研究計畫

氣候變遷研究聯盟總計劃下共有三個子計畫

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)。

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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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