如何面對「旱澇並存」的未來？氣候變遷下區域豪雨和旱災的科學成因

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜古國廷 美術編輯｜張語辰

防洪防旱前先知道…

2018 年 8 月強降雨使南部水災，造成居民傷亡也重創當地產業；同年 9 月，北部降雨使北北基多處淹水。時節將進入冬季與春季，臺灣又可能面臨長時間沒有下雨，引發缺水危機。如何面對「旱澇並存」的未來？本文專訪中研院劉紹臣院士，藉由數十年的大氣科學研究，帶我們了解氣候變遷如何影響臺灣降雨的變化。

區域大雨越來越大、小雨越來越小，這種趨勢會隨全球溫度的增加越來越厲害。

根據聯合國 IPCC 報告，從 1880 年到 2012 年全球平均地表溫度增加約 0.85 度。雖然聯合國研究報告或觀測資料分析，都認為「全球溫度變化」對「全世界總雨量」影響不明顯，但劉紹臣與其團隊發現「地方區域降雨」卻有所改變。

劉紹臣團隊選定北緯 60 度至南緯 60 度之間的區域，針對 1979 年至 2013 年世界各地雨量與溫度資料，使用年際變異法 （Interannual Difference Method, IDM）分析，即任意選擇兩年雨量計算差值，然後比對該兩年的溫度差異做統計分析。分析結果顯示：區域降雨變化趨勢，大多呈現強降雨增加、中小雨減少。

美國、加拿大東部、中東、和南美洲東部地區，呈現明顯的乾燥趨勢。同時，澳洲北部、南非、印度西部、中國西部地區，則呈現明顯的降雨增加。（縱軸為緯度；色條為年度總降雨量趨勢，單位 mm K⁻¹）
資料來源│Liu, R., Liu, S.C., Shiu, CJ. et al. Adv. Atmos. Sci. (2016) 33: 164.

「陸地上看到的這種現象，是用傳統降雨的雨量計測量出來的。海上則是來自遙測衛星的觀測。從陸地和海洋的區域觀測來看，區域大雨越來越大、小雨越來越小的現象非常一致。」劉紹臣補充。

什麼原因使得全球區域大雨越強、中小雨越小？

強降雨生成的原因，是由於底部有很多又濕又暖的空氣，而上面是相對比較乾冷的空氣；那這種情況下面熱、上面冷，它就會產生不穩定性質，因為熱的空氣密度比較低，熱空氣就會開始上升。

熱空氣含有很多水氣的話，上升到幾公里以後，那個水氣就開始變成液態水；再上升幾公里，通常是到六、七公里以後變得更冷，液態水就會變成冰。在水氣變液態、又變成固態的時候，會釋放出來所謂「潛熱」，會使這個對流更加強。

全球暖化影響區域降雨的原因。
資料來源│Chia Chou, J. David Neelin(2004). Mechanisms of Global Warming Impacts on Regional Tropical Precipitation. Journal of Climate 17 (13), 2688-2701 圖說重製│古國廷、張語辰

全球暖化的時候，溫度增加，空氣裡面的飽和水蒸氣也會增加。每增加絕對溫度 1 度 K，空氣中的飽和水蒸氣會增加差不多 7 %；也就是說，每增加 1 度 K，這個對流釋放出來的潛熱就會多出 7%。

潛熱增加了 7%，氣流每這樣上下翻動一下，對流的強度也會增加 7% ，吸進來的水氣量也跟著增加。本來吸進來的半徑好比說是周圍 10 公里，可是對流一加強以後，吸進水氣的能量就更強了，就是以 20 公里的半徑範圍吸進大氣中的水氣。這個循環會繼續，因為它有一個正向的回饋作用，所以這個區域的降雨增幅就超過 7%。

因此，當對流的水氣越多，釋放出來的潛熱越多，那個區域的強降雨就會越強。

至於中小雨為何會減少，是因為氣溫增加 1 度 K，大氣裡面的飽和水蒸氣只增加 7%，但這個強降雨拿走那麼多水氣，中小雨分配到的水氣就少很多。基於這些原因，我們才會看到地球上大部分區域的強降雨增加、而中小雨普遍減少。若以總雨量來說，原來有大量強降雨的地區（例如大洋洲附近），雨量會增加；原來中小雨比較多的地方（例如墨西哥西部的大面積海洋），雨量就會减少。

氣候變遷如何影響臺灣降雨？對我們生活有何衝擊？

臺灣區域降雨同樣有大雨越強、中小雨越小的變化。我們研究團隊蒐集 1961 年至 2005 年間，中央氣象局 15 個地面觀測站資料，將這 45 年來降雨量依降雨強度分成十個等級，再分析各年度降雨強度之降雨量隨溫度的變化。結果如下表所示：

全球溫度每增加 1 度 K ，臺灣降雨強度前 10% 強降雨的降雨量，大約增加 140%；降雨強度後 10% 小雨的降雨量，大約減少 70%。
資料來源│劉紹臣提供（取自 Liu et al., 2009 未發表的資料）

我們的分析結果發現：臺灣強降雨隨溫度升高而增強，當全球溫度每增加 1 度 K ，臺灣降雨強度前 10% 強降雨的降雨量，大約增加 140%；相對的，中小雨隨溫度升高而減少，降雨強度後 10% 小雨的降雨量，隨之減少大約 70% 。近年也發現中小雨的日數一直在減少，不降雨的日數正在增加。這種情況通常是在冬天和春天發生，是臺灣乾旱最嚴重的季節。

我們研究 1961 年至 2011 年侵襲臺灣的颱風特性，也看到類似趨勢。研究結果發現：隨著全球溫度增加，侵襲臺灣颱風的強降雨強度也隨之增加，而中小雨減少。

這個是非常可怕的事情，也就是說颱風強降雨會增加很多，那颱風引起的洪水還有土石流也就隨著增加。因為中小雨減少的趨勢，乾旱對我們臺灣的影響又比洪水來得更大，不只農業需要水，工業也需要用水。面對這些災害，臺灣必須採取調適措施因應，問題在於──我們的調適政策是根據「氣候模式」制定。

臺灣的氣候變遷調適政策建立在氣候模式之上，會有什麼問題？

如果氣候模式預測長時間、大尺度降雨是錯的，那根據這個模式更精細地預測區域、季節性降雨，只是把錯的東西分析得更仔細一點。

近期對於區域強降雨預測有哪些進展？若應用在臺灣有何幫助？

過去研究發現區域大雨增加、小雨減少，我們也注意到大雨雨量的增加，增加程度大到影響全年的雨量。在很多區域，隨著一年一年的變化，只要降雨強度前 30% 的大雨其降雨量增加，那一年的總雨量就會增加；反之減少的話，那一年總雨量就會減少。

根據這個觀察，我們團隊和北京大學、暨南大學合作，用統計方法找出影響強降雨的因素：好比說聖嬰現象─南方震盪 （ENSO）、北太平洋年代際震盪 （PDO），還有全球溫度等。這些影響因素很多是可以預測的，像是 ENSO 現在預測 1 年的準確性已經很不錯，全球溫度也有相當好的預測方法。

然後我們將這些影響因子，跟過去觀測到強降雨的雨量做統計迴歸。我們跟從前預測方法是一樣的，不同之處在於我們的研究聚焦於預測「強降雨」。

目前我們可以預測到差不多未來半年的降雨量，做出來準確性是很好的。這種預測目前來說世界各國雖然做的很多，可是成功率很小。美國氣象局做年度或季節的降雨量預測，通常只能預測下個季節比過去平均雨量偏高或偏低；我們團隊現在可以說下一個季節雨量是多少，或者是明年雨量是多少。

從季節或年度來預測區域降雨，對臺灣的防災是有直接的幫助。

我覺得政府不僅需要投入救災，事前的防災更是重要，像是防洪、防土石流和防旱等各種預防措施。如果把這個區域降雨預測方法應用在臺灣，提早知道下一年或下個季節會有強降雨或乾旱，對臺灣政府規劃氣候變遷的調適策略非常有用。

研究過程如何面對各種困境？

研究的過程總是有上上下下，有時候也是蠻沮喪的，認為自己努力不夠，更努力的話研究應當做得更好。

我大部分時間都在分析資料 （data），我看 data 的時候，今天看 3 個鐘頭，明天看 2 個鐘頭，每次我都用不同的角度去看，拿不同的 data 來分析。幾乎每次我都會說，好像看到了一些新的東西。

「每次分析 data 看到新的東西，其實是我工作最大的動力。」劉紹臣笑著說。
攝影│古國廷

也許後來證明當下初步的研究結果不大對，可是每當看到新東西的同時，對這種工作的滿足，帶給人生的快樂，那種快樂很難形容。

孔子說：「朝聞道，夕死可矣」，我從前完全不信，我後來是信。我相信有人真正看到一個新東西、發現一個新東西，他會快樂到講出這種話。就是說早上聽到這個道理以後，晚上就可以翹掉了，他真正感覺到他這一生夠了。我是做研究的，一天只要能夠學到一點東西，那一天我就會很快樂，這也支持我一而再、再而三地往前走。

延伸閱讀

• 劉紹臣的個人網頁
• 【演講影片】區域性降雨趨勢受全球暖化之影響，講者：劉紹臣
• 周佳、劉紹臣 (2012)。全球氣候變遷觀測。大氣科學，40(3)，185-213。
• 氣候變遷研究聯盟
• Liu, S. C., C. B. Fu, C. J. Shiu, J. P. Chen, and F. T. Wu. (2009) Temperature dependence of global precipitation extremes. Geophys. Res. Lett., 36, L17702.
• Adler, R. F., G. J. Gu, J. J. Wang, G. J. Huffman, S. Curtis, and D. Bolvin. (2008) Relationships between global precipitation and surface temperature on interannual and longer timescales (1979–2006). J. Geophys. Res., 113, D22104.
• Liu, R., S. C. Liu, R. J. Cicerone, C. J. Shiu, J. Li, J. Wang, and Y. Zhang. (2015) Trends of extreme precipitation in eastern China and their possible causes. Advances in Atmospheric Sciences, 32(8), 1027-1037.
• Run Liu , Shaw-Chen Liu , Chein-Jung Shiu , Jun Li , and Yuanhang Zhang. (2016) Trends of regional precipitation and their control mechanisms during 1979–2013. Advances In Atmospheric Sciences, Vol. 33, February 2016, 164–174

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

The post 如何面對「旱澇並存」的未來？氣候變遷下區域豪雨和旱災的科學成因 appeared first on PanSci 泛科學.