臺灣大氣與氣候環境科學研究進展（下）

孫建濤++李旭豐

大型氣象研究計劃

目前，島內正在開展的氣象類大型研究計劃主要有：臺灣氣象主管部門的“氣象科技研究發展中程綱要計劃”，分6年（2010—2015年）執行，目的在于隨時掌握氣象高科技技術的研發趨勢，并針對氣候監測、數值天氣預報等問題進行深入研究，開發或引進最新預報技術，以期提升臺灣氣象科技水準，提高氣象預報效能。該計劃迄今取得的成果包括：初步分析臺灣近百年異常干旱期，顯示花蓮極端干旱期出現頻率的增加現象最為明顯，臺東在上世紀70年代之后也有增加的情形，臺北、臺中和臺南在上世紀60年代后發生的事件數量明顯多于60年代之前，顯示干旱發生頻率有逐漸增多的趨勢；研發全球氣象數值預報模式技術，嘗試引進美國國家環境預測中心新版地表模式（Noah）版本，以提升對地表過程對于大氣影響的預測能力。

鑒于歷年臺風屢屢給臺灣地區造成重大災害，因此臺當局科技主管部門自2002年起重點補助“臺風重點研究計劃”（也稱“追風計劃”），以增進對臺風動力理論的了解，改進臺風路徑與降雨量預報準確度。自2003年起至今，每年都要針對數個臺風進行飛機偵察及投送觀測裝置任務，直接飛到臺風眼周圍43，000英尺內的范圍，以取得臺風周圍關鍵大氣環境數據。所取得的資料會即時傳送至臺灣“中央氣象局”、美國國家環境預報中心、美國海軍數值氣象及海洋中心以及日本氣象廳，并即時輸入至上述氣象機構的數值預報模式中，以期更準確地預報臺風路徑與分析臺風暴風半徑及雨帶結構等。截止到目前，已使得臺灣氣象主管部門TWRF臺風數值模式預報改善約7.8%，改進美國國家環境預報中心全球電腦數值預報模式模式24至72小時臺風路徑預測準確度達10%～20%左右，同時還被成功用來驗證及校正衛星與雷達等遙測資料，藉此提升遙測臺風參數的可信度。此外，臺灣科學家還創新提出海洋暖渦對于臺風強度發展的理論，并在侵襲美國新奧爾良地區的卡特林娜颶風中得到印證。

發展“鄉鎮逐時天氣預報系統”也是臺灣氣象主管部門正在積極努力的一個方向，目的是以動力數值天氣預報模式為基礎，開發動力統計相結合的精致化天氣預報方法及技術，建立逐時天氣預測模型，提供全臺灣（包括金門及馬祖）368個鄉鎮市的逐時天氣預報的作業化指引，以滿足各行各業生產和民眾出行對氣象預報的細致度需求，以及提升對災害性天氣的提早預報能力。該計劃目前取得的成果包括：完成2005—2010年的網格點地面氣象重分析場，以提供接近真實的2.5公里解析度網格點的氣象分析場資料；建立通用克利金法分析地面露點溫度場及地面相對濕度場模組的即時作業自動化流程，并匯入數據庫管理；完成WRF程式的區域模式系集預報作業系統，以解決臺灣復雜環境條件下天氣變化的不確定性，以產制精致化預報的預報指引；引進美國國家大氣研究中心的多普勒雷達變分分析系統同化技術，并配合引進美國對流系統的三維氣象預測技術，以改善島內暴雨預測技術；針對臺灣地區弱綜觀環境下的午后對流發展條件，建立本土化的預報因子；開發未來30與60分鐘風暴活躍度預報技術，首先在2010年臺北市花博會期間，以花博會場進行單點天氣預報實驗，2011年第4季起針對南臺灣128個鄉鎮市區發布鄉鎮預報，進行階段性試運營，將天氣預報的精細度由原先以22個縣市為分區提升至對每一鄉、鎮、市、區都發布各自的天氣預報，并且將一天分成8個時段，詳細預報2天內的天氣變化，以及7天內每12小時的天氣信息。

災害防救

在預防與氣象有關的自然災害方面，臺灣氣象主管部門自2011年起實施“落實防災氣象整合資訊實作”計劃，分4年（2011—2014年）執行，目的是解決以往氣象預報作業產制資訊整合方面的瓶頸問題，發展高精度防災化氣象指標技術、客觀風險管理指標技術、高風險區氣象觀測資訊以及落實防災氣象整合資訊實作系統的相關技術，提升天氣預報服務能力，以避免或減少因天然災害所造成的損失。目前取得的成果包括：在地形起伏程度復雜的花東地區風災高氣象敏感度區域，布建6個自動觀測站，增加可供即時應用的雨量、風向、風速等氣象觀測資訊的搜集密度，提升花東地區災害性天氣觀測的辨識率；研發熱帶氣旋追蹤系統，建立臺風監測及預警機制，落實防災氣象整合資訊實作系統；建立天氣指標原型系統，提供XML格式產品的分析設計，并藉以產生每日至少2次貼近民眾的生活化氣象指標資訊；建立環境污染指標資料庫、氣象因子資料庫，發展客觀防災風險管理技術指標，提供使用者風險管理的參考數據，并完成“系集預報產品調查與發展規劃”。

臺灣科技主管部門自2010年起推動實施“災害防救科技發展與運用”計劃，分5年（2010—2014年）執行，重點項目為：1.臺洪應變與減災研究，包括勘災調查機制、臺洪災害模擬與預警分析研判、研發災害資訊與決策支援系統、天然災害減災與復原策略研究；2.地震應變與減災研究，包括地震應變與減災研究、強震即時警報系統推動研究；3.新興議題減災研究，包括應對氣候與環境變遷的防災調適策略、關鍵基礎設施災害脆弱度與風險管理；4.防災科技落實推廣，包括培育基層能量社區及防災人員、推動“行政主管部門災害防救應用科技方案”、推廣“國土”資訊系統災害防救應用；5.支持及推動公共部門災害防救任務，包括支持“中央災害應變中心”應變、演練、情資研判分析作業。

該計劃目前取得的重要成果包括：依據臺當局水利、水土保持、地政、經建、公路、測繪等主管部門及“中央地質調查所”、臺灣災害防救科技中心的各類災害潛勢圖資，進行各縣市當局災害潛勢圖資的建立工作，包括歷史災害24小時累積降雨致災門檻值圖、縣市坡地災害潛勢圖、全臺重點監控路段及橋梁圖、縣市淹水潛勢圖、鄉鎮坡地災害潛勢圖、鄉鎮淹水潛勢圖等；針對災害風險分析與極端事件沖擊進行研究，建立臺灣不同災害類別的氣候變遷脆弱度與風險地圖，作為應對氣候與環境變遷的調適政策量化依據，由臺灣災害防救科技中心負責規劃建立“臺灣氣候變遷推估與資訊平臺”，進行臺灣氣候變遷的推估與災害沖擊分析；結合地理資訊系統，發展各項災損估算模型，建成可快速計算的“臺灣臺洪災損評估系統”，藉以提升臺洪災損評估效率。

臺灣科技主管部門推動實施的另一項“臺風洪水研究發展計劃”，分5年（2009—2013年）執行，目的是提升臺風、洪水觀測技術，增進臺風路徑與強風、暴雨的預報資訊及洪水和坡地災害的預警能力，并強化大氣水文資料庫之整合與應用，在臺灣臺風洪水研究中心建立可移動式觀測儀器，發展本土化數值模式，結合理論和應用研究，發展臺風、豪雨及洪水的模擬和預報技術，以協助減少臺洪災害和水資源不足的沖擊。

目前取得的重要成果包括：與臺灣氣象主管部門合作，利用“福衛3號”衛星觀測資料，改進適合臺灣復雜地形的高解析度大氣數值模式，針對2008年以來臺風個案進行測試，進行短時系集預報更新模式背景誤差，用以改進臺風路徑預報的精確度；搜集臺風降雨的雨滴譜資料，利用相位雨量估計方法進行臺風降雨雨量估計測試，分析2010年以來臺風的雷達觀測資料，研發極短時預報（0～6小時）的臺風與暴雨預報技術；建立大氣水文整合即時模擬系統，利用集水區模式承接大氣模式所模擬的雨量資料，進行臺風期間每日4次的72小時模擬，同時對2010年以來的臺風數據進行分析，利用整合設定的自動化排程進行河川水位模擬測試與驗證等工作，以提升水位模擬結果的準確度；以具有雨水下水道系統之臺灣都會區為評估對象，搜集雨水下水道系統之標準設計容量及都會區之地理資訊圖層，建立“臺灣都會區淹水快速評估系統”，以利于汛期迅速提供可靠水位資訊；由臺灣臺風洪水研究中心整合島內現有資料，開展臺風定量降雨數值模式系集預報實驗，建立大氣、水文微氣象觀測數據庫，協助模式地表參數的推估，提供災防部門應變作業時可參考的資訊，協助提升災害防救效能。

大氣環境與氣候變遷

在大氣環境與氣候變遷方面，臺灣科技人員取得的成果包括：分析臺灣長期（約100年）氣候變遷資料，發現在上世紀70年代后日照時數約減少15%，同時期降水強度增加約20%，這些變化最可能的肇因來自于人為懸浮微粒的增加，使得臺灣地區云量增加所造成；分析最近40年臺灣地區氣象參數（氣溫、絕對濕度及相對濕度）日夜間不對稱性的變化，結果顯示夜間相對濕度的分布明顯逐漸往較低濕度偏移，在都市區高于90%相對濕度發生時數的減少更是超過兩倍以上，可能是導致臺灣地區起霧頻率減少的主因，也可能導致小雨的減少；針對臺灣地區最近10年的臭氧濃度增加趨勢進行分析，發現現行的空氣污染防治措施雖然抑制了前驅污染物的排放，但是大氣中的總氧化劑濃度在這10年間無顯著變化，顯示臺灣的臭氧問題有其特殊的形成機制；研究厄爾尼諾與西北太平洋及東亞地區的相互關系，顯示西北太平洋及東亞地區在厄爾尼諾（反厄爾尼諾）成熟期時，較易產生反氣旋（氣旋），這和能量平流的變化相關，并且明顯地受季節變化的影響；發現臺風及暴雨對臺灣地區陸源物質通過河川向海洋的輸送過程有重大影響，營養鹽在臺風期間的河川輸出雖因臺灣南北區域有異，但平均也可占全年50%以上。

臺灣科學家自2004年起，應用激光雷達觀測大氣氣溶膠分布結構以及混合層的高度，并根據氣溶膠粒子的光散射特征來判斷如大陸沙塵和東南亞生物質燃燒的傳輸等特殊事件，發現沙塵微粒可經由大氣傳輸而在2至3日之后影響臺灣空氣品質，大氣氣溶膠中的地殼元素濃度最高可增加至平日的3倍。

21世紀初年，空氣污染、全球變暖及環境可持續發展問題對臺灣社會影響越來越大。自上世紀60年代以來，島內工業高速發展，污染物排放在短短40年增加了數十倍，并且由于企業、車輛及人口密集，島內每單位面積空氣污染物排放量在世界主要國家和地區中排名居首，導致臺灣環境質量嚴重惡化，急需找出有效解決之道。為此，臺灣中研院于2004年成立環境變遷研究中心，開展相關研究。

該中心共有20位研究人員，每年近百名海內外訪問學者和博士后、博士生及碩士生參與研究，所內設有微量元素實驗室、大氣氣膠實驗室、環境健康評估實驗室、大氣化學實驗室、空氣污染物實驗室、海洋實驗室、河流生物實驗室、地球化學實驗室等12個實驗室，擁有臺灣當時這方面最完備、最先進的儀器設備，全部對外開放使用。

該所研究范圍涉及從小區域到全球的大氣圈、水圈與生物圈的模式與觀測，包括自然界變化過程與人為活動對環境的影響，研究重點為空氣質量、氣候變遷、水質量、環境保育及生態變遷，包括：全球與區域氣候變遷過程與模式預測；東亞地區空氣污染物之長程傳送與空氣品質；臺灣河川流域的崩塌潛勢分析；地球大氣、海洋演化過程與亞洲古氣候記錄；臺灣近岸與河口水體環境研究；臺灣河流生地化系統與水土資源利用整合研究；臺灣地區臭氧與懸浮微粒的生成及傳輸；臺灣西部平原的熱島效應及其對區域性氣候影響；空氣污染及大氣輻射等。

2012年，該中心研究人員以創新分析方法發現極端降雨與全球溫度的量化關系，即全球溫度每增加1度，全球前10%強降雨就會增加約110%，而中小強度降雨則會減少約20%，較先前“跨政府氣候變遷小組”2007年提出的氣候模式預測大10倍。

為能審慎評估全球氣候變遷可能對臺灣水資源、土砂管理、洪水及海岸防護等造成的沖擊，臺灣水利主管部門實施了“氣候變遷對水環境的沖擊與調適研究計劃”，分4年（2010—2013年）執行，取得重要成果包括：使用A1B情境（即假設2020—2039年，全球經濟大幅成長，市場經濟導向，窮國與富國之間的差距消失，人類大幅投資教育與提高生活水準，科技的成長與資訊流通順暢，再生能源與石化燃料并用，土地使用變遷速度適中），分析研究臺灣淡水河流域、曾文溪流域與高屏溪流域降雨量的變化，發現有明顯增加的趨勢，南部地區降雨量增加12%～89%；分析屆時氣候變遷可能對洪水防護造成的沖擊，并確立可能受災害的高風險地區；針對南部地區，分析在氣候變遷影響下，水資源管理的危險度、脆弱度以及風險度；評估臺灣西南沿海（嘉義、臺南、高雄與屏東地區）氣候變遷下海岸災害的脆弱度及風險；針對臺灣29座中大型水庫及5座重要小型水庫、人工湖與7座攔河堰（壩）的現況資料進行運轉風險評估。

臺灣中研院環境變遷研究中心目前正在執行臺當局科技主管部門的“臺灣氣候變遷趨勢推估研究與應用平臺”計劃，銜接其以往從事的“全球與本地氣候變遷模擬”研究成果，進行臺灣氣候變遷趨勢的推估，以降低臺灣未來面對氣候變遷可能帶來的災害風險。目前取得的成果包括：完成測站氣象變數約1000萬條紙本紀錄的數字化工作，并完成均一化與網格化的操作流程與技術；完成了三情境下（A1B、A2 與B1）共24組模式的月降雨和月溫度長期推估，并利用網格化資料將推估的空間尺度解析至5公里，并利用WRF進行動力降尺度及氣候變遷推估；將上述統計降尺度氣候推估資料應用于水文及水資源沖擊分析上，對曾文溪及淡水河流域因氣候變遷所造成的沖擊進行初步分析；完成《臺灣氣候變遷科學報告》的撰擬，可作為政府部門在氣候變遷議題推動上的本土科學數據參考。

此外，該中心還開展了“東亞與臺灣區域臭氧、河川流量、候鳥、登革熱、糧產與森林變遷模式整合與沖擊評估及因應策略研究”、“西北太平洋強烈臺風在初夏的突變”、“氮氧化物減量對都市臭氧濃度的影響”等課題研究。