研究計畫

氣候變遷研究聯盟總計劃下共有三個子計畫

子計畫三

計畫摘要

天氣與氣候極端事件到底是不是真的已經與過去發生的事件截然不同,而如果真的發生改變又是不是由人為氣候變遷所造成,一直是近年來極具爭議性的問題。我們希望透過這個計畫發展一種新的研究架構以進行最近所觀測到的極端天氣事件(如熱帶氣旋)變化原因歸屬的釐清,在此架構下,可以計算在現今氣候中極端事件發生頻率與嚴重程度的改變,並且與當特定外部驅動力(例如人為影響)移除後的極端事件發生機率與嚴重程度分布範圍加以比較。不過這樣的架構如果要應用在極端天氣與氣候系統,前提是用以模擬的模式必須能夠掌握引發極端天氣與氣候事件的關鍵過程,同時也能夠重現極端天氣與氣候事件的特徵與伴隨的災害相關因素。
也因此,熱帶氣旋頻率與強度改變的偵測與歸因一直都還是極具爭議的問題,主要也就是因為現有的模擬架構,無論是全球或區域氣候模式,都還是無法適切地模擬出觀測的熱帶氣旋的發生頻率、強度以及伴隨豪雨的變動。所以即便已知在熱帶大西洋與太平洋上熱帶氣旋主要生成區的海溫在二十世紀所觀測到的增加,的確主要是來自人為排放溫室氣體的貢獻,但究竟這些人為的海溫暖化對最近觀測到的破紀錄極端天氣系統的強度與頻率變化到底有多重要,科學界還未找出令人滿意的答案。運用可以解析重要雲雨系統的高解析度模式,並且瞭解其合理掌握颱風與大尺度背景環流、熱力結構、地形等交互作用的能力,我們將估算人為造成的大氣與海洋變化,分析模式移除此作用後所得到的颱風強度改變機率分布,並討論其是否滿足偵測與歸因的統計差異。上述颱風強度改變機率分布將可以由模擬環境的初始或邊界條件變動加以估計,也可以透過採樣所有接近臺灣且造成較大風雨以及災害的不同颱風獲得。至於颱風頻率變化方面的偵測與歸因問題,必須藉由總計畫所發展的模式以及與國外專家與氣候中心合作的高解析度模式,評估已經在熱帶氣旋的模擬有足夠的技術水準下,才會陸續展開。

目的

  1. 透過創新的數值模擬實驗研究計算過去百年人為的溫室氣體排放與其暖化作用,評估其對如2009年8月莫拉克颱風般的極端天氣系統結構與強度是否已造成可分辨的影響,並以範圍與發生或然率的方式表現其對極端天氣系統的強度以及降雨量變動的作用。
  2. 擴充上述研究到過去十幾年來造成災害的所有主要侵臺颱風,進一步分析比較過去人為氣候變化對於颱風伴隨降雨的作用,是否與颱風的形態、強度與路徑等有關?
  3. 比較氣候變遷影響區域極端天氣系統(以2009年8月莫拉克颱風為例)降水變化的各種物理過程(大尺度環流場、水氣場、地形效應與暖化環境等)所扮演的角色,並量化個別過程的相對重要性。
  4. 應用與評估高解析度區域氣候模式,模擬研究人為的溫室氣體排放與其暖化作用對區域颱風發生頻率是否已造成可偵測的影響。

poster CCliCs subpro3 proposal

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1. 背景

1990年代,當聖嬰-南方震盪現象以及其所造成的年際氣候變動逐漸受到媒體與大眾關注時,每當有一個異常的氣候或甚至劇烈天氣現象發生時,不明就裡的民眾往往詰問是不是聖嬰現象所造成的?有時候只是玩笑的說法,但是氣候科學研究人員常常需要澄清說明,極端天氣與氣候必須用嚴謹的方式討論成因歸咎(Philander 2006)。進入二十一世紀,二氧化碳排放與氣候變遷問題成為一般民眾的日常生活語彙,不只是新聞傳媒的關注,電視、電影娛樂與紀錄都比過去所涵蓋的主題更廣,相關的議題也已經在國際政治、經濟的舞台上占有一席之地,因應氣候變遷影響與溫室氣體排放減量的調適策略與政策規劃也在各國被廣為討論。所以當像2003年夏天歐洲熱浪或2004至2005年大西洋颶風連續特別活躍時(特別是卡翠娜颶風襲擊紐奧良造成估計超過800億美元與1800人死亡的重大災害後),科學界有許多關於上述天氣與氣候極端事件到底是不是真的已經與過去發生的事件截然不同,而如果真的發生改變又是不是由氣候變遷所造成的討論與爭辯(Allen 2003, Stott et al. 2004, Schär et al. 2004, Emanuel 2005, Webster et al. 2005, Hegel et al. 2006 等)。決定某個特定的極端天氣與氣候事件到底是不是某個原因造成的並不容易,一方面極端事件往往是同時受到多重因素的影響才形成,另一方面即使是在沒有明顯氣候變遷的作用下,極端事件散佈在相當寬廣的範圍並非不尋常,以2003年夏天歐洲熱浪為例,三個月平均溫度以過去一百多年的氣溫記錄的機率分布估算(見圖1),應該是幾百萬年才會發生一次,就算是以1990-2002年的平均氣溫為機率分布的參考平均值,以去除過去百年的氣候暖化效應,也是上萬年才會出現一次( Schär et al. 2004)。

subP1

圖1:瑞士從1864至2003年的夏季平均溫度分布,平均大約是攝氏17度,而2003年的夏天的平均溫度超過攝氏22度(如圖中紅線所示),綠色曲線是以觀測資料估算的統計高斯分布,圖的左下方是以20世紀以前的資料所估算的標準差,以及2003年距平值以標準差常規化後的比值。摘自 Schär et al. (2004)。

關於氣候變遷的偵測與歸因問題,從聯合國跨政府氣候變遷委員會從第二次評估報告便開始有專門的章節討論相關的議題(Santer et al. 1996, Hegerl et al., 2001,2007),儘管所探討的不只是上述所討論的極端天氣與氣候事件是否受氣候變遷的影響而有變化,但是對於氣候變遷偵測與歸因方面的相關理論基礎、研究與數值實驗方法等提供了相當完整的整理回顧。氣候變遷的偵測部份強調的是可以透過科學的方式顯示氣候的確已經與過去有顯著不同的狀態,也就是說,包含大氣、海洋、陸地的地球氣候系統的自然內部變動是不是有可能用來解釋所觀測到的大氣變化,姑且不論原因是什麼,常被用來說明這方面的做法之一,是比較觀測到的氣候變動情形是否與氣候模式在不受到任何外在驅力(external forcing)作用下的長期積分結果(或者稱為控制實驗)有顯著的不同,圖2是以HadGEM1氣候模式為例的比較,Stott et al. (2010)分析從1959至2008年的50年全球平均增溫的趨勢,從統計上而言,過去這50年的顯著趨勢如果要從HadGEM1氣候模式的控制實驗所產生的氣候系統的自然內部變動所的到,只有小於5%的可能性。對於局部地區的極端天氣與氣候事件而言,由於自然變動的幅度要比上述全球平均氣溫更大,對於應用實際觀測資料偵測其變化來說,困難度更高,例如大西洋颶風(> 64 knots)個數的年際變化可以從 2 個(1982)到 16 個(2005)(見圖3)或超級颶風(> 96 knots)個數的年際變化從 0 個(1972, 1985)到 8 個(1950)(Vecchi and Knutson, 2008)。相似地,極端降雨一樣有長期且明顯的自然變動,Kunkel et al. (2003)分析過去百年來美國地區不同時間延遲的極端降雨指標的變動(見圖4),雖然過去 50 年,不管極端降雨的重現期長短,不同時間延遲的極端降雨指標都有增加(30-50%)的趨勢,不過在20世紀初期,極端降雨指標與近一、二十年的情形近似,都是處於相對比較高的狀態,意味著即使過去 50 年極端降雨指標有持續增加的趨勢,但是未必與過去氣候記錄有顯著的不同,自然的長期年代際氣候變動也是可能的原因。整 體而言,以世界氣候研究計畫(WCRP/CLIVAR)氣候變遷偵測與指標專家小組(ETCCDI)所定義的極端氣候指標檢視過去測站或網格化觀測資料在過去 50年的長期趨勢與變動(Alexander et al. 2006, Frich et al. 2003),除了溫度相關的極端指標長期趨勢有較明顯的空間一致性外,降雨相關的極端指標長期趨勢雖然也在部份地區也能通過統計檢定,可是並沒有大範圍的空間一致性,降低了以全球尺度的長期氣候變遷解釋局部地區極端降雨長期趨勢的可能性。


此,我們往往需要模式所提供的數百年或甚至上千年的模擬實驗結果,用以估計氣候系統內部動力所造成的自然變動,因為觀測資料的時間長度往往不足,而且並無法排除外部驅力的影響。不過觀測資料還是可以用以驗證模式模擬的內部自然變動是否合理,特別是含蓋與海洋系統交互作用的年代際或更長期的自然變動。偵測只是認定氣候變動是否超乎尋常,更重要的評估工作則是找出造成超乎尋常氣候變動的原因,也就是氣候變遷歸因方面的研究工作。
氣候變遷歸因部份的重點在於針對已偵測到的氣候變動,在一定的信心水準下,找出最可能原因的過程,特別是對於氣候系統而言,會改變系統的輻射能量平衡,而可以視為外部驅動力的部份,例如人為所造成的溫室氣體與大氣中氣溶膠增加,以及土地利用的改變等。此外,太陽輻射量因太陽活動變化的改變或火山造成的平流層氣溶膠改變而影響入射太陽輻射,則是自然過程所引發的外部驅動力,與人類的活動無關。聯合國跨政府氣候變遷委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,簡稱IPCC)在第四次氣候變遷的科學評估報告中最重要的結論之一,便是透過對照實驗說明,當氣候模式只以自然的驅力驅動模式進行過去百年的氣候模擬時,所有的模式都無法模擬出最近三十年全球平均地表氣溫上升的情形(圖5),只有在將人為的溫室氣體增加所產生的輻射驅力也同時用以驅動模式模擬時,才有可能重現1980年代以後的氣溫上升,也就是確認過去百年來所觀測到的全球平均地表氣溫上升,必然有來自人為排放溫室氣體持續增加的貢獻,而且即使是各個大陸尺度的平均地表氣溫變化,也幾乎都可以得到相同的結論(Hegerl et al., 2007)。


上述的氣候變遷歸因研究所採取的典型方法是以理論推測或氣候模式模擬出特定驅力所得到的氣候系統反應特徵,這種特定的驅力—反應間的關係,也有人稱之為氣候反應預期變化的指紋(fingerprint),而其中氣候反應已經含蓋了大氣、海洋的種種物理過程變動以及反饋效應。一但氣候變動反應指紋被定義出來,後續的分析便是寄望從觀測資料中找出相似的結構,就如同我們先前比較模式包含與不含人為溫室氣體增加的輻射驅力進行模擬所得到的全球平均地表氣溫變化結構,只有在包含人為驅力時的「指紋」才與觀測的氣溫記錄較為一致。IPCC 第四次氣候變遷科學評估報告中已經運用氣候模式將不同輻射驅力所造成的垂直與東西向平均的氣溫反應結構加以說明其差異(圖6),也就是溫度反應的個別「指紋」,由於彼此疊加的訊號還算線性,透過與觀測氣溫變化的比較以及線性回歸分析,可以將造成過去觀測到的氣候變化的個別因素與其重要性加以進一步釐清。氣溫變化反應的「指紋」已經有相當清楚的分析,但是降雨變化反應,或甚至極端降雨、颱風變化反應的「指紋」就並不能被確定地加以區分,雖然我們大體知道溫室氣體增加、全球暖化將使往極區傳送的水氣增加,造成中高緯度的降雨增加、副熱帶區域雨量減少,中緯度的風暴帶往極區偏移,間熱帶輻合區也有往南半球移動的現象(Zhang et al. 2007, Lambert et al. 2004),原本多雨區的雨量增加,而少雨區更加乾旱(Held and Soden 2004, Chou and Neelin 2004)。


在極端降雨的變化與歸因方面,Allen and Ingram (2002) 與 Trenberth et al.(2003) 認為極端降雨的改變在降雨動力條件改變不大的情形下,主要是受到熱力狀態與水氣量隨增溫增加而增加,但各個氣候模式間的降雨參數化與動力過程的交互作用,使得氣候模式極端降雨變化與單純的熱力條件考慮(每上升 1 K約 7% 水氣增加)也有相當大的差異(圖7, Kharin et al. 2007, Lenderink and van Meijgaarr,2008)。Min et al. (2011) 以最佳反應指紋回歸分析,比較檢視 IPCC 第四次評估報告所用的氣候模式在只有人為溫室氣體增加驅力以及所有驅力的日極端降雨的長期變化趨勢,認為只有人為溫室氣體增加驅力時,氣候模式才比較能重現觀測的趨勢,儘管模式似乎還是低估極端降雨的長期變化趨勢,也可能意味著氣候模式對未來極端降雨變化的推估有所不足,未來極端降雨的加強可能比過去的模式推估更加劇烈。最近 Pall et al.(2011) 更以季節模擬預報與水文模式整合的方式,以 climateprediction.net 的大量氣候模式系集 (超過2000個) 模擬結果,研究2000年秋季英格蘭與威爾斯發生洪水 (自1766年以來降雨最多的秋季) 的機率,在有無人為溫室氣體增加作用驅動下的差異,研究的結論認為,20世紀的人為溫室氣體排放,使得英格蘭與威爾斯發生洪水的風險增加 20% 的機會,在所有的系集模擬中佔九成,更有三分之二的模擬的洪水發生風險增加 90%以上(圖8),儘管人為溫室氣體排放對秋季英格蘭與威爾斯降雨量與發生河流洪水量的貢獻幅度,以及所適用的空間尺度還是很難精確地估算。


在熱帶氣旋的變化與歸因方面,Vecchi 等人最近以大西洋多年代際震盪(Atlantic Multi-decadal Oscillation, AMO)的變動,以1995至2007年與1982至1994年的海溫差異 (圖9) ,運用GFDL HiRAM 模式在 C90 解析度(約1經緯度)系集模擬大西洋上的熱帶氣旋生成數目在兩個不同時期的變化,發現模式可以相當正確地掌握兩個不同時期的差異 (圖10 (a), (b)) 。如果去除兩個時期平均整個熱帶地區的平均海溫增加,還是可以掌握兩個時期的熱帶氣旋數目分布的差異 (圖10 (c)),而 2005年北大西洋活躍的颶風季也還在模擬的範圍內,唯有在兩個時期的年際變化也從驅動海溫中去除時,即使兩個時期的熱帶氣旋數目分布還是有系統性的差異 (圖10 (d)),模式才無法模擬出2005年北大西洋活躍颶風季的熱帶氣旋數目。這些模式實驗說明了北大西洋局部地區的海溫作用,對於兩個時期的北大西洋颶風活動有關鍵性的影響,而過去三十年長期的全球熱帶增溫趨勢並不能用以解釋2005年北大西洋特別活躍的颶風季,最後是即使在不同大西洋多年代際震盪的基本態中,海溫距平的年際變化對於北大西洋熱帶氣旋生成個數的影響還是不能忽略。Vecchi 等人的最新工作認為全球暖化對北大西洋颶風活動的影響並不重要,反而是區域的海溫多年代際變動更為關鍵。不過其所用的模式解析度不高的情形下,並無法進一步針對強烈颶風部份或其伴隨極端降雨加以討論。


2009年8月莫拉克颱風侵臺期間所帶來的破紀錄累積降雨量以及巨大的人員傷亡與經濟社會損失,一般民眾、新聞媒體或甚至科學界都有人質疑,全球氣候變遷是否對風速強度不是特別高的莫拉克颱風所伴隨的近3000公釐的三天累積總雨量有影響,固然在 WMO (2006) 關於熱帶氣旋與氣候變遷的官方陳述,已說明無法將個別的熱帶氣旋發生直接歸因於熱帶洋面的增暖,但是否其發生的機率已經由於海溫的上升而增加?可以被接受的是熱帶海溫將會影響全球大氣結構,並進而影響諸如潛在強度、垂直風切、相對渦度等環境條件,但是是否發生機率增加,科學界並沒有共識特別是個別的洋面上(Knutson et al. 2010) 。至於先前的熱帶氣旋與氣候變遷爭論的焦點,並不是全球暖化是否會造成熱帶氣旋強度變化的趨勢,更適切的問題是到底改變有多大,究竟是數十年後才能偵測到的小幅變化 (Knutson and Tuleya 2004) 或者是現在已經發生了的可觀改變 (Emanuel 2005)?一樣是由於無法釐清氣候變遷與年代際自然震盪而持續爭論中。而在降雨量變化方面,多數模式所模擬的熱帶氣旋在暖化大氣中,都有伴隨降雨量增加的趨勢 (Knutson and Tuleya 2004, Hasegawa and Emori 2005, Chauvin et al. 2006),由於暖化大氣中的水氣含量增高,水氣輻合所產生的降雨增加的確是可以預期的,但是動力過程究竟如何與增加的水氣輻合和潛熱釋放產生交互作用,進而反饋至降雨,原本影響熱帶氣旋形成與成長的種種環境條件又會受到什麼影響?我們希望透過數值模擬實驗以釐清人為的溫室氣體排放與其暖化作用,究竟對如莫拉克颱風的極端天氣系統降雨有多少貢獻?或造成其降雨改變的或然率具體評估。


更進一步則是人為的溫室氣體排放與其對環境暖化作用,對於諸多不同形態、 強度、路徑的侵臺颱風的影響又如何,2009年8月莫拉克颱風的環境也許相當特殊, 而我們可以試著運用些微的環境差異擾動,評估模擬與發展上的不確定性,以機率的形式計算與呈現。如果以過去10或15年造成臺灣災情的所有主要侵臺颱風,作為環境對颱風影響的不確定性分析基礎,是另一種過去氣候變化對颱風影響的採樣方式,比較不會受到特殊個案的條件限制,但是颱風的生成、發展與其環境間的交互作用更為複雜,需要更完整的對照、比較。

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2. 研究方法、進行步驟與執行進度

極端天氣與氣候事件對於社會、經濟與環境的衝擊遠大於平均氣候狀態的些許改變,IPCC第四次評估報告整理多數氣候模式所模擬推估的極端氣溫與降雨在未來的變化,認為未來許多地方都可能增加破紀錄的高溫,但也減少極端低溫發生的機率,在極端降雨型態變化方面,則是發生豪大雨的機率增加,但小雨發生的機率也大量減少(圖11,Gutowski et al. 2008)。不過未來極端降雨變化的推估還是有相當大的不確定性,特別是現階段氣候模式的解析度不足,對於極端降雨模擬準確性令人質疑,對伴隨熱帶氣旋的強烈降雨也可能無法解析,或受到積雲參數化與降雨參數化的影響與調整。此外,在氣候變遷的偵測與歸因方面的研究,過去的工作多半是針對大陸尺度以上的平均溫度變化或極端溫度變異是否受到過去人為活動的影響(Santer et al. 2006, Stott et al. 2004) ,極端降雨以及洪水方面固然也有最近 Min et al. (2011) 與 Pall et al. (2011)等人的分析,但是氣候模式所模擬的區域極端降水的可信度總是值得討論的問題,如何檢驗過去人為溫室氣體排放與暖化對颱風強度以及所伴隨強烈降水變化的影響,更是還沒有相關的研究報告,儘管對於未來變化的推估已經有相當多的論文發表(Knutson et al. 2004, 2010,圖12)。


問題的關鍵在於氣候模式很難合理模擬出如實際觀測到的強烈颱風風場結構與伴隨豪雨,儘管有許多高解析度區域或全球模式已經被應用在未來變化推估的問題上(Knutson et al. 2007, 2008; Zhao et al., 2009; Bender et al. 2010, Murakami et al.2011) ,模擬的颱風與實際觀測的強度或特徵仍有不小的差異,而且這類長時間的高解析度模擬所需要的計算資源與儲存空間,使得不同基本狀態的多系集模擬過於昂貴。與以往的研究方法不同的地方在於直接運用超高解析度的颱風模擬系統,以解決前人研究中無法模擬出如實際觀測到颱風風場結構與伴隨豪雨的問題,而且依據氣候變遷研究歸因的實驗設計以現有大氣環境狀態與去除人為影響的假想狀態,運用平行系集實驗檢視過去百年或三十年因溫室氣體排放所造成的全球暖化究竟是否對颱風造成可分辨的影響。


本計畫希望運用由日本名古屋大學所發展的雲解析風暴模擬模式 (Cloud-Resolving Storm Simulator, CReSS, Tsuboki 2008),以 2009年8月侵臺的莫拉克颱風為例進行研究,計畫共同主持人之一的王重傑教授在過去已經針對莫拉克颱風的模擬有相當多的結果,也證實了 CReSS 模擬莫拉克颱風的特徵、發展過程以及與環境交互作用的能力(圖13),將是研究計畫的主要工具。由於影響颱風強度與降雨演變的因素包含與大尺度環境的水氣與能量交互作用、海溫與環流分布、地形等,這些個別的因素都對颱風可能有舉足輕重的影響,在實驗設計上,我們希望掌握這些即使在現今氣候中可能的變因對颱風強度與降雨的作用,但是另一方面2009年8月的莫拉克颱風受到多重尺度的環境作用,對臺灣而言已經對部份地區破紀錄的降雨與非常嚴重的災害(Hong et al. 2010; Chien and Kuo, 2011),我們希望能保留這些特殊環境作用的基本結構。也就是在莫拉克颱風所在的狀況下,颱風動力過程以及其與環境交互作用所產生可能的強度與降雨演變不確定性範圍。實驗設計上是運用不同的分析資料作為初始與邊界條件驅動CReSS模式,此外則是透過對於初始場的擾動,進一步探索其不確定性範圍,而比較合適與敏感的擾動方式則必須資料同化方法與特性分析(例如楊舒芝發展的LEKTF應用)。 與地形的交互作用的部份是以較極端的方式處理,但一方面則是將地形作用含蓋在影響莫拉克颱風產生極端降雨的多重因素與不確性範圍,也可以用以評估其他異於臺灣環境條件的平地,受相似颱風侵襲的狀況。相關的系集實驗設計如下:

  • 地形交互作用:

  1. 實際地形;
  2. 實際地形的50%;
  3. 去除地形

 

  • 不同的分析資料:

  1. ECMWF YOTC Analysis;
  2. ERA Interim;
  3. NCEP CFS Reanalysis;
  4. NASA MERRA Reanalysis;
  5. JMA Regional Analysis

 

  • 初始場擾動:

  1. 3個不同初始場擾動(吳俊傑或楊舒芝提供建議)


如果所有的變動都進行實驗,針對現今氣候狀態共有54個系集成員 (3 x 6 x 3)。 過去不管是熱帶大西洋或太平洋洋面,主要氣旋生成區域的海溫的確可以歸因於過去人為溫室氣體排放與暖化(圖14, Santer et al 2006, Gillett et al. 2008),去除人為影響的假想狀態的實驗設計,必須估算過去人為影響對大氣與海洋環境 場的作用,並將其從驅動CReSS模式的初始與邊界條件去除,考慮過去百年全球平均氣溫改變的長期趨勢與年代際變動,如果以1999至2008年做為已受人為影響大氣與海洋狀態的計算比較基準(10年平均可以去除如聖嬰—南方振盪的年際變化影響),可以選擇 1899至1908年做為尚未受人為影響狀態的代表,優點是大氣與海洋狀態改變量大,模式的反應可能比較明顯,但估算過去百年變化的大氣分析資料,目前只有二十世紀再分析計畫(Campo et al., 2011)可以運用,不過該分析並沒有同化實際大氣高空資料; 另外一個選擇是以 1969-1978年做為尚未受人為影響狀態的代表,在全球平均氣溫改變的歸因研究顯示,也只有在1980年代以後人為影響才可以與自然變動區分,此時期可用的資料為 NCEP/NCAR 再分析資料( Kalnay et al.1996),比二十世紀再分析計畫多了大氣高空資料的同化,但是大氣與海洋狀態改變量較小,模式反應可能比較沒有那麼清楚。如果計算資源不足,可以先進行過去百年變動的歸因系集實驗。


最後,也可以嘗試由CMIP3全球氣候模式的二十世紀含所有輻射驅動力的數值實驗( 20c3m with all radiative forcing included simulation )與只含自然變動的輻射驅動力(natural radiative forcing only simulation)加以對照比較,Pall et al.(2011)研究所運用 climateprediction.net 的季節歸因實驗便是以4個不同全球氣候模式估計過去百年來人為影響對大氣與海洋環境場的作用(圖15),但是缺點是由模式所估計,並非實際觀測推算,優點是可以用多個模式涵蓋估計的不確定性。
除了先以2009年8月莫拉克颱風探討極端天氣系統變化的偵測與歸因外,上述結 果可能的問題在於莫拉克颱風是否只是特殊個案,所分析的結果雖然考慮了環境分析差異或初始場擾動等,做為不確定性範圍的採樣與估計,以利可能發生機率的客觀呈現。不過如果只限於討論2009年8月的莫拉克颱風的特殊極端情形與所處環境,也可能有是否具普遍性與代表性而可以進一步適用其他侵臺颱風方面的問題。此外,以1960~2009年的颱風降雨統計資料為例,造成臺灣重大災害 (如莫拉克、賀伯、納莉)的颱風極端強降雨 (排名前10%的颱風降雨),發生的頻率在2000年以前(1970~1999年),平均3~4年才發生一次,但是在2000年以後,則平均每年就發生一次,也因此有人開始討論侵臺颱風極端降雨是否已經發生可偵測的變化,而且可以歸因於人為的暖化環境。當然以侵臺颱風做為氣候變遷對颱風強度與極端降雨的影響,會遭遇採樣不足的問題,整個西北太平洋平均每年的熱帶氣旋數目以日本東京區域颱風中心(RSMC Tokyo - Typhoon Center)統計的1971-2000年平均氣候值為 26.7個(圖16),長期趨勢並不顯著,而且有明顯的年際與年代際變化,最多為1967年的39個,最少為2010年的14個,不過其中接近臺灣而有發佈颱風警報的颱風年平均只有4到5個,也一樣有明顯的年際變化,雖然採樣的問題無法避免,必須小心詮釋其意涵,但是區域特性的變化畢竟是各國氣候變遷影響評估的核心問題,必須加以處理。


計畫的第二階段將以1996年至2010年期間,所有接近臺灣且造成較大風雨以及災害的颱風為目標,進行人為溫室氣體排放與暖化效應影響研究,颱風總數為47個,涵蓋不同強度、侵臺路徑、生成月份等(參見表1),雖然個數不算多,但是應該包含了主要的特徵與變動範圍。運用CReSS模式合理模擬這些不同強度、路徑的颱風是更加困難的挑戰,模式必須能夠區分在實際環境條件下個別颱風行徑、發展以及所伴隨的降雨分布,同時這些近年來的颱風有較高的比例造成極端強降雨與重大災害,原本就是研究的主題。與先前的實驗設計相同,所有的個案都將以去除人為影響的假想狀態重行模擬,以釐清人為溫室氣體排放與暖化效應對颱風影響的可能性範圍,同時也可以檢視其對不同強度、路徑颱風作用的差別。
最後是計畫第三階段的規化,上述的人為溫室氣體排放與暖化效應對颱風影響的歸因研究設計上,是針對已發生的颱風事件進行評估,不過無法處理的問題是颱風發生頻率或分布是否有可偵測與歸因的改變,這方面的議題以過去資料的角度而言,無論是在太平洋或大西洋,可能連是否有可被偵測的改變都是爭議的問題,以有百年颱風資料的北大西洋為例,最新的分析在修正早年洋面上只有船隻報告,沒有衛星監測的效應後,Vecchi and Knutson (2008) 認為19世紀末北大西洋可能與21世紀初相似。


所以這部份可能反而要以自然變動的可能範圍估算颱風發生頻率或分布是否已經到達可被偵測出的水準,這方面在未來將優先規化以HiRAM模式進行,特別是未來有可變動網格解析度的版本,可以用更高解析度解決颱風強度與降雨模擬不足的問題。最後是除了颱風以外,高解析度的HiRAM模式也可以針對其他的極端天氣與氣候指標進行驗證與歸因實驗方面的實驗設計,最近 Min et al (2011) 的工作雖然已經開始探討極端天氣與氣候指標過去長期變化的偵測與歸因,不過其研究運用 CMIP3的全球氣候模式,在空間解析度不足的情形下,模式未必能準確模擬出觀測的極端天氣與氣候指標,也因此可能影響分析。計畫的最後階段將著重在評估HiRAM模式在計畫研究主題方面應用的可行性與相關結果。
此外是直接運用 climateprediction.net 的季節歸因實驗(Seasonal Attribution Experiment)或驗證與歸因實驗(Validation and Attribution Experiment)的大量模擬結果(超過1000個系集成員),Pall et al. (2011) 已經運用其在2000年英格蘭與威爾斯發生洪水的歸因問題上,這些數值實驗結果在極端天氣與氣候指標過去長期變化的偵測與歸因研究方面的應用,也可以與HiRAM模式的評估並行,climateprediction.net 所規劃的數值實驗的空間解析度也不高,但是其特色是已有大量的系集成員,將有利於以機率的方式表示結果與其伴隨的不確定性。


上述的實驗主要都是以區域與全球高解析度大氣模式所進行,未能完整處理的是大氣與海洋耦合過程與交互作用,這些過程可能對極端天氣系統產生局部地區的反饋作用,也可能進一步影響更大範圍的環流狀態。以熱帶氣旋為例,除了氣旋所產生的艾克曼流場(Ekman pumping)引發的湧升流與海溫下降,將可能造成抑制氣旋發展的作用外,也有研究顯示大氣與海洋耦合模式以及只有大氣模式未含耦合過程時,Nino 3 區海溫距平與垂直風切變動的回歸關係,並不相同(Smirnov and Vimont, 2011)。這方面的研究,計畫將透過與Texas A&M大學Jen-Shan Hsieh博士的合作,加以探討。謝博士在張平與Saravanan教授的領導下,已經建立了以WRF與ROMS為基礎的區域耦合氣候模式(圖17),研究相關的議題,計畫將透過研究交流,瞭解大氣與海洋交互作用在極端天氣系統模擬的影響。


最後是計畫所建構的臺灣氣候模式逐漸成型的過程,可以考慮進行偵測與歸因的相關實驗。


2011-2012 工作進度:

  1. 在現今氣候條件下,以CReSS模式進行莫拉克颱風的系集模擬實驗,分析動力系統與大氣海洋環境資料差異所可能造成的不確性範圍。
  2. 估算人為溫室氣體排放及其他活動在過去 100 (30) 年來對大氣與海洋環境場影響。
  3. 以去除人為影響的假想狀態,運用CReSS模式重複進行與(1)相似莫拉克颱風的系集模擬實驗。
  4. 以統計方法分析人為的溫室氣體排放與其暖化作用是否對如莫拉克颱風的極端天氣系統變化造成可分辨的影響。
  5. 分析區域極端天氣系統降水變化的各種物理過程(大尺度環流場、水氣場、地形效應與暖化環境等)所扮演的角色並量化個別過程的相對重要性,以及其對極端天氣系統強度與降雨。


2013-2014 工作進度:

  1. 在現今氣候條件下,以CReSS模式進行自1996至2010年間,所有接近臺灣且造成較大風雨以及災害的47個颱風的模擬實驗,評估模式模擬颱風路徑、強度與降雨的能力,分析不同生成月份、強度、侵臺路徑以及大氣海洋環境資料差異所可能造成的不確性範圍。
  2. 以去除人為影響的假想狀態,運用CReSS模式重複進行與(1)相似的47個颱風模擬實驗。
  3. 以統計方法分析人為的溫室氣體排放與其暖化作用是否已經對颱風的變化造成可分辨的影響。
  4. 分析影響不同路徑、強度颱風降水變化的各種物理過程(大尺度環流場、水氣 場、地形效應與暖化環境等)所扮演的角色,並量化個別過程的相對重要性,比較人為溫室氣體排放與暖化效應對不同路徑、強度颱風影響的差異。
  5. 瞭解大氣海洋交互作用對颱風與其他極端天氣與氣候指標短期變動與長期變遷的影響。


2015 工作進度:

  1. 延續 2011-2014年的侵臺颱風變化的偵測與歸因分析工作
  2. 測試以可變動網格解析度的版本HiRAM模式進行極端天氣與氣候變異的偵測 與歸因的可行性
  3. 分析直接運用 climateprediction.net 的氣候變遷歸因相關實驗結果,在極端 天氣與氣候指標過去長期變化的偵測與歸因研究方面的可行性。
  4. 規劃計畫所建構的臺灣氣候模式在極端天氣與氣候變異的偵測與歸因的數值 實驗。

 

預計成果

  1. 估算人為溫室氣體排放及其他活動在過去對大氣與海洋環境場影響,並以創新的數值模擬實驗評估人為活動與其對環境的暖化作用,是否對極端天氣系統變化造成可分辨的影響。
  2. 分析並以範圍與發生或然率的方式,表現暖化作用對極端天氣系統的強度以及降雨量變動的作用與其不確定性 。
  3. 瞭解影響區域極端天氣系統降水變化的各種物理過程(大尺度環流場、水氣場、地形效應與暖化環境等)所扮演的角色並量化個別過程的相對重要性。
  4. 進一步比較人為溫室氣體排放與暖化效應對不同區域極端天氣系統(例如不同路徑、強度颱風)影響的差異。
  5. 應用與評估高解析度區域氣候模式以及總計劃所發展的氣候模式,模擬研究人為的溫室氣體排放與其暖化作用對區域颱風與其他極端天氣與氣候指標發生頻率是否已造成可偵測的影響,規劃相關模擬與實驗策略。

Read more: 2. 研究方法、進行步驟與執行進度


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