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如何面對「旱澇並存」的未來?氣候變遷下區域豪雨和旱災的科學成因

研之有物│中央研究院_96
・2018/11/29 ・4440字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|古國廷 美術編輯|張語辰

防洪防旱前先知道…

2018 年 8 月強降雨使南部水災,造成居民傷亡也重創當地產業;同年 9 月,北部降雨使北北基多處淹水。時節將進入冬季與春季,臺灣又可能面臨長時間沒有下雨,引發缺水危機。如何面對「旱澇並存」的未來?本文專訪中研院劉紹臣院士,藉由數十年的大氣科學研究,帶我們了解氣候變遷如何影響臺灣降雨的變化。

區域大雨越來越大、小雨越來越小,這種趨勢會隨全球溫度的增加越來越厲害。

根據聯合國 IPCC 報告,從 1880 年到 2012 年全球平均地表溫度增加約 0.85 度。雖然聯合國研究報告或觀測資料分析,都認為「全球溫度變化」對「全世界總雨量」影響不明顯,但劉紹臣與其團隊發現「地方區域降雨」卻有所改變。

劉紹臣團隊選定北緯 60 度至南緯 60 度之間的區域,針對 1979 年至 2013 年世界各地雨量與溫度資料,使用年際變異法 (Interannual Difference Method, IDM)分析,即任意選擇兩年雨量計算差值,然後比對該兩年的溫度差異做統計分析。分析結果顯示:區域降雨變化趨勢,大多呈現強降雨增加、中小雨減少。

美國、加拿大東部、中東、和南美洲東部地區,呈現明顯的乾燥趨勢。同時,澳洲北部、南非、印度西部、中國西部地區,則呈現明顯的降雨增加。(縱軸為緯度;色條為年度總降雨量趨勢,單位 mm K−1
資料來源│Liu, R., Liu, S.C., Shiu, CJ. et al. Adv. Atmos. Sci. (2016) 33: 164.

「陸地上看到的這種現象,是用傳統降雨的雨量計測量出來的。海上則是來自遙測衛星的觀測。從陸地和海洋的區域觀測來看,區域大雨越來越大、小雨越來越小的現象非常一致。」劉紹臣補充。

什麼原因使得全球區域大雨越強、中小雨越小?

強降雨生成的原因,是由於底部有很多又濕又暖的空氣,而上面是相對比較乾冷的空氣;那這種情況下面熱、上面冷,它就會產生不穩定性質,因為熱的空氣密度比較低,熱空氣就會開始上升。

熱空氣含有很多水氣的話,上升到幾公里以後,那個水氣就開始變成液態水;再上升幾公里,通常是到六、七公里以後變得更冷,液態水就會變成冰。在水氣變液態、又變成固態的時候,會釋放出來所謂「潛熱」,會使這個對流更加強。

全球暖化影響區域降雨的原因。
資料來源│Chia Chou, J. David Neelin(2004). Mechanisms of Global Warming Impacts on Regional Tropical Precipitation. Journal of Climate 17 (13), 2688-2701 圖說重製│古國廷、張語辰

全球暖化的時候,溫度增加,空氣裡面的飽和水蒸氣也會增加。每增加絕對溫度 1 度 K,空氣中的飽和水蒸氣會增加差不多 7 %;也就是說,每增加 1 度 K,這個對流釋放出來的潛熱就會多出 7%。

潛熱增加了 7%,氣流每這樣上下翻動一下,對流的強度也會增加 7% ,吸進來的水氣量也跟著增加。本來吸進來的半徑好比說是周圍 10 公里,可是對流一加強以後,吸進水氣的能量就更強了,就是以 20 公里的半徑範圍吸進大氣中的水氣。這個循環會繼續,因為它有一個正向的回饋作用,所以這個區域的降雨增幅就超過 7%。

因此,當對流的水氣越多,釋放出來的潛熱越多,那個區域的強降雨就會越強。

至於中小雨為何會減少,是因為氣溫增加 1 度 K,大氣裡面的飽和水蒸氣只增加 7%,但這個強降雨拿走那麼多水氣,中小雨分配到的水氣就少很多。基於這些原因,我們才會看到地球上大部分區域的強降雨增加、而中小雨普遍減少。若以總雨量來說,原來有大量強降雨的地區(例如大洋洲附近),雨量會增加;原來中小雨比較多的地方(例如墨西哥西部的大面積海洋),雨量就會减少。

氣候變遷如何影響臺灣降雨?對我們生活有何衝擊?

臺灣區域降雨同樣有大雨越強、中小雨越小的變化。我們研究團隊蒐集 1961 年至 2005 年間,中央氣象局 15 個地面觀測站資料,將這 45 年來降雨量依降雨強度分成十個等級,再分析各年度降雨強度之降雨量隨溫度的變化。結果如下表所示:

全球溫度每增加 1 度 K ,臺灣降雨強度前 10% 強降雨的降雨量,大約增加 140%;降雨強度後 10% 小雨的降雨量,大約減少 70%。
資料來源│劉紹臣提供(取自 Liu et al., 2009 未發表的資料)

我們的分析結果發現:臺灣強降雨隨溫度升高而增強,當全球溫度每增加 1 度 K ,臺灣降雨強度前 10% 強降雨的降雨量,大約增加 140%;相對的,中小雨隨溫度升高而減少,降雨強度後 10% 小雨的降雨量,隨之減少大約 70% 。近年也發現中小雨的日數一直在減少,不降雨的日數正在增加。這種情況通常是在冬天和春天發生,是臺灣乾旱最嚴重的季節。

我們研究 1961 年至 2011 年侵襲臺灣的颱風特性,也看到類似趨勢。研究結果發現:隨著全球溫度增加,侵襲臺灣颱風的強降雨強度也隨之增加,而中小雨減少。

這個是非常可怕的事情,也就是說颱風強降雨會增加很多,那颱風引起的洪水還有土石流也就隨著增加。因為中小雨減少的趨勢,乾旱對我們臺灣的影響又比洪水來得更大,不只農業需要水,工業也需要用水。面對這些災害,臺灣必須採取調適措施因應,問題在於──我們的調適政策是根據「氣候模式」制定。

臺灣的氣候變遷調適政策建立在氣候模式之上,會有什麼問題?

氣候模式我們知道它的不定性很大。氣候模式目前真正有用的、大家比較能夠認可它的準確性,就是全球跟大尺度的「溫度」變化。連 IPCC 都認為氣候模式預測的「降雨」變化,尤其是區域性的降雨變化可信度很低。但世界各國絕大部分是根據氣候模式去做調適,我們臺灣也不例外。

我先從氣象預測模型來解釋。氣象預測模型是根據流體力學等各影響條件來預測天氣,如果把所有條件都考慮進去,那預測會非常準確。但如果有條件沒有考慮進去,預測時間一拉長就會失去準確性,隨預測時間越長、準確性越差。

世界上氣象預測最好的幾個國家,像是歐盟、美國、日本等國家,比較準確的氣象預測大約可以到十天,很少會超過二十天。也就是說,即便是短期的天氣預測,就有許多影響因子沒有考量進去;長時間、大空間尺度的氣候模式,其影響因子就更加複雜。氣象可預報性不會超過 20 天,但現在氣候模式要預測是 20 年、100 年以後的氣候變化。

而將預測全球性、長時間尺度的氣候模式,去細緻地看區域性、季節性的降雨趨勢,會增加預測的不確定性,若將其套用在臺灣各縣市降雨預測更是如此。

如果氣候模式預測長時間、大尺度降雨是錯的,那根據這個模式更精細地預測區域、季節性降雨,只是把錯的東西分析得更仔細一點。

近期對於區域強降雨預測有哪些進展?若應用在臺灣有何幫助?

過去研究發現區域大雨增加、小雨減少,我們也注意到大雨雨量的增加,增加程度大到影響全年的雨量。在很多區域,隨著一年一年的變化,只要降雨強度前 30% 的大雨其降雨量增加,那一年的總雨量就會增加;反之減少的話,那一年總雨量就會減少。

根據這個觀察,我們團隊和北京大學、暨南大學合作,用統計方法找出影響強降雨的因素:好比說聖嬰現象─南方震盪 (ENSO)、北太平洋年代際震盪 (PDO),還有全球溫度等。這些影響因素很多是可以預測的,像是 ENSO 現在預測 1 年的準確性已經很不錯,全球溫度也有相當好的預測方法。

然後我們將這些影響因子,跟過去觀測到強降雨的雨量做統計迴歸。我們跟從前預測方法是一樣的,不同之處在於我們的研究聚焦於預測「強降雨」。

目前我們可以預測到差不多未來半年的降雨量,做出來準確性是很好的。這種預測目前來說世界各國雖然做的很多,可是成功率很小。美國氣象局做年度或季節的降雨量預測,通常只能預測下個季節比過去平均雨量偏高或偏低;我們團隊現在可以說下一個季節雨量是多少,或者是明年雨量是多少。

從季節或年度來預測區域降雨,對臺灣的防災是有直接的幫助。

我覺得政府不僅需要投入救災,事前的防災更是重要,像是防洪、防土石流和防旱等各種預防措施。如果把這個區域降雨預測方法應用在臺灣,提早知道下一年或下個季節會有強降雨或乾旱,對臺灣政府規劃氣候變遷的調適策略非常有用。

研究過程如何面對各種困境?

研究的過程總是有上上下下,有時候也是蠻沮喪的,認為自己努力不夠,更努力的話研究應當做得更好。

我大部分時間都在分析資料 (data),我看 data 的時候,今天看 3 個鐘頭,明天看 2 個鐘頭,每次我都用不同的角度去看,拿不同的 data 來分析。幾乎每次我都會說,好像看到了一些新的東西。

「每次分析 data 看到新的東西,其實是我工作最大的動力。」劉紹臣笑著說。
攝影│古國廷

也許後來證明當下初步的研究結果不大對,可是每當看到新東西的同時,對這種工作的滿足,帶給人生的快樂,那種快樂很難形容。

孔子說:「朝聞道,夕死可矣」,我從前完全不信,我後來是信。我相信有人真正看到一個新東西、發現一個新東西,他會快樂到講出這種話。就是說早上聽到這個道理以後,晚上就可以翹掉了,他真正感覺到他這一生夠了。我是做研究的,一天只要能夠學到一點東西,那一天我就會很快樂,這也支持我一而再、再而三地往前走。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為雨神為何同行?區域豪雨和旱災的科學成因──專訪劉紹臣,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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