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2021-05-31一下缺水一下暴雨 暖化讓降雨更極端? 618 期

Author 作者 王嘉琪/文化大學大氣科學系教授,研究專長為熱帶動力、氣候診斷分析、氣候變遷。
我們常聽到暖化會造成極端降雨,講到「極端降雨」,可能每個人心中浮現的畫面都不太一樣。的確,極端降雨有許多種呈現方式,常見的包含降雨強度變大,也就是每單位時間內的降雨量增大,或強降雨發生的次數變多,弱降雨變少;另外則是季節上的乾濕季變得更分明,例如臺灣及中國南部的春雨有逐年減少的趨勢,加長了自冬天開始的乾季;還有一種是降雨面積變小、乾區變大,這類情況主要是指熱帶大範圍的降雨區,也就是間熱帶輻合區,經過長時間統計後的降雨氣候狀態改變。由此可知,暖化對不同尺度的降雨都有顯著影響。

接著大家可能會想問,為什麼會有這些影響?背後的機制是什麼?其實各種極端降雨的形式都有許多科學家在研究,可參考的資料很多,文獻中也都提出了明確的解釋機制。不同尺度及不同地區的降雨極端化,發生過程也都不盡相同。不過,理解這些機制需要建立在較為深入的大氣科學基礎上,不太容易在一篇文章內完整說明,因此本文僅針對暖化造成「降雨強度」改變的其中一種機制來說明。

這裡先提供一個違反直覺但卻真實的結果:暖化會提高大氣穩定度,讓對流更不容易發生,但是降雨強度卻會變大、強降雨發生的頻率也變高。這樣看似矛盾的結果該怎麼解釋?


產生對流的原因

大氣中是否會發生對流,與大氣穩定度有關。我們常用氣溫隨高度的變化率,也就是「溫度垂直遞減率」(lapse rate of temperature)來評估大氣的穩定度。用來測量大氣穩定度的那把尺就是「乾絕熱降溫率」及「濕絕熱降溫率」,這個判斷方法稱為「氣塊法」(parcel method)。
 
 
圖一 判斷大氣穩定度的方法
圖中的橘線為乾絕熱降溫率,代表氣塊每上升1 公里下降10℃;綠線則為濕絕熱降溫率,代表氣塊每上升1 公里,溫度下降5.5 ~ 6.5℃;黑色實線代表不穩定的大氣的降溫率;黑色虛線代表含有水氣的大氣,處於條件性不穩定的狀態。簡單來說,當大氣中沒有水氣時,降溫率在橘線左側代表大氣不穩定;而降溫率若落在橘線右側,則代表大氣是穩定的。當大氣含有水氣時,則必須視大氣是否飽和,若未飽和須與乾絕熱降溫率比較;飽和時則與濕絕熱降溫率比較。
 
氣塊法的概念,讀者可以假想大氣中有一個氣塊,當這個氣塊垂直移動時,在上升的過程中會因為外界大氣壓力降低而膨脹,在這種狀況下氣塊會非常接近絕熱狀態,也就是沒有任何熱量進出氣塊,所以在膨脹的過程中氣塊溫度會下降,而溫度下降幅度可以由熱力學第一定律推導出來。還沒達到飽和的氣塊,是每上升1 公里下降10°C,稱為「乾絕熱降溫率」,以圖一中的橘線表示。如果氣塊含有水氣,隨著氣塊上升且膨脹降溫,空氣就有機會達到飽和,其中的水氣將會凝結成雲,這時因為有水氣凝結放出的潛熱來加熱氣塊,氣塊的降溫率會大幅減緩,變成每上升1公里下降5.5 ~ 6.5°C 左右,稱為「濕絕熱降溫率」,也就是圖一中的綠線,這個數字也是由熱力
學的理論推導而出。……【更多內容請閱讀科學月刊第618期】