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2019-02-01跨越半世紀的 大氣科學進展 590 期

Author 作者 張智北/美國海軍研究學院名譽特聘教 授,臺灣大學特聘講座教授。美國氣象學 會梅辛吉獎,世界氣象組織季風委員會 主席及亞太天氣氣候書集總編輯。
1969 年,筆者就讀華盛頓大學研究 所二年級時,響應林孝信的號召撰寫《科學月刊》文章,介紹地球的大氣圈和大氣溫室效應,其文刊載在創刊
號和第二期。雖然從華大大氣科學系 系主任弗利格爾(Robert Fleagle) 的大氣物理書中轉印的彩圖被採用為創刊號的封面(圖一),不過,當時
的大氣科學還只是自然科學中一個為數不多的小領域。半世紀後的今天,劇烈天氣如颱風、豪雨和乾旱造成的災害衝擊;人類行為導致溫室氣體增
加的影響等,已成為目前人類面臨最大的挑戰之一,使原本冷門的大氣科學研究也逐漸熱門。
 
 
這 50 年來大氣科學的主要發展在於 觀測儀器及技術和分析方法的進步,使人們了解不同尺度及以前看不到的現象,而電腦及相關應用也大幅提升 數值實驗能力。雖然物理學50 年前 相對論和量子力學已根深蒂固,但是有許多理論和問題,如弦論、貝爾不等式實驗、多世界詮釋、暴脹論及各
種多重宇宙論等,都是在《科學月刊》誕生以後出現。可是,在大氣科學方面,除認識海洋和人類行為可產生重要影響外,幾乎沒有新意,但就應用方面的進步與對社會和人類的重要性 而言,這 50 年發展極為可觀。不同 於物理或宇宙學的討論主要在本科專家的圈子裡進行,現在看到氣候變化的報導時,意見不一定來自從事氣候科學教研的學者,而可能是各行各業的人士,如國際氣候變化委員會的前任和現任主席都是經濟學家。

天氣預報系統
 
大氣圈的大致結構和大氣運動的基本 原理50年來沒有重大變化的原因是, 大氣運動是根據早已成熟的傳統牛頓 物理和熱力學定律,但還是有2項主 要進展特別值得一提。

第一項是對不同尺度的大氣運動結構和其間相互作用更精準的模擬。大尺度天氣和氣候系統能量的重要來源是水氣潛熱的釋放,但這是透過小尺度成雲降水的過程進行。此進展要歸功於日益進步的精密觀測儀器和技術,尤其是雷達、衛星及跳躍式成長的電腦運算能力。觀測和電腦進步對改進
數值(電腦)天氣模擬和預報非常重要。在臺灣,每個人多少都會關心的例子便是颱風預報。數值天氣模式能 實際應用在颱風作業上是20 世紀末 才開始見效,到 21 世紀初才逐漸取 代以往靠經驗的統計模式。圖一是中央氣象局颱風模式的預報誤差。由圖 可知,不論是24、48和72小時的預 報誤差值10 年來持續減少。不同於 1970 年代,經常是颱風距離還有好 幾百公里甚至更遠就發布颱風警報,結果沒靠近就解除。如今,有時候還
可看到颱風雖已很靠近臺灣,但氣象局仍沉得住氣不發登陸警報,這是因 數值模式預報的轉向。對此,50年前完全依賴統計預報時是不可想像的。數值天氣預報的準確性隨預報時間長 度增加而遞減。50年前的預報超過1 天便無參考價值,而今天有效預報期已大為增長。在預測相對容易的中高 緯度地區,發布具有參考價值的1周 甚至10天的預報已十分常見。

聖嬰現象
 
第二項重要進展是對聖嬰現象的了解。很久以前,人們就知道赤道東太平洋靠近秘魯的海面溫度每幾年就會在偏熱和偏冷狀態間反覆振盪,也就
是聖嬰和反聖嬰。這些狀態經常伴隨著熱帶及美洲的反常天氣出現,但卻 無法對此現象進行解釋。到 1970 年 代後,大氣、海洋觀測和數值模擬才幫助科學家了解聖嬰現象,也發現它對世界各地的影響。現在已知聖嬰和反聖嬰是複雜大氣和海洋交互作用的結果。熱帶東太平洋因海面冷較穩
定,但在遙遠的熱帶印度洋及熱帶西太平洋則屬熱海溫區域,容易發生天氣擾動,造成赤道海面產生西風和東風的交互振盪。地球自轉會讓振盪向
東傳播並驅動海洋波動,到了東太平洋時西風和下沉洋流會讓海面變暖,東風和上升洋流則會讓海面變冷。.

不僅如此,海面溫度變化也影響大氣。地球自轉和海洋-大氣的相互作用影響傳播到很遠的地區,包括中高緯度的美洲、熱帶西太平洋及印度洋。也因熱帶海氣耦合震盪過程緩慢,使人們可從聖嬰和反聖嬰的階段推測下個季節或更久以後的天氣。這種從數週到季、甚至更久的預報都是由於發現振盪現象,且振盪的生命期因為海洋作用的影響比較持久,讓預報的有效 期不被混沌(chaos)效應限制。

溫室效應

半世紀前《科學月刊》介紹溫室效應時,很少人會想到人類行為的影響。今日,溫室效應的基本原理沒有改變,溫室氣體會讓太陽的短波輻射順
利進入大氣層但會阻擋地表的長波輻射回到外太空,因此多餘熱量會讓大氣低層增溫。然而,科學家卻警覺到 2 件事:一是全球平均地表氣溫在近 100 年來持續增加0.8˚C(圖二); 另一則是工業革命以來,持續的經濟發展釋放大量二氧化碳進入大氣中。

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