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由地表能量交換的角度來探索氣候變遷問題

105/09/07 瀏覽次數 1622
2016年1月下旬,台灣遭遇數十年未見的強大北極震盪,全國溫度下探零度,台北到高雄都可見到飄雪的現象,對於此次極度異常的低溫,國內單位並未發布全面警告,各國氣象單位也只於數天前發出的氣象預報中提醒低溫特報,因此在各產業領域均未事先充分準備的情況下,造成各地相當嚴重的寒害,農漁業蒙受高額損失。人們不禁試問,面對這種突發的氣候變異現象,我們如何能夠提早預測並且減低隨之造成的巨大災害?關於氣候的預測,是否還有極需改善的領域呢?大自然利用這次北極震盪,提醒科學家對於氣候的理解,仍然猶如蒼海之一粟,需要更多的力道去探索與鑽研。

氣象預報目前的作法是由上到下、由大到小去模擬大氣的情形,而缺乏由小到大、由下到上的論證,原因是地表物體種類繁多,其對天氣的影響過於複雜,這也是氣象預報在地表所面臨的瓶頸:我們知道天氣對地表的影響,卻不全瞭解地表對天氣的影響。將天氣的範圍縮小至農地或是湖泊的大小,亦或一個山谷,稱為微氣候,而微氣候如何影響大尺度氣候,是未來天氣預測一門相當重要的主題。

微氣候的相關研究中,地表能量傳遞過程是最為直觀並且重要的項目。地表的熱量與空氣無時無刻都在交換著,藉由降水、蒸發、太陽輻射、風的吹拂、人為活動等,由空氣進入土壤、水、植物、建物等地表物體,或是由這些地表物體散發到空氣中,這整個水循環的過程,伴隨的是熱量的傳遞。如果我們用二維的方式觀察地表熱量交換的過程,可以得知太陽輻射量從太空進入地表被吸收,以及從地表散逸到太空的能量分配,如下圖所示,在地表能量地交換過程中,主要與水循環有著密切相關,以及地表物體對熱能的吸收與發散。地表過程在大氣環流中扮演一個極為關鍵的角色並且將會直接影響到地表熱通量的結果,因此我們可以藉由監測地表熱通量,了解地表過程,進而獲得微氣候的訊息,改善我們對整體氣候的模擬與預測。

【技術進展】

    如果使用傳統方法,地表熱通量是非常難以測量的,必須在適當的地點架設大型儀器(例如10公尺高的塔),提供穩定的電力來源,才能獲得良好的資料。通常設站的地點會選擇在地形平坦的郊區、荒漠或農地如下圖,圖為中國超級氣象站照片,位於甘肅省。

然而人類近年發射了衛星之後,觀測方法不再侷限於地面測站,衛星可以全年無休在太空中俯視地面,當然也獲得了全年無休的大氣蒸發散資料,並且經過一連串繁複的計算得到地表熱通量。利用遙測資料推算地表熱通量的技術是目前全球正在全力發展的關鍵研究,科學家希望修正遙測獲得的資訊,使其與地面測站所監測到的地表熱通量一致。

另一方面,科學家對於地表能量交換的過程,尚有許多未解之謎,導致地表能量交換的結果產生不對等的現象,亦即由大氣進入地表的總量不等於地表散失到大氣中的總量。此一現象源自於人類對於水循環的理解不全,以及能量交換過程上存在某些作用使平衡式不對等。藉由累積無數衛星資料,這個科學問題的進展正在加速突破之中。
 
【未來展望】

    如同氣象預報一樣,我們也希望能夠精準預測地表能量交換的情形,增進區域氣候預測的能力,決定區域氣候變遷的應對策略,甚至找出區域氣候影響整體氣候的關鍵原因。科學家目前已經可以利用衛星資料,推估出特定範圍內的蒸發散以及地表熱通量,兩者之間已具備不錯的相關性。然而地表覆蓋物種類繁多,只要在全球各地持續累積多年的資料,改進微氣候推估模式的可靠度,必能逐漸歸納出不同種類間的規律性,屆時區域氣候預報可望獲得飛躍式的進步,將之應用於防災科技中,減少天然災害造成的損失。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:小王子眼中21世紀的地球」執行團隊撰稿)
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