當寒暑成災：導言

• 作者 / 林子平

太陽射出短波，加熱物質使表面升溫、釋放長波。

不只是太陽，任何物體皆會發出熱輻射，當表面溫度愈高，釋放的熱輻射就愈強。太陽表面溫度極高，會釋放出能量較強的熱輻射，我們稱為太陽輻射，因其波長較短也稱為短波輻射；當太陽照射在地表或物體上後，地表及物體材料會吸收短波並使表面溫度上升，釋放出能量較弱的長波輻射。因短波含有可見光，所以人眼能夠看得到太陽投射到地上的日光，而長波只有蝙蝠和蛇類等少數動物才看得到。

從房間來了解熱輻射理論

想像一個有大面天窗的房間中，太陽短波輻射穿透了玻璃投射到室內地面，有一部分短波會被反射，繼續以短波的形式前進，再度穿透玻璃返回天空，或碰到天花板再次反射回地面。其餘短波則會在房間內的地板、牆面、天花板之間來回反射並且被室內的不同材料吸收，使表面溫度上升。

而室內較高溫的地板，會放射出較多能量的長波，並在室內進行多次的吸收及放射現象。值得一提的是，短波來自太陽，只有在白天的時候才有，而長波來自所有的材料表面，不論白天或夜間都會釋放。

材料與波的特性，對熱環境有極大的影響

短波具有方向性，就像手電筒光線投射到鏡子一樣，反射光會和入射光角度相同，且反射後其性質不變，仍是短波。材料對於短波入射及反射的比例稱為反射率（有些領域亦稱反照率），很黑的材料反射率接近 0，鏡子的反射率則接近 1，數值愈高代表材料反射短波的比例愈高。如果是不透明材料，那麼材料對短波的吸收率加上反射率等於 1，這代表進入材料的短波被反射後的剩餘部分，會完全被物體吸收。也就是說，當材料反射率愈低，就會吸收愈多太陽熱量，造成高溫化問題。

長波則無方向性，就像石頭掉入水面產生漣漪一樣，長波會由物體表面往四面八方放射。我們以放射率來定義材料在特定波長及溫度下輻射放射的效率，數值愈高代表放射效率愈好。但比較特殊的是，材料對特定波長的吸收率恰等於放射率，也就是物體對長波吸收效率愈好，其放射的效率也愈好。標準的黑體其放射率為 1，代表 100% 地吸收及放射輻射。地球上除了少數表面光滑的物體之外，大部分物質的放射率都在 0.9 至 0.95 左右，差異不大。

長波輻射會加熱空氣使氣溫上升

短波與長波對表面溫度及空氣溫度的影響也截然不同。短波能量很強，被物體吸收後表面溫度會快速上升，然而，它的特性是幾乎不會加熱空氣，如果能在第一時間被高反射材料反射回天空，對都市蓄熱的影響其實不大。相反的，長波能量雖弱，對表面溫度的增加並不明顯，但它的問題便是會加熱空氣，使空氣溫度上升，不能輕忽。

讓我們再回到前面說的房間，看看長短波輻射如何聯手影響表面及空氣溫度。在這個房間的天窗下方因為有太陽短波抵達，這些短波會在室內複雜的地面、牆面、屋頂、傢俱之間來回吸收及反射，提高材料表面溫度。材料溫度上升後會放射長波，並在材料之間來回吸收及放射大量長波輻射，並加熱空氣，使空氣溫度也持續上升。相對的，陰影區因為有不透光屋頂面的阻擋，或天窗上遮陽板及戶外植栽的遮蔽，所以接收到的短波極少，使得表面溫度較低而減少了長波輻射，空氣溫度會比較低，由此可知，陰影對於表面溫度及空氣溫度降低十分重要！

地球熱輻射與溫室效應

如果把地球想像成前述房間的延伸，這個大房間的隱型屋頂及牆壁——即大氣層中的氣體（氮、氧、二氧化碳⋯⋯）、液體（雲、雨）、固體（粉塵、懸浮微粒）等，再加上它變化萬千的地板——即冰層、陸地、森林、海洋、河川等，決定了輻射在大氣層內的穿透、反射、吸收、放射等變化。

太陽輻射進到大氣層後，對於生物危害較大、波長最短的一部分紫外線，會被氧氣及臭氣吸收，抵達地表的短波包含其它紫外線、可見光，以及紅外線三個部分。在到達地表的過程中，雲就像地球這個大房間的高反射窗簾，可將大量的短波反射回到外太空。如果我們將太陽進入大氣層的全年平均輻射能量當作 100%，其中大約有 22% 的短波會被大氣反射回外太空。短波輻射繼續往下到達地面時，會受到不同地表材料的反射率影響，大約有 7% 的短波會被地表反射回外太空。合計有 29% 的短波被大氣及地表反射。

而剩餘的 71% 短波輻射則被大氣和地表合力吸收，如同小房間的牆面、地板接收到短波後表面溫度會上升一樣，地球的大氣及地表也會升溫並釋放長波輻射量。這些長波輻射中，10^-4 奈米以上的長波輻射幾乎都會被水蒸氣吸收，其它像二氧化碳、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、臭氧等也都會吸收特定波長的長波輻射。然而，就像之前小房間提到地板與牆面之間重複的吸收及放射長波過程一樣，這些氣體吸收了長波輻射後還會再向地表放射長波輻射，亦即逆輻射。這種大氣和地表之間輻射能量的重複應用，是十分高效率的能量循環，可讓地球氣溫提升，這個現象就稱為溫室效應，而上述這些氣體我們就稱為溫室氣體。溫室效應使地表的氣溫維持在 15℃，若沒有大氣，地表溫度將會是 -18℃。也就是說，溫室效應的存在，讓地球保持一個生物能生存的環境，具有其重要性。

然而，隨著工業化發展，人為排放的溫室氣體急劇增加，也強化了上述大氣和地表之間輻射能量循環。IPCC 氣候變遷的報告也指出，人類活動排放的溫室氣體是造成當前地球暖化之主因。這顯示出，溫室效應原本是讓生物得以生存在地球的利器，如今卻轉變為造成環境衝擊的殺手。這對於都市熱島這個議題，具有兩種意義。首先，隨著都市熱島問題的惡化，包含地貌改變造成地表反射率降低，以及人工發熱增加時也可能連帶使溫室氣體排放增加，這都會增加地球暖化的問題。再者，地球暖化可能造成未來市區與郊區的溫差更大，也可能使市區與郊區的整體溫度都上升，這都將使都市熱島的問題更加複雜及惡化。由此可見，都市熱島與全球暖化是緊密相依的議題，當我們解決都市熱島問題的同時，也有助於全球暖化的減緩。

• 作者 / 林子平

比氣候變遷更早被發現的「都市熱島」

「都市熱島」這種市區氣溫比郊區高的現象，可不是最近才被注意到的，它被發現的時間甚至比我們耳熟能詳的「氣候變遷」、「全球暖化」都還要早！在距今 200 年前的 1818 年，英國的盧克．霍華德就已指出都市空氣溫度高於郊區的現象，他發現倫敦市中心在夜間的氣溫，比郊區足足高了約 2.1℃，當時大家對這個現象及造成的原因都很好奇，霍華德則是把這個現象主要歸因於倫敦市區嚴重的煙霧（smog）——這是個結合了煙（smoke）和霧（fog）兩個字所產生的新字。

霍華德是個傳奇的人物，他的本職其實是位製藥學家，氣象雖只是他業餘的興趣，但他被公認是都市氣候研究的先驅。而他在氣象領域中最廣為人知的貢獻，是將雲分類並命名的第一人，這個分類系統一直沿用至今。很多人稱他為雲之教父，德國文學家哥德甚至還寫了一首詩，讚揚他為捉摸不定的雲起了各種名字呢！

從霍華德第一次發現都市熱島現象迄今，200 年來世界各地有許多學者針對不同都市的熱島現象、成因、對策進行探索。尤其近年來熱島現象在氣候變遷、全球暖化的影響下，惡化的速度更是急劇加速，建立大眾對都市熱島議題的認識和思考，已是刻不容緩的任務。

都市熱島急劇惡化程度高於氣候變遷

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在歷次的評估報告中指出，人類活動為影響氣候變遷的主要成因，2016 年聯合國成員國也簽署了《巴黎氣候協定》，協定的其中一個目標是要將地球的上升溫度控制在 2℃ 以內，並致力於限制到 1.5℃ 以內。在一些網路上的影片中，我們可以看到北極的冰山因為暖化問題正逐漸融解，北極熊必須要長途跋涉，游更長的距離去尋找食物。看著瘦弱不堪的北極熊，愈來愈多人願意改變對於環境及資源的使用方式，也改變自己的生活模式，來減少二氧化碳的排放。

但其實早在 200 年前倫敦市區的氣溫就比郊區高了 2℃ 以上，2008 年一個倫敦研究更指出，市區及郊區的溫差已經到了令人難以置信的 8.6℃，遠高於《巴黎氣候協定》對世紀末溫度控制的目標。當我們試圖做出努力，減少全球溫度升高，解救北極熊的同時，是否曾經想過，享受著現代都市生活種種好處的自己，其實也正付出相對的代價，承受著前所未有的高溫化衝擊。

一座飄忽不定但影響甚巨的「島」

你可能會好奇，為什麼要用「島」這個字來描述都市高溫的現象呢？這是因為都市的氣溫有高低起伏的變化，若畫出等溫度線圖，可以發現它看來很像島嶼的等高線圖。在這個虛擬的島上，高溫區像是島上的山峰，而且往往不只一座；而低溫區則如島上的平原，也可能是兩個山峰之間的山谷。都市在同一時間下最高溫區及最低溫區的氣溫差異，即是「都市熱島強度」。

隨時變化且不易定義的都市熱島強度

都市熱島強度可以用來描述熱島的嚴重性，例如上一節提到倫敦市區及市郊的溫差在 1818 年是 2.1℃，到了 2008 年溫差則達到 8.6℃，我們可以說倫敦的都市熱島強度在這 200 年間劇烈地升高了，代表這個都市高溫化的問題愈來愈嚴重。

都市熱島強度的定義看來很單純，就是把都市中的最高溫及最低溫相減，但實際上，這可比計算一個都市的海拔高差複雜多了！首先是都市中最高溫及最低溫的地點及數值，並不像山川、平原地形一樣，位於固定位置，有固定的高度，它會隨著不同年度、季節、時段一直在改變。以台南為例，白天最高溫常出現在東南側的內陸區，而夜間最高溫卻是位於西北側的沿海區。另外，都市最高溫區很容易指認，通常是在車站、市中心，或發展密集的區域，但低溫位置卻很難定義。低溫區應該選擇在都市開發密度高低變化的邊界處，且海拔高度應與高溫區接近較為合理，例如台北市的低溫區若選擇海拔高、氣溫低的陽明山，那就不夠客觀。

季節帶來的氣候變化是眾所皆知的自然現象，冬冷夏熱也被視為理所當然，然而炎夏的熱浪和颱風，嚴冬的寒潮，有時卻讓數以萬計的性命就此消逝。為了更加了解寒暑災，我們邀請了天氣風險管理開發公司的總監賈新興，帶領我們一同面對台灣夏季以及冬季面臨的災害。

世界天氣極端事件越演越烈

世界氣象組織（World Meteorological Organization，簡稱WMO）2013 年 7 月發布了 2001 年〜 2010 年十年的全球極端氣候報告，指出這十年是從 1850 年代開始有氣象觀測以來最熱的十年。許多國家跟地區的平均溫度也在這十年中紛紛超過 1961〜1990 年的長期平均，部分地區甚至超過達攝氏 1 度。

氣溫平均上升對我們有甚麼影響？如果我們以氣溫為橫軸、不同溫度的發生頻率為縱軸，基本上氣溫的曲線會類似常態分布，越熱或越冷的氣溫事件相對較少。但是當平均溫度上升時，在最簡單的情形下，整個氣溫的分布曲線就會整體往高溫方向偏移，如此一來極端高溫的出現頻率將增加。WMO 的報告就指出，有將近一半的國家史上最高溫出現在 2001〜2010 這十年間，台北也在 2013 年 8 月初打破氣象觀測以來的最熱紀錄，來到攝氏 39.3 度。

即使如此，但也不表示低溫的情形就不會發生。例如中國南部 2008 年的雪災，以及北半球在 2009 年底至 2010 年初廣泛的極端寒冷天氣，持續寒冷與降雪在歐洲造成至少 450 人死亡。

WMO 報告也明確指出過去十年中，因為異常高溫與寒冷天氣的死亡人數皆顯著上升。因熱浪喪命的人數總計將近 15 萬人，與 1991〜2000 年相比暴增 23 倍；而寒冷天氣死亡人數也成長將近兩倍。熱浪殺傷力之驚人，光 2003 年歐洲熱浪就奪走 6 萬 6 千多人性命；2010 年俄羅斯熱浪又造成 5 萬 5 千多人死亡。締造上述悲慘「紀錄」後，熱浪被美國疾病控制和預防中心（Centers for Disease Control and Prevention）宣布是「最致命的極端天氣型態」，其他天氣災害都只能拱手讓位。

台灣暑災三兄弟：高溫、颱風、午後強降雨

而我們生活的台灣，暑假期間又有哪些潛在的威脅蠢蠢欲動呢？賈新興指出，台灣最常見的暑期天氣災害便是高溫、颱風以及午後強降雨三者。隨著氣候變暖，這三者的出現頻率是否發生改變？

午後強降雨，就是大家熟知的西北雨，由於夏季豔陽與高溫引發地表強烈的上升氣流，發展出巨大的積雨雲，午後在短時間內局部地區降雨可達數十毫米，強度足以癱瘓都市的防洪系統。例如今年8月23日，新北市中永和地區便在一小時內降下 91 毫米雨量，造成市區多處淹水。不過隨著防洪工程的普及與進步，午後強降雨的威脅已減少許多。而其他兩兄弟：高溫與颱風，將是台灣未來主要面臨的極端天氣災害。

高溫與熱浪

目前世界各國對熱浪並沒有一致的定義，而根據 WMO 對熱浪的定義，是指連續 5 天的氣溫高於該地區該月份長期平均溫度 5 度，才會被定義為熱浪。台灣官方目前尚未有熱浪的定義，不過超過 35 度即可稱為高溫天氣。

在台灣，夏季高溫的主要原因是太平洋高壓長期籠罩，帶來穩定、下沉的空氣，導致地表悶熱且不下雨。另外隨著全球氣候變暖，也讓極端高溫發生的機率增加。以台北市每年的高溫日數來說，20 年前台北夏季（6 月〜8 月）超過攝氏 35 度的日數不到 30 天，然而 2001 年之後的每年都將近 40 天。

此外，地形與都市的發展也會影響一地的氣溫。例如台北的盆地地形，西南方的丘陵與台地阻擋了夏季西南季風，讓盆地裡的熱不易散去，再加上都市地區高度密集的建築物、水泥柏油鋪面、汽機車廢氣、冷氣廢熱等等，形成所謂的「都市熱島」，讓都市變成聚熱點，也讓台北成為夏季台灣最熱的地方。

颱風變多還是變少了？

氣溫上升，連帶使海洋變的更溫暖，有利於強烈風暴的形成，而台灣位於西北太平洋這個因盛產颱風而惡名昭彰的地區，颱風的光顧似乎也是家常便飯。然而 2009 年莫拉克釀成的重大災情殷鑑不遠，2013 年海燕就把菲律賓吹得東倒西歪，下一個超級颱風會不會就盯上台灣？很遺憾，答案是台灣遲早都要面對，只是時間早晚問題。

從統計數據觀之，西北太平洋颱風平均每年生成個數 25.7 個，過去幾十年來沒有明顯的上升趨勢，不過卻有明顯以十年左右呈現周期性的年代際變化（decadal variability），1998 年之後至今屬於颱風生成數量較少的時期。

但是颱風形成後不一定都會光顧台灣，台灣每年平均有 3.6 個颱風侵襲。雖然前述 1998 年之後颱風生成數量較少，但侵襲台灣的颱風反而有變多的趨勢，2001 年達到最多的 7 個。雖然我們還不清楚颱風侵台的數量變化是否有規律，但我們可以確知的是，颱風對台灣的威脅大小主要與兩個因素有關：一是影響時間長度，比如說 2001 年的納莉和 2009 年的莫拉克都是在台灣悠哉漫步的颱風，影響時間長累積的降水便相對較多，更容易造成嚴重災情。第二個因素是與其他大規模天氣系統產生交互作用，例如引進西南氣流或是與東北季風產生共伴效應，當這些作用出現時往往也是台灣大禍臨頭之時。

南下遠征的冬將軍：西伯利亞冷氣團

雖然全球暖化讓平均氣溫上升，寒冷事件發生頻率變得較少，但我們仍然不可掉以輕心，低估寒冬的威力。各國冬季最擔心的是寒潮（cold surge）爆發，常造成嚴重的農漁業損失，驟降的氣溫也對老人與遊民等缺乏保暖準備的族群構成生命威脅。

影響台灣冬季的寒潮主要來自西伯利亞高壓，從過去的氣象觀測紀錄來看，台灣寒潮亦具有明顯的年代際變化，1970 年之前偏多，之後至今偏少。就氣候統計來看，平均而言台北冬季（每年 12 月〜隔年 2 月）出現 14 度以下氣溫的日數有 38 天，而近年來最冷的 2010 年年底至 2011 年年初，則出現了 55 天的低溫日數。

科學家利用電腦模式的研究發現，全球暖化造成北極夏季海冰面積減少，會導致高空噴射氣流（jet stream）南北擺動幅度更大、更持續，帶來更極端的天氣型態，並且也會增強冬季的西伯利亞高壓，為中緯度地區帶來嚴寒。不過對位處副熱帶的台灣而言，因為西伯利亞高壓形成後主要有兩條移動路徑，一是往東影響韓國與日本，二是往南影響台灣。所以即便西伯利亞高壓增強，並不代表當年台灣冬季就會很冷，還必須考慮它的移動方向。

隨著觀測技術演進，氣象局在氣溫預測方面已經能在寒潮來臨前5〜7天預測將會有低溫侵襲，同時在夏季雖然大氣環境較為複雜，亦能在3〜5天前預測高溫事件。不過極端高溫與低溫究竟會熱到多熱、冷到多冷，仍要等到前3天左右才能大致掌握確切的影響時間以及影響的強度。

極端事件充斥的未來世界，調適成為生存之道

WMO 的報告傳達一個明確的訊息，未來我們將面對一個極端天氣事件頻仍的世界。從全球尺度來說，極端高溫已成為最具殺傷力的自然災害事件，而低溫亦不惶多讓，嚴寒暴雪仍持續摧殘中高緯度的國家。

而在台灣，氣候變遷帶來的影響層面更廣，2012 年行政院經濟建設委員會公布的《國家氣候變遷調適政策綱領》中，指出未來台灣總體而言將面臨三大衝擊：第一是氣溫上升與降雨型態改變，與 20 世紀末相比台灣氣溫將上升攝氏 2 度至 3 度，降雨型態則朝向強度越強、集中於雨季等模式變化。第二是極端天氣事件發生的強度與頻率將會升高，如寒暑災加劇，使災後復原的困難度提升，生命財產的損害程度也隨之增加。第三則是海平面上升，對沿海地區構成威脅。

面對這個不斷劇烈變化的世界，從你我開始，直至整個社會與政府，都需要一套更具彈性的調適方法，在極端天氣事件與暖化的威脅下，減緩氣候變遷的程度，適應氣候變遷所造成的影響，以謀求持續生存、生活與發展。

（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2013年／12月）

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

責任編輯：鄭國威│元智大學資訊社會研究所

延伸閱讀：

《2013年 世界氣象組織 2001-2010年 氣候極端事件十年 決策者摘要》

《2012年 行政院經濟建設委員會 國家氣候變遷調適政策綱領》