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領域專題2022-08-19

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」

— 臺灣大學大氣科學系郭鴻基教授與團隊研究成果

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。