從臺灣登陸減速慢行的颱風到「臺灣山區雲氣候卓越領航計畫」
 
颱風是自然界最具破壞力的天氣系統，也是臺灣最嚴重的天然災害之一。颱風帶來的災損平均年損達數百億元；「颱風假」重大衝擊民生經濟活動，對臺灣每日經濟影響可達上百億元；颱風豐沛的雨量為臺灣珍貴的水資源，缺少颱風降雨，容易造成臺灣來年的缺水乾旱。我們統計過去數十年，臺灣19個測站的時雨量觀測值，統計結果發現影響臺灣五、六十年的颱風豪大雨機制，主要為臺灣颱風登陸減速慢行，以下簡要說明。
過去約60年觀測資料分析結果顯示：(1) 臺灣颱風雨量多寡和颱風強度沒有明顯關係，(2)雨量和颱風在臺灣停留時間成正比(圖一)，即颱風走得越慢，雨下得越多，且總雨量除以停留時間的降雨強度沒有明顯變化，(3)登陸後慢(快)的颱風多是在北邊(南邊)登陸(圖二)，(4)逐時移速的觀察顯示，慢(快)的颱風在登陸前走得慢(快)，登陸後變得更慢(更快)，豪大雨的颱風個案多為走得慢登陸後更慢的個案(圖三)。圖四為解釋以上觀測機制的示意圖。路徑偏北的颱風下雨時，由於其對流被中央山脈鎖定在西南部山區，降雨改變颱風渦度並減慢颱風運動。颱風走得慢，雨下得大，進而使颱風走得更慢，此正回饋產生長時間下雨，總雨量可以多出60%。
全球暖化情境的科學研究顯示，溫度每上升一度，水氣增加7%，而雨量只有增加2%。降雨增加量不如水氣的原因，可能是因為暖化造成大氣更穩定，以致大氣環流減弱。山脈地形區域，因為山區會產生較強的動力外力，是可能產生較強的環流，在全球暖化情境下使降雨變強。前面所討論的臺灣颱風降雨，臺灣地形鎖定颱風降雨，降雨減慢颱風移速，增長颱風停留時間，正回饋產生非常大的雨量；同時地形使得降雨強度上沒明顯變化。地形對臺灣的天氣氣候十分重要，在這環境背景下，國家科學及技術委員會支持我們執行臺灣山區雲氣候卓越領航計畫，更進一步探討臺灣中央山脈的氣象影響。
2020年1月2日陸軍黑鷹直升機在好天氣中從臺北起飛，但在宜蘭附近山區遭遇亂流與低雲而墜機，包含參謀總長在内8名人員殉職。2020年11月21日宜蘭蘇澳區域在衛星與雷達無深對流雲的信號下，以低層暖雲形式一天降下240 mm的豪雨。山區也是臺灣水庫的主要集水區域，生態研究也顯示山區降溫率是氣候變遷下生物遷移的重要控制因子。這些例子顯示我們需要更了解臺灣山區的低層大氣，以及臺灣山區邊界層溫度、降溫率、濕度、亂流以及雲，這些科學知識對於山區飛行、空氣污染、生態、水資源與防災十分重要。計畫研究目標針對在東北季風與西南氣流影響的環境，探討臺灣山區複雜地形影響下的大氣邊界層氣象與雲雨亂流特徵，計畫利用外場觀測實驗資料，配合精確數值模型(TaiwanVVM)以及高解析衛星資料，探討臺灣山區雲氣候問題。
「卓越領航」計畫追求科學卓越外，領航部分可以建立一個團隊合作平台，引領國內跨校(中央大學、文化大學、國防大學等)的一群年輕科學家，專業合作並探索臺灣重要基礎科學，工作項目如下:

1. 宜蘭冬季(11月-至隔年1月)觀測實驗(圖五)，以科學目標放置儀器，中央大學雷達團隊在淡大校區山上總攬蘭陽平原。於11月雨季進行兩階段11天日夜密集觀測，動用大約7200人時地觀測人力，探討宜蘭山區雲氣候降雨關鍵科學議題。
2. 新儀器發展(無人機、亂流量測；微型探空)與實地觀測，觀測儀器資料校正，機動探空策略發展與實驗操作。
3. 高解析度數值模式模擬實驗、資料同化與觀測資料分析。
4. 觀測期間舉辦蘭陽科普教育活動，有400人次的學生及民眾參與。
5. 觀測資料校正分析，儲存於國科會支持的大氣水文資料庫，供更多科學家使用。

圖一 1960-2010五十年颱風登陸期間19個測站總雨量與颱風登陸停留時間回歸分析。顯示颱風總雨量和颱風停留時間成正比。分析也顯示北邊登陸颱風相對而言有較大雨量。(圖摘自徐理寰博士博士論文發表於JAS期刊，Hsu et al. 2013.)

 
圖二 以臺灣南北與颱風移速快慢繪製颱風路徑圖。移速快(慢)是指其登陸時期平均移速大於(小於)移速資料一個標準差。綠色顯示的移速慢的颱風多在北邊登陸。(圖摘自徐理寰博士博士論文發表於JAS期刊，Hsu et al. 2013.)

圖三 颱風登陸前後3小時平均移速的變化。慢(快)移速颱風是登陸前慢(快)，登陸後變得更慢(快)。歷史大雨量颱風個案速度變化屬於慢颱風。(圖摘自徐理寰博士博士論文發表於JAS期刊，Hsu et al. 2013.)


圖四 颱風大豪雨產生機制示意圖，藍色點為莫拉克每小時路徑點，深綠色為受臺灣地形影響的颱風降雨區，北邊登陸颱風大降雨區發生在西南山區。黑色箭頭為颱風原來移動速度，紅色為因降雨改變颱風渦度，使得颱風移動的方向。北邊登陸颱風因為降雨位置在臺灣西南山區，登陸後降雨減慢颱風移速(如圖三所示)，移速減慢降雨會更多，更多降雨颱風就更慢，透過此正回饋機制，產生爆表颱風降雨。

圖五  MCC/YEAR 2021觀測實驗之探空站與儀器配置。NTU為臺大，NCU中大，PCCU文大，CWB中央氣象局，RCEC中研院環變中心。