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當寒暑成災:導言

李天申
・2014/06/19 ・1034字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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本文由科技部補助,泛科學獨立製作

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北極熊正面臨家園融化的危機。/來源:F. Tronchin @Flickr

2014年1月下旬,近20年最強的極地渦旋(polar vortex)侵襲美國,多人被凍死,遊民收容所爆滿,許多活動被迫取消。大約同時(1月22日),我國中央氣象局發布史上首次的全國性低溫特報,全臺冷吱吱。

時間倒退至半年前,臺北盆地當時的氣溫不斷飆升。2013年8月8日父親節當天,臺北市氣象站先在13點44分測得攝氏38.9度的高溫,創下歷史新高。但這個紀錄只保持14分鐘,13點58分時,立刻被39.3度再度刷新。

根據WMO(世界氣象組織)在2013年7月發布的《2001-2010 年全球極端氣候事件報告》,地球已進入酷暑與嚴寒的極端氣候型態,並因而造成許多損失。天氣冷熱的變化劇烈,其成因究竟是什麼?我們邀請氣象專家賈新興博士,請他做深入淺出的解說。

氣溫的急遽變化,對糧食作物的生長造成顯著的影響。當作物減產的問題嚴重時,輕則使糧食市場的價格波動,重則形成饑荒。在本專題中,文化大學地理系陳守泓教授告訴我們,氣象因素如何對糧食作物的生長造成影響,以及如何藉由經營「微氣候」,保護作物平安地渡過寒冬。

嚴寒也常造成我國漁業的重大損失,尤其是養殖漁業,如虱目魚等。身為澎湖子弟的中央研究院生物多樣性中心鄭明修博士,對漁業與海洋懷有濃厚的情感,他除了介紹漁民如何防範寒害,如搭棚、鑿「越冬溝」,更從漁業永續發展的角度,提出促進海洋保育的防災治本之道。

另外,都市聚集稠密的人口,夏天的溫度常比周圍地區高出2度到12度不等,形成所謂的「都市熱島」(urban heat island)。每逢盛夏,都市居民就如同在大火爐中討生活。面對這個現象,臺灣大學大氣系柳中明教授帶領我們探討都市熱島的成因,以及要如何測量與因應。

最後,登革熱是熱帶、亞熱帶地區常見的傳染病,藉由埃及斑蚊及白線斑蚊來散播病毒,而氣候變遷的加劇也推動登革熱的擴張和轉變。臺灣大學地理系溫在弘教授運用時空分析(Space-Time Analysis)、網絡拓撲(Network topology),驗證人們的通勤行為與登革熱傳播之間的關係。

總之,在極端氣候之下,嚴寒與酷暑已成為常態,並且深刻地影響人們的生活。本專題結合地球科學、地理學、生物學等領域,帶領各位讀者領略與極端氣候相關的科學知識。(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)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會所

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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進擊的熱輻射,都市熱量的主因——《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》
商周出版_96
・2021/07/15 ・3019字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 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。

直線箭頭表示短波,曲線箭頭表示長波。圖/商周出版

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。

白天室內的短波輻射示意。圖中的短波在反射後線條變細,是暗示部分能量已被材料吸收。白天室內仍有長波,為了避免圖面複雜故未繪出。圖/商周出版

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。

夜晚房間內的長波輻射示意。圖中地板釋放長波以較粗的線條呈現,即暗示了地板白天的吸熱量比天花板及牆面高,因此表面溫度較高,會釋放出更多能量的長波。室內所有材料均會釋放長波,圖中只繪出一部分長波示意。圖/商周出版

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。

吸收過多太陽能量,造成高溫。圖/Giphy

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。

大氣與地表之間輻射能量循環,地球溫室效應讓地表氣溫得以維持在 15℃。左側為短波的平衡,右側為長波的平衡,各類輻射的百分比是其與太陽進入大氣層的全年平均輻射能量 340.4 W/m2 的比值。圖/商周出版

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。

──本文摘自《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》,2021 年 6 月,商周出版
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我來到一個島,它叫做都市熱島——《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》
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・2021/07/11 ・1801字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 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。

煙霧瀰漫的倫敦市區。圖/Pexels

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。

北極熊與我們,都正承受著高溫化的代價。圖/商周出版

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」。

如島嶼等高線一般的都市等溫線圖。圖/商周出版

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。

──本文摘自《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》,2021 年 6 月,商周出版
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