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印度洋雲端上的「大水坑」?——新發現的天氣型態:大氣湖泊

Mia_96
・2022/01/11 ・2392字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年 12 月 16 日,一名來自邁阿密大學的大氣科學家──Brian Mapes(布萊恩.馬帕斯)於美國地球物理聯合會(American Geophysical Union,AGU)所舉辦的秋季會議中,提出近期於西印度洋所觀察到之新興天氣型態, 一種長時間存在於大氣中,移動緩慢的水氣團 ,「大氣湖泊」(Atmospheric lake)!

神秘大氣湖的手足:容納一整條河的大氣

過去當我們提及「大氣」二字時,腦海中冒出的第一個想法通常是充斥在我們生活周遭的氣體:人類呼吸作用所需之氧氣、佔大氣比例最重的氮氣、耳熟能詳的溫室氣體甲烷,或是二氧化碳…。

但你知道,在大氣中同樣也具有似河川一般流動的水氣傳輸通道嗎?

在大氣的對流層中,有一條結構狹長且連綿不斷的水氣運輸通道,科學家將其稱為「大氣河流」(Atmospheric river)。大氣河流中主要的水氣源自於溫暖潮濕的熱帶地區,而順著大氣河流流動至較高緯度的區域,並以降雨(雪)之形式落下。

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大氣河流通常隨著天氣系統移動,其所攜帶之水流量大約為密西西比河出海口的平均水流量!(每秒約 18800 立方公尺的水流量)。圖/SciJinks

最著名的大氣河流是一條被稱作「Pineapple Express」的強大水氣傳輸通道!(因其經過盛產鳳梨的夏威夷群島,故被稱作鳳梨特快)這條大氣河流會將位於夏威夷地區的溫暖水氣帶到較高緯度的美國西海岸,造成加利福尼亞州當地降下豪雨或大雪,於此同時,大量降下的雨水(雪)也是美國西海岸重要的淡水來源。

但強大的大氣河流有時也會造成洪患的災情,在2021 年 11 月,美國西部與加拿大西北部便受到 Pineapple Express 的影響,太平洋熱帶海域所蒸發的水氣大量被帶往美洲西岸,造成豪雨襲擊,甚至造成單日降下該地近一個月的總雨量,造成加拿大卑詩省當地的嚴重災情。

一整團漂浮的……湖水?

而 Mapes 所發現的大氣湖泊,最初只是在印度洋-太平洋海域上方的水氣,並逐漸從印度洋往非洲移動。與大氣河流相異的地方在於,當大氣湖泊在移動時,會逐漸與產生湖泊的天氣系統分離、收縮,最終聚集成孤立的水氣團,緩緩地漂浮在赤道周遭的海洋區域,而並不像大氣河流般快速的前進並帶來降雨。

Mapes 觀察到的大氣湖泊,其水氣來源自南亞的季風,後沿著赤道於東非附近形成大氣湖泊。圖/AGU

更準確地來定義,大氣湖泊的現象之所以需要被解釋,最主要是因為當中所包含的水氣是足以造成大量降雨的水氣含量,但卻又與過去我們時常接觸到的氣旋形成過程與現象,抑或是現今較為了解的大氣河流表徵大為不同,更是增添了其特別之處。

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以夏天常見熱帶氣旋為例,其形成原因是因為受到日照使海水蒸發,當水氣遇冷凝結時放出潛熱,進而加熱空氣,造成更多水氣上升,形成一低壓系統。圖/pixabay

在查看近五年的衛星數據後,研究團隊總共發現 17 個大氣湖泊!

這 17 個大氣湖泊,皆位在赤道 10 度以內的區域(若湖泊遠離赤道,也可能逐漸變成熱帶氣旋),且存在於大氣中的時間皆超過 6 天,而最長壽命的大氣湖泊,更是在空中停留整整 27 日!透過計算更是得出:若將大氣湖泊中所含之所有水氣凝結成肉眼可見的水,將會形成一個僅有幾公分深,但約有 1000 公里寬的大水坑!

旱災的另類解套方式?!

目前發現大氣湖泊的區域──印度洋-太平洋海域地區旁的非洲東海岸,因長年受到副熱帶高壓的壟罩,盛行下沉氣流,造成非洲東海岸全年乾燥少雨,降水量極為稀少,當地的水資源也相對匱乏。若找到方式使東非上空附近的大氣湖泊水氣大量降下至地表,也許便能為東非國家的乾燥地區帶來更多的水資源!

再者,因東非氣候長年乾燥,所以當偶然出現大雨時,必定也會被當地居民所記錄!Mapes 認為透過深入探索東非當地的知識後,或許會搜尋到與大氣湖泊相關資料,讓科學家更進一步了解大氣湖泊。

「這是一個十分乾燥的地區,所以如果大氣湖泊出現時,對這一地區一定十分重要!」(“It’s a place that’s dry on average, so when these [atmospheric lakes] happen, they’re surely very consequential,” Mapes said.)

若未來研究人員對於大氣湖泊有更為詳細的認知,大氣湖泊或許便能成為解決東非匱乏水資源其一的解套方式! 圖/Pixabay

踏上神秘湖泊的探索之路!

Mapes:「將大氣湖泊帶到近岸的風十分特別,他的風速趨近於零,也就代表,幾乎所有事件都可能影響著大氣湖泊的移動。」

大氣湖泊什麼情況下會產生?大氣湖泊為何會與產生的源頭分離?推動大氣湖泊的大氣模式為何?為什麼大氣湖泊在印度洋-太平洋區域會向西移動?種種有待被解決的疑問,使 Mapes 和研究團隊開始計劃使用更多的衛星數據與每日的密切觀察來研究這新興的天氣型態。

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過去的天氣觀測方式主要著重在月份的降雨與水氣研究等,而較少著墨於每日的水氣變化,Mapes 推估這也是為何大氣湖泊至今才被發現的原因。故研究團隊傾向利用詳細的衛星分析資料,了解每日水氣的變化是否會影響著大氣湖泊的生成,希望透過更多的研究來來了解大氣湖泊的起源與成長!

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Mia_96
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走高山只為預測颱風,臺灣氣象學開拓者——近藤久次郎
PanSci_96
・2023/02/10 ・3388字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/廖子萱

蕞爾臺灣島,地跨熱帶與副熱帶季風氣候區、四面環海,縱貫的百岳更加深了氣候的複雜程度。

在這樣的地理條件下,即便當今借助氣象衛星進行天氣分析,預報仍偶見差之毫釐、失之千里。一百年前,人們對於山岳、海洋與其相生的自然現象往往常處於未知,而至今日手機隨手可得及時的氣象預報,在短短一百年間,臺灣氣象科學從無到有,蓬勃發展。這背後的功臣包括了中央氣象局、高山氣象站、地震觀測站,這些單位的前身與發展,皆與近藤久次郎有關。

圖1. 1897 年臺北測候所。圖/交通部中央氣象局〈台灣氣象憶往之ㄧ〉

近藤久次郎(Kondo Kyujiro ,1858 – 1926)是臺灣首任總督府測候所技手兼所長,也是臺北測候所所長(現中央氣象局)。 1896 至 1924 年在臺期間,近藤引領總督府測候所設立了七座地方測候所,並協調地方基層治理單位,建構氣象觀測方法和資料搜集的網絡。他更推動高山觀測方法,以進行颱風預測、推動高山與地震觀測系統的建置,為臺灣氣象科學翻開了嶄新的一頁。

臺灣近代氣象觀測的發展

臺灣近代氣象觀測發展可追溯於清朝,光緒年間的1883年,清廷聘請杜伯克博士(Dr. William Doberck)赴香港擔任首任天文司(天文台台長),並在沿海稅關和燈塔裝置觀測設備,進行氣象觀察。臺灣基隆、淡水、安平、打狗四港的稅關,以及漁翁島(澎湖)、南岬(鵝鑾鼻)也陸續在 1885 年前後,展開十餘年的氣象記錄。然而,1895 年清廷與日本簽訂馬關條約割讓臺灣,氣象觀測工作就此停擺,多數的觀測儀器與記錄更在政權交替期間散失。

日本統治臺灣之後,由於當時國際航海安全多仰賴氣象資料,在英法強權的施壓下,臺灣總督府於1896年發布第 97 號敕令,以「台灣總督府測候所官制」編制氣象觀測單位,而日本中央氣象台則選派本文主角,技手(技士)近藤久次郎來臺勘查、策劃氣象觀測站。同年,總督府也在民政局通信部海事課增設「氣象掛」一單位,統理全島氣象事務,如氣象觀測、天氣調查、颱風警報、地震檢測等工作。

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1896 年四月至六月間,近藤久次郎與民政局通信部海事課課長遠藤可一翻山越嶺、走訪各地,行跡遠至鵝鑾鼻。根據兩人的調查基礎,臺灣總督府先後於臺北、臺中、臺南、恆春和澎湖設置測候所(後三為 1987 年設立),近藤也在日本中央氣象台台長中村精男(Nakamura Kiyoo)的任命下擔任臺北測候所所長,開始逐步搭建全島的氣象觀測網絡。

在各地氣候觀測所選址的條件上,近藤久次郎配合日本政府在農業、工業、航海與公共衛生等發展項目的資料需求,為詳實觀測各區域氣候根據相對距離由北至南畫設臺北、臺中、臺南、恆春測候所 。此外,還參考了夏季與秋季的颱風路徑設立澎湖測候所,用以觀察自香港與馬尼拉而來的颱風。

除了本島的氣象觀測,近藤還曾於1897年,帶著晴雨計、寒暖針遠赴火燒嶼(綠島)、紅頭嶼(蘭嶼)進行氣象觀測、測量山頂高度,策劃設立觀測站。而後隨著總督府逐步克服東部地區交通和電信的限制, 1900 年、1910 年臺東和花蓮測候所分別建設完成,時至 1924 年近藤久次郎卸任前,全臺共設有七座「一般測候所」。

十九世紀末的觀測所主要沿用清朝遺留的官廳或民房,屋頂簡單設有的風力與風向儀,室內則作為辦公之用。一般測候所以風力塔為主要的觀測設施、可測量風向、風速、風壓、日照和日射;辦公室外設置氣象觀測坪以測量氣溫、雨量、地面溫度等;測候所外另設有提供執勤人員進駐的官舍。

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而在時間方面,位於政治中心的臺北觀測所實施 24 小時氣象觀測;其他測候則每四個小時實施觀測、每日六次,用於地區性天氣預報,並將資料匯報予臺北測候所以利發布臨時颱風警報、氣候月報和年報,進一步進行總體性的氣象分析。

擴大氣象觀測網路,發佈氣象預報歷史頁面

為了擴大氣象觀測網絡,總督府會同官廳、派出所、郵局等單位協助蒐集雨量和氣溫資料,並於 1896 年 7 月以「民通 151 號」公報始建立暴風警報通報流程,命令各官廳、海關、郵局、燈塔,將通信部海事課所轉發的暴風警報公布予地方民眾,九座燈塔更奉「總督府訓」兼任氣象觀測的任務,協助測量氣溫、氣壓、風、雲與雨量。

1897 年 9 月,近藤領導的臺北測候所開始發佈每日三次的氣象預報,並與琉球、九州南部測候所,以及徐家匯、香港、馬尼拉等地的氣象台交換氣象報告。 依循著新展開的天氣觀測模式,總督府府報開設「觀象」專欄,刊登臺北測候所撰寫的天氣預報(「本島氣象天氣豫報び天氣概況及暴風警報等」),開啟了臺灣天氣預報歷史性的一頁。直到1905年,全臺各地的雨量觀測網絡已達78處,涵蓋燈塔、支廳、派岀所、學校、郵局、農業試驗所、自來水廠等單位,各處配備簡易的氣溫觀測工具以協助記錄天候狀況。

很快地,日本在臺短短10年內,近藤久次郎已為氣象觀測網打下綿密的基礎。

不只是天氣預報,開啟高山觀測與地震研究先河

1900 年,近藤久次郎附議天文學者一戶直藏提出的新高山(今玉山北峰)報告(新高山ニ關スル研究報告),近藤提到:「新高山山頂是天然絕佳的天文觀測與氣象學研究位置」,他認為高山觀測有助於天文和氣象研究,可藉由研究大氣動力上升的過程進行天氣預測,尤其臺灣每逢夏季,颱風挾帶滂沱大雨常引發災情,若能在台灣百岳中設置幾處高山觀測所,定有助於颱風警戒和天候預設。

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於是, 1911 年近藤久次郎與一戶直藏率先提出「新高山觀測所設置計畫」,向總督府倡議在玉山、阿里山興建高山觀測所和天文台,間接促成玉山觀測站(1943 年始建造)與阿里山觀測站(1932年建造)的設置。

近藤久次郎除了推動高山氣象、天文與航空研究,也曾與臺北測候所同仁積極推動與地震和火山相關的研究: 1896 年,臺北臨時測候所首次藉由人體感受進行地震觀測; 1897 年正式落成的臺北測候所,引進格雷-米爾恩型地震儀(Gray-Milne Seismograph); 1900 年,由被譽為日本地震之父的大森房吉所改良的大森式水平地震儀(Omori horizontal pendulum seismograph)以及強震儀(Strong motion seismograph)裝設於臺北測候所。

這些地震觀測儀也在 1906 年 3 月 17 日的「嘉義梅山地震」發揮了記錄地震波形與餘震數據的作用,獲得的數據使大森房吉找出梅山地震與斷層的關係,並將之命名為「梅仔坑斷層」(後更名梅山斷層)。而後,大森房吉還將研究與近藤所著的說明書刊登於報紙,傳遞地震成因與餘震的科學知識,緩解民間傳說帶來的社會不安。時至1907年,在近藤的協助推動下,全臺共有七所測候所兼做地震觀測,當時的紀錄,也成為現代地震研究珍貴的早期觀測資料。

1924 年,近藤久次郎因病去職返回日本,1926年因胃癌而逝世。 1896 至 1924 年,近藤來臺近將三十年,他在擔任總督府測候所與臺北測候所所長期間,建制氣候所與觀測網絡、編輯並彙整氣象資料;開啟暴風雨警報、颱風預測等重要的氣象預報機制;也協助推動高山氣候觀測、天文觀測與地震研究,著實是臺灣近代氣象科學研究的先河。

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註解

  • 註 1:然而,由於當時日本與臺灣之間並無定期班船和通訊設備可供交通和信息的傳遞,使得測候所無法如期配備氣象觀測儀器並興建正式氣候站,故先以既有房舍作為臨時氣候所。而後各地氣候所材陸續興建並增添觀測設備:臺北測候所於 1897 年 12 月 19 日遷入臺北城內南門街三丁目;臺中測候所於 1901 年 5 月 20 日遷入臺中城內藍興堡台中街;台南測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入台南城內太平境街第 216 號官有家敷地;恆春測候所於 1901 年 11 月 24 日遷入恆春縣前街四番地;澎湖測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入澎湖島媽公城內西町。(資料來源:中央氣象局委由財團法人成大研究發展基金會、國立成功大學單位研究之《台灣氣象建築史料調查研究》, 2001 年 2 月出版。)
  • 註 2:資料參考徐明同〈台灣氣象業務簡史〉
PanSci_96
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