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第32期出刊日:2017.07.05

大氣科學系-臺灣地形降水研究的獨特及挑戰

 

文/大氣科學系 游政谷教授

臺灣是一個多山的海島,不僅豪大雨的發生經常與地形效應密切相關,同時降雨強度與分布受到地形影響甚劇。加上,臺灣綜觀環境與天氣系統的豐富多樣化、高聳複雜的地形地貌、山區雨量觀測站稀疏,這些因素都造就了臺灣地形降水研究的獨特性及挑戰性。

我們以臺灣最為致災天氣系統-颱風為例,當考慮臺灣是一座完全沒有高山的平面島嶼時,或許颱風所帶來的豪雨威脅將大大降低。根據過去百年來侵襲臺灣颱風最大降雨量之統計水平分布圖(圖一),清楚顯示強降水區皆集中在主要山脈地區,如北海岸大屯山、雪山山脈及中央山脈中南段等三個區域,而平地的降雨量相對少許多,地形加強降水效應非常明顯。颱風低層環境具有強風之典型特徵,氣流通常容易爬越山脈,因此迎風面地形抬舉所造成的降水加強,是目前最被廣為熟知的地形效應。然而颱風本身是一個充滿顯著降水的旋轉環流,而這些颱風降水主要是透過颱風內部動力過程所產生的,我們姑且稱它為颱風背景降水。當考慮地形抬升效應來加強降水時,若單純認為颱風環流受地形抬升為唯一對流加強作用而忽略颱風背景降水的可能影響,這是過於簡化的想法,因為颱風背景降水與地形抬升降水兩者之間交互作用是完全可預期的。只不過,要如何透過大氣觀測或數值模擬資訊來有效分辨此兩類降水粒子,以致於去檢視其雲物理交互作用,是一件不容易且極具挑戰的研究工作。除此之外,由於颱風內部降水並非是水平均勻分布的,而是常組織成螺旋帶狀,此颱風雨帶是除了颱風眼牆外,最主要的降水集中區域。颱風雨帶具有高度的移動特性(相對於地表而言),且單一颱風內通常包含數(十)個雨帶,這些登陸雨帶與複雜地形的交互作用過程(圖二),亦影響臺灣局部地區雨量多寡甚劇。然而,國內外對此議題的相關研究仍非常少。臺灣擁有全島氣象雷達觀測網,且位於西北太平洋颱風的主要路徑上,可預期的是,對於登陸颱風雨帶的科研進展,臺灣在國際上有機會扮演重要領導角色。

如前所述,山區觀測站稀疏是拓展地形降水知識的主要罩門之一。我們以大屯山為例,在颱風環境下或冬季盛行東北風時,大屯山區經常出現降雨極大值(如圖一)。但是受限於山區觀測站不足,我們幾乎無法檢視其降水強度與分布狀況。因此,如何利用有限人力物力來增設山區測站獲取額外氣象觀測資訊,就顯得至為關鍵。基於此,過去幾年來我所帶領的研究團隊特別選取大屯山區作為地形降水研究的天然實驗區,於山頂及斜坡等降雨潛在集中區域規劃設站,建置所謂大屯山區密集降雨觀測網(Da-Tun Rain Gauge Network,DTRGN,圖三)。雖然這些山區測站的維護工作相當不易,不過這些高時間與空間解析度之地面雨量觀測資料的收集與分析,將有機會實質提升大屯山區地形降水物理(動力)過程的了解,而目前我們正朝向此目標在努力邁進中。

總的來講,臺灣地形降水議題除了有極佳的科學創新潛在價值,與豪雨災害與水文循環也密切相關,對臺灣民生影響甚鉅。未來除了必須增加我們對於各種天氣系統動力、結構的基礎認識之外,更重要的是要去突破複雜地形上降水過程的了解,同時尋求與其他地球科學領域專家之交流合作,這是國內相關研究可以積極思考與努力的重要方向。

 


圖1. 過去百年(1897-1996)氣象局地面測站所量測之颱風最大總雨量(單位為公釐)水平分布圖。色階表示地形高度,間距如圖上所標示,黑色粗實線為雨量等值線,紅色箭頭指出最大總雨量集中區域(圖摘取自氣象局百年侵襲臺灣颱風之統計分析報告,經重新繪製而成)。

 


圖2. 中央氣象局五分山氣象都卜勒雷達所觀測到強烈龍王颱風低層降水回波隨時間演變圖。時間標示於每張圖的右下角,由(a) 2005年10月1日18:31 UTC至(d) 2005年10月1日19:46 UTC。箭頭指出不同時間颱風雨帶的位置,由宜蘭附近海岸登陸,並迅速移入雪山山脈,造成臺灣北部山區顯著降水。

 


圖3. 臺灣北部大屯山區氣象站及地面雨量密集觀測系統位置圖。色階部分為地形高度(單位為公尺),間距如圖所示。黑色星號★為大屯山區密集降雨觀測系統(Da-Tun Rain Gauge Network,DTRGN),其餘符號代表中央氣象局氣象站及五分山都卜勒雷達站所在位置。