台湾大气与气候环境科学研究进展（上）

孙建涛　李旭丰

台湾大气与气候环境科学研究进展（上）

孙建涛李旭丰

台湾气象机构

早在日本殖民时期，岛内便建有台北测候所，1938年改称台北气象台，1948年光复后改组为台湾省气象所，从事气象观测、天气预报和研究工作。1971年，台当局在该所基础上成立隶属于交通主管部门的“中央气象局”（以下称“台湾气象主管部门”），约有700余人，设有技术组、测政组、通讯电子组、应用气象组等部门，另外还有24处气象站、3处气象雷达站、8个潮汐观测站和1处天文站。

气象观测项目包括：地面及高空气温、气压、风力、风向、雨量、云量，以及潮汐高度、落差、波浪周期、浪高、大气污染程度、放射物沉降等，此外也进行一些大气化学项目的观测。由于台湾地区多山，且河川短促，每逢大雨季节极易造成水患，自上世纪80年代起，台湾气象主管部门陆续在岛内各山区设立自动雨量站及遥测气象站。

该部门下属天文站专门负责观测与气象有关的天文现象，如日珥及太阳表面黑子活动周期，行星、星云、星团及特殊天象，日食、月食、彗星及行星的会合等。此外，天文站也推算历象，每年定期出版天文日历、太阳黑子观测报告及日历资料表，以提供有关部门及民众使用。

1983年以后，台湾气象主管部门又以任务编组方式，先后成立台北气象预报中心、气象卫星中心、气象科技研究中心、资讯中心、地震测报中心和气象仪器检校中心，分别管理气象预报、气象卫星资料接收和信息处理、地震测报以及和气象仪器设备有关的业务。

其中，台北气象预报中心是台湾最大的天气预报机构，主要职责是发布多种天气预报，包括区域性（24小时）天气预报、中期（3至7天）天气预报、月长期天气预报、渔业（3至10天）气象预报、农业天气预报、山地观光区天气预报、突发性天气预报、台风警报等。

1992年4月，台湾气象主管部门建立即时预报系统，可在短时间内迅速获得天气分析及预报所需的各种资讯，改进为时短暂的区域性暴雨等剧烈天气变化的预报能力，提早报警时间，发布0至12小时的即时天气预报(即超短时天气预报)。

台湾气象主管部门在1984年购置了数台大型计算机，于1988—1990年先后投入业务应用，在此基础上发展了全球、区域、中尺度及台风路径预报业务系统。1990年又进行了性能提升和改进，配备了新一代超级计算机，从而建立了最佳的内插客观分析、T79全球谱预报模式以及嵌套的有限区域与台风路径预报模式。

气象卫星中心下设分析判读、资料供应、系统工程、图像处理、极轨卫星和同步卫星等科室，负责24小时接收、处理及分析日本地球同步气象卫星(GMS)和美国极轨气象卫星下传的信息资料。其中，从GMS卫星可得到每小时1次的数字云图资料，从极轨卫星每天可接收处理4次5种不同频道的资料，不但可为台湾气象主管部门各种预报作业提供重要观测依据，而且也可用作为监视暴雨中的中尺度对流系统和对台风中心进行定位及进行强度估计。

气象科技研究中心既担负气象科研的组织工作，又承担具体课题的研究，下设数值天气预报、气象统计预报、短期气候预测、卫星气象与雷达气象、台风研究等5个研究小组，主要从事数值天气预报、区域性暴雨及长期天气预报研究，尤其侧重于台湾地区灾害天气预报技术，特别是台风和暴雨的预报方法。

培养气象人才

到上世纪80年代，岛内仅有3所大学设有与气象相关的系/所。其中，私立中国文化大学（当时称文化学院）在1960年设立气象系，主要从事气候统计分析、大型防灾计划及暴雨测站规划、中尺度系统研究。

中央大学1968年设立大气物理系，并在1978和1983年相继开办了硕士班和博士班及大气物理研究所，1990年将大气物理系更名为大气科学系，主要致力于中尺度气象研究，包括大陆华南地区至台湾及临近地区的中尺度现象，以及梅雨、寒潮、季风、干旱、热带环流、区域环流和气候模式，此外还开展城市空气污染及大气化学与污染物传输、扩散方式等研究。

后来成立的中央大学遥测中心拥有先进的特高频(VHF)气象雷达和边界层探测系统，是当时台湾唯一一部观测高空风场和大气乱流现象的遥感设备，用于探测大气逆温层高度和锋面结构，开展对地面及植被反照率、地面和云型分类、地温与大气温湿剖面的反演、云量和云高及云顶温度的求取、全球水汽含量与地表风速、太阳辐射能及大气辐射参数的估算及降水量的估算等方面的研究。

台湾大学于1972年成立大气科学系，并于1981年和1986年先后成立大气科学研究所及硕士班和博士班，拥有先进的电脑设备和即时预报实验室，主要从事中尺度气象、寒潮、青藏高原作用、雷达气象、台风、气候变迁、黑潮及大气环流等研究。

中正理工学院（即现在的中正大学）物理系气象组也开展有关西南季风与梅雨季风环流，梅雨季锋面结构、地形与海陆风升的中尺度湍流，雷达降水强度估计以及过山气流的数值模拟研究。该校在上世纪90年代将气象组改为应用气象系。

此外，台湾中研院物理研究所大气组主要从事边界层气象研究，客观分析与进行大气现象模拟，空气污染、遥感探测资料分析，以及进行流体力学湍流理论的研究等。

台湾科技主管部门曾在1971年邀请海内外相关专家学者对台湾如何展开大气科学研究，尤其是如何减少台风灾害等问题予以研讨，并成立了台风研究联系小组，协助推动相关工作。

1976年12月，该部门主持召开第一届全台湾大气科学研究会。1978年5月，与台湾中研院共同举办台湾地区灾变天气研讨会，决定在台湾南部沿海地区开展冬季季风实验研究，获得了重要气象观测数据。

为避免大气科研力量分散与设备的重复或闲置，提高大气科学研究成果的质量，台湾科技主管部门在1985年10月成立大气科学学科规划委员会，聘请有关专家担任规划及协调委员，拟定5个大气科学重点发展计划：大尺度气象研究；中尺度气象研究；小尺度气象研究；大气物理；应用气象。

其中，“台湾地区中尺度实验计划”(简称TAMEX)的目的是增进对区域性剧烈暴雨(豪雨)的了解，尤其是增进对梅雨系统中尺度暴雨过程的了解，以改进对暴雨的预报能力，减少因此而带来的损失，并设法增加水资源利用之经济效益。

第一阶段试验在淡水河流域及桃竹地区进行，先后对显着的梅雨期中尺度系统进行了三次加密观测试验，共有21个地面站、19个雨量站、7个探空站、3个高空测风站、3个雷达站、1个VHF测风站和1个气象卫星接收站参与实验。

第二阶段试验范围扩大到以台湾岛为中心的500×500公里的区域，而且增设了地面及高空气象测站网、常规与多普勒雷达站、研究船与气象飞机等，共完成13次加密观测和10次飞机观测，收集到比较完整的中尺度气象资料。

为了充分利用TAMEX试验的加密观测资料，以达到学术研究和改进暴雨预报的目的，台湾科技主管部门又在上世纪90年代实施了两项后续研究计划，即“TAMEX后续研究推动计划”和“POST-TAMEX预报实验推动计划”，对于台湾地区的梅雨锋结构、对流结构及其与暴雨的关系、局域环流及地形对梅雨峰与中尺度对流系统的影响、降水预报技术等都做了大量研究，并取得了新的认识和进展，改进了对暴雨和定量降水即时与超短时预报的能力，明显提高了预报工作的水平。

早期研究成果

到21世纪初年，台湾科技人员在气象及大气研究方面取得的成果有：搜集欧洲中期预报中心（ECMWF）全球资料、美国国家气象中心（NMC）全球资料、热带海洋与全球大气计划（TOGA）海上浮球资料、海洋温度及长波辐射等卫星资料；对海陆、山坡的局部环流与对流系统的关系资料进行分析与模拟；对台风经过台湾的雷达、路径与分裂的分析，研究台风生成动力、台风的水文及数值模拟及建立台风数据库；台湾地区低层喷流的特性、季风环流内的扰动与中尺度对流系统的关系、豪雨与地形效应，及重力波与豪雨的关系；局部环流的特性、环流资料观测与分析及模拟，建立数据库，探讨水循环及能量特性；研究大气环流即时诊断分析，分析东亚季风的特性，分析中纬度天气系统、太平洋洋温与季风的关系，分析梅雨期大尺度环流的时空特性，探讨水循环及能量分布特性，并发展数值天气预报的模式及其应用；收集卫星导求海洋表面风资料，以了解对流、辐射等作用在短期气候变化中所扮演的角色，针对热带动力对东亚梅雨期大气环流的影响进行分析与模拟，研究东亚季风的季节与年际变化的关系；研析南海季风实验资料，了解季风肇始、低频震荡的特性、确定南海与四周的热力差异对季风环流及多重尺度过程，与对东亚季风肇始及后续演变的影响等。

在高层大气方面，台湾科技人员取得的研究成果包括：建立电离层数据库及分析技术，了解中性大气及电离层特性及雷达资料在不同天气系统的特性；利用台湾经纬度电离层扫描网，长期观测赤道异常区电离层结构的变化、电离层运动及研究共轭点效应，利用大气晖光研究电离层，利用数值模拟研究电离层动力，建立四维空间变化的特性及闪电与雷达干涉法；研究磁层内超低频波、磁层结构与动力及特高频雷达波谱的特性分析，磁层副暴及太空等离子磁性流体不连续面的交互作用模拟等。

自从美国研究人员在1989年证实云对地闪电会诱发高空短暂发光现象后，人们陆续发现高空短暂发现象的主要种类有“红色精灵”（sprite）、“淘气精灵”（elve）、“精灵晕盘”（halo）、“蓝色喷流”（bluejet）及“巨大喷流”（giganticjet），但其全球分布及发生频率仍有待测定。台湾科学家从2004年7月起，利用世界上首个搭载高空大气闪电仪的“福卫2号”卫星，致力于找出上面这些问题的答案。

截至2007年底为止，高空大气闪电仪共记录了8000多个各类高空短暂发光事件，由成功大学和中央大学组成的团队发现，在高空短暂发光现象中，最常发生者为“淘气精灵”，而非地面观测所认定的“红色精灵”，约占所有事件的80%，“红色精灵”与“精灵晕盘”则仅各占10%左右。“淘气精灵”具有全球均匀分布的特色，发生在海上及陆上大约各占一半，其比例为1:1.2，这和目前所知闪电的海陆分布比率（1:10）相差高达8倍。相比之下，“红色精灵”则主要发生于陆地上空，其海陆比比例约为1:4.8，这和已知的闪电的海陆分布比率则只相差2倍。这项成果对于高空大气电学、地球大域回路，甚至全球气候变迁的研究都有重要的意义。