列印 

背景回顧、研究動機與獨創性

氣候及其變異對於颱風活動的潛在影響一直是個有趣而重要的研究議題。2007 年最近一次的政府間氣候變遷委員會(Intergovernmental Panel on ClimateChange;IPCC)報告書(IPCC 2007)指出:全球大氣中二氧化碳、甲烷與氮氧化物等溫室氣體的濃度自西元1750 年以來顯著上升,至今已大幅超越工業革命前維持達數千年的水準。自IPCC 的第三次評估報告後,我們也充分瞭解到人為53活動在全球氣候變遷中的重要性。1750 年以來的人為活動據信已為現今的全球氣候系統帶來重大的影響,包括全球平均大氣與海洋溫度的增加、廣泛的冰雪融化、以及全球平均海平面升高等。大部分的熱帶洋面很可能也由於相同的因素而顯著增溫(Santer et al. 2006; Knutson et al. 2004, 2006; Karoly and Wu 2005)。假如人為的溫室氣體排放是造成這些洋面增溫的主要原因,那如IPCC(2007)的氣候推測(climate projection)所述,相較於20 世紀,熱帶洋面的溫度預估在21世紀將增加更多。

 

要探討颱風活動與氣候特性,我們得先對過去的歷史颱風觀測資料做全盤性的分析,瞭解各尺度的氣候變異度與不同洋面上颱風活動的關聯性。目前我們已知颱風活動的年際(interannual)變化受聖嬰-南方振動現象(El Niño-SouthernOscillation;ENSO)影響(例如:Lander 1994;Chan 2000;Wang and Chan 2002),在西北太平洋地區,聖嬰年中颱風生成區域會往東偏移,並因此颱風較平時容易有較長的生命期,在接近陸地時達到較強的平均強度(Chia and Ropelewski2002;Chen et al. 2006)。對於季內(intraseasonal)尺度,颱風活動的變異度則主要受Madden-Julian Oscillation(MJO)控制,以西北太平洋地區為例,這種30~60 天週期的對流活動波動之相位會影響到颱風的生成與移動路徑(Harr andElsberry 1991;Liebmann et al. 1994;Kim et al. 2008)。

 

而在長期的趨勢方面,2005 年間兩篇頗具影響性的學術論文基於觀測資料指出颱風活動呈現增加的趨勢。Emanuel(2005)提出西太平洋和大西洋颱風的能量耗散指數(Power Dissipation Index;PDI;颱風最大風速的立方對時間積分)在近50 年間顯著增加的證據;而Webster el al.(2005)也印證了Emanuel(2005)的研究,他們發現全球最強烈的颱風(Saffir-Simpson 等級中的第4、5 級)總數在1975 年到2004 年間有顯著增加,同時弱颱風有減少的趨勢。Mann and Emanuel(2006)並指出大西洋的颱風數量與熱帶大西洋海溫的低頻變異密切相關,其中包括了自19 世紀晚期到20 世紀早期的長期增加趨勢。然而,目前我們可用的颱風歷史觀測資料長度還是太短,只有在近年來才能精確的偵測強烈的颱風,早年甚至可能有為數眾多的遠洋颱風未被偵測到。此事實嚴重限制了我們探討颱風活動在數十年間長期變動趨勢的可信度(Landsea et al. 2004, 2006; Landsea 2005)。有鑑於此,Knapp and Kossin(2007)依據23 年間解析度調整到一致的衛星資料,以自動演算法重新分析全球颱風強度,建構出一組無長期偏差的颱風資料庫。此資料庫顯示在大西洋和東太平洋地區依然可以看到如Emanuel(2005)和Websteret al.(2005)一致的颱風強度變化趨勢,但在其他洋面則與由現有美軍聯合颱風警報中心(Joint Typhoon Warning Center;JTWC)的最佳路徑(best-track)資料分析所得的趨勢有較大的差異(Kossin et al. 2007)。

 

另一方面,在研究颱風活動的氣候變異的議題上,氣候模式依然是相當重要的工具。我們可利用氣候模式做過去氣候的回溯性預報(retrospective forecast),並和過去的歷史資料相互比對,如果可以在某種程度上得到和觀測相吻合的結果,則驗證了氣候模式中對氣候系統如何運作的假設,並且使我們對運用此模式做未來氣候模擬預報具有信心。更進一步,我們可以透過氣候模式做季節性的預報,或是針對未來的氣候變異情境做氣候推測,這些模式可以在物理基礎上提供與颱風活動相關的大尺度環境場資訊,例如海表面溫度(SST)、颱風的最大潛在強度(Maximum Potential Intensity;MPI;Emanuel 1987, 1988, 2001),以及大尺度的風場等。然而,在這些氣候模式的未來氣候推測中,對於影響颱風活動的區域尺度現象(例如聖嬰現象)的不確定性就較那些大尺度的變數還要大。並且,由於諸如未來人為溫室氣體排放量、雲的回饋(cloud feedback)、間接氣膠效應(indirect aerosol effect)與海洋熱含量的釋出等的不確定因素,就算是對全球平均溫度的推測,也具有部份的不確定性(例如:IPCC 2007)。而對於全球颱風在此未來氣候情境下的發生頻率和平均強度變化趨勢等結果的探討,不確定性就更大了。

 

最新的中、高解析度全球環流模式(Global Circulation Model;GCM)模擬結果指出:在較暖的氣候下,全球的颱風總數有減少的跡象(Sugi et al. 2002;McDonald et al. 2005; Bengtsson et al. 2006; Oouchi et al. 2006; Knutson et al. 2010;Murakami et al. 2011),伴隨著特定區域在部份模擬結果中颱風數量的增加。Murakami et al.(2011)的模擬結果並發現西北太平洋的颱風生成區域和北轉區域皆有東移,導致侵襲東南亞近岸地區的颱風數量減少。然而,但這些研究仍未獲得最終的結論,未來情境下颱風生成地點以及受颱風影響區域的空間分佈改變的不確定性亦大。這些用於全球暖化情境模擬的模式大多未對於重現過去歷史中年際與年代際(interdecadal)颱風活動變化的能力做全面性的檢驗,尤其是在特定的洋面上。模式的解析度也太低,以至於模式雖可產生似颱風的渦旋,但整體強度偏弱。在這樣低的解析度下的颱風生成機制也使許多颱風研究者懷疑這些氣候模式推測的可靠度。

 

儘管部份最高解析度的模式已顯示特定洋面上颱風強度於未來氣候情境中有增加的趨勢(Oouchi et al. 2006; Walsh et al. 2004; Knutson et al. 2010),符合颱風潛在強度理論和理想颱風模擬的推論,但以全球或區域氣候模式模擬來探討未來颱風強度變異的研究仍然意見分歧。受限於目前所使用的這些氣候模式的低解析度,模式中的颱風較觀測偏弱不少。這些模式也並未能模擬出觀測上颱風強度隨海溫的增加趨勢,部份研究(例如Yoshimura et al. 2006)中的檢驗結果顯示所用模式的此一相關性偏低。最新的研究共識為颱風平均強度可能在2100 年較現今增加約2~11%,同時半徑100 公里內的平均降雨也可能增加約20%(Knutson etal. 2010)。

 

即使有上述的考量,未來對於颱風活動與氣候及其變異的關係的研究仍是必須進行的。針對大西洋颱風的季節預報可說是初步的突破點,在給定海溫變異的條件下,以動力模式為基礎的預報方式已在大西洋地區顯示出部份颱風季節性掌握能力(LaRow et al. 2010; Zhao et al. 2010; Vitart 2006; Vitart et al. 2007)。統整上述研究結果,要在全球模式中掌握颱風的生成和發展,進而自物理上探討颱風活動的氣候特性,一個具有解析對流尺度的雲的能力之高解析度耦合大氣 – 海洋模式是必要的。例如日本的非靜力二十面體大氣模式( NonhydrostaticICosahedral Atmospheric Model;NICAM)就以全球3.5 至7 公里的解析度在1至2 週前成功預測了颱風的生成,並模擬出接近觀測強度的颱風強度演變(Fudeyasu et al. 2008; Miura et al. 2007)。

 

對於颱風生成機制較大西洋更為複雜的西北太平洋地區,我們計畫以兩種方式來切入此議題。其一是與美國地球物理流體力學實驗室(Geophysical FluidDynamics Laboratory;GFp)合作,以其高解析度大氣模式(High-ResolutionAtmospheric Model;HiRAM)做高解析度的全球模擬,從中檢驗颱風季節性預報的能力並探討在全球氣候及其變異條件下西北太平洋地區颱風活動的反應。另外,基於電腦運算資源的限制,我們也期望以夏威夷大學(University of Hawaii)國際太平洋研究中心(International Pacific Research Center;IPRC)的區域大氣模式(IPRC Regional Atmospheric Model;iRAM)做高解析度模擬來探討此一議題,此研究方式將扮演由低解析度全球模式過渡到需要極大量運算資源的高解析度全球模式模擬研究的中介地位。

 

初步研究結果

 
在高解析度全球模式模擬方面,本研究與GFp 的Shian-Jiann Lin 博士以及Jan-Huey Chen 博士合作。在給定海表面溫度的條件下,GFp 的HiRAM 模式已能對大西洋地區做準確的年際颱風季節預報,模式預測的颱風數量和觀測颱風數量的相關性達到0.96,並且在修正模式的偏差後,每年預報颱風數量的方均根誤差在1 以下;而對於太平洋地區的颱風,模式預測的颱風數量和觀測颱風數量的相關性也達到0.77(圖6.1)。對於MJO 的成功預測更進一步驗證了此模式對於熱帶大氣的掌握能力(Chen and Lin 2011)。
 

在區域氣候模式模擬方面,本研究與IPRC 的Yuqing Wang 教授以及上海颱風研究所(Shanghai Typhoon Institute)的Ruifen Zhan 博士合作。Stowasser et al.(2007)以較粗解析度的全球耦合氣候模式輸出為邊界條件驅動iCAM 區域氣候模式,用以探討西北太平洋地區颱風活動氣候特性受持續增加的溫室氣體濃度的影響。Zhan et al.(2011a)發現西北太平洋地區的颱風活動年際變化與東印度洋的海表面溫度距平有密切的關係(圖6.2),並以iCAM 模式檢驗此相關性(Zhanet al. 2011b)。Wu et al.(2011)則檢驗了以iCAM 模式進行颱風活動氣候特性模擬對初始條件等變因的敏感性,探討內在變異性對於以區域模式做提高解析度氣候模擬的限制,並指出系集模擬在此實驗中的價值(圖6.3)。

 

另外,針對西北太平洋地區颱風活動內部變異度的分析,本研究與台灣大學KiSeonChoi 博士和Joo-Hong Kim 博士合作。我們目前已檢驗太平洋─日本遙相關型態(PacificJapanteleconnection pattern;Choi et al. 2010)以及北極震盪(Arctic Oscillation;Choi et al. 2011)與東亞颱風發生頻率的關係,並初步分析1990 年代颱風活動在中國南部夏季氣候上所貢獻的降雨量(Kim et al. 2011),未來將進一步探討氣候變異情境下西北太平洋颱風關聯降雨之變化。

圖 6.1: 2000 至2010 年間北大西洋逐年七至十月的 (a) 颶風和 (c) 熱帶氣旋(tropical storm)總數。 (b) 如 (a),但為西北太平洋的颱風。 (d) 如 (b),但為西北太平洋的熱帶氣旋。 黑線為IBTRrACS 觀測值;紫色空心圓圈代表4 個系集成員的結果,其系集平均以紫線和實心圓圈表示;紅線則為移除系集平均偏差後的結果。(取自Chen and Lin 2011 之圖2)
 
圖 6.2: 西北太平洋在 (a) 東印度洋海溫冷年與 (b) 東印度洋海溫暖年 之颱風生成數量和位置。 東印度洋暖年和冷年影響西北太平洋5 × 5 經緯度網格之(c) 颱風生成數與 (d) 出現數 差異(取自Zhan et al. 2011a 之圖6)

 

圖 6.3: 1982 至2001 年間氣候平均的颱風活動7 至10 月季節變化。各顏色虛線分別為模式4 個系集成員的模擬結果;黑色粗實線為模式系集平均;藍色粗線為觀測值。(取自Wu et al. 2011 之圖5)

 

研究方法與特色

 

實驗計畫

  1. 歷史颱風資料之氣候特性分析

    除了以氣候模式做颱風活動的氣候模擬之外,接續前人的工作,對於歷史颱風資料的氣候特性分析仍是我們必須持續進行的工作,並為以高解析度模式模擬颱風活動氣候特性的驗證基礎。西北太平洋地區的颱風活動受多重尺度氣候變異所影響,除了較廣為人知的ENSO 和MJO 外,Zhan et al.(2011a,b)最近發現西北太平洋颱風數量和東印度洋的海表面溫度距平密切相關,將是我們未來探討的重點方向之一。

  2. 西北太平洋地區颱風活動季節性預報

    如前所述,與大西洋地區的颱風活動相比,西北太平洋地區由於受到諸如東亞夏季季風和MJO 等大尺度系統的影響,其颱風活動的氣候特性更為複雜,因而此地區的颱風季節預報就具有更大的挑戰性。要以GFp 的HiRAM 等氣候模式來進行此區域的颱風氣候模擬,模式中處理對流尺度過程的能力將對實驗結果有相當大的影響,因此這樣的模擬也提供檢驗並改進模式中雲微物理過程與積雲對流參數化的絕佳機會。此外,我們也將與美國的地球系統研究實驗室(NOAA/Earth System Research Laboratory;ESRL)合作,採用以系集卡爾曼濾波器做資料同化的初始化方式(Whitaker et al. 2008; Hamill et al. 2011),將有助於進一步改進颱風的路徑與強度預報。

  3. 西北太平洋地區颱風活動受未來全球氣候及其變異的影響

    接續Stowasser et al.(2007)的實驗,我們計畫以iCAM 區域氣候模式探討西北太平洋地區颱風活動在全球暖化情境下的變化。在當今氣候實驗(the presentclimate;PCL)中,以ERA-40 再分析(reanalysis)資料作為初始條件和邊界條件來驅動iCAM 模式,海溫採用Reynolds weekly SST 資料。而在控制實驗(CTL)和N 倍二氧化碳氣候變遷實驗(nxCO2)中,初始條件、邊界條件和海溫資料皆來自CCSM 的模式在對應氣候情境下的輸出。藉此模式模擬結果,我們將特別分析探討未來可能的氣候變遷情境下西北太平洋颱風發生頻率、平均強度,以及所帶來的關聯降雨的變化。自模式輸出中偵測颱風的方法與Nguyen and Walsh(2001)記載的類似,颱風偵測使用的幾項參數皆基於觀測上的颱風特徵。

研究期程

第一年(2011 年8 月 ~ 2012 年07 月):

第二年(2012 年8 月 ~ 2013 年07 月):

第三年(2013 年8 月 ~ 2014 年07 月):

第四年(2014 年8 月 ~ 2015 年07 月):

第五年(2015 年8 月 ~ 2016 年07 月):

 

預期成果

我們將仔細分析歷史颱風觀測資料,檢驗各氣候變異度對颱風活動的影響,並且將採用GFp 的HiRAM 全球模式以及IPRC 的iCAM 區域氣候模式,在足夠高的水平解析度下進行氣候模擬,用以做西北太平洋地區颱風活動的季節性預報與長期趨勢推測,並期望在高解析度下能對模擬的颱風結構和強度做更完整的分析。我們預計將發表一系列關於此主題的期刊論文,並在颱風活動與氣候及其變異相關性的科學議題上做出重要貢獻。由於颱風對我們國家社會有相當大的影響,此研究將特別具有科學意義和實務上的價值。

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