2015年3月12日 星期四

從海綿寶寶的比奇堡談MJO與台灣今年冬季的旱象


過去很多人都說,看海綿寶寶頭腦會變笨,事實上這是搞不清楚海綿寶寶的哲學思想,也不知道海綿寶寶的科學意涵。臺灣從去年下半年到現在的旱象,是很多人關心的課題,但很少人知道,海綿寶寶住的比奇堡,正是觀測與預報這波旱象的關鍵地點,所以,是誰住在海底的大鳳梨呢!?那裡有什麼秘密呢?且聽我們用科學論文與研究一一道來。
先說說臺灣的降雨特色吧!在洪致文(2009)這篇研究中,以百年臺灣的雨量數據為資料,以氣候特徵為參考指標,將月份以自然季節方式區分為冬季乾期(11月到1月),春雨季(2月到4月),梅雨季(56月)與颱風季(7月到10月),探討各季節的雨量氣候特徵。這研究確認一件事,台灣全年的平均降雨中,冬季乾期的全年雨量貢獻極少,即使加上北部區域為主的春雨,也僅約達到全年總雨量的四分之一。整個颱風季的雨量幾乎佔了臺灣地區總雨量的一半,另外四分之一則是來自梅雨季。(下圖是台灣的降雨,為了延續冬天橫跨兩年,所以畫兩次。可見十一月到四月的雨量是很少很少的)
這佔了台灣年總雨量約一半的最大來源,基本上就是夏天的颱風季降雨。不過,集中於短暫數日的大量颱風降水,年年之間卻有著相當大的差異:颱風雨佔整個710月總雨量的百分比,可以大到65.6%,卻也可以小到7.7%。因此夏秋季的台灣地區雨量預報,往往是氣象人員一個非常大的挑戰。台灣去年的颱風雨過少,是導致今年這波旱象的主因,而從去年入冬以後到現在,雖然秋冬初期雨量算是正常,但是大約去年底後一直到現在,整個雨量都是偏少的狀況。臺灣南部在冬天基本上是沒有什麼降雨,氣象學者也都不會期待在南部有什麼大的降雨發生,但是北部的降雨偏少,這就對於旱象有非常大的影響了。

那麼,是怎樣的機制造成臺灣北部冬天的降雨呢?在Hung and Kao (2010)這 篇發表在美國氣候期刊中的研究結果,我們提出了一個跟先前研究比較不一樣的觀點。過去一般天氣預報之傳統觀念認為,當冬季東北風越強,將會帶給台灣越多的 降雨;反之,東北風越弱,則台灣的降雨將越少。但依照我們的分析,因東亞冬季季風環流在近幾十年間減弱,導致東亞許多山地與沿海迎風面地區(如日本之日本 海沿岸、呂宋島東部、中南半島東部),其冬季降雨減少,但台灣北部平地地區與中國華南地區,其冬季雨量在1980年代初期後卻急劇增加。以臺北為例,冬季 降雨日數快速減少,但總雨量與大雨日數卻反增。

其原因推測為,在全球暖化之影響下,導致南海之海表面溫度(SST)與對流層低層水汽(如絕對濕度q)增加,再加上華南地區南風異常增強(由於東亞冬季季風之減弱),進而提供東移鋒面更多的水汽來發展其雲雨帶,故北台灣平地地區在1980年代後,其冬季雨量急劇增加。但另一方面,台灣北部山地區域,其冬季雨量並無明顯變化。這主要是因為山地地區冬季的降水來源,除了鋒面所帶來之降水外,還有東北季風所引起之地形抬升性降水。當東亞冬季季風減弱使得東北季風帶來之降水減少,但鋒面所帶來之降水卻增加,故台灣北部山地地區其冬季雨量較無明顯變化。

不過,上述這研究只是指出一件事情,即是東北季風如果比較強是會在迎風面造成較多降雨,但是相對的整個南來水氣會較少,故北臺灣的平地雨量會不多,顯示臺灣冬季降雨在臺灣的空間分布複雜性。但整體而言,今年的東北風算是正常,那為何冬季一直乾旱?

二月底氣象局曾找了不少氣候學者開會討論這個情況,大家都認為中太平洋一塊不尋常的暖水跟這次乾旱的情況是有很大的關係。
在一份去年剛發表於美國氣候雜誌的論文(Hung et al. 2014)所提出臺灣冬半季降雨與熱帶MJO的關係,則與今年的現象相當吻合。

說了這麼多,與海綿寶寶有什麼關係呢?其實,MJO這個近年來氣候學界非常熱門的議題,跟海綿寶寶的誕生有絕大的關係。MJOMadden–Julian Oscillation的簡寫,是取名於發現的MaddenJulian這兩位學者。這兩位科學家在戰後1960年代,利用美軍於中太平洋試爆原子彈時所順便觀測的氣象資料,很聰明地提出了地球上有一種由西向東傳遞,時間尺度大約在三十到六十天繞地球一圈的震盪。MJO這種東西,對於氣候預報是非常有用的資訊,他對季風的肇始,對於臺灣梅雨的開始時間,對於颱風的生成,對於聖嬰的誕生與滅亡都有影響。
 
MJO的發現,與美國戰後在太平洋試爆原子彈有關。而大家知道,中太平洋一個美麗的比基尼環礁 (Bikini Atoll),正是試爆的地點之一。當然,正妹辣妹穿的比基尼泳裝,也正是來自這個很威的環礁名稱。不過近年來更有名的是,比基尼環礁的「下面」,英文叫做「Bikini Bottom」之處,中文名字就叫做「比奇堡」啊!所以大家知道是誰住在比奇堡?是誰住在海底的大鳳梨呢?當然是大名鼎鼎的海綿寶寶啊。其實海綿寶寶就是原子彈試爆後變種產生出來的生物,整個卡通其實有反核的寓意。而比奇堡的地點,剛好在這次中太平洋異常暖海水的邊緣,而MJO從去年底開始的不正常,正是台灣冬季持續乾旱的一個可能原因。


國際上的研究,往往把MJO分成八個相位。在Hung et al. 2014的研究中指出,MJO對臺灣冬半季(11-4月)降雨的影響,在MJO相位34時(MJO抵達印度洋與海洋大陸的西側),降雨比較多,而在相位78時(西太平洋暖池海域),降雨比較少。

該研究提出兩種機制說明此現象:(1)熱帶往中緯度傳送的波列:當MJO移動到中印度洋時,激發了Matsuno-Gill 型態的波列。這是因為MJO的非絕熱加熱,其西側高層大氣會出現一個對稱於赤道的反氣旋距平。北側位於阿拉伯海及印度洋北側的反氣旋距平,將誘發向東北傳送到中緯度的波列,這包括一個以東亞為中心,而會加強臺灣地區冬半季降雨的氣旋式距平。(2MJO會增強從南海北傳的水氣供應:當MJO對流抵達海洋大陸的蘇門達臘與爪哇時,向東發展的赤道區對流加強了低層的南來氣流,將水氣向北傳送到臺灣及華南地區。於是,因為南來水氣供應的增加,臺灣冬季季風的降雨也會變多。
 那今年入冬後是怎樣的現象?那個中太平洋的暖海水,讓之前的MJO相位一直在6,7,8打轉,原本一波一波該由西向東走的MJO,整個一月二月都變得不正常,整個機制就是我們研究中提出的反相,一種讓臺灣地區冬季少雨的情況。這種熱帶影響到中緯度地區,特別是影響到臺灣地區降雨的機制,其實是可以從海綿寶寶住的比奇堡那邊的對流與海溫來加以研究。

至於未來的旱象會如何?從MJO的預報來看,一個非常不典型,不是從印度洋出發的MJO,因為中太平洋暖海水的影響,直接從相位5殺出,未來可能繼續增強往6,7,8跑。這對臺灣來說是壞消息,因為這種相位就是臺灣冬季少雨的典型特徵。看來只有等到梅雨季時,別的降雨條件與影響打破這個僵局才有可能了。

話說,現在太平洋上很熱鬧的颱風,也跟MJO從相位五殺出有關。希望比奇堡一切安好,不要被摧毀了啊。

延伸閱讀

洪致文 2009: 從百年氣象資料看台灣降雨的氣候特徵, 台灣文獻季刊, 60卷第4, 45-69.

Hung, C.-w. and P.-k. Kao, 2010: Weakening of the winter monsoon and abrupt increase of winter rainfalls over northern Taiwan and southern China in the early 1980s. J. Climate. 23, 2357–2367.

Hung, C.-w., H.-J. Lin and H.-H. Hsu, 2014: Madden–Julian Oscillation and the Winter Rainfall in Taiwan. J. Climate. 27, 4521-4530. DOI: 10.1175/JCLI-D-13-00435.1


1 意見:

Focus 陸 2016年9月5日 下午8:03  

看起來MJO的理論並沒有抓到適當的週期,每隔一段時間,就會有意外發生

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