臺灣大氣與氣候環(huán)境科學(xué)研究進展（下）

孫建濤++李旭豐

大型氣象研究計劃

目前，島內(nèi)正在開展的氣象類大型研究計劃主要有：臺灣氣象主管部門的“氣象科技研究發(fā)展中程綱要計劃”，分6年（2010—2015年）執(zhí)行，目的在于隨時掌握氣象高科技技術(shù)的研發(fā)趨勢，并針對氣候監(jiān)測、數(shù)值天氣預(yù)報等問題進行深入研究，開發(fā)或引進最新預(yù)報技術(shù)，以期提升臺灣氣象科技水準(zhǔn)，提高氣象預(yù)報效能。該計劃迄今取得的成果包括：初步分析臺灣近百年異常干旱期，顯示花蓮極端干旱期出現(xiàn)頻率的增加現(xiàn)象最為明顯，臺東在上世紀(jì)70年代之后也有增加的情形，臺北、臺中和臺南在上世紀(jì)60年代后發(fā)生的事件數(shù)量明顯多于60年代之前，顯示干旱發(fā)生頻率有逐漸增多的趨勢；研發(fā)全球氣象數(shù)值預(yù)報模式技術(shù)，嘗試引進美國國家環(huán)境預(yù)測中心新版地表模式（Noah）版本，以提升對地表過程對于大氣影響的預(yù)測能力。

鑒于歷年臺風(fēng)屢屢給臺灣地區(qū)造成重大災(zāi)害，因此臺當(dāng)局科技主管部門自2002年起重點補助“臺風(fēng)重點研究計劃”（也稱“追風(fēng)計劃”），以增進對臺風(fēng)動力理論的了解，改進臺風(fēng)路徑與降雨量預(yù)報準(zhǔn)確度。自2003年起至今，每年都要針對數(shù)個臺風(fēng)進行飛機偵察及投送觀測裝置任務(wù)，直接飛到臺風(fēng)眼周圍43，000英尺內(nèi)的范圍，以取得臺風(fēng)周圍關(guān)鍵大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。所取得的資料會即時傳送至臺灣“中央氣象局”、美國國家環(huán)境預(yù)報中心、美國海軍數(shù)值氣象及海洋中心以及日本氣象廳，并即時輸入至上述氣象機構(gòu)的數(shù)值預(yù)報模式中，以期更準(zhǔn)確地預(yù)報臺風(fēng)路徑與分析臺風(fēng)暴風(fēng)半徑及雨帶結(jié)構(gòu)等。截止到目前，已使得臺灣氣象主管部門TWRF臺風(fēng)數(shù)值模式預(yù)報改善約7.8%，改進美國國家環(huán)境預(yù)報中心全球電腦數(shù)值預(yù)報模式模式24至72小時臺風(fēng)路徑預(yù)測準(zhǔn)確度達10%～20%左右，同時還被成功用來驗證及校正衛(wèi)星與雷達等遙測資料，藉此提升遙測臺風(fēng)參數(shù)的可信度。此外，臺灣科學(xué)家還創(chuàng)新提出海洋暖渦對于臺風(fēng)強度發(fā)展的理論，并在侵襲美國新奧爾良地區(qū)的卡特林娜颶風(fēng)中得到印證。

發(fā)展“鄉(xiāng)鎮(zhèn)逐時天氣預(yù)報系統(tǒng)”也是臺灣氣象主管部門正在積極努力的一個方向，目的是以動力數(shù)值天氣預(yù)報模式為基礎(chǔ)，開發(fā)動力統(tǒng)計相結(jié)合的精致化天氣預(yù)報方法及技術(shù)，建立逐時天氣預(yù)測模型，提供全臺灣（包括金門及馬祖）368個鄉(xiāng)鎮(zhèn)市的逐時天氣預(yù)報的作業(yè)化指引，以滿足各行各業(yè)生產(chǎn)和民眾出行對氣象預(yù)報的細(xì)致度需求，以及提升對災(zāi)害性天氣的提早預(yù)報能力。該計劃目前取得的成果包括：完成2005—2010年的網(wǎng)格點地面氣象重分析場，以提供接近真實的2.5公里解析度網(wǎng)格點的氣象分析場資料；建立通用克利金法分析地面露點溫度場及地面相對濕度場模組的即時作業(yè)自動化流程，并匯入數(shù)據(jù)庫管理；完成WRF程式的區(qū)域模式系集預(yù)報作業(yè)系統(tǒng)，以解決臺灣復(fù)雜環(huán)境條件下天氣變化的不確定性，以產(chǎn)制精致化預(yù)報的預(yù)報指引；引進美國國家大氣研究中心的多普勒雷達變分分析系統(tǒng)同化技術(shù)，并配合引進美國對流系統(tǒng)的三維氣象預(yù)測技術(shù)，以改善島內(nèi)暴雨預(yù)測技術(shù)；針對臺灣地區(qū)弱綜觀環(huán)境下的午后對流發(fā)展條件，建立本土化的預(yù)報因子；開發(fā)未來30與60分鐘風(fēng)暴活躍度預(yù)報技術(shù)，首先在2010年臺北市花博會期間，以花博會場進行單點天氣預(yù)報實驗，2011年第4季起針對南臺灣128個鄉(xiāng)鎮(zhèn)市區(qū)發(fā)布鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報，進行階段性試運營，將天氣預(yù)報的精細(xì)度由原先以22個縣市為分區(qū)提升至對每一鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、市、區(qū)都發(fā)布各自的天氣預(yù)報，并且將一天分成8個時段，詳細(xì)預(yù)報2天內(nèi)的天氣變化，以及7天內(nèi)每12小時的天氣信息。

災(zāi)害防救

在預(yù)防與氣象有關(guān)的自然災(zāi)害方面，臺灣氣象主管部門自2011年起實施“落實防災(zāi)氣象整合資訊實作”計劃，分4年（2011—2014年）執(zhí)行，目的是解決以往氣象預(yù)報作業(yè)產(chǎn)制資訊整合方面的瓶頸問題，發(fā)展高精度防災(zāi)化氣象指標(biāo)技術(shù)、客觀風(fēng)險管理指標(biāo)技術(shù)、高風(fēng)險區(qū)氣象觀測資訊以及落實防災(zāi)氣象整合資訊實作系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，提升天氣預(yù)報服務(wù)能力，以避免或減少因天然災(zāi)害所造成的損失。目前取得的成果包括：在地形起伏程度復(fù)雜的花東地區(qū)風(fēng)災(zāi)高氣象敏感度區(qū)域，布建6個自動觀測站，增加可供即時應(yīng)用的雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象觀測資訊的搜集密度，提升花東地區(qū)災(zāi)害性天氣觀測的辨識率；研發(fā)熱帶氣旋追蹤系統(tǒng)，建立臺風(fēng)監(jiān)測及預(yù)警機制，落實防災(zāi)氣象整合資訊實作系統(tǒng)；建立天氣指標(biāo)原型系統(tǒng)，提供XML格式產(chǎn)品的分析設(shè)計，并藉以產(chǎn)生每日至少2次貼近民眾的生活化氣象指標(biāo)資訊；建立環(huán)境污染指標(biāo)資料庫、氣象因子資料庫，發(fā)展客觀防災(zāi)風(fēng)險管理技術(shù)指標(biāo)，提供使用者風(fēng)險管理的參考數(shù)據(jù)，并完成“系集預(yù)報產(chǎn)品調(diào)查與發(fā)展規(guī)劃”。

臺灣科技主管部門自2010年起推動實施“災(zāi)害防救科技發(fā)展與運用”計劃，分5年（2010—2014年）執(zhí)行，重點項目為：1.臺洪應(yīng)變與減災(zāi)研究，包括勘災(zāi)調(diào)查機制、臺洪災(zāi)害模擬與預(yù)警分析研判、研發(fā)災(zāi)害資訊與決策支援系統(tǒng)、天然災(zāi)害減災(zāi)與復(fù)原策略研究；2.地震應(yīng)變與減災(zāi)研究，包括地震應(yīng)變與減災(zāi)研究、強震即時警報系統(tǒng)推動研究；3.新興議題減災(zāi)研究，包括應(yīng)對氣候與環(huán)境變遷的防災(zāi)調(diào)適策略、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害脆弱度與風(fēng)險管理；4.防災(zāi)科技落實推廣，包括培育基層能量社區(qū)及防災(zāi)人員、推動“行政主管部門災(zāi)害防救應(yīng)用科技方案”、推廣“國土”資訊系統(tǒng)災(zāi)害防救應(yīng)用；5.支持及推動公共部門災(zāi)害防救任務(wù)，包括支持“中央災(zāi)害應(yīng)變中心”應(yīng)變、演練、情資研判分析作業(yè)。

該計劃目前取得的重要成果包括：依據(jù)臺當(dāng)局水利、水土保持、地政、經(jīng)建、公路、測繪等主管部門及“中央地質(zhì)調(diào)查所”、臺灣災(zāi)害防救科技中心的各類災(zāi)害潛勢圖資，進行各縣市當(dāng)局災(zāi)害潛勢圖資的建立工作，包括歷史災(zāi)害24小時累積降雨致災(zāi)門檻值圖、縣市坡地災(zāi)害潛勢圖、全臺重點監(jiān)控路段及橋梁圖、縣市淹水潛勢圖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)坡地災(zāi)害潛勢圖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)淹水潛勢圖等；針對災(zāi)害風(fēng)險分析與極端事件沖擊進行研究，建立臺灣不同災(zāi)害類別的氣候變遷脆弱度與風(fēng)險地圖，作為應(yīng)對氣候與環(huán)境變遷的調(diào)適政策量化依據(jù)，由臺灣災(zāi)害防救科技中心負(fù)責(zé)規(guī)劃建立“臺灣氣候變遷推估與資訊平臺”，進行臺灣氣候變遷的推估與災(zāi)害沖擊分析；結(jié)合地理資訊系統(tǒng)，發(fā)展各項災(zāi)損估算模型，建成可快速計算的“臺灣臺洪災(zāi)損評估系統(tǒng)”，藉以提升臺洪災(zāi)損評估效率。

臺灣科技主管部門推動實施的另一項“臺風(fēng)洪水研究發(fā)展計劃”，分5年（2009—2013年）執(zhí)行，目的是提升臺風(fēng)、洪水觀測技術(shù)，增進臺風(fēng)路徑與強風(fēng)、暴雨的預(yù)報資訊及洪水和坡地災(zāi)害的預(yù)警能力，并強化大氣水文資料庫之整合與應(yīng)用，在臺灣臺風(fēng)洪水研究中心建立可移動式觀測儀器，發(fā)展本土化數(shù)值模式，結(jié)合理論和應(yīng)用研究，發(fā)展臺風(fēng)、豪雨及洪水的模擬和預(yù)報技術(shù)，以協(xié)助減少臺洪災(zāi)害和水資源不足的沖擊。

目前取得的重要成果包括：與臺灣氣象主管部門合作，利用“福衛(wèi)3號”衛(wèi)星觀測資料，改進適合臺灣復(fù)雜地形的高解析度大氣數(shù)值模式，針對2008年以來臺風(fēng)個案進行測試，進行短時系集預(yù)報更新模式背景誤差，用以改進臺風(fēng)路徑預(yù)報的精確度；搜集臺風(fēng)降雨的雨滴譜資料，利用相位雨量估計方法進行臺風(fēng)降雨雨量估計測試，分析2010年以來臺風(fēng)的雷達觀測資料，研發(fā)極短時預(yù)報（0～6小時）的臺風(fēng)與暴雨預(yù)報技術(shù)；建立大氣水文整合即時模擬系統(tǒng)，利用集水區(qū)模式承接大氣模式所模擬的雨量資料，進行臺風(fēng)期間每日4次的72小時模擬，同時對2010年以來的臺風(fēng)數(shù)據(jù)進行分析，利用整合設(shè)定的自動化排程進行河川水位模擬測試與驗證等工作，以提升水位模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度；以具有雨水下水道系統(tǒng)之臺灣都會區(qū)為評估對象，搜集雨水下水道系統(tǒng)之標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計容量及都會區(qū)之地理資訊圖層，建立“臺灣都會區(qū)淹水快速評估系統(tǒng)”，以利于汛期迅速提供可靠水位資訊；由臺灣臺風(fēng)洪水研究中心整合島內(nèi)現(xiàn)有資料，開展臺風(fēng)定量降雨數(shù)值模式系集預(yù)報實驗，建立大氣、水文微氣象觀測數(shù)據(jù)庫，協(xié)助模式地表參數(shù)的推估，提供災(zāi)防部門應(yīng)變作業(yè)時可參考的資訊，協(xié)助提升災(zāi)害防救效能。

大氣環(huán)境與氣候變遷

在大氣環(huán)境與氣候變遷方面，臺灣科技人員取得的成果包括：分析臺灣長期（約100年）氣候變遷資料，發(fā)現(xiàn)在上世紀(jì)70年代后日照時數(shù)約減少15%，同時期降水強度增加約20%，這些變化最可能的肇因來自于人為懸浮微粒的增加，使得臺灣地區(qū)云量增加所造成；分析最近40年臺灣地區(qū)氣象參數(shù)（氣溫、絕對濕度及相對濕度）日夜間不對稱性的變化，結(jié)果顯示夜間相對濕度的分布明顯逐漸往較低濕度偏移，在都市區(qū)高于90%相對濕度發(fā)生時數(shù)的減少更是超過兩倍以上，可能是導(dǎo)致臺灣地區(qū)起霧頻率減少的主因，也可能導(dǎo)致小雨的減少；針對臺灣地區(qū)最近10年的臭氧濃度增加趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的空氣污染防治措施雖然抑制了前驅(qū)污染物的排放，但是大氣中的總氧化劑濃度在這10年間無顯著變化，顯示臺灣的臭氧問題有其特殊的形成機制；研究厄爾尼諾與西北太平洋及東亞地區(qū)的相互關(guān)系，顯示西北太平洋及東亞地區(qū)在厄爾尼諾（反厄爾尼諾）成熟期時，較易產(chǎn)生反氣旋（氣旋），這和能量平流的變化相關(guān)，并且明顯地受季節(jié)變化的影響；發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)及暴雨對臺灣地區(qū)陸源物質(zhì)通過河川向海洋的輸送過程有重大影響，營養(yǎng)鹽在臺風(fēng)期間的河川輸出雖因臺灣南北區(qū)域有異，但平均也可占全年50%以上。

臺灣科學(xué)家自2004年起，應(yīng)用激光雷達觀測大氣氣溶膠分布結(jié)構(gòu)以及混合層的高度，并根據(jù)氣溶膠粒子的光散射特征來判斷如大陸沙塵和東南亞生物質(zhì)燃燒的傳輸?shù)忍厥馐录l(fā)現(xiàn)沙塵微?？山?jīng)由大氣傳輸而在2至3日之后影響臺灣空氣品質(zhì)，大氣氣溶膠中的地殼元素濃度最高可增加至平日的3倍。

21世紀(jì)初年，空氣污染、全球變暖及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展問題對臺灣社會影響越來越大。自上世紀(jì)60年代以來，島內(nèi)工業(yè)高速發(fā)展，污染物排放在短短40年增加了數(shù)十倍，并且由于企業(yè)、車輛及人口密集，島內(nèi)每單位面積空氣污染物排放量在世界主要國家和地區(qū)中排名居首，導(dǎo)致臺灣環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重惡化，急需找出有效解決之道。為此，臺灣中研院于2004年成立環(huán)境變遷研究中心，開展相關(guān)研究。

該中心共有20位研究人員，每年近百名海內(nèi)外訪問學(xué)者和博士后、博士生及碩士生參與研究，所內(nèi)設(shè)有微量元素實驗室、大氣氣膠實驗室、環(huán)境健康評估實驗室、大氣化學(xué)實驗室、空氣污染物實驗室、海洋實驗室、河流生物實驗室、地球化學(xué)實驗室等12個實驗室，擁有臺灣當(dāng)時這方面最完備、最先進的儀器設(shè)備，全部對外開放使用。

該所研究范圍涉及從小區(qū)域到全球的大氣圈、水圈與生物圈的模式與觀測，包括自然界變化過程與人為活動對環(huán)境的影響，研究重點為空氣質(zhì)量、氣候變遷、水質(zhì)量、環(huán)境保育及生態(tài)變遷，包括：全球與區(qū)域氣候變遷過程與模式預(yù)測；東亞地區(qū)空氣污染物之長程傳送與空氣品質(zhì)；臺灣河川流域的崩塌潛勢分析；地球大氣、海洋演化過程與亞洲古氣候記錄；臺灣近岸與河口水體環(huán)境研究；臺灣河流生地化系統(tǒng)與水土資源利用整合研究；臺灣地區(qū)臭氧與懸浮微粒的生成及傳輸；臺灣西部平原的熱島效應(yīng)及其對區(qū)域性氣候影響；空氣污染及大氣輻射等。

2012年，該中心研究人員以創(chuàng)新分析方法發(fā)現(xiàn)極端降雨與全球溫度的量化關(guān)系，即全球溫度每增加1度，全球前10%強降雨就會增加約110%，而中小強度降雨則會減少約20%，較先前“跨政府氣候變遷小組”2007年提出的氣候模式預(yù)測大10倍。

為能審慎評估全球氣候變遷可能對臺灣水資源、土砂管理、洪水及海岸防護等造成的沖擊，臺灣水利主管部門實施了“氣候變遷對水環(huán)境的沖擊與調(diào)適研究計劃”，分4年（2010—2013年）執(zhí)行，取得重要成果包括：使用A1B情境（即假設(shè)2020—2039年，全球經(jīng)濟大幅成長，市場經(jīng)濟導(dǎo)向，窮國與富國之間的差距消失，人類大幅投資教育與提高生活水準(zhǔn)，科技的成長與資訊流通順暢，再生能源與石化燃料并用，土地使用變遷速度適中），分析研究臺灣淡水河流域、曾文溪流域與高屏溪流域降雨量的變化，發(fā)現(xiàn)有明顯增加的趨勢，南部地區(qū)降雨量增加12%～89%；分析屆時氣候變遷可能對洪水防護造成的沖擊，并確立可能受災(zāi)害的高風(fēng)險地區(qū)；針對南部地區(qū)，分析在氣候變遷影響下，水資源管理的危險度、脆弱度以及風(fēng)險度；評估臺灣西南沿海（嘉義、臺南、高雄與屏東地區(qū)）氣候變遷下海岸災(zāi)害的脆弱度及風(fēng)險；針對臺灣29座中大型水庫及5座重要小型水庫、人工湖與7座攔河堰（壩）的現(xiàn)況資料進行運轉(zhuǎn)風(fēng)險評估。

臺灣中研院環(huán)境變遷研究中心目前正在執(zhí)行臺當(dāng)局科技主管部門的“臺灣氣候變遷趨勢推估研究與應(yīng)用平臺”計劃，銜接其以往從事的“全球與本地氣候變遷模擬”研究成果，進行臺灣氣候變遷趨勢的推估，以降低臺灣未來面對氣候變遷可能帶來的災(zāi)害風(fēng)險。目前取得的成果包括：完成測站氣象變數(shù)約1000萬條紙本紀(jì)錄的數(shù)字化工作，并完成均一化與網(wǎng)格化的操作流程與技術(shù)；完成了三情境下（A1B、A2 與B1）共24組模式的月降雨和月溫度長期推估，并利用網(wǎng)格化資料將推估的空間尺度解析至5公里，并利用WRF進行動力降尺度及氣候變遷推估；將上述統(tǒng)計降尺度氣候推估資料應(yīng)用于水文及水資源沖擊分析上，對曾文溪及淡水河流域因氣候變遷所造成的沖擊進行初步分析；完成《臺灣氣候變遷科學(xué)報告》的撰擬，可作為政府部門在氣候變遷議題推動上的本土科學(xué)數(shù)據(jù)參考。

此外，該中心還開展了“東亞與臺灣區(qū)域臭氧、河川流量、候鳥、登革熱、糧產(chǎn)與森林變遷模式整合與沖擊評估及因應(yīng)策略研究”、“西北太平洋強烈臺風(fēng)在初夏的突變”、“氮氧化物減量對都市臭氧濃度的影響”等課題研究。