解读区域暴雨和旱灾的科学成因——专访台湾大气科学家刘绍臣

观点

2018年8月强降雨使台湾南部水灾,造成居民伤亡也重创当地产业;同年9月,北部降雨使北北基多处淹水。时节将进入冬季与春季,台湾又可能面临长时间没有下雨,引发缺水危机。如何面对“旱涝并存”的未来?本文专访中研院刘绍臣院士,借由数十年的大气科学研究,带我们了解气候变化如何影响台湾降雨的变化。

“区域大雨越来越大、小雨越来越小,这种趋势会随全球温度的增加越来越厉害。”

根据联合国IPCC报告,从 1880 年到 2012 年全球平均地表温度增加约0.85度。虽然联合国研究报告或观测资料分析,都认为“全球温度变化”对“全世界总雨量”影响不明显,但刘绍臣与其团队发现“地方区域降雨”却有所改变。

刘绍臣团队选定北纬60度至南纬60度之间的区域,针对1979年至2013年世界各地雨量与温度资料,使用年际变异法(Interannual Difference Method, IDM)分析,即任意选择两年雨量计算差值,然后比对该两年的温度差异做统计分析。分析结果显示:区域降雨变化趋势,大多呈现强降雨增加、中小雨减少。

46512165712_31fcc318a8_c.jpg美国、加拿大东部、中东、和南美洲东部地区,呈现明显的干燥趋势。同时,澳洲北部、南非、印度西部、中国大陆西部地区,则呈现明显的降雨增加。(纵轴为纬度;色条为年度总降雨量趋势,单位 mm K−1)资料来源│Liu, R., Liu, S.C., Shiu, CJ. et al. Adv. Atmos. Sci.(2016)33: 164.

“陆地上看到的这种现象,是用传统降雨的雨量计测量出来的。海上则是来自遥测卫星的观测。从陆地和海洋的区域观测来看,区域大雨越来越大、小雨越来越小的现象非常一致。”刘绍臣补充。

什么原因使得全球区域大雨越强、中小雨越小?

答:强降雨生成的原因,是由于底部有很多又湿又暖的空气,而上面是相对比较干冷的空气;那这种情况下面热、上面冷,它就会产生不稳定性质,因为热的空气密度比较低,热空气就会开始上升。

热空气含有很多水气的话,上升到几公里以后,那个水气就开始变成液态水;再上升几公里,通常是到六、七公里以后变得更冷,液态水就会变成冰。在水气变液态、又变成固态的时候,会释放出来所谓“潜热”,会使这个对流更加强。

44746431410_0146d4d2e3_c.jpg全球暖化影响区域降雨的原因。资料来源│Chia Chou, J. David Neelin(2004). Mechanisms of Global Warming Impacts on Regional Tropical Precipitation. Journal of Climate 17(13), 2688-2701 。图说重制:古国廷、张语辰

全球暖化的时候,温度增加,空气里面的饱和水蒸气也会增加。每增加绝对温度 1 度 K,空气中的饱和水蒸气会增加差不多 7 %;也就是说,每增加 1 度 K,这个对流释放出来的潜热就会多出 7%。

潜热增加了 7%,气流每这样上下翻动一下,对流的强度也会增加 7% ,吸进来的水气量也跟着增加。本来吸进来的半径好比说是周围 10 公里,可是对流一加强以后,吸进水气的能量就更强了,就是以 20 公里的半径范围吸进大气中的水气。这个循环会继续,因为它有一个正向的反馈作用,所以这个区域的降雨增幅就超过 7%。

“因此,当对流的水气越多,释放出来的潜热越多,那个区域的强降雨就会越强。”

至于中小雨为何会减少,是因为气温增加 1 度 K,大气里面的饱和水蒸气只增加 7%,但这个强降雨拿走那么多水气,中小雨分配到的水气就少很多。基于这些原因,我们才会看到地球上大部分区域的强降雨增加、而中小雨普遍减少。若以总雨量来说,原来有大量强降雨的地区(例如大洋洲附近),雨量会增加;原来中小雨比较多的地方(例如墨西哥西部的大面积海洋),雨量就会减少。

气候变化如何影响台湾降雨?对我们生活有何冲击?

答:台湾区域降雨同样有大雨越强、中小雨越小的变化。我们研究团队搜集 1961 年至 2005 年间,中央气象局 15 个地面观测站资料,将这 45 年来降雨量依降雨强度分成十个等级,再分析各年度降雨强度之降雨量随温度的变化。结果如下表所示:

31623102367_fdb562b244_c.jpg全球温度每增加 1 度 K ,台湾降雨强度前 10% 强降雨的降雨量,大约增加 140%;降雨强度后 10% 小雨的降雨量,大约减少 70%。资料来源:刘绍臣提供(取自 Liu et al., 2009 未发表的资料)

我们的分析结果发现:台湾强降雨随温度升高而增强,当全球温度每增加 1 度 K ,台湾降雨强度前 10% 强降雨的降雨量,大约增加 140%;相对的,中小雨随温度升高而减少,降雨强度后 10% 小雨的降雨量,随之减少大约 70% 。近年也发现中小雨的日数一直在减少,不降雨的日数正在增加。这种情况通常是在冬天和春天发生,是台湾干旱最严重的季节。

我们研究 1961 年至 2011 年侵袭台湾的台风特性,也看到类似趋势。研究结果发现:随着全球温度增加,侵袭台湾台风的强降雨强度也随之增加,而中小雨减少。

这个是非常可怕的事情,也就是说台风强降雨会增加很多,那台风引起的洪水还有土石流也就随着增加。因为中小雨减少的趋势,干旱对我们台湾的影响又比洪水来得更大,不只农业需要水,工业也需要用水。面对这些灾害,台湾必须采取调适措施因应,问题在于──我们的调适政策是根据“气候模式”制定。

台湾的气候变化调适政策建立在气候模式之上,会有什么问题?

答:气候模式我们知道它的不定性很大。气候模式目前真正有用的、大家比较能够认可它的准确性,就是全球跟大尺度的“温度”变化。连 IPCC 都认为气候模式预测的“降雨”变化,尤其是区域性的降雨变化可信度很低。但世界各国绝大部分是根据气候模式去做调适,我们台湾也不例外。

我先从气象预测模型来解释。气象预测模型是根据流体力学等各影响条件来预测天气,如果把所有条件都考虑进去,那预测会非常准确。但如果有条件没有考虑进去,预测时间一拉长就会失去准确性,随预测时间越长、准确性越差。

世界上气象预测最好的几个国家,象是欧盟、美国、日本等国家,比较准确的气象预测大约可以到十天,很少会超过二十天。也就是说,即便是短期的天气预测,就有许多影响因子没有考量进去;长时间、大空间尺度的气候模式,其影响因子就更加复杂。气象可预报性不会超过 20 天,但现在气候模式要预测是 20 年、100 年以后的气候变化。

而将预测全球性、长时间尺度的气候模式,去细致地看区域性、季节性的降雨趋势,会增加预测的不确定性,若将其套用在台湾各县市降雨预测更是如此。

“如果气候模式预测长时间、大尺度降雨是错的,那根据这个模式更精细地预测区域、季节性降雨,只是把错的东西分析得更仔细一点。”

近期对于区域强降雨预测有哪些进展?若应用在台湾有何帮助?

答:过去研究发现区域大雨增加、小雨减少,我们也注意到大雨雨量的增加,增加程度大到影响全年的雨量。在很多区域,随着一年一年的变化,只要降雨强度前 30% 的大雨其降雨量增加,那一年的总雨量就会增加;反之减少的话,那一年总雨量就会减少。

根据这个观察,我们团队和北京大学、暨南大学合作,用统计方法找出影响强降雨的因素:好比说圣婴现象─南方震荡(ENSO)、北太平洋年代际震荡(PDO),还有全球温度等。这些影响因素很多是可以预测的,象是 ENSO 现在预测 1 年的准确性已经很不错,全球温度也有相当好的预测方法。

然后我们将这些影响因子,跟过去观测到强降雨的雨量做统计回归。我们跟从前预测方法是一样的,不同之处在于我们的研究聚焦于预测“强降雨”。

目前我们可以预测到差不多未来半年的降雨量,做出来准确性是很好的。这种预测目前来说世界各国虽然做的很多,可是成功率很小。美国气象局做年度或季节的降雨量预测,通常只能预测下个季节比过去平均雨量偏高或偏低;我们团队现在可以说下一个季节雨量是多少,或者是明年雨量是多少。

“从季节或年度来预测区域降雨,对台湾的防灾是有直接的帮助。”

我觉得政府不仅需要投入救灾,事前的防灾更是重要,象是防洪、防土石流和防旱等各种预防措施。如果把这个区域降雨预测方法应用在台湾,提早知道下一年或下个季节会有强降雨或干旱,对台湾政府规划气候变化的调适策略非常有用。

研究过程如何面对各种困境?

答:研究的过程总是有上上下下,有时候也是蛮沮丧的,认为自己努力不够,更努力的话研究应当做得更好。

我大部分时间都在分析资料(data),我看 data 的时候,今天看 3 个钟头,明天看 2 个钟头,每次我都用不同的角度去看,拿不同的 data 来分析。几乎每次我都会说,好像看到了一些新的东西。

46512166082_6725bca25c_c.jpg“每次分析资料看到新的东西,其实是我工作最大的动力。”刘绍臣笑着说。古国廷摄。

也许后来证明当下初步的研究结果不大对,可是每当看到新东西的同时,对这种工作的满足,带给人生的快乐,那种快乐很难形容。

孔子说:“朝闻道,夕死可矣”,我从前完全不信,我后来是信。我相信有人真正看到一个新东西、发现一个新东西,他会快乐到讲出这种话。就是说早上听到这个道理以后,晚上就可以翘掉了,他真正感觉到他这一生够了。我是做研究的,一天只要能够学到一点东西,那一天我就会很快乐,这也支持我一而再、再而三地往前走。