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美麗而致命的極端天氣系統:颱風

112/03/16 瀏覽次數 2182
圖片來源/Shutterstock

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颱風,對臺灣的我們來說,絕對不陌生。每一次侵襲,強烈的風雨通常都會對民眾的財產、安全造成威脅。但是,若有一年幾乎都沒有颱風造訪,我們隔年又要面對缺水的困擾。它,是如此讓我們又愛又恨。

 

颱風如何形成?

到目前為止,颱風形成基本上還沒有一個確定性的理論,但根據統計,可以找到幾個必要的環境條件(也就是颱風形成的地方至少要滿足這些條件,但有這些條件不保證颱風生成):

  1. 溫暖的海面:海面溫度必須要大於26-27°C。如果我們看太平洋的颱風生成分布,會發現在南美洲的西側沒有任何颱風,那是因為那邊有湧升流,使得海溫大約在24至25°C左右,達不到生成門檻。
  2. 合適的緯度:生成區域必須在緯度5至20度之間,緯度高的地方海溫太冷,緯度低的地方科氏力不夠。
  3. 合適的垂直風切:上層氣流與下層氣流之間的速度差異不可以太大,否則颱風就可能被「撕裂」,無法形成。
  4. 大氣要有足夠的不穩定性。
  5. 足夠的低層渦度,因為颱風生成需要有finite-amplitude的環境初始渦旋擾動。
  6. 較潮溼的中層大氣。

當氣候變遷會對以上這些因素造成改變時,颱風的特性便可能受到影響。

 

過往對氣候變遷與颱風生成的研究

1986年,伊曼紐爾(Kerry Emanuel)發表開創性的論文,將颱風運作的過程看成一個簡單的熱力系統:卡諾熱機,它的效率和颱風上下的溫差有關。當颱風在海面、陸地上前進時,會因為摩擦而損失能量。藉由探討這兩者能量之間的平衡,可以去估計颱風所能達到的最大強度。在1987年,他估算發現,當海面溫度每增加0.5°C,颱風強度大概會增加2%。這可說是研究氣候變遷對颱風影響的濫觴。

隨著電腦運算能力的提升以及數值模式的發展,美國國家海洋大氣研究總署地球物理流體動力學實驗室(GFDL)在2007年,利用模式進行估算。發現如果到世紀末,人類二氧化碳排放量逐漸增加至現在的2倍,平均颱風中心的氣壓會降低10幾個百帕,也支持了颱風強度會增強的趨勢。

至於人類的活動到目前為止,已經造成地球平均溫度上升了逾1°C,是否我們也能看到在過去這段時間,颱風的特性已經受到影響?臺灣大學理學院院長吳俊傑教授分享:「根據目前的研究成果,全球颱風的數目在過去50年內,沒有統計意義上的變化趨勢。可能某一年某個洋面會多一點,有的會少一點;但是全球的颱風總數大致上就落在85至95個的區間。」

由於颱風主要的生成區域在海上,在衛星時代之前,人類的觀測幾乎都只局限在陸地上。因此,只能記錄到在颱風靠近、登陸這段時間的資訊。比較可靠的資料大概從1980年代開始,要去討論長期的趨勢比較困難。國家災害防救科技中心副研究員鄭兆尊解釋道,「除了數據較為缺乏,大自然本身也存在各種時間尺度的氣候變化,要去抽離出人為因素對颱風的影響,並不容易。目前人類活動造成升溫1°C,以颱風的角度來說影響其實還不算到很大。目前從數據上看起來,在過去變化的趨勢不太明顯。」

鄭兆尊副研究員進一步說明:「但是如果人類活動持續造成地球平均溫度上升,在暖化很強的情境之下,颱風的特性就會受到很明顯的影響。根據目前的電腦模擬,在強烈暖化的情境下,21世紀末時,可以觀察到颱風個數減少(以臺灣為處的西北太平洋區域來看,生成數量大約只剩一半),但強颱比例增加的趨勢。」

 

全球暖化如何讓颱風生成數目改變?

全球暖化使得平均溫度上升,從熱力學的角度,溫度上升使空氣中可以容納的水氣變多了。而水氣凝結釋放潛熱的過程,正是颱風生成的重要熱量來源,從這個角度看起來,全球暖化應該更有利於颱風的生成?

吳俊傑教授解釋,「目前比較主流的說法是,在暖化的過程中,其實上層空氣升溫的程度比海面來的高。因此,在暖化情境下,上下層空氣之間的溫差會縮小,使得大氣變得更加穩定,這種情況下是不利於颱風生成的。」除此之外,大氣的環流改變對於颱風的生成也不可忽視,臺灣師範大學地球科學系陳正達教授指出:「目前模擬看到熱帶地區降雨增加的幅度沒有水氣增加的多。其中一個解釋是對流的強度變弱了,也就是熱帶地區上升氣流的比例稍微變少,而上升運動對於颱風生成很重要,如果減弱,可能會使颱風數量減少。」

鄭兆尊副研究員分享電腦模擬研究中看到的現象:「暖化的結果,雖然在全球各地方都會造成海水升溫,但是對於各地區環流的影響並不一樣,例如『垂直風切』這個要素,有的地方會增加,有的地方會變弱。在西北太平洋這邊,我們模擬看到風切變弱,這有利於生成。但也觀察到太平洋高壓增強,使得颱風生成的區域受到壓縮。至少從模擬的資料看起來,數目是慢慢變少。但幅度也不是很大,例如我們所使用的高解析度全球模式的RCP8.6情境,在世紀中溫度上升大約2°C,數目大約下降10%左右,不太明顯。有時候聖嬰、反聖嬰造成的差距就比這個還大。但到世紀末,西北太平洋海溫可能上升3至4°C,但是這地區颱風個數減少了近50%。」

 

其他颱風性質的變化趨勢:颱風路徑、快速增強颱風

除了颱風個數變化、強度增加多少以外,在暖化的情境下,颱風的路徑及其強度增加的速度,也是我們十分關注的議題。

颱風路徑的變化,鄭兆尊副研究員提及:「在區域的變化,目前比較少有全球一致的預測。但是有比較多的模式,都有提到在西北太平洋,轉彎到日本、韓國的颱風變比較多,到菲律賓南海的比例降低。這是大部分模式看到的現象,當然還是有很大的不確定性存在。」吳俊傑教授則分享:「有研究探討颱風達到最大強度時的位置,發現在西北太平洋,會稍微往北偏,儘管差異並不大,但還是有被發現類似的趨勢。也有研究指出,未來大氣環流可能會變慢,使得颱風移動的速度隨之下降。如果是這樣的話,那颱風對特定區域的威脅性會增加。」

而颱風強度增加的速度,我們可以透過研究快速增強 (Rapid Intensification, RI)的趨勢來了解。吳俊傑教授提及:「在過去5、6年,有論文指出,在西北太平洋的颱風,增強的速率有比較快,也就是有比較多的快速增強颱風。但如果說全世界範圍,由於有不同資料需要驗證,目前還沒有一個明顯的結論。」

可以發現這部分目前研究成果的不確定性還比較大,要下明確的結論,尚有待更多的科學研究證實。這種不確定性,起因於颱風本身是極端天氣事件,意思是它的發生本來就比較罕見。但如果我們要能夠明確指出氣候變遷對於它的變化,又必須要蒐集到足夠多的事件,在科學上才能夠做出「具統計意義」的結論。陳正達教授打了個比方說明:「以打棒球來說,如果我們想要判斷一個選手有沒有吃禁藥,那不能夠看到他打出一支全壘打就判定。因為他也可能當天超常發揮。但如果我們蒐集一整個賽季,發現他的全壘打數,在統計上有明顯的增加,那就有討論的空間。」

 

颱風模式研究的注意事項

目前對於全球暖化的研究,由於討論對象主要是平均溫度,可以使用模式進行推測,對於人類活動造成的影響,已經很有信心。但當我們要用類似的方法來研究颱風時,碰到的困難是目前的氣候模式沒有辦法預測颱風。其中一個原因是模式解析度的問題。目前全球氣候模式中的網格點間的距離約是100至200公里,但颱風眼的半徑大約為4、50公里,暴風半徑約為100至500公里。這意味著,在全球氣候模式中,颱風其實只占了幾個網格,在這種情況下我們是沒有辦法去研究颱風的性質如何隨著氣候變遷而變化的。因此其中一個做法是研究颱風時,使用全球氣候模式的結果,在特定區域執行高解析度的模擬。希望藉此可以對颱風的性質能夠有更準確的推測。

除了模式的解析度要足夠解析欲研究的現象,不同模式之間的差異也必須被考量進去。在電腦模擬中,由於計算資源的限制,網格的大小無法無止盡的縮小。但是在模擬過程中,有的小於網格尺度的過程又十分重要,例如像是局部的對流活動、渦流、亂流等現象,我們必須選擇合適的物理模型、參數去對這些過程進行描述。鄭兆尊副研究員解釋,「不同模式使用到的參數化方法不盡相同,就好比不同生物的DNA組成都不一樣而成就出不同的外貌,例如有的模式對流更容易被觸發,導致熱的釋放量也不相同。所以不同模式執行一段時間後,這些差異就會愈來愈明顯。因為他們的DNA不一樣。」

因此,要明確指出氣候變遷對於颱風這類極端事件的影響,其實很不容易。除了仰賴迅速發展的電腦運算速度,研究者持續的投入也不可或缺。期望在未來的一天,我們也有能力可以對這個既有美麗結構,卻又具有致命破壞力的天氣系統,有更詳盡的認識。

 

(客座總編輯|中研院環境變遷研究中心特聘研究員 許晃雄教授;研究顧問團隊|國家災害防救科技中心 陳永明組長、國立臺灣大學國家發展研究所 周桂田教授、國泰金控 程淑芬投資長、行政院能源及減碳辦公室 林子倫教授;責任編輯|梁孟娟、趙守予)

 

資料來源

本文轉載自科技魅癮 NO.6 特別企劃|不可輕忽的氣候問題

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