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科學議題

從衛星觀測的資料及大氣模式模擬的結果都顯示入射於地球大氣層頂的太陽輻射約有百分之三十被反射回外太空,而剩下的百分之七十則會留下來加熱大氣與地球系統。因此,地球受到太陽(短波)輻射加熱的總量約是240 W/m-2。在熱量帄衡的情況下,地球也會釋放出相同量值的紅外線(長波)輻射到外太空。任何大氣中的氣體(水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化氮、雲……)、懸浮粒子(氣膠)、以及地表特徵等的變化都會影響到大氣層頂太陽短波輻射及地球長波輻射的變化,而因此導致氣候的變化。

氣候對於地球輻射能量失衡的反應有可能相當敏感。聯合國間政府氣候變化工作小組(United Nations' Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC,2007)9的報告指出,因人類活動增加的二氧化碳和氣膠濃度而產生的地球輻射變化 (稱之為CO2 IR radiative forcing 及aerosol solar radiative forcing) 分別約為+1.5 W/m-2及-0.4 W/m-2。雖然這些值遠小於大氣層頂的太陽輻射總量(240 W/m-2),但可能透過輻射與氣候系統的其它參數(如溫度、濕度、雲及冰覆蓋率)的相互作用(既所謂的反饋機制)而加快氣候變化。這些反饋機制還未被徹底了解,因而是本世紀在探討未來全球氣候變遷中最具爭論性的重要議題。因此,我們需要一個準確的輻射轉遞參數模式,以應用在大氣模式中來模擬因人為因素而產生的溫室氣體與氣膠所造成的過去、現在及未來的氣候變化。

文獻回顧及研究方法

即使使用高度參數化的輻射模式,在大氣模式中計算輻射參數項也需要約25%的總計算時間。精確計算大氣中一特定點的solar heating 和IR cooling需要三組積分計算,分別為空間、方向及垂直積分。在氣體吸收過程中,其光學特性會隨波長而迅速變化,因此需要將solar 和IR 波段分成數萬個區間以計算輻射通量。另外,太陽輻射被雲和氣膠多次的散射(multiple scattering),所以必須在三維空間中依不同高度層計算其輻射量值。這些詳細的輻射傳遞計算非常耗時,因而未能應用在短期氣候預測和長期氣候模擬的作業上。因此,大氣模式必須要使用快速且準確的簡化輻射參數模式。

目前全球主要的研究及作業中心的大氣模式在輻射參數化的使用上有相當大的差異;有使用簡易、快速但準確度有限的,也有使用準確度高但計算上複雜及緩慢的。在計算氣體對短波與長波的吸收,大致上都能快速而準確的運算。但在計算雲與氣膠對短波的散射,幾乎所有的大氣模式都以簡易的趨近法去計算三維空間的多重散射。既然輻射是主宰大氣及海洋循環主要動力,我們必須要充份了解現行全球各個主要的氣候模式所使用輻射參數化的優缺點,才能夠有效的選取適合的輻射參數化模式。

除了複雜的輻射傳遞計算外,大氣和地表輻射對於雲與氣膠的物理和化學性質的高靈敏度,在模式中如何準確計算輻射加熱與冷卻,更是進一步的挑戰。雲和氣膠的光學特性(光學厚度、單次散射反照率和不對稱因子)與其物理和化學性質,如形狀、大小和類型(即冰/水雲滴粉塵,硫酸,碳,黑碳,氣溶膠等)有很大的相關性。在大氣模式中,這些光學特性可能是不變的固定值或是高度簡化的參數化結果。例如,在大多數的大氣模式中,計算雲和氣膠的散射特性時,顆粒的大小皆是假設其為球形顆粒。 其他有一些雲/氣膠的輻射參數化(Chou etal., 1998, Fu, 1996),其雲冰粒子被假定為特定的形狀。很明顯的,可藉由更好的雲與氣膠參數化進而改善現有的大氣模式。

本計畫共同主持人之一周明達,發展了一套應用在天氣和氣候研究上其計算快速且準確的SOLAR 及IR 輻射參數化方法(Chou et al., 1995, Chou and Lee,1996; Chou and Suarez, 1998)。此輻射參數化方法,包含了能快速且準確的計算氣體吸收SOLAR & IR 的輻射和有效的計算雲與氣膠粒子的多重散射。此套輻射模式,命名為 CLIRAD,已應用於美國太空總署Goddard Space Flight Center的氣候、中尺度氣象、和雲模式中。它也被許多大學及政府機構應用在雲模式、天氣及氣候研究,例如美國的NCEP 預報模式(Kanamitsu, et al., 2002)。其太陽輻射參數方法現已於NCAR 天氣模報及研究模式(WRF)中使用。

太陽輻射與地表面的地形坡度及遮蔽的關係,已經被科學家廣泛的應用於森林、水文、及大氣領域的研究 (Dozier and Frew, 1990; Dubayah, 1994; Liou et al.,2008) 。 台灣地形崎嶇,山高谷深,其地表輻射空間的變化極大。Lai et al. (2010)等人在台灣地形影響太陽輻射的研究中,使用40m 高解析度的地形資料和詳細的輻射傳輸模型,發現使用解析度為1km 的大氣模式並忽略地形效應時,其地表的日帄均太陽輻射標準誤差為 20 W/m2。這樣大的誤差,對台灣地區的天氣、氣候模擬會有嚴重的影響。而為了應用到大氣模式中,我們發展地形參數化方法來正確的計算太陽輻射。這個尺度參數化方法可分別應用於太陽直射及散射,它適用於所有的天氣條件,如:晴天,陰天,含氣膠的大氣,以及各種空間解析度的大氣模式。

過去1-2 年來,我們已將上述短波和長波輻射的參數化方案以及地表效應參數化放置於WRF 模式中進行台灣天氣和氣候模擬研究。我們使用了改良版的WRF模式,並進行了地形效應對降水的研究,例如:梅雨季節地形與降雨的研究及高海溫與2009 年莫拉克颱風的關係(Lin, et al., 2011)。

由於缺乏雲冰粒子形狀及大小分佈的訊息,在現行計算雲與輻射之間的輻射模式還有很大的不確定性。若能有較高解析度的雲模式應用於WRF 模式,則能得到較詳細的雲冰粒子資料。如此一來,更能準確的計算出陰天多雲時的輻射場。將高解析度的雲模式應用於WRF 模式中也是本計畫的工作之一。

在這項計畫下,我們將進一步發展輻射參數化,利用由WRF 雲模式得到的雲粒子資料準確地計算短波和長波輻射。
氣溶膠的氣候作用

全球氣候模式已被廣泛的應用於研究大氣溫室氣體的增加在氣候暖化上的影響,例如CO2和其他的微量氣體 (N2O, CH4, and CFC's)。另一方面,全球氣候模式研究氣溶膠在氣候上的影響還未有如同CO2般的深入,其因在於缺少詳細的氣溶膠的負載量分布和光學性質等資訊。氣溶膠藉由直接反射太陽輻射來影響地球的輻射收支。除了這種直接的氣膠輻射強迫力 (Aerosol Radiative Forcing, ARF) 之外,使用衛星資料研究11顯示 (Twomey et al., 1984; Coakley et al., 1987) 氣溶膠在雲核濃度、雲顆粒大小有顯著地影響,因而反射太陽光。這項間接的ARF 的物理和化學過程還未得到很好的理解,而被視為密集理論、觀測、模式的研究主題。因而,我們只報告直接的氣膠輻射力模擬和氣溶膠對台灣氣候的影響。氣候模擬計畫的另一議題是針對氣溶膠和雲的交互作用 (PI: Prof. JP Chen)。氣溶膠在氣候上影響的研究需要ARF 的資訊,不只是大氣層頂還有地表和大氣層。使用大氣模式來調查氣溶膠的氣候影響,我們需要氣膠光學性質的資訊,例如光學厚度、單次散射反照率,和不對稱因子做為時間和空間的函數。衛星觀測提供重要的(雖然不完整)高解析度氣膠光學性質,以應用於大氣模式模擬氣溶膠在氣候上的作用。
由於非均質的發散源和氣膠的短生命期(~7-10 days),氣膠在時間和空間上的變化很大。衛星觀測而來的氣膠光學性質的全球分布是最佳選擇。美國NOAA 衛星AVHRR 和 NASA 衛星 SeaWiFS 的輻射測量被用來反演氣溶膠 (Husar et al.,1997; Mishchenko et al., 1999; Wang et al., 2000)。這些反演受限於海洋地區。隨著NASA 的Terra 和 Aqua 兩顆衛星的發射,由於改進的光譜和角度訊息包含了MODIS 和 MISR 的輻射測量,氣膠光學厚度的全球分布反演不只在海洋地區,也有陸地的反演。這些衛星反演的全球氣膠資料在研究氣溶膠的氣候影響是很可貴的。

氣溶膠光學特性(光學厚度,單次散射反照率,不對稱因子)的垂直整合和垂直分布已經被台灣的一些測站使用多頻道光度計(台北、中壢、台南、鹿林山)以及微脈衝激光雷達(中壢、鹿林山)所觀測到。使用中壢和鹿林山測站測量的氣膠資料,Wang et al. (2010) 調查時間上的變化和氣膠的來源發現到,除了局地的貢獻外,從東亞和東南亞傳送部分氣溶膠。氣溶膠的這兩種類型在太陽加熱的垂直分布有顯著影響,導致大氣擾動的熱帄衡,也就是大氣穩定度。考慮到氣溶膠在氣候上的重要性,我們建議對台灣的氣膠光學性質定量和氣膠的吸收特性資訊加入WRF 中來模擬台灣的局部氣候。這方法是從氣膠負載量的時間和空間上變化而來,結合了局地產生和長程輸送的氣膠。和Chin et al. (2002) 類似的氣膠傳輸模式將可使用來計算東亞和東南亞傳輸來的氣膠。氣膠光學性質的資訊可以從台灣地面觀測站的輻射計獲得。

五年之研究項目

鑒於輻射在氣候上的重要性,我們在未來五年將執行以下幾項研究:

  1. 進一步改善輻射參數化,重點研究在多雲和充滿氣膠的大氣的輻射傳輸(1-5 年)
  2. 將台灣崎嶇地形對輻射上的影響考慮加入WRF 模式,以改善地表輻射參數化。(1-2 年)
  3. 評估規畫中新的輻射模式對WRF 模擬台灣局部氣候的改進。(2-4 年)
  4. 使用從主計畫(台灣氣候變遷實驗室)中的RCEC 全球氣候模式輸出的大氣及海洋資料,當作WRF 區域模式邊界條件來模擬過去、現在、與將來台灣的極端氣候與氣候趨勢(3-5 年)