暖化對大氣環流與熱帶區域有甚麼影響?
2018/12/18

吳育雅 | 北一女退休地科教師

37
過去百年大量燃燒化石燃料,大氣中溫室氣體濃度大幅增加,有些效應非常直接單純,大氣中更多二氧化碳使氣溫上升,造成極區的冰融,海平面也上升。但是有些區域的氣候變化比這複雜許多,例如多出來的二氧化碳對大氣環流會有甚麼效應? 噴射氣流及全球雲的分布會受到甚麼影響?
 
 

過去百年大量燃燒化石燃料,大氣中溫室氣體濃度大幅增加,有些效應非常直接單純,大氣中更多二氧化碳使氣溫上升,造成極區的冰融,海平面也上升。但是有些區域的氣候變化比這複雜許多,例如多出來的二氧化碳對大氣環流會有甚麼效應? 噴射氣流及全球雲的分布會受到甚麼影響?

 

圖 1 簡化大氣三胞環流與熱帶區域的哈德里胞
圖 1 簡化大氣三胞環流與熱帶區域的哈德里胞

 

根據任職 NASA 哥達太空中心的氣候學者 George Tselioudis 最近發表的研究,我們可以來了解上述的問題。用簡單的二維來看大氣環流,有兩個重要的特徵:

 

1. 首先一個很大的特徵是哈德里胞 (Hadley cell) ,從間熱帶輻合區 (ITCZ)上升的氣流往高緯度流動,並在副熱帶地區下沉回到地表。

2. 南北半球的中緯度都有一道很強勁的大氣流動,由西往東吹,也就是西風噴流。噴流南北蜿蜒的區域,也是形成中緯度風暴系統的主要路徑。

 

圖 2 衛星實際觀測,H 代表哈德里胞沉降區域,L 是中緯度風暴出現路徑,實心點是噴射氣流的位置,並加上由 CloudSat 觀測到的全球雲分布的資料。左側為南半球,右側為北半球,紅及黃色代表
圖 2 衛星實際觀測,H 代表哈德里胞沉降區域,L 是中緯度風暴出現路徑,實心點是噴射氣流的位置,並加上由 CloudSat 觀測到的全球雲分布的資料。左側為南半球,右側為北半球,紅及黃色代表

 

哈德里胞原本在緯度 20-30 度之間沉降,CloudSat 的觀測資料至為關鍵,雲的生成是重要的,可以獲知雲在甚麼緯度發展,代表真實的全球環流。雲的發展與大氣環流的關係非常明顯,在熱帶地區 (ITCZ) 上升氣流集中發展出又高又厚的雲系,而副熱帶對流沉降區有些廣闊的低雲,並且南半球的擴張程度比北半球更大。風暴區埋伏在噴射氣流之下,發展出高聳巨厚的雲甚至穿越過對流層頂。Tselioudis 和氣候學者們認為全球暖化對大氣環流造成的影響究竟為何? 多數學者都認為暖化使哈德里胞往極區擴展,換句話說,也就是熱帶範圍擴大了! 這的確是過去數十年來觀察到的真實情形。

 

從最近 35 年來的觀測結果顯示,地球變暖了大氣環流的哈德里胞也明顯向極區擴展,不過噴射氣流與風暴區則較不明顯。比較相關的是哈德里胞的範圍與高雲的分布這兩項,在所有季節與全球各地,都有一致性的顯著相關,意思是哈德里胞往高緯擴展,高雲區也同樣向極區擴大。值得仔細分低的是低雲與高雲對地球氣候的影響不同,低雲反射太陽輻射會使地球降溫,相反地高雲對於地表及大氣都有暖化的效應。

 

哈德里胞在南北半球都有擴大的變化,但是有些更細微的差異影響了雲的發展及氣候的效應。在北半球往北移動的高雲有如打開了雲幕,陽光容易到達地表使海面暖化,可是在南半球,向極區擴大的高雲卻有早已存在且擴展的低雲平衡,因而陽光被阻擋而略為冷卻。這些細節是很重要的,在氣候模式中校正條件非常重要,氣候學者稱為[氣候敏感度],若欠缺這些正確的校正,氣候模式不吻合實際觀測,Tselioudis 的研究顯示雲對溫室氣體有略小的氣候敏感度,如果這是對的,可以算是一個好消息吧!

 
圖 3 在這張2005年 7月 11日MODIS取得的全球雲覆蓋資料,可以看出最多的雲
出現在赤道與緯度60度左右,呈帶狀分佈。Image by the Center for Multiscale modeling of Atmospheric Processes.
圖 3 在這張2005年 7月 11日MODIS取得的全球雲覆蓋資料,可以看出最多的雲 出現在赤道與緯度60度左右,呈帶狀分佈。Image by the Center for Multiscale modeling of Atmospheric Processes.