Slide 1 - 中研院物理研究所.ppt

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1、Slide 1 - 中研院物理中研院物理研究所研究所天氣與氣候 天氣 (weather)空氣的短期狀態與變化(Variability)(短期 10天以內) 例如明天的温度、今天的天氣很好 氣候 (climate)天氣的長期平均值(Steady State)(長期WMO世界氣象組織定義30年平均才有氣候的代表性)例如全球平均氣温、一年平均幾個颱風侵台?- 一個常被提出來的問題10天後的氣温都預報不準，還要報幾十年以後的氣温? 答案10天後的温度難預報，10年後台灣的年平均氣温却容易預報，因控制後者的機制比前者簡單。温室效應(Greenhouse Effect)全球平均地面氣温15 oC 或 28

2、8 oK若無溫室氣體-18 oC 或 255 oK相差 33 oC, 這是地球的溫室效應, 因溫室氣體可讓陽光透過大氣到地面,却阻擋紅外線散熱到外太空。金星溫室效應有460 oC, 因金星CO2有100 大氣壓。Runaway greenhouse effect, 因之無水?行星之死?火星溫室效應只有 3 oC, 因只有0.06 大氣壓。地球主要溫室氣體有 H2OH2O, CO2, CH4, O3, N2O目前絕大部份溫室氣體是自然的, 但CO2, CH4, O3, N2O 過去100年來因人類活動而明顯增加。特殊天氣事件與氣候變遷 特殊天氣事件往往會與氣候變遷拉上關係, 尤其是台灣的媒体。例

3、如:(1) 莫拉克颱風是全球暖化造成的.(2) 2010年冬天歐洲、美洲及中國的暴風雪及酷寒(北極振盪)是要進入小冰河期.Rain Intensity distribution (15 CWB Stations)Rain intensity (mm/hr)0.1110100Precipitation amounts / delta log (intensity) (mm)05001000150020002500 1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2005中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(

4、1961-2005) (準正態分佈準正態分佈)(qusi-normal distribution)降雨強度(mm/hour)降雨(mm) Morakot 莫拉克联合國跨政府氣候小組(IPCC)模式預測的21世紀各種溫室氣體情況之地表增温緯度緯度中國東部 時間(千年前) 大禹治水 LucyWikipedea: Rob Rohdes palaeotemperature graphs pasted together on one page, with Royer et als CO2-corrected Paleozoic - Mesozoic record substituted for Veiz

5、er et als uncorrected record.2-4oCOut of Africa全新世氣全新世氣候最佳期候最佳期北京北京猿人猿人始新世氣始新世氣候最佳期候最佳期文明文明古國古國智人智人類型： JPG Map shows the spatial and temporal locations of ancient civilizations 四大文明古國四大文明古國:中國、印度、埃及、小亞細亞，都是在距中國、印度、埃及、小亞細亞，都是在距今約今約7000-4000年前發展出來，極可能都跟當時年前發展出來，極可能都跟當時(全新世氣全新世氣候最佳期候最佳期)的良好氣候環境有關。但良好氣候

6、環境是指什的良好氣候環境有關。但良好氣候環境是指什麼麼?絕大部份的人認為是北半球中緯度温暖的氣溫。絕大部份的人認為是北半球中緯度温暖的氣溫。 ”良好氣候環境良好氣候環境”應當不是指北半球中緯度温暖的氣溫，應當不是指北半球中緯度温暖的氣溫，因為若是為了温暖，人類可以在低緯度輕易找到，例如華因為若是為了温暖，人類可以在低緯度輕易找到，例如華夏族大可選擇長江而非黃河做為中華文明的母親河。並且夏族大可選擇長江而非黃河做為中華文明的母親河。並且自從自從Lucy(約約3百萬年前百萬年前)以來，人類大部份時間就生活在以來，人類大部份時間就生活在比現在至少低比現在至少低1 oC的地球上，早己習慣較凉的氣候。的

7、地球上，早己習慣較凉的氣候。 ”良好氣候環境良好氣候環境”應是指自然災害的風險較低，包括水災、應是指自然災害的風險較低，包括水災、旱災、地震及海嘯，很明顯四大文明古國都遠離地震及海旱災、地震及海嘯，很明顯四大文明古國都遠離地震及海嘯頻繁區域，問題是古代水災、旱災的風險如何評估嘯頻繁區域，問題是古代水災、旱災的風險如何評估?以以下我們以中國為例來討論這個問題。下我們以中國為例來討論這個問題。夏朝之領域夏朝之領域 (2100-1600 BC)w:en:User:Gurdjieff (Lamassu Design) 文件 文件历史 文件链接 青海省貴德縣附近的黃河在蘭州的黃河黃河被稱爲中華文明的母親

8、河。公元前黃河被稱爲中華文明的母親河。公元前5000-20005000-2000多年華夏族在黃河領域的中原地區繁衍。多年華夏族在黃河領域的中原地區繁衍。但據歷史記載在但據歷史記載在( (公元前公元前595595年年-1946-1946年年) )的的25402540年年間，黃河氾濫近間，黃河氾濫近15931593次，平均次，平均1.61.6年氾濫年氾濫1 1次。次。作家柏楊曾說黃河像一隻在大地上翻騰跳踉的作家柏楊曾說黃河像一隻在大地上翻騰跳踉的巨龍，為中國人帶來無法抗拒的災難巨龍，為中國人帶來無法抗拒的災難為什麼這條無法抗拒的巨龍會被華夏族在公元前為什麼這條無法抗拒的巨龍會被華夏族在公元前500

9、0-20005000-2000多年選為中華文明的母親河多年選為中華文明的母親河? ?黃河流域在公元前黃河流域在公元前5000-20005000-2000年間，氣温高出現在年間，氣温高出現在約約2 2，黄土土質肥沃，耕作容易，黃河中下游流域，黄土土質肥沃，耕作容易，黃河中下游流域有雷夏澤、大野澤等眾多湖泊。湖泊的存在証明當有雷夏澤、大野澤等眾多湖泊。湖泊的存在証明當時黃河挾帶泥沙甚少，否則湖泊很快會被淤塞時黃河挾帶泥沙甚少，否則湖泊很快會被淤塞( (現在現在黃河中下游沒有湖泊黃河中下游沒有湖泊) )。也顯示當時暴雨少，森林、。也顯示當時暴雨少，森林、草原植被良好。草原植被良好。緯度緯度中國東部

10、時間(千年前) 大禹治水北半球中緯度降雨強度北半球中緯度降雨強度(P)隨隨熱帶海洋表面温度熱帶海洋表面温度(SST)降温降温 1K 之變化之變化小雨小雨 中雨中雨 大雨大雨Intensity category12345678910P/SST (%/K)-120-100-80-60-40-200204060假如在大禹治水時期假如在大禹治水時期( (公元前公元前21002100年年) )也是平均也是平均1.61.6年氾濫年氾濫1 1次，那在他治水次，那在他治水1313年內，黃河應氾濫年內，黃河應氾濫約約8 8次，大禹却成功，難道大禹真的比過去次，大禹却成功，難道大禹真的比過去25002500年年間

11、的所有治水專家高明嗎間的所有治水專家高明嗎? ?我們的推斷我們的推斷: :在大禹治水在大禹治水1313年內，黃河可能只有年內，黃河可能只有小型氾濫一、二次，換句話說，除了大禹的高超小型氾濫一、二次，換句話說，除了大禹的高超治水技術與努力之外，天時、地利都幫了忙。治水技術與努力之外，天時、地利都幫了忙。IPCC模式預測的21世紀各種溫室氣體情況之地表增温2100二十一世紀的氣候變化二十一世紀的氣候變化相對相對2020世紀全球的世紀全球的0.60.6度增温，度增温，2121世紀預世紀預測增温高達測增温高達3-63-6倍倍! ! 即即1.8-4.01.8-4.0度。度。海平面上升海平面上升18-59

12、18-59公分。公分。 ( (不是不是 4-8 4-8 公尺公尺) )極高溫日數會增加，極低温日數會減少極高溫日數會增加，極低温日數會減少旱災更嚴重。旱災更嚴重。颱風、暴雨颱風、暴雨可能可能會更多、更嚴重會更多、更嚴重-( (前两項可先研究前两項可先研究10-2010-20年年，後三項則急切須，後三項則急切須要調適措施要調適措施) )氣候變遷:極端天氣 世界各地近十幾年陸續注意到有有大雨增加世界各地近十幾年陸續注意到有有大雨增加及小雨減少的現象，並且極高温如熱浪及極及小雨減少的現象，並且極高温如熱浪及極低温的變化也很大。低温的變化也很大。 但極端天氣隨氣候的變化很難預測，不定性但極端天氣隨氣候

13、的變化很難預測，不定性極高，尤其是區域性的變化更難預測。極高，尤其是區域性的變化更難預測。 因此因此IPCC2007IPCC2007對極端天氣對極端天氣受氣候變遷影響受氣候變遷影響的預測的預測相當保守。相當保守。台灣的熱浪(根据論文: Shiu, Liu and Chen 2009 in Journal of Climate)藍色是減少，紅色是增加。1 1 91 2 01 2 11 2 20 . 2ToEoEoEoE2 1oN2 2oN2 3oN2 4oN2 5oN2 6oN0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 1 91 2 01 2 11 2 20 . 2ToEoEoEoE2

14、1oN2 2oN2 3oN2 4oN2 5oN2 6oN0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 白天晚上 台灣温度變化台灣温度變化 (1961-2005)(1961-2005) Year1960196519701975198019851990199520002005T = 36 oC (Days)05101520253035Year vs 2 urbans, s = -0.01, p-level = 0.201Year vs 5 NE, s = 0.04, p-level = 0.010Year vs 4 SE, s = 0.01, p-level = 0.405Year vs 3 i

15、slands, s = -0.0001, p-level = 0.820Year vs Taipei, s = 0.17, p-level = 0.023Plot 1 Regr白天最高温超過36度的日子Year1960196519701975198019851990199520002005TMin = 25 oC (Days)020406080100120Year vs 2 urbans, s = 0.98, p-level = 0.000000Year vs 5 NE, s = 0.64, p-level = 0.000022Year vs 4 SE, s = 0.34, p-level =

16、 0.0198Year vs 3 islands, s = 0.25, p-level = 0.0410Year vs Taipei, s = 1.48, p-level = 0.000000Plot 1 Regr最低温超過25度的晚上，即須要冷氣的晚上台灣的熱浪台灣的熱浪台灣的熱浪主要在台北，其成因主要是台灣的熱浪主要在台北，其成因主要是都市熱島效應，不是全球暖化的結果。都市熱島效應，不是全球暖化的結果。今後空氣汚染改善後，熱浪將更嚴重。今後空氣汚染改善後，熱浪將更嚴重。晚上温度增加是熱島效應加上全球暖化晚上温度增加是熱島效應加上全球暖化的結果。今後對冷氣的須要將變本加厲。的結果。今後對冷氣

17、的須要將變本加厲。全球暖化對極端降雨的影響主要根据:Liu, S.C., Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, and Futing Wu, GRL, 2009.極端降雨的重要性極端降雨的重要性 大雨增加會導至水災。大雨增加會導至水災。C. (2.9)1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010Intensity (mm/hour)-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.2Rainhour (hour)-400-300-200-1000100200

18、3001955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010Precipitation (mm)-800-600-400-20002004006008001000A. (2315)B. (981)Updated fromLiu et al. (2002)Hsu & Chen (2002) also noticed the loss of light rain.Rain Intensity distribution (15 CWB Stations)Rain intensity (mm/hr)0.1110100Precipitati

19、on amounts / delta log (intensity) (mm)05001000150020002500 1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2005中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2005) (準正態分佈準正態分佈)(qusi-normal distribution)降雨強度(mm/hour)降雨(mm)美國每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2005) (準正態分佈)(qusi-normal distribution)010020030040050060070

20、080090010001101001000Intemsity (mm/day)Precipitation amounts / delta log(Intensity) (mm)1951196019611970197119801981199019912000Linear trends of precipitations ( in mm/4 hours) at different intensities in Japan, (a) for 3 time periods, (b) for 4 seasons, (c) for 3 regions, and (d) for 3 urban popula

21、tion ranges. (Fujibe et al., 2005)Intensity categories12345678910P/T (%/K)-150-100-50050100150200台灣降雨強度隨全球溫度之變化中央氣象局15站資料 (mm/hr)19612005降雨強度(十等份)強降雨隨全球温度變化的理論 Clausius-Clapeyron equation 預測大氣水蒸氣隨全球温度增加7 %/K。強降雨的降雨率取決於邊界層的水氣輻合，因而有相同的增加率。 Trenberth et al. (2003) 認為強降雨增加的程度會因為高空潛熱排放的增加而比 7 %/K更大。 全年總雨

22、量隨全球温度增加值很小，約2%/K。而高空潛熱的增加會使大氣穩定度增加，因此強降雨增加會使小、中雨減少。 但14個IPCC氣候模式估算降雨強度的增加却只有2%/K，遠小於 Clausius-Clapeyron equation 預測值.因此IPCC2007對極端天氣受氣候變遷影響的預測相當保守。 Convection that Powers Tropical Cyclones(National Weather Service)From Liu et al. (GRL, 2009)Intensity categories 12345678910Normalized P/T (%/K)-40-20

23、020406080100Normalized P / T (%/K)-4-20246810GPCP data (observation)Sun et al. (2007) (model) 我們的分析顯示IPCC2007嚴重低估極端天氣的變化，也就是水、旱災發生的機率遠超過IPCC2007的估計。Intensity (mm/day)048121620242832364044485256606468Precipitation amounts (mm)0.1110100Amounts of precipitation vs. precipitation intensity in bins of 2

24、mm/day bin-width, blue bars are the average values of two coolest years (1984, 1985) in the GPCP data period (1979-2007), red bars the average values of two warmest years (1998, 2005). 1950-2005全球温度約增加0.7C，140%x0.7 = 100%，即全台灣前10%強降雨己增加約100%，而最小20%的小雨則己減少約40% 。 台灣前10%強降雨絕大部份來自颱風或其挾帶的西南氣流，由此可推論夏、秋季之洪

25、水及土石流的發生機率己於1950至2005增加約一倍。(I.e. 莫拉克非偶然事件) 台灣冬、春季之水資源主要靠中小雨， 1950至2005中小雨的減少使旱災發生機率明顯增加。聯合國跨政府氣候變遷小組報告(IPCC2007)估計2005-2035可能會再增0.7C，即台灣前10%強降雨會再增加1950年之100% ，而最小20%的小雨則會再減少1950年之40%。因此台灣的防洪、防土石流及防旱措施在今後25年須要較1950年增加三倍三倍。 基本解決之道(mitigation)須要阻止地球暖化，節能減碳、甚至地球工程如大量反射陽光都應在考慮之內。Global Emissions of CO2ht

26、tp:/www.eia.doe.gov/emeu/iea/carbon.html0510152025198019851990199520002005Metric Tons of CO2 per capitaUnited StatesCanadaAustraliaFranceGermanyUnited KingdomRussiaChinaJapanTaiwan現在2050年降低CO2排放量（公噸/年/人）太陽能(5%?)水力、風、海 (50年年)，調適措施必須迅速，調適措施必須迅速起動，我國防洪、防旱設施現在就須要加倍，起動，我國防洪、防旱設施現在就須要加倍，25年後須加两倍。年後須加两倍。 山區的居住及開發須重新計劃，例如山區還適山區的居住及開發須重新計劃，例如山區還適合居住嗎，山區的道路還值得維修嗎？合居住嗎，山區的道路還值得維修嗎？謝謝!歡迎指教、發問、討論!