台湾大气与气候环境科学研究进展（下）

孙建涛++李旭丰

大型气象研究计划

目前，岛内正在开展的气象类大型研究计划主要有：台湾气象主管部门的“气象科技研究发展中程纲要计划”，分6年（2010—2015年）执行，目的在于随时掌握气象高科技技术的研发趋势，并针对气候监测、数值天气预报等问题进行深入研究，开发或引进最新预报技术，以期提升台湾气象科技水准，提高气象预报效能。该计划迄今取得的成果包括：初步分析台湾近百年异常干旱期，显示花莲极端干旱期出现频率的增加现象最为明显，台东在上世纪70年代之后也有增加的情形，台北、台中和台南在上世纪60年代后发生的事件数量明显多于60年代之前，显示干旱发生频率有逐渐增多的趋势；研发全球气象数值预报模式技术，尝试引进美国国家环境预测中心新版地表模式（Noah）版本，以提升对地表过程对于大气影响的预测能力。

鉴于历年台风屡屡给台湾地区造成重大灾害，因此台当局科技主管部门自2002年起重点补助“台风重点研究计划”（也称“追风计划”），以增进对台风动力理论的了解，改进台风路径与降雨量预报准确度。自2003年起至今，每年都要针对数个台风进行飞机侦察及投送观测装置任务，直接飞到台风眼周围43，000英尺内的范围，以取得台风周围关键大气环境数据。所取得的资料会即时传送至台湾“中央气象局”、美国国家环境预报中心、美国海军数值气象及海洋中心以及日本气象厅，并即时输入至上述气象机构的数值预报模式中，以期更准确地预报台风路径与分析台风暴风半径及雨带结构等。截止到目前，已使得台湾气象主管部门TWRF台风数值模式预报改善约7.8%，改进美国国家环境预报中心全球电脑数值预报模式模式24至72小时台风路径预测准确度达10%～20%左右，同时还被成功用来验证及校正卫星与雷达等遥测资料，藉此提升遥测台风参数的可信度。此外，台湾科学家还创新提出海洋暖涡对于台风强度发展的理论，并在侵袭美国新奥尔良地区的卡特林娜飓风中得到印证。

发展“乡镇逐时天气预报系统”也是台湾气象主管部门正在积极努力的一个方向，目的是以动力数值天气预报模式为基础，开发动力统计相结合的精致化天气预报方法及技术，建立逐时天气预测模型，提供全台湾（包括金门及马祖）368个乡镇市的逐时天气预报的作业化指引，以满足各行各业生产和民众出行对气象预报的细致度需求，以及提升对灾害性天气的提早预报能力。该计划目前取得的成果包括：完成2005—2010年的网格点地面气象重分析场，以提供接近真实的2.5公里解析度网格点的气象分析场资料；建立通用克利金法分析地面露点温度场及地面相对湿度场模组的即时作业自动化流程，并汇入数据库管理；完成WRF程式的区域模式系集预报作业系统，以解决台湾复杂环境条件下天气变化的不确定性，以产制精致化预报的预报指引；引进美国国家大气研究中心的多普勒雷达变分分析系统同化技术，并配合引进美国对流系统的三维气象预测技术，以改善岛内暴雨预测技术；针对台湾地区弱综观环境下的午后对流发展条件，建立本土化的预报因子；开发未来30与60分钟风暴活跃度预报技术，首先在2010年台北市花博会期间，以花博会场进行单点天气预报实验，2011年第4季起针对南台湾128个乡镇市区发布乡镇预报，进行阶段性试运营，将天气预报的精细度由原先以22个县市为分区提升至对每一乡、镇、市、区都发布各自的天气预报，并且将一天分成8个时段，详细预报2天内的天气变化，以及7天内每12小时的天气信息。

灾害防救

在预防与气象有关的自然灾害方面，台湾气象主管部门自2011年起实施“落实防灾气象整合资讯实作”计划，分4年（2011—2014年）执行，目的是解决以往气象预报作业产制资讯整合方面的瓶颈问题，发展高精度防灾化气象指标技术、客观风险管理指标技术、高风险区气象观测资讯以及落实防灾气象整合资讯实作系统的相关技术，提升天气预报服务能力，以避免或减少因天然灾害所造成的损失。目前取得的成果包括：在地形起伏程度复杂的花东地区风灾高气象敏感度区域，布建6个自动观测站，增加可供即时应用的雨量、风向、风速等气象观测资讯的搜集密度，提升花东地区灾害性天气观测的辨识率；研发热带气旋追踪系统，建立台风监测及预警机制，落实防灾气象整合资讯实作系统；建立天气指标原型系统，提供XML格式产品的分析设计，并藉以产生每日至少2次贴近民众的生活化气象指标资讯；建立环境污染指标资料库、气象因子资料库，发展客观防灾风险管理技术指标，提供使用者风险管理的参考数据，并完成“系集预报产品调查与发展规划”。

台湾科技主管部门自2010年起推动实施“灾害防救科技发展与运用”计划，分5年（2010—2014年）执行，重点项目为：1.台洪应变与减灾研究，包括勘灾调查机制、台洪灾害模拟与预警分析研判、研发灾害资讯与决策支援系统、天然灾害减灾与复原策略研究；2.地震应变与减灾研究，包括地震应变与减灾研究、强震即时警报系统推动研究；3.新兴议题减灾研究，包括应对气候与环境变迁的防灾调适策略、关键基础设施灾害脆弱度与风险管理；4.防灾科技落实推广，包括培育基层能量社区及防灾人员、推动“行政主管部门灾害防救应用科技方案”、推广“国土”资讯系统灾害防救应用；5.支持及推动公共部门灾害防救任务，包括支持“中央灾害应变中心”应变、演练、情资研判分析作业。

该计划目前取得的重要成果包括：依据台当局水利、水土保持、地政、经建、公路、测绘等主管部门及“中央地质调查所”、台湾灾害防救科技中心的各类灾害潜势图资，进行各县市当局灾害潜势图资的建立工作，包括历史灾害24小时累积降雨致灾门槛值图、县市坡地灾害潜势图、全台重点监控路段及桥梁图、县市淹水潜势图、乡镇坡地灾害潜势图、乡镇淹水潜势图等；针对灾害风险分析与极端事件冲击进行研究，建立台湾不同灾害类别的气候变迁脆弱度与风险地图，作为应对气候与环境变迁的调适政策量化依据，由台湾灾害防救科技中心负责规划建立“台湾气候变迁推估与资讯平台”，进行台湾气候变迁的推估与灾害冲击分析；结合地理资讯系统，发展各项灾损估算模型，建成可快速计算的“台湾台洪灾损评估系统”，藉以提升台洪灾损评估效率。

台湾科技主管部门推动实施的另一项“台风洪水研究发展计划”，分5年（2009—2013年）执行，目的是提升台风、洪水观测技术，增进台风路径与强风、暴雨的预报资讯及洪水和坡地灾害的预警能力，并强化大气水文资料库之整合与应用，在台湾台风洪水研究中心建立可移动式观测仪器，发展本土化数值模式，结合理论和应用研究，发展台风、豪雨及洪水的模拟和预报技术，以协助减少台洪灾害和水资源不足的冲击。

目前取得的重要成果包括：与台湾气象主管部门合作，利用“福卫3号”卫星观测资料，改进适合台湾复杂地形的高解析度大气数值模式，针对2008年以来台风个案进行测试，进行短时系集预报更新模式背景误差，用以改进台风路径预报的精确度；搜集台风降雨的雨滴谱资料，利用相位雨量估计方法进行台风降雨雨量估计测试，分析2010年以来台风的雷达观测资料，研发极短时预报（0～6小时）的台风与暴雨预报技术；建立大气水文整合即时模拟系统，利用集水区模式承接大气模式所模拟的雨量资料，进行台风期间每日4次的72小时模拟，同时对2010年以来的台风数据进行分析，利用整合设定的自动化排程进行河川水位模拟测试与验证等工作，以提升水位模拟结果的准确度；以具有雨水下水道系统之台湾都会区为评估对象，搜集雨水下水道系统之标准设计容量及都会区之地理资讯图层，建立“台湾都会区淹水快速评估系统”，以利于汛期迅速提供可靠水位资讯；由台湾台风洪水研究中心整合岛内现有资料，开展台风定量降雨数值模式系集预报实验，建立大气、水文微气象观测数据库，协助模式地表参数的推估，提供灾防部门应变作业时可参考的资讯，协助提升灾害防救效能。

大气环境与气候变迁

在大气环境与气候变迁方面，台湾科技人员取得的成果包括：分析台湾长期（约100年）气候变迁资料，发现在上世纪70年代后日照时数约减少15%，同时期降水强度增加约20%，这些变化最可能的肇因来自于人为悬浮微粒的增加，使得台湾地区云量增加所造成；分析最近40年台湾地区气象参数（气温、绝对湿度及相对湿度）日夜间不对称性的变化，结果显示夜间相对湿度的分布明显逐渐往较低湿度偏移，在都市区高于90%相对湿度发生时数的减少更是超过两倍以上，可能是导致台湾地区起雾频率减少的主因，也可能导致小雨的减少；针对台湾地区最近10年的臭氧浓度增加趋势进行分析，发现现行的空气污染防治措施虽然抑制了前驱污染物的排放，但是大气中的总氧化剂浓度在这10年间无显著变化，显示台湾的臭氧问题有其特殊的形成机制；研究厄尔尼诺与西北太平洋及东亚地区的相互关系，显示西北太平洋及东亚地区在厄尔尼诺（反厄尔尼诺）成熟期时，较易产生反气旋（气旋），这和能量平流的变化相关，并且明显地受季节变化的影响；发现台风及暴雨对台湾地区陆源物质通过河川向海洋的输送过程有重大影响，营养盐在台风期间的河川输出虽因台湾南北区域有异，但平均也可占全年50%以上。

台湾科学家自2004年起，应用激光雷达观测大气气溶胶分布结构以及混合层的高度，并根据气溶胶粒子的光散射特征来判断如大陆沙尘和东南亚生物质燃烧的传输等特殊事件，发现沙尘微粒可经由大气传输而在2至3日之后影响台湾空气品质，大气气溶胶中的地壳元素浓度最高可增加至平日的3倍。

21世纪初年，空气污染、全球变暖及环境可持续发展问题对台湾社会影响越来越大。自上世纪60年代以来，岛内工业高速发展，污染物排放在短短40年增加了数十倍，并且由于企业、车辆及人口密集，岛内每单位面积空气污染物排放量在世界主要国家和地区中排名居首，导致台湾环境质量严重恶化，急需找出有效解决之道。为此，台湾中研院于2004年成立环境变迁研究中心，开展相关研究。

该中心共有20位研究人员，每年近百名海内外访问学者和博士后、博士生及硕士生参与研究，所内设有微量元素实验室、大气气胶实验室、环境健康评估实验室、大气化学实验室、空气污染物实验室、海洋实验室、河流生物实验室、地球化学实验室等12个实验室，拥有台湾当时这方面最完备、最先进的仪器设备，全部对外开放使用。

该所研究范围涉及从小区域到全球的大气圈、水圈与生物圈的模式与观测，包括自然界变化过程与人为活动对环境的影响，研究重点为空气质量、气候变迁、水质量、环境保育及生态变迁，包括：全球与区域气候变迁过程与模式预测；东亚地区空气污染物之长程传送与空气品质；台湾河川流域的崩塌潜势分析；地球大气、海洋演化过程与亚洲古气候记录；台湾近岸与河口水体环境研究；台湾河流生地化系统与水土资源利用整合研究；台湾地区臭氧与悬浮微粒的生成及传输；台湾西部平原的热岛效应及其对区域性气候影响；空气污染及大气辐射等。

2012年，该中心研究人员以创新分析方法发现极端降雨与全球温度的量化关系，即全球温度每增加1度，全球前10%强降雨就会增加约110%，而中小强度降雨则会减少约20%，较先前“跨政府气候变迁小组”2007年提出的气候模式预测大10倍。

为能审慎评估全球气候变迁可能对台湾水资源、土砂管理、洪水及海岸防护等造成的冲击，台湾水利主管部门实施了“气候变迁对水环境的冲击与调适研究计划”，分4年（2010—2013年）执行，取得重要成果包括：使用A1B情境（即假设2020—2039年，全球经济大幅成长，市场经济导向，穷国与富国之间的差距消失，人类大幅投资教育与提高生活水准，科技的成长与资讯流通顺畅，再生能源与石化燃料并用，土地使用变迁速度适中），分析研究台湾淡水河流域、曾文溪流域与高屏溪流域降雨量的变化，发现有明显增加的趋势，南部地区降雨量增加12%～89%；分析届时气候变迁可能对洪水防护造成的冲击，并确立可能受灾害的高风险地区；针对南部地区，分析在气候变迁影响下，水资源管理的危险度、脆弱度以及风险度；评估台湾西南沿海（嘉义、台南、高雄与屏东地区）气候变迁下海岸灾害的脆弱度及风险；针对台湾29座中大型水库及5座重要小型水库、人工湖与7座拦河堰（坝）的现况资料进行运转风险评估。

台湾中研院环境变迁研究中心目前正在执行台当局科技主管部门的“台湾气候变迁趋势推估研究与应用平台”计划，衔接其以往从事的“全球与本地气候变迁模拟”研究成果，进行台湾气候变迁趋势的推估，以降低台湾未来面对气候变迁可能带来的灾害风险。目前取得的成果包括：完成测站气象变数约1000万条纸本纪录的数字化工作，并完成均一化与网格化的操作流程与技术；完成了三情境下（A1B、A2 与B1）共24组模式的月降雨和月温度长期推估，并利用网格化资料将推估的空间尺度解析至5公里，并利用WRF进行动力降尺度及气候变迁推估；将上述统计降尺度气候推估资料应用于水文及水资源冲击分析上，对曾文溪及淡水河流域因气候变迁所造成的冲击进行初步分析；完成《台湾气候变迁科学报告》的撰拟，可作为政府部门在气候变迁议题推动上的本土科学数据参考。

此外，该中心还开展了“东亚与台湾区域臭氧、河川流量、候鸟、登革热、粮产与森林变迁模式整合与冲击评估及因应策略研究”、“西北太平洋强烈台风在初夏的突变”、“氮氧化物减量对都市臭氧浓度的影响”等课题研究。