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換個角度看季風

文 / 王嘉琪(任教於文化大學大氣科學系)

一直以來,所有的課本在解釋季風成因時都會由海陸風開始講起,解釋完海陸風的成因後,便把海陸加熱差異造成的溫差及後續的氣壓差,直接放大應用到季風的解釋上,而且認為冬季季風與夏季季風都可以用同樣的理論解釋。海陸加熱特性的差異無疑地加強了季風的強度,但是這真的是形成季風最根本的原因嗎?十多年前,我的碩士論文研究的主題是「亞洲夏季季風肇始時的能量轉換特徵」,論文口試中,口試委員問了「季風與海陸風最大的差異是什麼?」這個看似只有高中程度的問題其實讓許多科學家傷透了腦筋。由於篇幅限制,在這篇文章中我們僅討論夏季季風

傳統觀點

先來說說「標準」答案。季風由於受到海陸分佈的影響,夏季時面積廣大的亞洲大陸受到輻射加熱,在陸地上形成大範圍的低壓系統,南邊的印度洋則形成高壓系統,氣壓差驅動大尺度環流往陸地上吹,並加上科氏力的影響讓風向轉變。富含水氣的氣流受到地形抬昇形成降雨,降雨會放出大量潛熱加熱大氣,因此形成正回饋機制,讓季風環流可以持續一整個夏季。因此季風與海陸風之間的差異,除了在空間與時間尺度上大小不同外,季風還受到科氏力影響,並伴隨著大量的潛熱釋放及後續引發的正回饋機制。海陸風由於缺乏大量潛熱釋放引起的正回饋機制,只要空氣流動消除海陸之間的氣壓差後就會很快停歇,也就是說海陸風是受控於負回饋機制。

圖1

圖一:亞澳季風系統,兩圖分別代表南北半球夏季情形。圖中細實線為200 hPa氣流線,箭頭為850 hPa風場,灰階為雲頂放出的長波輻射量(W m-2),輻射量小表示雲頂較高,屬於會帶來大量降水的深對流。(圖片來源:美國國家海洋大氣總署)

圖2

圖二:全球大尺度地面氣壓分佈圖。(A)為北半球夏季,(B)為南半球夏季。圖片中央虛線表示間熱帶輻合區的位置。(圖片來源:美國國家大氣研究中心COMET計畫網頁)

其他觀點

既然夏季季風屬於正回饋機制,為什麼降雨系統只維持一個季節便逐漸消失,難道是水氣用完了嗎?當然不是,是因為季風的移動會受到太陽輻射的影響,北半球夏季過後,隨著太陽逐漸往南半球移動,整個季風系統也跟著南移。所以當我們把視野由亞洲擴大到包含南半球時(圖一),就會發現夏季季風並沒有消失,只是移動到南半球變成澳洲季風了,因此,有些學者認為亞洲與澳洲季風是同一個系統,可以合併稱為「亞澳季風」。

現在若我們把視野再進一步擴大到全球時(圖二),就會發現不管是亞洲夏季季風,還是澳洲季風,皆與「間熱帶輻合區」(Intertropical Convergence Zone,簡稱ITCZ,圖二虛線所示)的位置一致。也就是說,亞澳季風其實只是間熱帶輻合區這個更大的系統,隨著太陽作季節性南北移動時,在亞澳地區形成的雨季與風向改變。因此我們可以很大膽的假設,即使沒有海陸加熱特性的差異,季風依然可以存在,只是強度會減弱不少。

圖3

圖三:中南美洲及非洲季風分別於南、北半球夏季的情況。(圖片來源:美國國家海洋大氣總署)

除了亞澳地區,中南美洲及非洲也有明顯的季風(圖三)。以非洲大陸為例,赤道橫跨非洲中部,除了西非海岸的新幾內亞灣屬於「北方有陸地、南方有海洋」的空間配置外,大部分的中部非洲在赤道南北兩側並無明顯的海陸差異,但是這些地區依然具有典型的季風特徵。同樣的情況也可以在中南美洲看到,甚至於在北半球夏季時,在狹長的中美洲陸橋上也可以看到季風特徵,顯示季風的存在並不一定需要面積龐大的陸塊存在。再來對照圖二所標示的間熱帶輻合區,就會發現這兩個地區的季風也是跟隨著間熱帶輻合區移動。

未解的謎

現在,我們可以將季風形成的原因簡單回歸到間熱帶輻合區的成因,但是間熱帶輻合區的真正成因卻是個未解的謎。另外,雖然海陸加熱特性的差異不是形成夏季季風的唯一原因,但是我們仍要強調這樣的加熱差異對季風的強弱有著難以取代的重要性。理論上,間熱帶輻合區可以涵蓋的範圍受限於太陽可以直射的緯度,但是亞洲夏季季風卻可以持續往北發展,代表著此系統具有高度複雜度,無法用單一理論解釋,這也是為什麼亞洲季風歷經了上百年的研究,依然是科學界的熱門話題之一。

 

參考資料:

  1. 全球季風系統說明,美國國家海洋大氣總署
  2. 全球環流線上教材,美國國家大氣研究中心COMET 計畫網站

刊載於科學月刊第四十四卷第十期

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科學月刊

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