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若大禹再世(一):治水策略 學日荷,好不好?

陳妤寧
・2014/12/20 ・3830字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

採訪編輯 / 陳妤寧

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

一條河川可能會遇到的各種問題及所轄機關。(圖片來源:水利署)
一條河川可能會遇到的各種問題及所轄機關。(圖片來源:水利署)

全世界面臨海平面上升、降雨極端化,水患問題以更複雜的組合來襲;都市中的河川尚有下滲不足、逕流量超出過去下水道設計的容納量等眾多治理問題。荷蘭在數十年前便有了「還地於河」的覺悟;我們的鄰居日本則為了因應都市化飽和,發展出以流域為單位、綜合河川治理各種面向的「總合治水對策」。他國案例之中是否有值得台灣借鏡之處?從台灣的水文特質看水利工程的發展,背後有哪些成因及脈絡?水利署河川海岸組的蔡孟元組長,從水利工程的角度提出說明,解釋臺灣的河川治理現況和可向國外借鏡之處,讓我們更有憑有本可思索我們理想中的「未來防災城市」的可能性。

荷蘭-「還地於河」

荷蘭多數的土地由河口三角洲所組成,面對著頻繁的河道改道、氾濫、沼澤沖積,加上獨特的泥炭層土壤,使得地層下陷及排水的情況更為複雜。也注定了荷蘭人與水共生的歷史宿命。早期荷蘭的低地城鎮,即隨築堤與排水技術而發展。治水從來無法自外於人類活動而規劃,打從堤防出現在荷蘭歷史開始,歷史上就出現各方角力:市民喜好沿堤防之上而居,地區管委會卻偏好在堤防之內發展以保護堤防;市民和漁民希望水閘門常開保持清潔,農民卻擔心農田會因此淹沒。

1953 年荷蘭發生了有史以來最嚴重的水患,荷蘭政府決定補強原有的堤防和海岸沙丘,規劃了一系列「三角洲計畫」,並訂定了一萬年的防洪頻率標準。(洪水頻率意即某個規模洪水量再次發生的平均間隔,例如「2年洪水頻率」較「100年洪水頻率」而言更常發生、洪水量也較小。但此僅為機率上的名詞,並非預測未來洪水週期的依據。)但 1993 年荷蘭東南部的林堡省依然發生水患,超過 180 平方公里的土地積水 1.5 公尺;這次,水利專家建議疏浚河床,設立滯洪區和加蓋堤防。短短兩年後,同個地點的水患規模卻再度超越以往。此時,荷蘭人雖然一邊訂定新的疏濬計畫,但也逐漸開始檢討,隨著氣候變遷的加劇,到底多少年的洪水頻率才算安全?荷蘭人最引以為傲的水利工程技術,都無法解決水患問題的話,是否根本思維上需要調整?

荷蘭人因此決定加大河川斷面積,依據最大逕流量推算出需要拓寬河道的地點,河道從原本的三百多公尺被拓寬至七百多公尺。並輔以九個方式加大河川斷面積:挖低泛洪平原、堤防往後遷移、將窪地變湖泊、加深夏季河床、加高堤防、減低水閘高度、移除橋墩障礙物、設滯洪池和加築臨時河道。治水眼光從部分河段,拉長到整個河川流域。

不過,都市中飽和的人口密度,對於流域治理永遠是更棘手的問題。因此,荷蘭的「還地於河」思維強調都市內以親水公園、遊樂場等複合式的人水共存空間,取代過去單一功能的防禦性設施,並允許部份條件下的水存在於都市空間之中,「在控制條件內的淹水」也創造了較高的都市的水承載力與適應性。近年來,位於丹麥羅斯基勒市、可身兼蓄洪池的羅北拉滑板公園(Rabalder Parken),即為多工設計的一例。

荷蘭有其特殊的水文和地質結構,我們未必能夠全盤移植其治水模式,但值得學習的是,「還地於河」強調學門之間的對話和整合,至少必須整合水利、土木、都市計劃與景觀設計四個學門的知識。我們應廣納社會中不同組織、以及不同專業領域之間的意見與對話,讓公眾思考希望以什麼樣的觀點發展未來城市,並輔以情境模擬的技術,讓水利問題提升到更高的都市規劃等級來處理。

日本-「總合治水對策」

台灣的地理環境、降雨型態、和災害成因和日本較為近似,因此參考日本的「總合治水對策」概念,研提適合臺灣的「綜合治水」。依各別河川流域不同特性,打破屬地界限,以流域為單位進行整體規劃。相較於傳統治水做法,強調先研究水的源頭和分配,確認降雨的「進」以及逕流入海的「出」,統合一整條河川的病灶和解方,建立屬於流域治理的法規系統和管理權責。

東京都隨都市化進展,降雨逕流大增,水害頻繁威脅住民生命財產安全,遂推展「中小河川流域治水計畫」,重新建立下水道的排水標準,將設計標準從 3 年頻率降雨強度 50.0mm/hr,提昇至 15 年頻率降雨強度 75.0mm/hr 以上。除了提高老舊的下水道(排水路)、抽水站的排水標準外,也加入蓄洪、入滲、貯留、系統預測、土地管制檢討等減洪思維,新建地下調節池及雨水貯留管。地下調節池可疏導調節 25%之洪水量。

在建立地下調節池及雨水貯留管的初期,日本政府曾被質疑為何不直接浚深河川,透過增加通水斷面減少水患。浚深河川的難處在於,日本都市化發展飽和,許多河川水道之下已佈滿地鐵、自來水、瓦斯等設施管線,因此改以建立地下調節池及雨水貯留管來提昇排水標準。未來台北市也可能面臨類似問題,加上潮汐迴水的問題,可將地下調節池及雨水貯留管列為長期的規劃目標。惟興建此類設施的人力、時間、經費成本都極為巨大,政府應讓公民更加深入了解此議題,促進未來的政策透明及規劃方向。

除了規劃超大型蓄洪設備之外,日本鶴見川流域也針對基地開發要求設置「流出抑制設施」,以達成分散式保水的目的,總貯水量高達250萬立方公尺。至於綠地能夠容納的下滲水雖然不多,但從生態的觀點來看,可補充地下水、達成涵養土壤的功能。滲透效果的效果好壞,取決於以下數個要素:若地勢太低、地下水位太高,容易積水不利滲透;坡度太大、土壤的滲透係數太低、或是滲透設備老舊而使得孔隙被細砂阻塞,都會影響水體下滲的能力。

台灣-流域綜合治理

流域綜合治理的觀念之所以興起,目的是為了解決一條河川分屬眾多不同機關分治的問題。比如日本的「總合治水對策協議會」,組成單位包括流域所在各地方政府之河川、都市計畫、建築、土地、公路等單位,及中央的國土交通省。水利署在103年也以「流域綜合治理計畫」,接續自95年以來俗稱八年八百億的「易淹水地區水患治理計畫」。

但蔡孟元組長提醒,綜合治理是眾人理想中最好的做法,但一條河川牽涉的面向「包山包海」,從上游到下游、從中央到地方,涵蓋森林、地質、水土保持、生態保育、水利工程、農林魚牧產業、都市開發各種面向,橫向和縱向都跨了各種專業領域和行政單位。如果追求一個一個 all-in-one 的萬能組織,需要極為龐大的人力,甚至可能成為一個笨重的機關。如何同時避免各專業間各行其事,同時保留分工制度下的專業和效率,是個不簡單的課題。

在接續的「流域綜合治理計畫」之中,首先強調從過去的水道線型規劃轉向流域面整體治理。水道線性規劃多以流水斷面、通洪能力以及堤岸承受力的「河道本位」思考,但無論是農地開墾或都市聚落,人和河川的關係從來都不僅在河川兩岸的兩條堤線之間就可釐清。因應都市逕流的增加,為了避免超過現有下游水道和水利設施的負荷,土地開發利用必須增加透水和滯洪設計,分擔流域增加的整體逕流量,以不增加下游河川、排水系統負擔為原則。也就是流域綜合治理計畫中強調的「出流管制」和「逕流分擔」原則。例如開發基地若位處高淹水潛勢之低窪地區,應提出與原有天然滯蓄洪空間相同功能的補償設施。

其實,這就是大禹治水的故事中所闡述的道理:防堵不如疏通。談到台灣最具代表性的水利建設,蔡組長立刻舉了員山子分洪道為例子。員山子分洪道位於新北市瑞芳鎮,為了避免基隆河上游在降雨量過大時造成下游地區淹水,開鑿了內徑12公尺、長 2483 公尺的引水隧道,可導引 1310cms 的水量排入東海,平均降低下游水位 1.5 m,更有利於下游防洪區段工程採行生態或近自然工法。而為了應對分洪期間夾帶大量泥砂的高速水流,員山子隧道內側的襯砌必須更提高耐磨耗係數。

台灣河川坡短流急,歐美國家雖然防災科技進步,但水情和我們大不相同。如果臺灣無法企及歐洲國家水岸風情的浪漫,那麼是否應該更需要摸索出屬於自己的治水哲學和策略?對此,蔡孟元組長亦指出,和歐美相比,臺灣更適合和地理環境條件相近的日本交流治水經驗,在摸擬後借用適合的觀念,讓臺灣的治水政策得以持續檢討和進步。(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)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。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

 

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陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。

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天氣學家看《天氣之子》:雨災不只是淹水,是極端氣候下的慢性死亡
Y.-S. Lu
・2022/03/29 ・4824字 ・閱讀時間約 10 分鐘

新海誠,對大家來說是這五年高品質動畫電影的代表,不管是《你的名字》、《天氣之子》,都讓大家耳熟能詳,而其中的災害主題則扣住了他的愛情主題,不論隕石來時的避難,或是氣候異常的降雨,都是非常值得討論的主題。

筆者做為大氣科學從業人員,本篇文章,想要從《天氣之子》來討論極端氣候,因為極端氣候不僅是聯合國《永續發展目標 (Sustainable Development Goals)》的主要議題,也在近年來深深地影響人們生活。

天氣之子的氣候狀況

這次新海誠用了一個很大膽的主題,也就是主角再也不是為了地球飛去宇宙深處作戰的女高中生(《星之聲》),也不是挽救過去將被隕石毀滅的村子的男高中生(《你的名字》),而是在犯罪邊緣的少年少女,而他們並未為了日本跟地球,而犧牲自己成為人柱。

從某個角度來說,人都有年輕不懂事過,為了愛犧牲理性也非意想不到,但是主角在「拯救世界」與「拯救戀人」之間,選擇戀人而放棄世界,也算是少有的故事情節,因此開映之後,的確造成了一些話題性。

不過,筆者比較有興趣的,是其中的降雨情節。日本降雨從 2021 年持續到 2024 年,的確是不可能的,除了要有足夠的水氣,以及足夠的對流將氣團推往較冷的高空外,還須要足夠的氣溶膠來形成足夠大的水滴,才有機會造成降雨。

如果電影中的「神」希望靠物理作用,讓日本持續下雨三年,那我想這不會是對流造成的雨:因為在連續降雨而缺乏晴天的日本,潛熱(單純的水蒸發與植物的發散作用)與顯熱(因為地表與空氣溫差造成的熱量傳播)都將成歷史。在夏天時,缺乏地面形成低氣壓的情況下,也無法產生梅雨所需要的對流作用。

所以最有可能的,就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴,但又因為氣壓帶的影響,讓此風暴持續盤旋在日本外海,替日本帶來大量的水氣。

要造成三年的連續降雨,最可能的情況就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴。圖/envato elements

這樣的風暴若持續一整年不停歇,即使粗估每小時不到 2mm 的降雨量,一年下來也會帶給日本超過 10000mm 的降雨。日本年均降雨約在 1500mm 到 1800mm 左右,此風暴將造成四到五倍的年降雨量,這可能會對日本造成破壞力僅次於《日本沉沒》的最大自然災害。也就是說,光是一直下雨,的確有可能淹沒整個日本的都會區。實際上,2021 年的夏天,德國西部與比利時東部大小城鎮,就在低氣壓氣旋 Bernd[1] 帶來的豪雨下,受到了重大的打擊。

但可惜的是新海誠對於日本淹沒這個概念有點誇大,在影片結尾,日本的「彩虹大橋」被淹沒,彩虹大橋塔高 126 公尺[2],動畫中大約被淹沒超過一半,這邊就先估僅 63 公尺高。

這應該是天氣之子的Bug,因為要淹到 63 公尺的高度,唯一合理的解釋只有全球氣候異常,造成冰河融解。在《自然》科學期刊中,Gregory & Oerlemans (1998) 估算在全球暖化的影響下,考量到冰河區的融化量,海平面到 2100 年將會上升「數公尺」;而美國地理調查所( USGS) 在網頁簡略提到,如果全球冰層溶解,大約會是 76 公尺高[3]

也就是說,在《天氣之子》中,全球極度暖化,導致海平面上升 63 公尺,這已經是勘比《2012》的世紀災難了。

另外一點,兩年半中經歷氣候變化(真的如主角講的:「我們改變了世界」)後的日本,在海平面上升 63 公尺的情況下,造成將近有 17.41% 的國土面積喪失,而情況最嚴重的則在大東京都地區。

左:災前日本。右:災後日本淹水地區。圖/
Y.-S. Lu. Data Source: Derived from GTOPO-30 tiles, https://lta.cr.usgs.gov/GTOPO30 by CC 4.0

豪雨造成的問題

豪雨可以說是地球上最容易觸發災難的關鍵氣象要素。相較於需要板塊交界的地震、需要大氣運動才能造成的颱風/颶風,以及只有高緯度地區才有的雪災,任何地方只要「會下雨」,就有可能豪雨成災。對土木界而言,水一直是問題也是重點防治對象之一。

所以,撇除不合理的海平面上升之外,這邊還可以再淺談一些《天氣之子》中可能會出現的豪雨災害。

在豪雨的侵害下,日本平地的地下水位應該會保持在地面,而山區的地下水水位也可能會偏高,土壤含水量偏高後,不僅會造成土壤重量上升,亦導致側向土壓上升,再加上日本與台灣一樣,是造山運動強烈的地方,所以坡沙土堆積淺,土石流、泥石流的情況將會十分強烈。

在日本持續降水期間,山區會有許多因為崩坍造成的堰塞湖,山區居民應全數徹離以保全生命安全。

山區道路除了會因為坍方造成道路中斷,高水位也會超過道路上擋土牆的設計。擋土牆原本就是根據地區水位做估算與設計,但是在連年降雨下,水位高度將超過一般設計的強度,所以道路上的擋土牆也會有坍塌的危險。

豪雨侵襲將帶來嚴重土石流、泥沙淤積與堰塞湖。圖/台灣農委會林務局網頁

而岩層區也會因為岩隙間的水壓上升、破壞岩體,導致挖穿山間的隧道開始因為水壓,而坍塌阻塞。

由於山區的降水無法被土壤吸收保留,所以大多數的水將會匯流到平地,平地的淹水狀況將比往常更嚴重,都市內的排洪系統將完全失效;而河道的防洪牆雖然阻擋了河道暴漲,但都市內的淹水也將難以排除。

都市中的高樓雖然提供了居民可用的居住環境,但是因為大多數的高樓機房都設在地下層,所以樓房機能將損失殆盡,除了電梯無法使用,污水與糞水也將漂滿都市內部,好在連年下雨,所以這些污水早已成為龐大水體的分子,所以也不是真的很「污染」(但感性上不能接受),另外從山區湧入的人口,可能會因為人口擁擠,造成更大的社會與治安問題。

除此之外,伴隨降雨而來的,還有厚重的雲層。雲層阻擋了陽光,也阻擋了植物進行光合作用,可想而知,日本的農業也會隨之被破壞,菌類養植可以繼續,也就是日本在沒有被核戰爭攻擊的情況下,卻可能必須過著有如《地鐵 (Metro2033)》的生活。

同時,在缺乏陽光的基礎下,人類無法自然產生維他命 D,兒童也將因此生長不良,更惶論因為長期陰天導至人們憂鬱症比例上升。

連日下雨缺乏陽光,容易導致人們憂鬱。圖/envato elements

在豪雨不斷的氣候異常下,原本就存在的極端天氣狀況只會更甚,日本連年降雨,就有可能是某處連年乾旱。在動畫中,日本的異常降雨,代表人類的世界可能只是將更快速地步向滅亡。畢竟現今為了減低溫室效應造成的危機,各國正在提出方法來淨零,但《天氣之子》一口氣就造成了更嚴重的氣候影響。

總而言之,《天氣之子》與其說是放棄日本拯救少女,其實更有可能是放棄全世界整救少女。

當德國遇上「天氣之子」

近年最大的洪災,便發生在 2021 年,從美洲到歐亞洲,各國都遭遇到了前所未見的洪災。

2021 年,當德國還正因為 COVID-19 感染人數下降,逐步微解封之時,七月發生的大水災,造成了人命與財物[4]的重大損失。除了高達 70 億歐元的保險賠償外,德國西部的 Ahweiler、Erftstadt、Hagen 等城鎮被淹沒、房屋被沖毀,許多河道旁的居民,也在雨災過後丟出許多被洪水泡毀的家具電器,損失慘重。

雖然部份民眾將炮火轉向預警系統的失敗[5],但預警系統並非毫無作用。在德國可以裝 NINA app 做為推播使用,某些城市也會有警報廣播系統,但即便已發出手機 app 的警報,以及俗稱 Siren 的警報,民眾不一定會意識到災難的到來並進行疏散,也有民眾忽略警報選擇不避災,甚至有民眾說從未能想像德國發生「有如第三世界」的洪災,但事實上,德國大河(如萊茵河、易北河)在近 10 年內,就有過類似洪災的紀錄。

德國7月洪災淹沒了城鎮。圖/德國之聲 新聞截圖

2016 年時,德國酒鄉之一的阿爾魏勒(Ahweiler),其周邊的阿爾河(Ahr)就氾濫過一次,當年低氣壓帶來連日的綿綿大雨,造成了小部份地區被水淹沒;但是當 2021 年的洪災再次來臨,居民還是覺得很震驚,可見該地區的居民對洪災是缺乏想像的。

2021 年的這場洪災,德國城鎮的管理層級並非沒有作為,筆者居住的小鎮,在洪峰來臨前十二小時就已封閉橋樑,許多志工開始投入疏散河提居民的工作,將居民安置在大賣場,且有志工開車接送。然而,在河水暴漲的岸邊,不僅有路人無視路障通過,有更多人在岸邊拍照,紀錄淹水狀況。受災區域亦同。

但是話說回來,居民與當地警消的這種反應可能也是非戰之罪,因為許多的測站都遭遇到破紀錄的水位高,如阿爾魏勒的測站阿爾特納爾(Altenahr)在資料中寫下了「最高紀錄」[6],但是因為測站毀損,沒有具體數字;有學者則提出,這是 200 年洪災的規模。但是防災等級的提升,也意謂著公共工程經費的支出。如何在兩者間取得共識,一直是防災工程的大哉問。

德國的氣象預警也並非無作為,但並不是所有的預告都能說服人,歐洲中期天氣預報中心 (ECMWF) 的叢集預策系統 (Ensemble Prediction System)利用了氣象模擬中的不確定性,以多重運行結果進行機率預測,來替代傳統的單一運行的單一結果。然而,即便用上機率預測方法,也只能在極端的機率 (第 99 percentile) 下預測到德國西部會有 122mm/day 的最大降雨,而德國氣象中心 (DWD) 的在當日所量測到的是 144mm/day 最大降雨。

嚴格說來 ,即便使用了叢集系統亦無法補捉到雨量的最大值,實屬可惜。所以氣象預報並非完全有效,加上只有 1% 的機率可以達到四分之一的年均雨量,這個機率很難說服一般人馬上進行避險。

ECMWF與DWD雨量比較。圖/Luis Samaniego @twitter

這樣一次性的暴雨時期,德國遭受了超過七十億歐元的保險賠償,並有將近 200 人死亡,可見當災難超過預測時,人類的應對是遠遠不足的。同時,德國因為二戰時期與冷戰的陰影,對政府集權相當的反感,也間接導致無法使用如台灣的細胞簡訊的方法,來廣範地疏導民眾。如何增強防民眾對災難的因應意識,有可能將也是德國接下來的課題了。

在極端氣候之下,要更有防災意識

天氣之子因為對治安黑暗面的描寫,以及主角的選擇,造成了不少的爭議,也造成觀影程度與《你的名字》有所相差,雖然對筆者而言,其氣象的狀況算是超現實,且對社會重建的描寫不夠深入,但是在氣候變遷下,人們必須思考並建立對防災的概念與意識,在降雨強度變強、極端溫度更高的情況下,災難是有可能會更嚴重的。

台灣的讀者可以多參考水土保持局的相關防災宣導與資料,建立與更新相關知識,更重要的,應該是隨時有防災意識,才能保護自己,以及保護別人。

參考資料

Y.-S. Lu
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自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。

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最貼近生活的防災資訊一把抓——災防科技中心的 LINE 官方帳號
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/02/14 ・2551字 ・閱讀時間約 5 分鐘

感謝 國家災害防救科技中心 對本次專訪之協助與支持。

  • 文/陳彥諺

睡夢中突然感覺到一陣劇烈搖動,燈座晃動、床櫃叩叩作響,是地震!幸好持續的時間並不久,在準備起身時,地震就停了。拿出手機,急著傳訊息給遠方的親友,想知道他們那裡的狀況如何,而在等待居住各地的親友們回覆訊息的分分秒秒,竟像是一刻鐘那麼長。

於是你便想,如果這時候有即時通知故鄉狀況的 app,在第一時刻提供遠方的地震狀況,那該有多好?

也有那樣的時刻。窗外時而大雨不停,時而風平浪靜,氣象預報雖然說明了颱風入境的軌跡,只是,各縣市政府仍未發佈是否停班停課的相關訊息。你等了整夜,等到夜深、不得不去睡了,卻還是撐著僅有的意志力,守著手機,不斷更新最新發佈消息。

眼皮沈重的你不禁想,要是這時候有即時推播停班停課訊息、並且能轉傳給親朋好友們分享的 app,那該有多好?

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2009 年的莫拉克風災傷亡慘重,當時政府間災情傳遞過慢,促使民間自主開發災情通報平台。這讓政府意識到臺灣的防救災體制需要調整,在災情資料整合問題上,開始引入以地理資訊系統為基礎,打造災害防救決策輔助系統,來整合各部會第一手的災害情資。

從 2013 年開始,由災防科技中心主力推廣災害共通示警標準(EDXL-CAP)到各部會中,並持續優化災害防救決策輔助系統。在 2014 年協助各部會統一全臺的示警資料標準,2016 年由各部會與臺灣電信業者建置的「災防告警細胞廣播訊息系統(PWS)」,其發布的每一則訊息也遵循這套標準。

除了中央部會的災情整合,災防科技中心也接續推動「災情回報資料標準(EDXL-SitRep)」,整合除了中央部會外 22 縣市的部分學研單位,讓學研單位能用標準格式及時傳遞災情。

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・2021/05/07 ・3427字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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思韋茨冰川 (Thwaites Glacier),又稱末日冰川 (Doomsday Glacier),是南極洲西部冰蓋 (ice sheet) 的一部分,面積約為 192,000 平方公里,相當於美國堪薩斯州的大小。也因其如此大的面積,加上近年快速的融化速率,使得科學家難以預估當前全球平均海平面的上升速率。為能更準確了解冰川消融對全球的影響,科學家有必要找出三個關鍵問題的答案:第一,是什麼造成冰川融化速率加快?第二,造成冰川融化加快的機制有哪些?以及第三,冰川融化加快將如何影響全球平均海平面上升?

圖一、思韋茨冰川 (Thwaites Glacier) 於南極洲的所在地。圖/USA TODAY

為什麼南極洲冰川加速融化

是什麼造成南極洲冰川融化速率加快?在過去科學家的研究中,就已注意到南極洲的冰蓋、冰棚 (ice shelf),會受到周圍相對溫暖的水流影響而導致融化 [1][2]。然而這些溫暖的水流是如何流動,以及這些水流如何影響這些冰川地形,受限於直接觀測資料的缺乏,一直是一個亟欲解決的問題。直到西元 2019 年,來自美國和英國的科學家,透過一項科學計畫 International Thwaites Glacier Collaboration (ITGC),針對思韋茨冰川進行更進一步的觀測 [3][4]。科學團隊們藉由多波束測深探測儀 (multibeam echo-sounder ,MBES) 的資料,試圖繪製出思韋茨冰川周圍的海床地形變化,以便進一步了解暖水在冰川周圍流動的路徑;掌握路徑分佈後,則可以改善模擬冰川融化的模型,從而提高預測全球海平面上升速率的準確性。

思韋茨冰川周圍海床地形分佈動畫。

觀測冰川底下暖水數據

今年最新的研究中,科學家首次針對思韋茨冰川底下的暖水收集觀測數據 [5]。這項任務的重要性在於,它可以幫助科學家回答以下問題:冰川底下海洋環流的基本性質是什麼?暖水主要是由哪一個路徑影響冰川?暖水可以深入冰川底下的洞穴到多遠的距離?以及冰川的融化速率有多大程度取決於暖水的流動?

要完整的了解暖水如何影響思韋茨冰川融化,首先要了解整體冰川地形的結構。從圖二可以看到,冰川 (Glacier) 屬於在陸面上緩慢流動的巨大冰體,而冰蓋 (Ice Shelf) 則為從陸地流入海洋大量的冰,在出海口累積成一片厚而廣大的浮冰,並與附近海岸線連成一體(可參考圖二)。當暖水流經冰棚底下,便會加速冰棚局部融化,而一旦冰棚融化,便會加快冰川流入海中的速率,從而加速冰川融解。第二,了解暖水的流動路徑及性質十分重要,其中路徑取決於冰川周遭的海底地形分佈。比喻來說,當水流經一道高牆時,流動的方向就會受到阻攔,反之當流經一個通道時,就會特別順暢;其中海脊 (ridge) 相對周圍地勢來得高,就如同那道高牆,而海槽 (trough) 則相比周遭地勢來得低,如同一個凹槽。因此對於暖水來說,海槽更像是一個容易經過的通道。

圖二、冰川 (Glacier)、冰蓋 (Ice Shelf) 與冰山 (Iceberg) 之間的關係。圖/UCDAVIS

目前科學家對於思韋茨冰川周圍的海床分佈已有一定了解,並推估出在冰川北方存在三個主要的海槽,分別標示為 T1、T2 及 T3(見圖三 A),推斷暖水可能透過這些區域進入冰棚底下。根據觀測,目前已知最高的融水 (meltwater) 濃度出現在思韋茨海槽 (Thwaites Trough),然而並不了解冰棚底下暖水的流動分佈;此外從圖三中可知,在東側存在海脊,因此暖水相對受到東側海脊的阻擋,更有可能經由北側透由深海槽進入思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT) 底下。根據先前模擬模型,思韋茨冰川的侵蝕與海洋動力存在關係 [6][7],且暖水主要從北側的路徑而來,東側進入的水體則相對少了許多,並僅在冰棚下流動約幾公里之遠。然而如先前所述,受限於觀測資料的缺乏,模型的模擬仍有許多改進空間。

圖三、思韋茨冰川研究範圍及其海床分佈。其中 TGT 為思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT),EIS 為東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。T1、T2、T3 為冰川北方主要三個深海槽。其他部分可參考文獻 [5] 中之 Fig. 1。

找出冰棚消融的主因

這次的研究中 [5],科學家透過新的觀測數據,發現海槽比原本預期的還要深約 100~300 公尺,並透過其他觀測儀器,如自主水下載具 (Autonomous Underwater Vehicle  , AUV) 等,量測這些海槽中海水的性質,確認在 T2 及 T3 兩個海槽中存在厚度約 200-300 公尺的暖水,並透過聲學都卜勒流速剖面儀 (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) 數據的收集,推斷出在 T2 海槽中存在一向北流出的水體,而在 T3 海槽,則存有向南流入冰棚底部的暖水,該熱流約達 0.9 兆瓦 (terawatt, TW);根據推算,其將產生一年約 85 Gt(gigatonne, 十億噸 )的融水。從先前 2010-2018 年所建立的數據可得知,該處整體冰棚的融化速率約為 97.5 Gt/year,揭示出在 T3 流入的暖水可能為影響冰棚大部分消融的原因。

當相對高鹽度的暖水流入冰棚底部,失去潛熱並接觸融化的冰水後,水溫開始下降,由於與融水的混合,鹽度也隨之降低,最終提高含氧量 [8][9]。

透過這些資訊,科學家發現在 T2 海槽,融水的比例相對高於 T3,尤其是位於上層向北的水流(水深 400 公尺內)。另外透過 AUV 資料的收集,科學家發現來自 Pine Island Bay 的深層水透過流經東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS) 底下而抵達 T3 海槽區域。該發現比原先模型所預期的深層水流動範圍更向西延伸 [7],說明在 EIS 底下的海脊可能比原先預估的深度還要深(>1050 公尺),又或者並沒有如原先所推估的延伸至北邊,以阻擋來自 Pine Island Bay 的深層水。

圖四、依據觀測資料推估出思韋茨冰舌及東側冰棚下水流的路徑分佈。其中紅色箭頭表示溫鹽水流的主要路徑,藍色箭頭為流出冰棚富含融水的水流,紅色虛線箭頭指示可能流入的溫鹽水流。來自 Pine Island 海槽的兩條箭頭則表示以當前資料,仍無法確認深層水主要由哪一條路徑流入東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。[5]

根據本次研究 [5],科學家總結出高比例的融水主要在西側流出,而另兩個深層水主要分別流入冰棚兩側,其中之一為先前已知由思韋茨海槽進入的暖水,另一個則為之前未知、由 Pine Island Bay 流入的暖水路徑。後者由於受到在地氣候條件 [10] 以及 Pine Island 冰川融化的影響 [11],意味著未來思韋茨冰川的融化速率以及該處整體冰川動力機制,將會比原先模型所預期的,更加依賴於 Pine Island 區域當地條件。

冰川消融帶來的影響

由於冰棚的存在有助於減緩冰川上冰流入海水的速率,當冰棚因流入的暖水融化而逐漸脫離海床(失去如路障般的作用),便會反過來加速思韋茨冰川上的冰流入海中。冰川的前緣不斷融化導致朝陸地後退,最後高聳的冰川峭壁將承受不住自身重量,而快速崩解;一旦思韋茨冰川消失,會使得南極洲西側的冰蓋更不穩定,並可能造成連鎖崩解的效應。[12]

思韋茨冰川的融化貢獻每年全球海平面上升的 4%,而若整個冰川全部消失,則將造成全球海平面上升近 0.5 公尺的高度 [13],這將進一步影響各國海岸線的分佈、人口的遷移,甚至是氣候乃至生態系統的改變。當前南極的冰川融化問題無疑對當代人類再次敲響了警鐘,而若人類對於氣候變遷再不做出更多具體的因應作為,則隨著末日冰川的消失,人類的末日恐怕又將更靠近一步。

參考文獻

  1. Jacobs, S. S., Hellmer, H. H., & Jenkins, A. (1996). Antarctic ice sheet melting in the Southeast Pacific. Geophysical Research Letters, 23(9), 957-960.
  2. Jacobs, S., Giulivi, C., Dutrieux, P., Rignot, E., Nitsche, F., & Mouginot, J. (2013). Getz Ice Shelf melting response to changes in ocean forcing. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9), 4152-4168.
  3. Hogan, K. A., Larter, R. D., Graham, A. G., Arthern, R., Kirkham, J. D., Totten Minzoni, R., … & Wellner, J. (2020). Revealing the former bed of Thwaites Glacier using sea-floor bathymetry: implications for warm-water routing and bed controls on ice flow and buttressing. The Cryosphere, 14(9), 2883-2908.
  4. Jordan, T. A., Porter, D., Tinto, K., Millan, R., Muto, A., Hogan, K., … & Paden, J. D. (2020). New gravity-derived bathymetry for the Thwaites, Crosson, and Dotson ice shelves revealing two ice shelf populations. The Cryosphere, 14(9), 2869-2882.
  5. Wåhlin, A. K., Graham, A. G. C., Hogan, K. A., Queste, B. Y., Boehme, L., Larter, R. D., … & Heywood, K. J. (2021). Pathways and modification of warm water flowing beneath Thwaites Ice Shelf, West Antarctica. Science Advances, 7(15), eabd7254.
  6. Seroussi, H., Nakayama, Y., Larour, E., Menemenlis, D., Morlighem, M., Rignot, E., & Khazendar, A. (2017). Continued retreat of Thwaites Glacier, West Antarctica, controlled by bed topography and ocean circulation. Geophysical Research Letters, 44(12), 6191-6199.
  7. Nakayama, Y., Manucharyan, G., Zhang, H., Dutrieux, P., Torres, H. S., Klein, P., … & Menemenlis, D. (2019). Pathways of ocean heat towards Pine Island and Thwaites grounding lines. Scientific reports, 9(1), 1-9.
  8. Jenkins, A. (1999). The impact of melting ice on ocean waters. Journal of physical oceanography, 29(9), 2370-2381.
  9. Biddle, L. C., Heywood, K. J., Kaiser, J., & Jenkins, A. (2017). Glacial meltwater identification in the Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 47(4), 933-954.
  10. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., Dutrieux, P., Abrahamsen, E. P., Jenkins, A., … & Kim, T. W. (2017). Mechanisms driving variability in the ocean forcing of Pine Island Glacier. Nature communications, 8(1), 1-8.
  11. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., & Assmann, K. M. (2019). The impact of overturning and horizontal circulation in Pine Island Trough on ice shelf melt in the eastern Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 49(1), 63-83.
  12. Carolyn Beeler (2019). If Thwaites Glacier collapses, it would change global coastlines forever.
  13. SUSIE NEILSON (2020). Antarctica’s ‘Doomsday Glacier’ Is in Serious Danger, New Research Confirms.
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陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com