱帶氣旋的強度和雨量預測中表現得尤為明顯。
強度
雲凝結核（CCN）的存在影響著雲滴的生成數量，CCN越多，雲滴的數量亦隨之增加。這種變化影響了能量在氣旋中的再分配。科學家曾提出透過向雲中添加CCN以改變颶風強度的假設，但這樣的方法在實際運用中的效果並不理想。此外，通過不同的數值模擬，研究者發現微物理過程在強度和核心結構上有很大的影響。
路徑
儘管研究目的不在於此，但有研究報告指出，通過大量的氣溶膠來抑制暖雨，熱帶氣旋的行進方向可能會發生變化。在不同的敏感性實驗中，研究者也觀察到微物理過程對颶風的行徑影響較小，對氣壓及風速的影響則相對明顯。不同的氣象模型在如何參數化微物理過程及次網格規模過程上，對颶風的預測也顯示出顯著差異。
從微物理學的視角，它為氣旋的變化提供了新的解讀，特別是在強度和行徑的預測上。
总而言之，雲中的水滴與冰晶通過複雜的微物理過程相互影響，這些過程直接改變了熱帶氣旋的形成與發展，進而影響其強度與行徑。在面對日益頻繁的熱帶氣候現象時，我們是否還有足夠的能力準確預測它們的 未來趨勢呢？
