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第35期出刊日:2018.3.31

2017年冬季寒潮與南海熱帶風暴的冰火交會

文/大氣科學系 隋中興 林博雄 吳靜軒 徐世裴

南海是高低緯度大氣環流交互影響熱點

南海的東西向連接印度洋和太平洋間,是北印度洋夏季風通往東亞、西北太平洋的水氣通道;南海南臨海洋大陸,由地球上最暖的海水與最大的島群組成,是東亞冬季風流向澳大利亞的水氣通道,由於暖濕季風交匯導致全球最大的總雨量降在此區,其對流與經向沃克環流和緯向哈德利環流緊密互動,區域大氣具有明顯的日週期、天氣尺度、10-20及30-60天的季內振盪(Madden Julian Oscillation, 簡稱MJO)(圖1)。

圖1  東亞、西北太平洋、海洋大陸與印度洋大氣環流交互作用示意圖。

伴隨前述多重時空尺度大氣震盪的雲水對流和近地面風場在及其鄰近的赤道印度洋-太平洋暖池海域,可以激發熱帶地區海洋的波動並進一步影響年際之間的變動振盪。這一年際振盪再透過赤道太平洋、印度洋對流異常加熱與海洋大氣交互作用,產生持續性赤道東西向沃克環流的變化,如圖2顯示年際振盪暖相位時(聖嬰現象),赤道中太平洋海水溫度變暖、海面降水增加(冷色區),大氣運動上升、海洋大陸地區則是沉降運動,以及伴隨赤道南北兩側氣旋跟反氣旋環流,進而影響南海及周遭西北太平洋、東南亞等區域的冬季降雨。

圖2 年際振盪暖相位的聖嬰事件合成降水(色階)、850hPa風(向量)之距平場

南海雙島冬季實驗

為探討前述南海這一區域的各種尺度大氣環流與海洋大氣交互作用過程,大氣科學系與海洋研究所於2017年12月在南海執行科技部計劃「南海雙島冬季實驗」,在太平島和東沙島(雙島)透過地面氣象站、剖風儀、探空氣球,進行逐時或逐日的大氣量測,同時海洋研究所海研一號研究船於 11月30日到12月11日期間進行了高雄往返太平島的海、氣觀測。圖3是雙島的大氣探空氣球垂直剖面(海面到500hPa)風場與相對溼度的量測時間序列圖,顯示南海低層大氣乾冷的東北季風垂直結構。12月8、11、16~21日這三波寒潮使得東沙島、太平島的東北風大氣邊界層相對溼度降低,兩島的水氣差別也顯示東北季風受南海調節而變暖變濕 (太平島的相對溼度要比東沙島高)。12月16~21日期間颱風啟德 (Kai-tak) 於菲律賓東方海面形成後往西南移入南海,暖濕的氣旋與乾冷的寒潮交會,為太平島以南熱帶對流區傳入豐富的水氣(圖4)。這一次南海雙島冬季實驗的島嶼與研究船同步觀測,提供了強烈熱帶對流與東亞高壓寒潮兩者之間聯動過程的寶貴資料,後續的分析與模擬研究正在進行中。

圖3  2017年12月2-22日東沙島(上)與太平島(下)每日2至4次探空量測的水平風場與相對溼度(色階)資料。(文化大學大氣科學系劉清煌教授製作)

圖4  中央氣象局2017年12月20日上午8點繪製之地面天氣圖,疊加NAVGEM 925hPa氣壓層水平風場 (文化大學大氣科學系劉清煌教授製作)。

 

雙島實驗期間太平洋正處於反聖嬰狀態 (La Nina),海表面水溫呈現赤道東太平洋偏冷、西太平洋偏暖(偏東風)的氣候型態。在2017年12月前半段,伴隨熱帶季節内振盪的赤道西風波動從印尼海洋大陸向東延伸,與熱帶偏強的東風在東經140~160度、南北緯5度的暖水區輻合,促成這一區域對流和降雨活動增強 (圖5、圖6a),進而導致北緯5~15度間的熱帶羅士比波 (Rossby Wave) 與季風擾動的生成異常活耀 (圖6b)。並且在這階段的對流-低壓環流波動活躍互動中,陸續生成三個熱帶風暴(颱風啟德、颱風天秤、颱風布拉萬)。這些熱帶風暴受到偏東風氣流的導引,都從西太平洋侵襲菲律賓後移入南海。颱風啟德在12月18日進入南海之後受強烈大陸冷氣團之東北季風導引往西南偏移,在12月19~20日通過太平島東、南方海域 (圖4~圖5)。

圖5  2017年12月月平均的全球降水量測(GPM)衛星資料 (色階,單位是mm/day) 與美國海洋大氣總署環境預報中心的全球數值模式分析場FNL模組的925hPa氣壓層水平風場,以及颱風啟德(往西南)、颱風天秤(偏西行)與颱風布拉萬(往西北西)路徑(黑色方塊代表東沙島及太平島位置)。

圖6  2017年12月(a)南北緯5度及(b)北緯5~15度瑋向平均的時間-經度圖。色階是全球降水量測(GPM)衛星反演的日降水(mm/day)。(a)圖內粗黑線為MJO 、細藍線代表赤道Kelvin Wave;(b)圖內紅線代表ER Wave、藍線代表MRG Wave;等值線為對流雲頂的外逸長波輻射(out-going longwave radiation,Wm-2),虛線(實線)表示對流增強(抑制)相位。

 

受到颱風啟德的外圍環流與強烈東北季風影響,太平島量測最高平均風達7級、最大陣風10級,造島上樹木折斷傾倒和積水等災情 (圖7)。颱風天秤在12月23~24日再從太平島南方較遠處通過時,也量測到最高平均風7級、最大陣風10級。

圖7  颱風啟德侵襲太平島後的災情(文化大學劉清煌教授團隊提供)。