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背景說明及目的

解析天氣尺度的地球系統模式

為了評估氣候變遷(自然或人為)的衝擊,吾人必須建構能模擬真實大氣的地球系統模式。此一模式必須能夠反映過去一百年來的大氣變化,才有可能估計未來氣候變遷。由於模式動力架構近年來的改善,目前的模式已經可以合理的模擬大尺度環流,但是對於空間尺度無法解析的過程的模擬能力仍舊有限,這也是目前模式的主要誤差來源。為了要提升估計氣候變遷衝擊的能力,我們必須從改善氣候模式做起。
現階段的氣候模式雖然已經可以成功的反映出實際的氣候變化,而且也已經被用來推估未來氣候,但是前述的模式缺憾也可能導致不正確的推估結果。其中最大的問題之一是目前的氣候模式多仍無法模擬出實際的天氣特徵,尤其是熱帶大氣的模擬。實際熱帶大氣有許多不同尺度的現象,如東風波、熱帶氣旋、季內振盪、聖嬰現象等。氣候模式模擬這些熱帶現象能力的不足,是無法說服使用者相信這些模式有能力估計氣候變遷衝擊的最大阻礙。改善模式必須先解決此一問題,此一觀念就是前述的無接縫模擬(Shuklaet al. 2008, Shukla et al. 2009,Hurrell et al. 2009,Shapiro et al.2010)。如果在這方面能有所改善,我們應能提升氣候推估氣候變遷的能力,這也是本計劃在模式改善方面的主要目標之一。
大部分模式已經可以模擬斜壓不穩定造成的天氣現象,但是在模擬熱帶擾動方面的進展卻極其緩慢。近年來,作業性天氣預報模式在這方面已經有些進展。近年來,國際主要預報中心(如ECMWF,NCEP,UKMO 等)持續的改善熱帶風暴的生成與路徑得以展延可靠天氣預報的日數。部分原因是資料同化技術的進步,另一部分原因則是物理參數化的改良。藉由對濕物理(對流、雲微物理、雲-輻射交互作用、亂流混合等)的改善,這些模式已經可以產生真實的熱帶擾動。由於能更真實的模擬熱帶擾動,天氣模式一旦被當作氣候模式來使用時,多比大部分的氣候模式更能掌握聖嬰現象。亦即,如果能改善天氣模擬,也可以改善氣候模擬。季內振盪則是一個例外。目前大部分的天氣與氣候模式仍無法模擬與預報真實的季內振盪。比如,中緯度的季內振盪現象(如北極振盪、北大西洋振盪)仍無法被成功的預報與模擬。較好的對流參數化可以改善熱帶季內振盪的模擬,但是我們仍然不知道如何改善北極振盪的模擬。本模式建置計劃將藉由吸收各大預報中心的經驗,以及透過對模式內短期變化特性進行較佳的診斷,來改善模擬氣候能力。

國內的氣候模式建構能力的建立

建構氣候模式需要一批研究人員長期全心全力投入於氣候模擬的改善。他們不僅必須了解基本的問題,還得以無數的時間於程式編寫與模式測試。當模式模擬天氣與氣候有了一定程度之後,進一步的改善就越趨困難。因此,經常發生研究人員在數年之內無顯著成果可以發表的情況。這也是大學研究人員通常不願投入此項工作的主要原因。為了讓研發人員無後顧之憂,大部分國家都是由專門的研究中心或大型實驗室來進行模式的長期研發工作。長期以來,國內大學在模式建構方面投入的心力不多,經費多是來自國科會個人計畫,5 年500 百億經費也因項目繁雜,能夠長期投入模式研發的資源有限。除此之外,大學研究多是以教學與個人研究為主,並無資源聘請專職的模式研發人才,因此要進行長期的模式研發工作相當困難。氣象局雖有固定的研發人員,但也因國內投入資源不足與人力短缺,模式研發也逐漸式微。相對而言,中央研究院因為在研究資源的運用有比較大的彈性,可以聘請長期研發人員,是國內最有希望組成一個團隊進行這項長期研發工作的研究機構。這也是為何本計劃建議在中央研究院環境變遷研究中心下成立氣候變遷實驗室進行模式建構的原因。
中央研究院在未來5 年將提供至少5 個研究員缺、2 個電腦工程師與2個技術人員缺作為本計劃的基本研究人力,有了此一團隊再加上國科會提供的博士後與研究員名額,進行相關的模式與資料診斷分析,探討氣候變異與變遷對東亞氣候與劇烈天氣的影響, 台灣終於有機會建立氣候模式建構與詮釋氣候變遷衝擊的能力,在氣候變遷推估與衝擊評析方面有具體貢獻。在本計劃的推動下,台灣將有機會站上氣候模擬的國際舞台。我們將吸取世界各大模式研發中心管理研發人員的寶貴經驗,建立一套可以激勵研發人員研發能量的考核制度(比如,將以對模式建構的具體貢獻,而不是僅以論文發表,來評估模式研發人員的表現),訓練一批年輕研究人員,組成一個可以持續改善模式的研究團隊。新一代氣候模式必須能夠合理的模擬真實的天氣現象,氣象局同仁在此方面的豐富經驗值得借鏡,因此本計劃將與氣象局數值預報研發人員合作,測試與改善模式模擬天氣現象的能力。

研究方法、進行步驟及執行進度

以既有的模式為發展基礎

由於國內的氣候模式發展經驗不多,且無完整的氣候模式,從無到有自行建立一套地球系統模式則緩不濟急。本整合研究計畫將引進既有的模式做為發展基礎,並以延攬國外在模式發展面經驗豐富的資深研究人員以及與國外研究單位合作的方式,推動模式建構工作。
在地球系統模式方面,本計劃將引進美國NCAR 的CCSM 與CESM 作為國內發展地球系統模式建構能力的基礎。CCSM/CESM 是一個經過嚴格測試,說明文件完整,有長期研發團隊為後盾,且最被廣為使用的社群氣候模式。CCSM的說明請參見附錄一。 我們將以這個模式為基礎,從改善大氣物理參數化(如對流、雲量、雲微物理、輻射、邊界層、地表過程、氣膠等參數化)與海洋模組切入,建構一套國內可以自行研發改善的台灣地球系統社群模式。中央研究院環境變遷研究中心的氣候變遷實驗室將負責此一社群模式組的建立與發展,進行氣候變遷模擬研究與推估,並將模式與產出之資料提供國內研究社群使用。大氣物理參數化的改進
本計劃將負責CCSM/CESM 大氣物理參數化的改進,此項工作將由本計畫延攬的潘華陸博士來統籌。潘華陸博士是一位甫從美國NCEP 退休的資深研究人員,在物理參數化面有20 幾年的研究經驗,對NCEP 全球預報系統模式物理參數化的改進貢獻甚多。本計畫初期,他將每年回國幾個月,協助建立模式研發的整體架構,並培養與帶領年輕研究人員進行對流、雲量、雲微物理、邊界層參數化的工作。在輻射與雲方面,將由國科會講座周明達教授帶領研究人員進行參數化的改善。地表過程參數化將由即將回台大大氣科學系就職的羅敏輝博士負責。羅博士的博士論文研究將地下水層加入地表過程模組,成功的評估地下水層以及人為抽水對氣候的影響,在地表過程方面經驗豐富,是擔任此項工作的最佳人選。
其他的模式改善部分包括氣膠/雲微物理與海洋模組。氣膠/雲微物理參數化將由陳教授帶領的研究團隊(子計畫一)來進行。陳正平教授在氣膠與雲微物理方面的研究經驗豐富,將負責將自行發展出一套氣膠與雲微物理參數化建置於CESM 中,評估結果,進行必要的測試與改善。海洋模式的測試與改善將由本計畫共同主持人吳朝榮教授與曾于恒副教授組成的研究團隊來負責。吳朝榮教授與曾于恒副教授是國內少數有大洋環流模擬與模式建構經驗的研究人員,是從事這項工作的最佳人選。
  1. 對流參數化

    深對流與淺對流參數化是模擬熱帶天氣與氣候最重要的物理過程之一。許多證據顯示改善對流參數化,可以改善對颱風、熱帶波動與聖嬰現象的模擬。最近的結果顯示NCEP 模式可以模擬與預報前述的熱帶現象,該模式對流參數化的改善扮演相當重要的角色,中央氣象局的模式裝置了該模組之後,模擬能力也有明顯改善。本計劃將首先把NCEP 這套對流參數化裝入CCSM 與CESM 的大氣模式中,評估其模擬天氣系統的能力。許多對流參數化都源自Arakawa and Schubert scheme,為該參數化的基本假設-「上升氣流區所占面積可以忽略」,在高空間解析度的模式中不再成立,況且熱帶地區的雲簇面積可高達數百平方公里。此一參數化必須改良以便用於高解析度的氣候模式中。本計劃將根據附錄二中的方法改良對流參數化。
  2. 雲量參數化

    輻射效應的計算受到雲量估計影響很大,目前雲量參數化遠遠落後於動力與熱力計算的發展。部分原因是因為模式的水物質分布計算不夠準確,因此雲的估計不準確。最近的發展為使用probability density function 的雲量估計方法是比較有科學基礎的方向。這將是本計劃在雲量參數化工作上的主要方向之一。
  3. 邊界層參數化

    邊界層透過亂流的熱量與動量傳送,是太陽短波輻射驅動大氣運動的主要驅動力。最近在non-local scheme 方面的發展已經證明可以達到較為真實的傳送效果。本計劃將測試non-local scheme 在CCSM 大氣模式中的影響,以改進邊界層參數化。
  4. 輻射參數化

    輻射是驅動大氣運動的主要能量來源,全球暖化所考慮的溫室氣體與氣膠的輻射作用力似乎不大,但是藉由各種回饋過程(如與雲、冰、水氣等的交互作用)可能對氣候造成很大的影響。因此,氣候模式需要完善的大氣輻射模組,才有希望模擬與推估出較為可靠的結果。大氣輻射的計算十分複雜,如果採取精確的計算方式,將占用太多計算資源。但是如果採取較不精確但計算快速的方法,可能錯估輻射影響。輻射的計算也受到雲、氣膠、地表狀況等因素的影響甚鉅。本計劃在輻射參數化方面將進行下列工作:1.透過離線計算的方式評估目前在主要天氣與氣候模式中使用的輻射參數化的太陽短波加熱與紅外線長波冷卻在無雲、有雲與高氣膠濃度大氣中的結果,將結果與複雜方式的計算結果比較,2.根據前述結果進行參數化的改善,3.將改善後的參數化植入CCSM/CESM 進行測試,4.利用衛星觀測資料評估新輻射參數化對輻射收支的影響,以及對模式大氣與海洋的影響。
    輻射是驅動大氣運動的主要能量來源,全球暖化所考慮的溫室氣體與氣膠的輻射作用力似乎不大,但是藉由各種回饋過程(如與雲、冰、水氣等的交互作用)可能對氣候造成很大的影響。因此,氣候模式需要完善的大氣輻射模組,才有希望模擬與推估出較為可靠的結果。大氣輻射的計算十分複雜,如果採取精確的計算方式,將占用太多計算資源。但是如果採取較不精確但計算快速的方法,可能錯估輻射影響。輻射的計算也受到雲、氣膠、地表狀況等因素的影響甚鉅。本計劃在輻射參數化方面將進行下列工作:1.透過離線計算的方式評估目前在主要天氣與氣候模式中使用的輻射參數化的太陽短波加熱與紅外線長波冷卻在無雲、有雲與高氣膠濃度大氣中的結果,將結果與複雜方式的計算結果比較,2.根據前述結果進行參數化的改善,3.將改善後的參數化植入CCSM/CESM 進行測試,4.利用衛星觀測資料評估新輻射參數化對輻射收支的影響,以及對模式大氣與海洋的影響。除此之外,李威良博士利用蒙地卡羅方法進行準確的地面輻射的三維計算(見附錄三),發現在複雜地形上產生的輻射影響相當大,本計劃將建置他的方法於CCSM/CESM 中,評估地形作用對太陽輻射傳遞之影響。
  5. 地表過程參數化

    本計劃將評估不同地表過程參數化,並在選定的地表過程模組中加入地下水層。相關方法請參見附錄四。

雲解析全球大氣模式

如前所述,受限於有限的計算資源,地球系統模在未來幾年仍無法進行可以解析台灣尺度的長期模擬。為了能提高空間解析度以便研判氣候變異與變遷對劇烈天氣的影響,本計劃將引進美國Geophysical Fluid DynamicsLaboratory 所發展的雲解析全球大氣模式High Resolution AtmosphericModel(GFDL HiRAM),該模式為台灣旅美科學家林先建博士一手建立,模擬劇烈天氣系統(如颱風)的能力甚佳(Chen and Lin 2011)。本計劃將與林博士密切合作,取得其最新版本進行下列研究:1.偵測與歸因研究,2.氣候變異與變遷對極端天氣統計特性的影響, 3. 氣候變遷“ 時段切片(time-slicing)"模擬,提供高解析度資料評估本地氣候變遷,或作為降尺度研究之用。第1 項工作將由總計劃與子計畫3 共同進行,第2-3 項工作則由總計劃負責。