研究計畫

氣候變遷研究聯盟總計劃下共有三個子計畫

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。

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