研究計畫

氣候變遷研究聯盟總計劃下共有三個子計畫

科學議題及文獻回顧


台灣的區域氣候除了受全球大尺度氣候變遷的影響之外,也和區域環境的變化,特別是土地利用、植被以及都市化發展所造成的熱島效應密切關聯。台灣的經濟發展早期是以農作產業為主,在產業轉型以及都市化發展的過程當中,間接造成地表覆蓋物的轉變,例如農作地的消失,以及取而代之的高樓大廈的水泥硬地。此地表形態的轉變,能透過地表與大氣間的交互作用,而改變氣象環流的結構,熱島效應即為都市化的結果。Cheng et al. (2008)指出,氣象模擬的準確度需要正確的土地利用與土地覆蓋型態(LULC),來提供下邊界的環境。在Houston市區,使用美國國家調查局地表資料庫(USGS),氣象模式所模擬的最高溫度都有高估的情況,最主要的原因是USGS對Houston的地表描述不正確。透過德州森林局(TFS)的協助,將地表重新分類而TFS-LUL,分類的結果正確的將Houston地區精確的細分為都市、郊區、草地及森林。比對USGS和TFS兩資料庫對氣象模擬的影響,結果顯示使用高解析度的地表資料能較正確模擬出局部的風場環流結構,特別是當綜觀尺度風很弱的時候,正確的地表分類較能符合實際大氣狀況。而在Kimet al.(2005)以及Byun et al. (2004)的研究中也發現,森林砍伐以及都市化的結果,使得人類活動的範圍向外圍郊區擴大。 同時由於森林區範圍的改變,其所排放的有機揮發物含量,也有明顯的改變。作者利用1990年以及2000年的衛星資料,將地表分類的結果對氣象以及空氣污染進行模擬,模擬的結果發現由於人類活動的範圍擴大,使得局地的海陸風以及海灣環流有明顯得改變,同時污染物的分布也有相對應的影響。Lin et al. (2008) 針對北台灣都市化現象造成的熱島效應影響進行討論,結果指出熱島效應的強度會影響地表溫度,特別是在夜晚到清晨這段期間,造成白天海風強度增強,以及晚上陸風環流減弱,同時都市化發展所引發的都市熱島效應對台灣的降水空間分布與變化明顯影響(Lin et al. 2008 ; Lin et al.2011)。Grossman-Clarke et al. (2005) 也針對都市化現象對氣象的影響提出討論,其研究結果發現,在都市化迅速發展的鳳凰城,使用更新過後的地表資料庫進行氣象模擬,能改善都市地區白天的溫度變化,以及邊界層的模擬結果。戴等人(2008)利用更新版的土地利用型態資料庫,發現氣象模式對降水與溫度場以及地面風場的預報,隨著預報時間由沿海往內陸發展,並在午後達到最大,顯示模式中土地利用資料的改變會對局部環流產生顯著的影響。近年來的都市化、工商業發展、住宅區的增加、農耕地的減少以及森林地的開墾,這些人為活動都會讓台灣地區的植被覆蓋率和以往相比大幅減少。在WRF氣象模式中,植被覆蓋率會控制蒸發散的比率,因此植被覆蓋率是對於決定大氣和地表熱量交換分配很重要的因子之一。然而現行地表模式的植被覆蓋率是使用AVHRR的遙測資料,使用的時間為西元1986至1991年,共5年的月帄均資料,其水帄解析度為0.15。,Hong et al.(2009)的研究指出除了20年前的植被覆蓋率資料是否適用之外,粗解析度的植被覆蓋率可能會對氣象模式的模擬結果有負面的影響,研究發現植被覆蓋率對潛熱通量、可感熱通量、土壤熱通量和地表溫度的模擬結果影響很大。所以正確的描述土地利用型態和植被覆蓋率,對於改善區域氣候模式是很重要的。

研究方法


在過去幾十年來,土地使用率(LU)和土地覆蓋率(LC)此兩項特點在台灣有顯著的改變。一些大都會如台北,台中,高雄已經演變成一個城市結構,伴隨著城市化許多植被和樹木被去除,並進一步在不同地區的郊區進行城市化來延伸都會區。植被的喪失使此地區已被替換的不透水材料吸收更多的熱量。因土地表面特性的改變,如鋪裝地面、建成區等城市基礎設施的增加以及減少植物的土地,預計會使氣溫有所變化。增強城鄉差異,農村地區可能已經改變了當地的天氣情況,包括海陸風環流,山谷風和城市熱島效應的影響,以及長期的氣候趨勢。據資料顯示,土地利用顯著影響氣象模擬。例如,在Cheng and Byun (2008年),使用不同地表資料對休士頓地區及周圍8 個郡縣區作氣象模擬,改變了當地的風場和地表熱通量,而使用正確的地表資料,能提高污染物傳輸和擴散的模擬。
城市冠層參數化(UCP),已被開發並應用於中尺度氣象預報模式(WRF),來模擬都市的行星邊界層。如Salamanca et al 等,(2010 年),他們運用WRF - UCP的高解析度城市數據庫,以模擬休士頓市區的邊界層。模擬結果顯示出UCP 能影響對雲及大氣溫度的預測。而複雜的UCP 能夠提高城市規模解析度下的天氣預報。
本研究的主要目標是:第一,開發並建立一個完整的數據庫,包括地表城市冠層參數,土地利用數據,植被覆蓋量數據,以及地表反照率等參數和放射率。二,研究土地利用形態的變化對台灣地區氣象模擬和區域尺度氣候變化的影響。第三,了解UCP 對都市化結構,如台北、台中及高雄城市的區域尺度氣象到短期氣候模擬的影響。

  • 收集土地利用資料,從衛星圖像數據來反衍地表反照率,發射率和植被覆蓋度。
  • 利用 Pleim-Xie 地表模式來測詴高解析度的土地利用資料 。
  • UCP 需要更多的城市冠層參數來定義城市的形態。
  • 開發並建立完整的地表資料數據庫。

五年之研究項目

  • 第一年:建立地表數據庫包括土地利用和植被覆蓋率,反照率,發射率的數據。
  • 第二年:建立城市冠層參數化所需資料庫,如建築結構等。
  • 第三年:修改地表模式,以適應高解析度陸地表面數據。
  • 第四年:執行區域氣候模擬並評估結果。
  • 第五年:完成土地利用數據庫的設置。

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