2014年12月31日

天氣現象與動力機制-由臺灣的劇烈天氣現象說起

*本文與中華民國氣象學會合作
作者/蘇世顥(任教文化大學大氣科學系)、劉清煌(任教文化大學大氣科學系)、郭鴻基(任教臺灣大學大氣科學系)

「天有不測風雲」-極端天氣事件
天氣並非天天都是風和日麗的情況,有時候會降下滂沱大雨而導致淹水,也會一段時間滴雨不降導致乾旱。這些偏離平均狀態的天氣,往往會帶來日常生活的不便,甚至造成災害。我們稱這類的天氣現象為極端天氣事件,而耳熟能詳的颱風便是這類天氣型態的代表之一。

2009年造成臺灣重大災害的莫拉克颱風,相信大家都還記憶猶新。仔細觀察颱風當時的雷達圖,發現在臺灣南部的陸地上,有另一條沿著山脈發展的對流系統。這是因為西南風直接吹到臺灣的陸地上,當氣流遇到中央山脈時,空氣會沿著山坡上升,而產生所謂的「地形強迫舉升」現象,進而產生對流系統。這種類似的對流系統分布,其實在很多的颱風個案中也曾經被觀察到,如2005年海棠颱風或2010年凡那比颱風都有類似的環流出現。但是唯獨莫拉克颱風多重尺度的天氣系統交互作用,才能降下破紀錄的雨量。

進一步分析1960至2010年共51年間,影響臺灣的颱風路徑與降雨資料後,發現颱風的總雨量與颱風移動的速度有關,和颱風強度沒有關係,最強5%的極端降雨事件與颱風移速也有關係。換句話說,颱風移動的速度越慢,不但總降雨量越大,短時間的強降雨也愈多。

透過觀測資料的分析,搭配大氣數值模式的模擬結果,發現路徑偏北的颱風,會因為颱風與地形間的交互作用,造成空間上降雨分布不均。這種降雨的不對稱,會導致颱風中的潛熱加熱分布不均,進而改變颱風的結構,使得颱風移動的速度減慢。簡單來說,莫拉克颱風之所以降下破紀錄的豪雨,主要是因為剛好發生西南季風的增強,導致颱風與季風的共伴,同時因為颱風走得慢、影響的時間久造成對流系統近乎滯留,導致雨下不停;而颱風本身的降雨也反饋改變颱風的結構,使颱風移動變得更慢。
「地表上最暴烈的劇烈天氣」-龍捲風
當談到破壞力強大的天氣系統時,大部分人第一個浮現的就是颱風。但是在地表上瞬間破壞力最強的天氣系統卻不是颱風,而是臺灣比較少發生的「龍捲風」。在颱風分級中,當風速大於每小時252公里時,就屬於最強等級颱風。而最強等級的龍捲風,風速都超過每小時320公里以上,要遠比高鐵的速度還快上一截。若只考量風的瞬間破壞能力,龍捲風可說是地表上最強的劇烈天氣現象。

龍捲風好發的環境多是冷、暖空氣交界處,通常具有不穩定的大氣條件,容易激發出劇烈對流系統;如果搭配適當的低層旋轉氣流,龍捲風就很容易接二連三的生成。全球最適合龍捲風發展的區域便是美國中西部大平原地區,根據美國海洋大氣總署的統計,平均每年會有超過1000起龍捲風的紀錄。發生在臺灣的龍捲風個案相對數量較少,龍捲風的強度也偏弱。龍捲風有時候也會伴隨颱風出現。

在2001至2010的10年間,全臺共有72次龍捲風或水龍捲的確認案例,平均每年會有7次事件發生。在這份統計資料中有一個十分有趣的現象,就是近5年龍捲風個案數目有顯著的增加;好事者可能就會聯想到,這是否是與氣候變遷或全球暖化有關。但根據NOAA資料顯示,美國龍捲風整體出現的頻率不但沒有明顯的增加,強度大於第三級的龍捲風個數反而略減。這顯示龍捲風與全球暖化並非簡單的的正相關,與氣候變遷間的關係需要更多的科學研究來釐清。至於臺灣龍捲風目擊數量增加的現象,非常有可能與近年隨身攝影設備的普及化有關。

颱風屬於低壓系統,而低壓系統中的空氣會受地球自轉所產生的科氏力影響,使得直線運動的氣流產生偏向。在北半球科氏力會使空氣往氣流初始運動方向的右側偏移,在南半球則會往左邊偏;再加上地表摩擦力的作用,形成空氣向中心輻合的低壓系統,通常將低壓系統稱之為氣旋。在北半球是以逆時鐘的方式旋轉,而南半球的旋轉方向則是相反。既然科氏力會限制旋轉的方向,那同樣是低壓系統的龍捲風,氣流是否也必然是逆時鐘旋轉呢?

2011年5月12日,在新北市新店發生了一起龍捲風事件。分析被紀錄下來的影像與當時氣象雷達的資料後,發現這一個龍捲風的氣流是以順時鐘方向旋轉。但是龍捲風是低壓系統,為何會出現順時針旋轉的風場?難道科氏力的理論有問題嗎?
 
在回答這個問題之前,要先瞭解到一件事,所有的天氣系統其實都是在調整大氣中的不平衡。舉例來說,密度低的流體會浮在密度高的流體上方,就像是油會浮在水的上方一般。在一般的狀況下,大氣也是處於低層密度高,越往上密度越低的狀態,稱之為「靜力平衡」。當大氣出現低層的空氣密度比高層的密度低的情形,就代表在垂直方向上密度是不平衡地,也就會誘發對流現象的出現。對流過程就是密度低的空氣上升,密度高的空氣下降(也可以解釋為暖空氣上升、冷空氣下降),而控制空氣密度的因子其實就是大氣溫度,所以對流會調整大氣的溫度分布,使它回復到底層空氣密度較高的平衡狀態。

類似的道理,對於地球上所有旋轉的系統而言,也存在著一個平衡狀態,我們稱為「地轉平衡」。在地轉平衡的狀態下,科氏力將扮演不可忽視的角色,所有水平方向的空氣運動都必須滿足北半球向右偏、南半球向左偏的條件。在氣象上我們會使用羅士培數(Rossby number) 來評估天氣系統是否滿足地轉平衡關係。透過實際的模擬,可以清楚的瞭解到決定龍捲風旋轉方向的重要條件,其實是低層的環境旋轉風場。


把此概念延伸到流體的空間特徵大小,當天氣系統的空間範圍很小時,其實流體並不會感覺到地球旋轉的影響。在一般的中緯度大氣條件下,要能明顯感受到科氏力影響的天氣系統要大於105公尺,也就是像是颱風一樣,範圍達到百公里以上的天氣系統,才會明顯受到科氏力的影響。一般來說,龍捲風的大小不過是數百公尺到數公里。這也說明了為何科氏力對於龍捲風的影響其實很小,而龍捲風可以不受到地轉平衡的限制,呈現順時鐘方式旋轉。這樣的龍捲風,也可以利用特別設計的龍捲風模擬器,進行模擬實驗。


「Climate Extremes」是哪位?-大氣現象的時空尺度
最近幾年每當全球有重大災害天氣事件發生時,媒體除了不斷報導災情外,也有意無意的暗示這些現象與氣候變遷的關連,同時也把這些事件統一給了一個十分響亮的名稱「極端氣候」。當一般閱聽大眾由媒體接受到這個名詞時,大部分的人會顧名思義的解釋成氣候變極端了。這樣的報導確實增加了大眾對於環境保護與氣候議題的關注,但是這樣的說法是不正確的。

在回答這個問題前,必須要先說明一個重要的觀念。地球大氣的各種物理化學過程中,包含各種不同大小與時間長短的現象;以空間來說,有大到橫跨數千公里的太平洋海水溫度分布改變,也有小到不滿一個微米的冰晶成長過程;以時間來看,有長達數個世紀的氣溫變化趨勢,也有不到一秒的大氣紊流現象。這代表了大氣包含許許多多不同的時間、空間尺度,從幾秒到許多年,從數微米到幾萬公里;而在不同的時空尺度裡,主宰的物理因素可以大不相同;因此瞭解不同天氣系統的時空特性,對於大氣科學是一個十分重要且基礎的概念。

那什麼是「極端氣候」?數學的統計常識告訴我們,平均數會受到極端值的影響,卻無法表現出極端值的特性。換句話說,描述大氣平均狀態的氣候,並無法表現其中天氣狀態的極端性。極端氣候指的是「極端的氣候狀態」,是指類似青藏高原、西伯利亞或是撒哈拉沙漠這種長期平均酷寒、炎熱或乾燥的大氣狀態。這和媒體所指的颱風、龍捲風或是豪雨現象並不相同,所以這個名詞其實是翻譯上的一個謬誤。在聯合國跨政府氣候變遷小組(IPCC) 的評估報告中,確實有一個章節在討論「Climate Extremes」,所描述的內容是在不同的氣候變遷「情境」下,像是颱風、豪雨、熱浪或乾旱這類極端天氣現象出現的頻率與強度是否會受到影響。所以「Climate Extremes」的正確的翻譯應該是「氣候中的極端天氣事件」或簡稱為「氣候極端事件」。
簡單來說,氣候是你預期會遭遇到的天氣狀況,但是天氣是你實際會遇到的現象;所以氣候變遷是描述大氣平均狀態的變化,但是颱風、豪雨這類氣候中的極端事件發生的原因與機制,卻無法由平均狀態的變化來解釋。事實上IPCC的報告中明確的表示,我們不應該把單一天氣事件的發生,歸因於全球氣候變遷的影響,因為目前還沒有足夠且明確的科學證據顯示兩者的相關性。

問天地所以不墜不陷,風雨雷霆之故
《莊子天下篇》中有一句話:「問天地所以不墜不陷,風雨雷霆之故」,其實就暗喻了各種劇烈天氣現象之所以發生,是為了釋放出大氣的不穩定,使其回復到平衡的狀態。希望透過這樣的介紹,能增加大家對於極端天氣事件的認識,也期望未來不會輕易的把這些複雜且有趣的大氣現象,輕易的以一句全球氣候變遷帶過。

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