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預知「祢」的氣象密碼 風起雲湧誰先知
大自然施了一點魔法,讓巧妙落在環流系統和板塊運動交界處的台灣,領略了許多豐富氣象。雖說天機不可洩漏,但民情穩定、安全無虞是重要的動力,越發推動人類探詢氣象變化的決心。梅雨、颱風,科學家如何預測它們的路徑?在逐步研發的器材與技術裡,人類得以提升預測的精準度,但美國「破颱計畫」的失敗,提醒了人難以勝天,與自然共存才是處世之道。
 
 
台灣處在環流系統的交鋒處,每年的梅雨季與颱風季是重要的雨季,對民安、經濟影響甚鉅,天氣預報因此十分重要。圖片來源:pixabay。
▲台灣處在環流系統的交鋒處,每年的梅雨季與颱風季是重要的雨季,對民安、經濟影響甚鉅,天氣預報因此十分重要。圖片來源:pixabay。
 
自古以來,氣候狀況是影響社會文化發展的重要因素之一。不同氣候環境造就出不同的文明型態,許多民間信仰跟俗語也都和氣候相關,足可證之。在科學文明發展如此快速的現代,「溫室效應」、「全球暖化」、「聖嬰現象」更成為大家談論的話題。對於氣候變化我們該抱持著所謂「人定勝天」或是「順天而行」的做法呢?對於直接影響身在臺灣的我們甚鉅的颱風、豪雨、梅雨等又該如何看待,這些都是值得探討的問題。

臺灣的自然環境特徵

臺灣由於地處世界上最大陸塊與海洋–歐亞大陸與太平洋的交接地帶,加上高聳的中央山脈橫亙其中,在受到冬天東北季風盛行期間的中緯度系統與夏天西南季風盛行期間的熱帶系統交互影響下,造成氣候的四季分明而且多變化。自然地,在各個季節會發生許多「應時」的災變,其中對國民生計影響最大的,就屬上述冬夏季風消長季節轉換時,在五、六月間出現的梅雨以及伴隨的豪大雨、夏秋之際的颱風、以及春季受鋒面影響,不定時出現的局部豪大雨。

近年來臺灣發展迅速,從傳統農業社會快速進步到工商社會。社會富裕之後,不管是土地的開發以及用水用電,都比往年快速成長,加上臺灣山高水急,水土涵養不易。因此,近年來常常看到報導,只要不下雨就開始缺水,水庫每每到達嚴重下限,政府呼籲大家節約用水;但是反過來,一下大雨就隨處可見街道淹水、山坡地的土石流、道路坍方,真的是水可載舟亦可覆舟。

撇開人謀不臧等社會環境問題,對於這種自然界的變化,究竟要如何掌握以趨吉避凶?就目前的科學技術而言,需要靠天氣預報技術來進行預測、追蹤與掌控。
 
臺灣在海陸分布、山脈地形、緯度及季風等多重因素影響下,四季分明、天氣多變,各季節均有災變天氣。
▲臺灣在海陸分布、山脈地形、緯度及季風等多重因素影響下,四季分明、天氣多變,各季節均有災變天氣。


天有不測風雲,現代氣象怎麼預報

現代的天氣預報可不是憑個人感覺、空口說說便可了事的,它是一門精密的科學,須透過各種物理原理和數學方法來處理以得出結果。實際上現今的氣象預報可以說是「數值預報」。亦即「基於物理的定律,透過數學方程式的表達,再利用電腦計算以模擬推測未來大氣變化的一種技術」。

以世界各氣象先進國家的數值模式而言,目前在冬天能夠推測出七~八天以後的氣象狀況,精準度也相當的高。除了電腦模擬之外,結合高空同步氣象衛星、地面都卜勒雷達等遙測技術,才能將天氣預報的資訊處理得較為完整。

然而即使設備再先進、電腦再進步、科學再發達,氣象預報也不是萬能,準確度更無法達到百分之百,其主要原因首推氣象預報起始點所需要的觀測資料取得不見得完整正確。雖然有衛星、雷達、探空氣球等各種儀器設備取得各種觀測數據,但是由於儀器本身精準度與觀測時空解析度等限制,這些起始資料尚無法十分完整正確。

其次在於氣象預報需要依賴的物理定律,雖然我們對其所談的基本原理知之甚詳,但是用數學方程式來表達在這些基本原理下所牽涉的眾多大氣變化過程時,有許多物理變化過程如輻射、亂流、積雲對流等,我們無法確切處理,須用可以處理的參數來代表這些過程對大氣變化的影響,這就是所謂的「參數化」。再者,物理定律雖然可以用數學方程式來表達,但是這些數學方程式的性質是屬於非線性的,無法求得真正的答案,只能用數值方法來求得近似解。由上所述,因為初始資料的不確定性、預報方程式的非線性、以及須用參數化方法處理一些物理過程,所以氣象預報有其先天限制,既無法預報太長時間,也無法做到百分之百的準確。

還有一點也很重要,就是地球本身的大氣環境是一個開放式的空間,各個區域的氣流在不同緯度受到地球自轉影響也不同,且又有南北半球不同的海陸分布及山脈地形影響等等的複雜因素,更增加了氣象預報的困難度,許多微小的變化也就更為無法精確掌握。

這種根據物理定律,以數學方程式表達,並利用電腦進行模擬計算,以預報未來天氣的數值預報,是近50年來大氣科學的重要進展。如將氣象預報在科學上的理論極限,也就是「可預報度」,和現階段的預報技術能力用圖來表示,在不同範圍大小(或稱空間尺度)和時間長短(或稱時間尺度)的座標裡,顯然空間尺度較大的環流系統和其伴隨的天氣現象,可以在它發生以前較長時間做出預報。例如高氣壓、低氣壓動輒綿延數百、數千公里,能做出精確預報的時間點就可以拉得越前面。反之,尺度較小的系統和天氣則預報期限也較短,例如龍捲風、雷雨等,因為其形成的過程很迅速,所以能夠做出精確預測的期限也就越短。以龍捲風為例,透過雷達觀測能夠預報的時間,大約也只有3~5分鐘的預報能力,但這短短的3~5分鐘,卻是逃命的黃金時間。

若是超出可預報極限,此時便是屬於機率性的預報,例如中央氣象局或電視臺的氣象主播常常說今天的降雨機率為40%,即是指相同的環境條件之下,一百次中有40次會造成降雨,但無法精確地告訴我們說哪40次會下雨,哪60次不會下雨,這種就是屬於機率性的問題。相同的,以現階段的科學和技術而言,颱風的路徑和移動方向也是屬於這種機率性的預測。

裙擺搖搖、捉摸不定的颱風

全球發生颱風最多的地方在西太平洋,地理位置恰當的臺灣每年平均會遭受到3.5個颱風的侵襲,最高還曾經高達八個的驚人紀錄。而颱風也是影響我們降水的取得及災害發生的兩刃劍,因此對於颱風我們可以說是又期待又怕受傷害。要形成颱風必須幾個必要的條件,例如海面溫度要高於攝氏26.5度、形成區域的緯度要高於5度、形成區域的海面有不穩定的大氣環境、風隨高度變化不大、海面上有反時鐘方向旋轉的低氣壓存在等五個因素。
 
賀伯颱風侵臺時,由五分山都卜勒雷達站所觀測到的雷達回波強度圖,色愈深愈強。
▲賀伯颱風侵臺時,由五分山都卜勒雷達站所觀測到的雷達回波強度圖,色愈深愈強。


臺灣民間俗語有所謂「一雷破九颱」的說法,事實上這是對颱風的結構有深刻的認識才會有此一說。由於颱風是一個強烈的熱帶性低氣壓,當空氣上升到高層之後逐漸往外圍輻散並下沈,也因此颱風的外圍是屬於比較乾且穩定的下沈空氣,所以颱風來臨之前,天氣狀況相對地較為穩定。從這樣的條件看來,若是夏季平時會有午後雷陣雨出現,代表颱風外圍穩定的下降氣流尚在相當遙遠的地方,並未影響到臺灣附近的大氣環境。

颱風的行進路線受到太平洋高壓以及其他氣象條件的壓制或牽引,也有許多不同的變化。若統計一八九七年到一九九六年侵臺的颱風,約有三分之一會直接穿透臺灣本島而過,而也多虧了中央山脈的阻隔,減輕這些颱風造成的災害。

民國五十二年九月上旬的葛樂禮颱風卻讓臺灣損失慘重,由於當時只有一般傳統觀測站,並沒有雷達設備,對於颱風的觀測資料多半藉由其他國家或地區如關島、香港、菲律賓、日本等取得。因此中央氣象局在資料不足的狀況下做出判斷,認為它不會侵襲臺灣,而實際上颱風卻移至臺灣西北近海,成為典型「西北颱」,加上滿潮的影響河水無法宣洩、以及石門水庫洩洪等多重因素的影響下,民間俗語「西北颱、無人知」的葛樂禮颱風讓北臺灣付出了相當慘痛的代價。但也因此,我國終於在花蓮裝設了第一座氣象雷達,到了一九九六年更增添了可同時觀測風雨的都卜勒雷達,對颱風的掌控能力也越來越精準,當年七月底賀伯颱風侵臺,這座位於五分山的都卜勒雷達就發揮了很大效用。

然而颱風往往脫稿演出,令專家跌破眼鏡,如民國六十六年七月的賽洛馬颱風,原本氣象局預測它會直撲廣東,卻在巴士海峽開始停滯並轉向南臺灣而來,由於風勢強勁,對當時的南臺灣造成嚴重損失。此外同年七月的薇拉颱風也是從琉球「倒退」著侵襲臺灣;民國七十五年的韋恩颱風更是三進三出臺灣陸地與近海,都是怪颱的許多例證。而三個颱風同時發生在西太平洋,而且幾乎在同一個緯度上成一直線,也是在歷史上絕無僅有。
 
民國七十六年九月九日0900 UTC(國際時)的可見光衛星雲圖,三颱並立。
▲民國七十六年九月九日0900 UTC(國際時)的可見光衛星雲圖,三颱並立。
颱風造成的災害如此大,是否可以透過某些科學知識及技術,達到只要它的降雨、減小它的強風,這是大家共同期盼的。美國在一九六○年代曾進行一個所謂的「破颱計畫」,根據基本物理學角動量守恆原理(即當物體的旋轉半徑越小、其旋轉速度越快,若半徑越大則越慢的定律),計劃利用人造雨的方法,讓颱風眼以及暴風半徑擴大的方式來減弱颱風的威力。然而一九八三年該計畫確定中止,其原因在於該計畫證明了以目前現有的科學能力和大自然的條件,完全無法改變颱風的強度或方向。
 
民國七十五年八月十八日至九月五日韋恩颱風移動路徑圖
▲民國七十五年八月十八日至九月五日韋恩颱風移動路徑圖

梅雨梅雨我愛你

梅雨是東亞獨有的一種特殊氣候現象,起因如同前面所提到的,是冬天由中高緯度來的東北季風與夏天由熱帶來的西南季風,在季節轉換時的五、六月交互影響下的產物。當冬天乾冷的大陸性高氣壓和伴隨的東北季風在春末開始慢慢衰退,南方暖溼的西南氣流向北逐步挺進的往復較勁下,分別從南北而來的氣流交會就形成了常令農夫欣喜、上班族討厭的梅雨季節。

在梅雨季節由於兩股氣流的作用,除了降雨之外,天氣的變化劇烈也是一大特色,如俗語「春天後母面」以及「未吃五月粽、棉襖不敢放」等等,都是在形容梅雨季節變化無常的天氣狀況。在紀錄中,臺灣的五月曾經出現過攝氏10度的低溫,六月也出現過攝氏15.6度的低溫;而高溫紀錄在五月跟六月曾分別高達攝氏36.9度以及37.8度。

梅雨鋒面雲帶寬度約七、八百公里,長度有幾千公里,可以從日本一直向西南延伸經臺灣到華南,而在雲帶內常有組織性且水平範圍300~500公里大小的對流系統,這種我們稱之為「中尺度對流系統」,這種對流系統裡面有相當多生生息息的雷雨胞。單一個雷雨胞壽命不長,約半小時到一個小時,然而許許多多的雷雨胞聚集在一起,組成一個中尺度對流系統,其壽命卻可以延長到48小時之久,而這些中尺度對流系統就是造成氣象局發布豪大雨特報的成因。它們究竟是如何生成、如何交互運作,梅雨鋒面內部各種因素又是如何交互作用,這些都是梅雨季豪雨值得研究的關鍵課題。

平均而言因臺灣地區秋冬少雨,隔年的梅雨便成為臺灣主要水資源之一,然而有利就有弊,在六○年代,梅雨季對農業造成相當大的災害,稻株倒伏泡水無法收割,導致當時出現軍隊助割的特殊現象。隨著工商發展,這種災害也隨著轉移到工商業上,因此政府與社會各界開始重視豪大雨所造成的各種災害,然而這時候對於這種豪大雨卻仍缺乏相關研究。於是在一九八三年開始著手規劃,直到一九八七年正式集結了美國、臺灣等專家學者,推動了一個叫做「臺灣地區中尺度實驗」的計畫,透過陸、海、空各種觀測設備,收集到相當多的數據並發表了上百篇的國際學術期刊論文。也因為有了這個研究計畫的各種數據,讓我國研究機構得以繼續解決本土性的災變天氣問題,也因此而建立了氣象局更完整的即時預報系統。

對於梅雨或是颱風所帶來豪大雨的預測,目前國際上常採用一種叫做「技術得分」的方式來計算,最好的分數為 1(完全命中),最差為 0(完全不命中)。以中央氣象局在一九七七年到一九八九年的統計,對於颱風的得分可以到0.6分,但是對於梅雨的得分則只有0.17分。由此可知屬於大範圍的颱風系統我們可以掌握得相當精準,但是對於小範圍、中尺度的梅雨對流系統,還有相當的努力空間。

臺灣本島及周邊的紅外線衛星雲圖,黑線為梅雨鋒面。
▲臺灣本島及周邊的紅外線衛星雲圖,黑線為梅雨鋒面。
 
氣象局對上氣象主播

臺灣的氣象資訊,目前都是由中央氣象局統一提供給各媒體來從事氣象報導的方式進行。最近曾經發生過各氣象主播本著個人的背景經驗,對氣象預報資料自行詮釋,讓民眾對氣象局產生了許多疑惑及抱怨。

以美國而言,他們有許多專門的民間研究機構,針對氣象資料從事各種研究並有氣象專家提出其專業的看法;甚至期貨市場裡也有所謂的「氣候指標」這個交易項目出現。但是臺灣本身以中央氣象局為最高的氣象主管單位,所有的預報資料皆出自於中央氣象局,由於氣象預報本身有它的極限和不確定性,為了避免民眾的困擾,並維護國民生命財產的安全,氣象法規定民間單位及個人不能發布氣象預測,只能針對氣象局的預測進行報導並做出適當的詮釋,這應是一個較為合理且恰當的做法。

人類的生活必須依附在氣候條件下才能順利生存,所以古人說過「順天者昌、逆天者亡」,而人定勝天並不見得是要征服自然,而應該是找尋出一個與自然更加和諧共存的生存之道。

科學是一種生活的態度,是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神,去解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解科技發展的趨勢,由國科會主辦,中央大學理學院科學教育中心承辦的「2003展望系列演講」於焉誕生,本篇為春季「生活科技」系列92.06.06第八場講座的演講實錄。

註:本文所有圖片均為陳泰然教授所提供。
 
來源 來源:
《科學發展》2003年11月,371期,60 ~ 65頁
原標題:風起雲湧誰先知
標籤 標籤:
颱風(38)氣象預報(6)梅雨(5)西南氣流(3)
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