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全球暖化的預測與因應:氣候變遷的預測

大家都關心全球與在地氣候的未來。你知道科學家如何預知未來世界各地的氣候嗎?本文以氣溫為例說明全球與在地的氣候變遷預測。
 
 
 
氣候變遷

鑒於這幾十年來全球環境有惡化的趨勢,1992 年聯合國 158 個會員國齊聚巴西里約熱內盧召開地球高峰會議,共同探討地球環境的問題。會中的一項重要成就是訂下「氣候變化綱要公約」,具體探討人類對氣候系統的影響,與氣候變遷可能帶來的衝擊。

根據綱要公約的定義,處理的氣候變遷是指人為活動直接或間接改變大氣組成,造成在相當的時間尺度內高於正常自然值的變遷。由此可知,這麼多年來大家討論的氣候變遷問題,實際上談的就是大氣中像二氧化碳等溫室氣體,在過去、現在及未來濃度的長期變化所導致的世界各地氣候不正常(超過自然原有的)變化的問題,談的是具統計特性的長期氣候變化,而非短期的天氣變化。

理論上,像二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物、氮氧化物等氣體,在大氣中會吸收地表往上散播的長波輻射,並進行往上及往下的長波輻射,因而會提高大氣對流層的平衡溫度,這種作用稱為溫室效應,這類氣體就是溫室氣體。當溫室氣體的濃度增加時,對流層的平衡溫度跟著升高,這就是所謂的全球暖化。暖化造成地球上水汽的蒸發加快,同時造成山地冰川和極區冰原的融解,因而改變地表對短波輻射吸收的能力。這些過程都會改變大氣環流,因而導致降水的強度改變和降水地區的移動,這就是氣候變遷。

全球各地區的氣候變遷,可能因所在的緯度、海陸分布、地形高度、環流相關位置等的差異,而有不同的趨勢。大氣中溫室氣體的增加,有很大的一部分是人類活動造成的,使用化石燃料排放二氧化碳更是主要的原因。產業活動發達,大量排放溫室氣體,大氣中溫室氣體快速增加,導致暖化速度加快,因而氣候變遷的幅度變大,可能對生態系統造成嚴重而致命的衝擊,進而影響人類未來的生存發展。

基於對氣候變遷導致嚴重後果的關切,全球才有 1997 年 12 月京都議定書的簽定。京都議定書確定全球合作進行溫室氣體減量的行動綱領和目標時程,已於 2005 年 2 月生效,對簽約各國有相當的約束力。由此衍生的所謂碳稅、碳排放許可交易等經濟問題,在在影響世界各國經濟與能源政策的各個層面。

氣候變遷評估的方法

溫室氣體增加理論上會造成全球暖化、全球氣候變遷,但事實上是否如此?溫室氣體影響的程度如何?

要回答這些問題,首先要蒐集世界各地長期的大氣觀測(包括氣象和大氣化學觀測)及地質上的紀錄,來分析證明:氣候確實有變遷,特別是全球暖化,以及暖化趨勢和溫室氣體增加趨勢一致。這方面的分析確實已得到大致上肯定的結果。但分析若只依賴統計,由於方法的局限性,並無法有信心地得知溫室氣體影響的幅度,對於未來氣候變遷的預測就更不用說了。要能夠量化過去溫室氣體影響的幅度,以及對未來氣候變遷的預測,就非靠氣候模式的模擬不可。

氣候模式基本上是一組根據牛頓力學和熱力學,在時間變量下,描述氣候系統中動量、能量和質量守恆的聯立微分方程式。全球氣候模式模擬氣候系統中氣圈(大氣)、水圈(海洋)、陸圈(陸地)、冰圈(冰雪)及生物圈(植被)的變化,以及各個子系統間的交互作用。其中,氣圈的大氣環流模式包括顯示溫室氣體及氣膠對長波和短波輻射影響的模組。模擬時基於現實上的計算考量,用差分代替微分,即用空氣塊代替空氣質點,把全球大氣在水平方向上分成許多網格,垂直方向上分成數層。

舉個例子來說,下節介紹的聯合國跨政府氣候變遷專門委員會(IPCC)報告中列舉的幾個分辨率是 T42L28 的氣候模式,水平解析度是 280 公里(即全球約有 20,000 個網格點),垂直有 28 層。十幾個氣象變數,每 30 分鐘就要計算一次,由此推估模擬一天的大氣變化至少要有 10 億次的計算。海洋方面大概也是如此,冰圈、陸圈及生物圈模擬的計算則可以少一點。由此可見,用氣候模式模擬幾百年氣候的變化需要龐大的計算資源。

使用氣候模式預測未來的氣候變遷,第1個步驟當然是確定氣候模式對於當代的氣候有良好的模擬能力。國際間一些科學先進國家都有國家氣候中心或大氣科學研究中心,各自發展了他們的氣候模式,模式表現的優缺點散見於各學術期刊。

國際氣象界組成一個研究計畫,請各中心使用他們自己的模式進行至少過去 100 年氣候變化的模擬,和未來 100 年在不同溫室氣體排放情境下(由此推算未來大氣中溫室氣體濃度)的模擬預測,並把資料彙整到美國加州的勞倫茲伯克萊實驗室。這就是 IPCC 第一工作小組(科學小組)撰寫厚達上千頁報告所使用的資料庫。2000 年有十幾個中心(模式)參與計畫,至 2006 年已增加到二十幾個。

在 IPCC 第一工作小組第3次報告中,針對 19 世紀末至 2000 年觀測和模擬的全球平均氣溫變化,提及實際觀測的結果,以及只有自然的強迫因素所造成的全球平均氣溫的變化,在 1950 年代以後有很大的差異。若只考慮人為因素,則在 1950 年代附近還是有顯著的不同。如果二者同時考慮,模擬與觀測結果就非常接近。由此可以推論近百年來的氣候變遷,人類的活動真的扮演了很重要的角色。

未來全球氣候變遷

根據 IPCC 第一工作小組第四次報告:

(1)縱使從 2000 年開始讓溫室氣體濃度保持不變,全球氣溫還是會繼續上升。全球平均溫度在本世紀末會較 20 世紀末增加攝氏 0.3 ~ 0.9 度之間,平均攝氏 0.6 度。

(2)至世紀中,平均溫度上升的幅度和溫室氣體濃度間的關係雖有,但還不太顯著。至世紀末就明顯不同,溫室氣體減量越多,越可以避免世紀末全球平均氣溫大幅度增加。

(3)在實際上比較有可能發生的 A1B 情境下,在本世紀末全球平均氣溫將較 20 世紀末增加攝氏 1.7 ~ 4.4 度,平均攝氏 2.8 度。在全球最環保的狀況下,即 B1 情境,將增加攝氏 1.1 ~ 2.9 度,平均攝氏 1.8  度。而最壞、最不環保的狀況下,即 A1FI 情境,則將增加攝氏 2.4 ~ 6.4 度,平均攝氏 4.0 度。因此全球平均增溫是攝氏 1.8 ~ 4.0 度,雖然個別模式預測值可能較高或較低。

此外,也發現在不同的溫室氣體排放情境下,全球各地的溫度都會逐步升高。整體而言,陸地溫度上升大於海洋,北半球高於南半球,北半球高緯度大於低緯度。 2020 ~ 2029 年,不同排放情境產生的增溫差異不大,但是至 2090 ~ 2099 年,差別就顯著了。由此看來,溫室氣體減量可以避免本世紀末氣候有毀滅性的變遷。

臺灣有氣候變遷的問題嗎

談氣候變遷,除了關心全球暖化的問題外,也應該關切一下台灣在地的氣候問題。過去 100 年臺灣有氣候變遷的問題嗎?根據臺灣北中南東 4 個分區幾個測站觀測到的 7 月氣溫「距平」(當年 7 月的平均氣溫減去過去 100 年 7 月的平均氣溫),顯示全台7月的氣溫都有顯著上升的趨勢。

目前 7 月分全臺已是高溫高濕,平地溫度接近攝氏 30 度、相對溼度接近 90%。如果未來氣溫繼續升高,在夏天一定很難過,非整天躲在冷氣房裡不可。臺灣氣候變遷的問題可能蠻嚴重的。

東亞未來的氣候變遷

臺灣未來的氣溫是否會繼續升高?由於全球模式的解析度是 280 公里,無法由全球模式看出各地變遷趨勢的分布如何。這時就得進行降尺度的模擬,即使用區域氣候模式,縮小範圍但提高解析度來進行區域氣候的模擬。

德國馬克思普朗克研究所使用歐洲中心模式(ECHAM4),以水平解析度 280 公里,垂直28層,一天計算 4 次、採用十幾種變數的資料集,做 1990 ~ 2000 年、2040 ~ 2050 年及 2090 ~ 2100 年的全球氣候模擬預報。擷取亞洲部分的資料,驅動美國國家環境預報中心發展的區域波譜模式,便可做 45 公里及 15 公里解析度的降尺度(更詳細、更接近實際)模擬預報。

在 B2 與 A2 情境下,模式模擬預報的本世紀中及本世紀末7月亞洲暖化的情形,以 2040 ~ 2050 年及 2090 ~ 2100 年的平均分別與 1990 ~ 2000 年平均的差異表示,發現亞洲地區七月溫度未來還是會繼續升高,且陸地大於海洋,高緯度大於低緯度。

亞洲地區 2040 ~ 2050 年及 2090 ~ 2100 年在 B2 情境下與 A2 情境下的差異,則顯示 2040 ~ 2050 年升溫的幅度,除了陸地和部分高緯度地區之外,溫室氣體濃度的影響尚不顯著,但是到了世紀末差別就顯示出來了。

臺灣未來的氣候變遷

在 B2 與 A2 情境下,模式模擬預報的世紀中及世紀末七月臺灣地區暖化的情形,若以 2040 ~ 2050 年及 2090 ~ 2100 年的平均分別與 1990 ~ 2000 年平均的差異表示,發現臺灣各地溫度將持續升高,中期臺灣中西部升溫幅度較大,至世紀末則中央山脈地區變的幅度更大。

根據臺灣地區 2040 ~ 2050 年及 2090 ~ 2100 年在 B2 情境下與 A2 情境下的差異,可見至世紀中B2溫度上升幅度較大,至世紀末溫室氣體減量降低暖化速度的效果才會顯現出來。

看到這裡,讀者應該已對從全球到在地的氣候變遷有一個認識。看來全球暖化已不可避免,氣候變遷也會跟著到來,只是嚴重的程度要看溫室氣體排放的多少而定。如果你還有疑問,可以上網查詢相關資料。上 Google 用關鍵字「global warming」搜尋,會出現六千多萬則相關訊息,可見這是當前很熱的一個議題,慢慢看吧。
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