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一般公告

臺灣氣候模擬系統探索氣候的前世今生與來世

許晃雄研究員本院環境變遷研究中心

摘要

本院環境變遷研究中心發展完成臺灣地球系統模式探索影響古今氣候變化的機制推估人類持續排放過多溫室氣體可能導致的氣候變遷趨勢全球高解析大氣模式評估全球暖化對臺灣天氣與氣候的衝擊此二模式將用來參加國際耦合模式比對計畫第六期研究推估未來氣候變遷提供給聯合國氣候變遷跨政府專門委會IPCC第六次評估報告參考下階段工作為發展跨空間與時間尺度的無接縫模擬系統協助推動臺灣的氣候天氣空氣汙染模擬與預測研發

氣候變遷的威脅

由於全球環境的快速變化與近幾十年來的快速全球暖化現象全球氣候變遷已經成為世界各國政府的科技研究發展首要項目之一其中又以推估未來區域氣候變遷趨勢與衝擊為主要研發方向這項工作必須建立在完整的模式群組基礎之上理想中的模式為高解析度地球系統模式不僅空間解析度高達數公里也必須能完善地模擬影響氣候系統包括大氣海洋冰雪陸地生態與人為影響等的各種正反回饋過程以及極端天氣與氣候的特性此一構想打破傳統觀念不再將大氣現象依照時間與空間尺度區分為中尺度如豪雨)、天氣尺度如颱風梅雨鋒面與氣候尺度如聖嬰現象),因為這些尺度間有顯著的交互影響無法單獨存在此即為所謂的無接縫模擬也是氣候模擬與推估研究的終極目標Shapiro 等人在2010年提出推動Weather, Climate and Earth-System Observations and Prediction Project的必要性以便面對氣候變遷挑戰其中一項即為無接縫天氣氣候預報系統的發展目的為解析目前模式無法詳細模擬的中小尺度系統並將該計劃與阿波羅基因圖譜與哈伯望遠鏡等計劃相提並論

面對全球暖化可能造成的氣候變遷以及其對極端天氣氣候與地球環境的影響首要任務之一為大幅改善對氣候變異變遷對區域劇烈天氣統計特性的影響的預測與推估能力為因應此一空前挑戰科技部於2011/12-2015/16年進行氣候變遷研究聯盟計畫並在中央研究院成立氣候變遷實驗室負責臺灣氣候模擬系統之研發建構臺灣的氣候變遷模擬與詮釋的能量與能力目標為能透過一組由大至小的模式群組研判全球氣候變遷對東亞氣候與季風臺灣極端天氣如颱風豪雨乾旱等的可能衝擊並提供這些資訊給國內研究社群評估氣候變遷對臺灣生態環境經濟社會與人民福祉的衝擊並規畫推動調適與減緩機制

臺灣氣候模擬系統的建構強化能力探索變化推估未來

長期以來國內在氣候模式發展方面投入心力有限且此項工作牽涉層面甚廣不是單一研究計劃或單位可以承擔必須結合國內的相關的研發人力充分分工合作才有可能完成為了在有限人力物力資源與時程限制下極大化研究成果氣候變遷實驗室採取以下策略建構臺灣氣候模擬系統

國內研究人力整合以本院環境變遷研究中心氣候變遷實驗室為核心與國內各大學研究人員合作建立模式開發平台

以既有模式為發展基礎引進美國國家大氣研究中心的社群地球系統模式CESM1與美國海洋與大氣局地球物理動力實驗室的高解析大氣模式HiRAM),與原開發單位密切合作改善模式中的物理模組使之成為國內可以自行研發改進的社群氣候模式

1.臺灣地球系統模式(Taiwan Earth System Model, TaiESM)

地球系統模式顧名思義包括大氣海洋陸地冰雪植被等氣候子系統不僅模擬各子系統內的複雜物理與化學過程且能模擬各子系統間的交互作用以及人為或自然溫室氣體與氣膠排放對氣候的影響圖一)。這類模式後者也是聯合國氣候變遷跨政府專門委會IPCC評估與撰寫歷次氣候變遷評估報告的主要依據

TCMS1

圖一地球系統模式模擬的氣候物理與化學過程(修改自2007IPCC報告)

氣候變遷實驗室建構解構與重新建構臺灣的地球系統模式同時建立了國內氣候模擬系統的研發能量與能力建構部分引進美國國家大氣研究中心的社群地球系統模式建立長期氣候模擬的能力解構部分測試與評估該模式的氣候模擬能力了解其優缺點最後的重新建構則依據國內特有的專長針對該模式的對流與雲量雲微物理與氣膠地表輻射海氣交互作用等模組進行必要的修改或以自行發展的模組取代完成臺灣地球系統模式

氣候變遷實驗室以臺灣地球系統模式進行長期氣候模擬評估模擬多個氣候變數如溫度雨量風場與大氣輻射等長期平均場的整體表現發現優於大多數模式整體上也比原生模式CESM1表現好再進一步比較氣候變化如亞洲季風季節內變化也有明顯改善這些分析結果證實經過數年的努力納入有臺灣研究特色的模組後完成的臺灣地球系統模式不僅有其設計獨特之處與國際著名氣候單位的模式相比模擬氣候能力毫不遜色

2.高解析大氣模式(HiRAM)

HiRAM是臺灣旅美科學家林先建博士研究團隊建立的高空間解析的全球大氣模式其動力架構為六面體方塊地球網格有限體積法動力模組FV3是目前最進步的全球大氣模式動力模組之一經過與多組大氣動力模組的嚴格評估比較後FV32017年被美國國家環境預報中心採用作為下一代全球天氣預報系統的骨幹

氣候變遷實驗室於2011年將HiRAM建置於國家網路與高速計算中心的御風者高速電腦2550公里的高空間解析度進行現今與未來氣候的長期模擬推估在溫室氣體大幅增加的21世紀中與世紀末全球天氣與氣候特性的變遷高空間解析度HiRAM模擬天氣現象的能力極佳不僅可以模擬鋒面特徵亦可以模擬出颱風大略的結構與演變氣候變遷實驗室以不同的未來海面水溫變遷型態進行多組氣候變遷模擬這項模擬所需計算資源十分龐大在國網中心的大力支援下方得以順利進行研究團隊將模擬數據提供給國內學研界如臺灣氣候變遷推估資訊平台評估全球暖化對臺灣天氣與氣候的衝擊

聯合國氣候變遷模擬

面對人為暖化的威脅了解其是否已經對天氣與氣候造成明顯的影響以及未來的可能變遷結合觀測與模擬診斷分析了解過去變遷以及用模式推估未來變遷是主要的國際氣候研究趨勢為了整合全球研究能量世界氣象組織轄下的世界氣候研究計畫在1995年啟動耦合模式比對計畫Coupled Model Intercomparison ProjectCMIP),整合全世界主要氣候研究中心的氣候模擬能量遵循國際認定的模擬程

序協定以各自研發的氣候模式有系統地進行氣候變遷模擬與推估這些結果是IPCC撰寫歷次氣候變遷評估報告的主要科學依據CMIP第六期計畫CMIP6已經啟動為預計於2021年發布的第六次評估報告做準備經過氣候變遷實驗室與國內同仁的努力臺灣已經成為少數具有模擬與推估長期氣候變遷的國家之一氣候變遷實驗室已經正式向CMIP6登記成為第32個參與團隊將提供由國內團隊以TaiESMHiRAM模擬的氣候變遷資料協助推估全球暖化對地球生態環境與人類社會的可能衝擊

在地化應用

臺灣地球系統模式與高解析大氣模式都是全球氣候模式解析度分別約為10025-50公里前者考慮影響全球氣候的地球系統間的交互作用後者則通常以前者提供的資訊進一步模擬前者無法解析的更小尺度的天氣系統如鋒面颱風等但仍

無法準確模擬受臺灣地形影響的劇烈對流與豪雨或熱島效應等理想中的系統為前述的無接縫模擬系統可以模擬從全球數百公里到區域數百公尺尺度同時考慮全球暖化造成的大尺度變遷到對局部豪雨的影響圖二)。但是目前仍力

有未逮不僅模擬的科學瓶頸尚待突破其所需的電腦計算資源也非目前peta1015每秒千兆次運算超級電腦能負荷目前階段性研究方法多是以全球模擬資料驅動數公里解析度的區域模式模擬全球氣候變遷對小區域天氣與氣候以及劇烈天氣現象的影響國內也採取類似方法氣候變遷實驗室將前述模式的模擬資料提供給國內學研界以區域模式模擬在未來氣候暖化情境下影響臺灣的颱風豪雨午後雷陣雨乾旱熱浪等現象將如何變遷這些資訊再提供給各領域去評估對生態農業公共衛生氣象相關自然災害水資源甚至都市與國土規劃的衝擊再據之規畫因應未來氣候變遷應有的調適作為

TCMS2

圖二無接縫模擬與衛星觀測(02Z 21 August 2015)()日本向日葵氣象衛星照片()利用FV3為架構的天氣預報模式6.5公里空間解析度模擬50小時之後的雲圖(courtesy of Linus Magnusson, ECMWF)

無接縫模擬系統

臺灣地小人稠山高水急極端氣候災害天氣與空氣品質的模擬與預測難度極高多年來未能有突破性進展環境變遷研究中心氣候變遷實驗室下一階段將在目前的氣候模擬基礎上FV3為架構發展跨空間與時間尺度且適用於臺灣的氣候變遷劇烈天氣空氣品質無接縫模擬系統希望對臺灣未來的氣候天氣甚至空氣汙染模擬與預測能有突破性的貢獻

本文部分內容發表於自然科學簡訊第三十卷第一期民國1072)。

 

文章來源:中研院週報1663期

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