王寳貫Wang, Pao-Kuan

研究興趣

王寳貫院士在大氣科學領域的傑出貢獻在於(1)雲物理學(2)雲動力學(3)氣膠物理(4)歷史氣候學四個方面。

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的研究指出,雲及氣膠的因素是當前利用氣候模式預測未來氣候變遷研究中最大的不確定性因子,因為雲對於大氣輻射平衡的影響至為重大,但不易準確預測,而王教授的專長正好是能夠把這個不確定性減低至最小的關鍵領域。

王院士是開創深對流系統影響對流層與平流層相互作用這一研究領域的先鋒人物。他最近的傑出成就是發現了雷雨雲頂的重力波碎裂(gravity wave breaking)機制。通常平流層的穩定度會壓制對流層的物質上傳,但是王教授發現,雷雨雲的強烈上升氣流引發雲頂重力波,在適當情況下,這些重力波會產生碎波現象,這碎波能穿透對流層頂,同時把水蒸氣及冰晶輸送到平流層,此研究發表於美國地球物理研究期刊上(Journal of Geophysical Research, Wang, 2003)。

代表著作

Pao K. Wang, K. Y. Cheng, M. Setvak and C. K. Wang, (2016): The origin of the gullwing-shaped cirrus above an Argentinian thunderstorm as seen in CALIPSO images. J. Geophys. Res. Atmos, 121, doi:10.1002/2015JD024111.

K. Y. Cheng, P. K. Wang and T. Hashino, (2015): A Numerical Study on the Attitudes and Aerodynamics of Freely Falling Hexagonal Ice Plates. J. Atmos. Sci., 72, 3685-3698.

Pao K. Wang, (2013): Physics and Dynamics of Clouds and Precipitation. Cambridge University Press, 467pp.

Pao K. Wang, Shih-Hao Su., M. Setvak, H. M. Lin and R. Rabin, (2010): Ship wave signature at the cloud top of deep convective storms, Atmos. Res. 97, 294-302.

Pao K.Wang, M. Setvak, W. Lyons, W. Schmid and H. M. Lin, (2009): Further evidence of deep convective vertical transport of water vapor through the tropopause, Atmos. Res., 94, 400-408.

Pao K. Wang, (2007): The thermodynamic structure atop a penetrating convective Thunderstorm. Atmos. Res., 83, 254-262.

Pao K. Wang, (2003): Moisture Plumes above Thunderstorm Anvils and Their Contributions to Cross Tropopause Transport of Water Vapor in Midlatitudes. J. Geophys. Res., 108(D6), 4194, doi: 10.1029/2003JD002581, 2003.

M. Winkler and Pao K. Wang, (1994): The Late-Quaternary Vegetation and Climate of China, Wright et al., eds, Univ. of Minnesota Press, 221-264.

P. K. Wang, S. N. Grover and H. R. Pruppacher, (1978): On the Effect of Electric Charges on the Scavenging of Aerosol Particles by Clouds and Small Raindrops. J. Atmos. Sci., 35, 1735-1743.

P. K. Wang and H. R. Pruppacher, (1977a): Acceleration to Terminal Velocity of Cloud and Raindrops. J. Appl. Meteor., 16, 275-280.

重要研究與突破

王教授長期以來致力於雲微物理研究,特別是雲中冰相粒子(冰晶、雪片、軟雹、冰雹)擴散增長(diffusion growth)及碰撞增長(collision growth)的定量化研究。他利用精確的流體力學數值模式,計算出這些降落中的冰粒子所造成的流場,從而計算出冰粒子吸收水蒸氣而成長的速率(擴散增長)以及冰粒子撞擊過冷水滴而形成軟雹及冰雹的速率(碰撞增長),這些都是大氣學門裡的基本數據。王教授也曾對雨滴在大氣中的降落加速度做了精確的實驗測量,其數據被廣泛運用於大氣、森林及農業科學中。上述這些研究已收集在兩本英文專書(Wang, 2001; Wang, 2013)之中。王教授也撰寫了中文《雲物理學》(1997國立編譯館),為目前台灣出版唯一之雲物理教科書,廣為台灣各大學大氣科學系及地科系採用為教科書。

在氣膠物理領域,王教授(Wang, 1978)建立了第一個精確的雨滴沖刷氣膠粒子的數學模式並從事實驗,證實了“格林菲爾德間隙”(Greenfield Gap)—一個大氣雲雨過程極難清除的粒子尺度(大約0.1-1微米左右)—的存在,並將之定量化。這個研究對當今“工業活動產生之氣膠粒子會不會造成氣候變遷”的課題特別有意義,其結果已被納入許多大尺度大氣化學及氣候數值模式中。

王教授也利用中國古代歷史文獻,如二十四史之五行志及災異志、方志資料、以及宮廷檔案(如故宮晴雨錄、雨雪糧價奏摺等),來反推中國歷史時期的氣候概況。他又曾蒐集各式氣候替代資料(諸如海底沉積泥芯微化石、孢粉、其他海洋地質資料等),編成氣候序列,來推斷中國大陸全新世以來之氣候變遷情況(Winkler and Wang, 1994),廣為氣候研究人員採用。

除了正式學術論文外,王教授也致力於科普寫作,前後出版了《天與地》(牛頓出版,天文及地球物理,1996開卷十大好書)、《洞察》(天下文化,物理科學史,2002吳大猷科普獎及新聞局金鼎獎佳作),《微塵大千》(經典雜誌,日常科學,2005金鼎獎佳作),廣受好評,並被採用為各級學校地球科學之參考書籍,為台灣的科普教育做出了積極的貢獻。

新書簡介:

王寳貫新書出版:大氣中冰粒子的運動




漂浮在藍天中看起來悠閒自在的朵朵白雲,其實在地球大氣中扮演了十分重要的角色。人們最熟悉的,是它們發展到夠濃厚時會“下雨”或“下雪”,甚至會產生“狂風暴雨”,造成“天氣災害”。然而,較少為人所知的是,雲對長期的氣候有巨大的影響。這是因為雲對輻射—不管是太陽短波輻射或是地表長波輻射—都有重大的影響,例如低雲對反射太陽光的作用較大,而高雲則對截留地表紅外線輻射的作用較大,因而高雲或低雲雲量的多寡就直接影響了地表接收或截留輻射的程度。當然也就影響了長期的氣候了。所以雲量的多寡以及雲存在大氣中的生命期長度對於氣候的走向有決定性的作用。但IPCC的報告就指出了,正是雲(以及它們和氣膠的相互作用)這個因素,使得利用氣候模式來預測未來氣候含有極大的不確定性!

所有的雲都是雲中粒子的組合體,而雲中可能有水滴,也可能有冰粒子,或者兩者都有。這些粒子的大小、濃度及生命期直接就決定了雲的發展程度及生命期。然而,雲中粒子的成長或消散又是被什麼控制呢?除了大氣中的水蒸氣濃度外,最重要的因子就是這些粒子的運動狀態。粒子的運動決定了他們如何因碰撞結合而增長,他們以何等的速率吸取水蒸氣進行擴散增長或以何等速率蒸發,而擴散增長或蒸發又牽涉了潛熱的釋放或吸收—那又是驅動雲的動力過程的能量來源。

然而雲中粒子千變萬化,種類繁多,不但大小顆粒不同,其形狀及密度等特性也差異極大,尤其以冰粒子為甚。所以一直以來,冰粒子的運動都是雲物理的研究重要題目,但實驗困難,理論研究也因數學煩難而久未能得解。

本書則是本研究小組近年來利用計算流體動力學的技術對冰晶、雪花、軟雹及冰雹的三維自由落體的運動所求的的數值解的研究成果,這些是世界上首次對這些冰粒子的真正自由降落運動以理論方式獲得詳細的流場解。他們詳盡地模擬了粒子的可能運動,例如旋轉、震動、擺動、翻滾、螺旋等等,都一一出現在與實驗數據相合的場景中。除此之外,書中也提供了粒子運動狀態下的通風效應係數的計算值,對正確估計粒子的擴散增長及蒸發是必須的資訊。本書除了對大氣科學,尤其是雲物理學的學者有重要性之外,對一般試圖了解複雜物體運動的流體力學學者也相當有助益。

出版社資訊頁:https://www.springer.com/gp/book/9789813344303

科普分享:

看日不必仰天長嘯 (中央研究院 環境變遷研究中心 王寶貫)
今年(2020)的夏至日(6/21)適逢星期日,更有特別的天象,那就是日。在台灣嘉義、台南可見日環食,而其他縣市則可見日偏食。雖說是偏食,掉的部分著實不小,在“食甚”階段,太陽看起來像是一彎新月。
星期天台北天氣炎熱得很,但是還是有不少人在戶外想看日。有人直接抬頭仰天用肉眼直視太陽,結果是除了什麼也看不出來之外(因為即使偏食的太陽還是太亮,不用減光板的話只會看到一團光亮)。之後卻看到電視新聞報導,很多人過後都去掛眼科,說眼睛刺痛,這就是觀測不得法了。
其實看日,最簡便的辦法是用厚紙板挖個·針孔小洞,讓陽光透過針孔,投影在地上就行,這就是“針孔成像”的原理。沒有日的話,太陽透過針孔投射的影像是個圓圈。有日偏食的話,投射影像就是被天狗咬掉一塊的太陽餅。
其實連針孔都不必。看看下面照片,這是什麼東西?


圖一
6/21 下午4點左右拍攝

圖一是6/21大約下午4點我在中研院環變大樓西側的牆壁及走廊地上拍的照片。那一堆“月亮”的影像其實就是偏食了的太陽影像。為什麼會如此呢?原來環變大樓西側外有幾棵樹,陽光在下午會透過樹葉間隙投射到這裡的牆壁及地板上。那些樹葉的間隙就是天然的“針孔”。沒有日的時候,陽光透過這些天然針孔投射出來的影響都是圓的,如圖二一般,這是大家尋常所見的。

圖二6/21 下午245左右拍攝

但是有日偏的時候,這些圓形光點就會變成圖一那樣的朵朵新月了。
下次日,您可以選擇看地上,一樣精彩。

經歷:
  • 美國加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 大氣物理研究員(1978-1980),兼任大氣科學助理教授 (1980)
  • 美國威斯康辛大學麥迪遜分校大氣及海洋科學系助理教授(1980-1984)、副教授 (1984-1988)、教授 (1988-2016)
  • 美國加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 大氣科學系客座教授 (1988)
  • 美國威斯康辛大學麥迪遜分校大氣及海洋科學系系主任(1994-1997)空氣資源管理學程主任 (1998-2002)
  • 美國威斯康辛大學麥迪遜分校獎學金委員會物理科學組主席 (1997-2002)
  • 美國氣象學會雲物理委員會主席 (1991-1993)
  • 德國麥因茨大學 (University of Mainz) 客座教授 (Jan-June, 1993) 台灣大學大氣科學系客座教授 (July-Dec, 1993),兼任教授 (2013-迄今)
  • 美國麻省理工學院 (MIT) 地球大氣行星科學系訪問教授 (1997)
  • 意大利費拉拉大學 (University of Ferrara) 物理系客座教授 (2001)
  • 德國馬克斯普朗克 (Max-Planck) 化學研究所訪問教授 (2003)
  • 歐洲太空總署宇宙及大氣粒子系統交互作用計 (ICAPS) 諮詢委員    (2001-2009)
  • 德國Bremen大學海洋邊緣研究中心 (RCOM) - 海洋環境科學中心 (MARUM) 諮詢委員(2005-2011)
  • McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology顧問編輯 (2003-迄今)
  • Il Nuovo Cimento C編輯委員 (Geophysics, 2009-迄今)
  • Atmospheric Research編輯委員 (2010-迄今)
  • European Physical Journal Plus 編輯委員 (2010-迄今)
  • Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences國際諮詢委員  (2011-2013)
  • Versita Publishing (環境研究學門編輯委員(2011-迄今)
  • 中華民國氣象學會理事長(2013-2016),中華民國氣學會理事(2016-迄今)中華民國地科學會理事(2013-迄今)
  • 中央研究院環境變遷研究中心特聘研究員兼主任 (201301-201912)
  • 中央研究院環境變遷研究中心客座講座(202001-迄今)
  • 國立台灣大學大氣科學系特聘研究講座(201908-202207)
 
曾獲獎項或榮譽:
  • 美國山謬強生傑出貢獻獎(Samuel C. Johnson Distinguished Fellowship(1992)
  • 美國威斯康辛大學麥迪遜分校氣象學系傑出教學獎 (Teaching Excellence, Dept. of Meteorology UW-Madison(1992)
  • 德國宏博研究獎 (Alexander von Humboldt Senior Research Award, Germany) (1993)
  • 美國氣象學會會士 (Fellow, American Meteorological Society) (2005)
  • 中華民國氣象學會會士 (2008)
  • 中國時報1996開卷十大好書 (天與地,牛頓出版) (1996)
  • 第一屆吳大猷科普著作奬佳作 (洞察,天下文化) (2002)
  • 行政院新聞局金鼎獎佳作 (洞察,天下文化) (2002)
  • 行政院新聞局金鼎獎佳作 (微塵大千,經典雜誌(2005)
  • 中央研究院院士 (2018)
專長領域:雲物理與雲動力學、大氣化學、氣候變遷
  • 博士
    美國加州大學洛杉磯分校
    大氣科學 (1978)
  • 碩士
    美國加州大學洛杉磯分校
    大氣科學 (1978)
  • 學士
    國立台灣大學
    大氣科學(1971)
  • (02) 2787-5882

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