還會再有乾旱嗎?臺灣不容樂觀的水資源困境

「長期來看,未來下雨的情況,臺灣的水資源、自然災害的情況都容不樂觀。」許晃雄認為,依據氣候變遷推估的情境,雖然本次為號稱百年一遇的大旱,但未來類似的旱象極可能更加頻繁。
圖│iStock
「長期來看,未來下雨的情況,臺灣的水資源、自然災害的情況都容不樂觀。」許晃雄認為,依據氣候變遷推估的情境,雖然本次為號稱百年一遇的大旱,但未來類似的旱象極可能更加頻繁。
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「地球模擬器」與氣候變遷

臺灣在 2021 前半年面臨嚴重的乾旱,中南部水情見紅,讓在地居民相當憂心。這次乾旱是否就是氣候變遷的結果?中研院環境變遷研究中心許晃雄特聘研究員指出,氣候系統極端複雜,不宜驟下結論。那麼,科學家是如何評估氣候的?首先需要處理複雜運算的「地球模擬器」,而許晃雄就是「臺灣地球系統模式」的主要推動者。如何用氣候模式看待乾旱?透過研之有物專訪一起瞭解。

採訪撰文|陳亭瑋;美術設計|林洵安

未來還會有乾旱嗎?

佇立在桃園石門水庫的土地公廟與酋長石,隨著枯水期蓄水吃緊,奇景完整浮現在遊客面前;旱象之下日月潭持續乾涸,手機、車牌、乾隆年間的墓碑以及邵族沉沒的大型獨木舟也陸續在潭底被尋獲。

2021 前半年,臺灣遭遇號稱百年最大乾旱,中南部連續「好天氣」未有降水。事情要回到深受疫情影響的前一年,2020 的初夏梅雨少落,夏秋颱風罕見地過門不入,翻年受高壓影響春雨只走了個乾巴巴的過場。解除旱象始終要看老天爺的臉色,而推估未來的氣候走向,則是中央研究院「環境變遷研究中心─人為氣候變遷專題中心」的核心任務。

「長期來看,未來下雨的情況,臺灣的水資源、自然災害的情況都容不樂觀。」中研院環變中心特聘研究員許晃雄認為,依據氣候變遷推估的情境,雖然本次為號稱百年一遇的大旱,但未來類似的旱象極可能更加頻繁。今年的旱象應該視為水資源管理的重要警訊,提醒臺灣全體及早為了氣候變遷做出適當的因應。

規劃因應對策之前,首先當然需要了解在氣候變遷的情境下,臺灣的氣候將面臨哪些變異與變遷。自 2010 年起,以中央研究院環變中心為核心,在科技部的支助與中研院的支援下,聚集臺灣多所大學的研究人員,組成了「氣候變遷研究聯盟」,以建立臺灣氣候變遷模擬與詮釋所需的關鍵能力。除了自行研發改進「氣候模式系統」,也利用此模式研判氣候變遷與極端天氣未來將帶來的衝擊。


科學家如何「算計」氣候系統?

氣候模式是什麼?又如何估算未來氣候狀況呢?

「(氣候模式系統)有點像是用電腦語言建一個『地球模擬器』,電腦基本上可以模擬我們觀測到的現象,比如說大氣、環流、海洋、水循環、雲。」許晃雄說明,透過將地球在水平方向切割成數萬個網格(每格約 60~100 公里)與垂直方向數十層,就可用超級電腦進行模擬、計算出每個網格的氣候狀況。

許晃雄表示,全世界目前有約 40~50 個「地球模擬器」,但還沒有公認模擬或推估能力最完善者,各單位的成果各有長處與短板。現階段如聯合國政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)撰寫氣候變遷評估報告的時候,通常會採用類似「多數決」,同時使用多個模式,以多模式模擬和系集模擬(ensemble simulation),獲得重要的預估資料。

現有的諸多氣候系統模式均投入了許多科學家的努力,但離完美模擬還有很長的一段路要走。由地球科學的角度來說,地球可以被分成大氣、冰雪、水、陸地、生物等五項子系統,這五項系統的交互作用,都會影響地球的氣候。因此考慮這些子系統間相互影響的物理過程,根據物理、熱力、化學定律組成的方程式,編寫成電腦程式,就可以在超級電腦上模擬大氣、陸地、海洋隨時間的變化。但是,全球氣候模式的解析度仍不夠精細,每格網格大小為數十到百公里,在此一尺度上,無法處理較小尺度、但極重要的物理過程(如大氣輻射、對流、氣膠、雲等),都需要將之以參數簡化,這也造成不夠精確的氣候模擬結果。

「像是在原本的氣候模式裡面,很難定義『一朵雲』。」

許晃雄說明,區域天氣中很重要的雲朵、地形輻射等因素,在原本的參數裡都難以精準呈現。而這也是許多科學家持續努力的目標,在此,臺灣的研究團隊自然也沒有缺席。

臺灣「氣候變遷研究聯盟」團隊在有限的人力物力之下發展「臺灣地球系統模式」(Taiwan Earth System Model,TaiESM,解析度約 100 公里, 無法模擬颱風),以既有的美國國家大氣研究中心「社群地球系統模式」(CESM1)與美國海洋與大氣地球物理動力實驗室「高解析大氣模式」(HiRAM,解析度約 25 公里, 可以解析颱風)為基礎,再納入臺灣特有研究專長的模組,改善大氣物理參數化,以及海洋模組的調整。

舉例來說,TaiESM 的特色之一,即是納入臺大大氣科學系自行研發的「雲與氣膠」模組,在運算中大幅改善了對於氣膠與雲的微物理交互作用的模擬能力;還有中研院環變中心的三維地形對太陽輻射的吸收,雲量的模擬與對流的啟動機制;此外關於海洋模組,中興大學發展出「海氣交互作用」模組,對於一維雪、冰、海洋模組有極高的解析度,並且耦合全球大氣模式後,可以成功呈現許多氣候模式都無法恰當模擬的熱帶「季內振盪」(Intraseasonal Oscillation,ISO),其對於全球天氣氣候影響僅次於聖嬰現象。

氣候模式系統有點像是用電腦語言建一個「地球模擬器」,模擬我們觀測到的現象。氣候模式系統會將地球在水平方向切割成數萬個網格(每格約 60~100 公里)與垂直方向數十層,因此模擬所需計算量龐大,需要用超級電腦計算出每個網格的氣候狀況。圖│iStock
氣候模式系統有點像是用電腦語言建一個「地球模擬器」,模擬我們觀測到的現象。氣候模式系統會將地球在水平方向切割成數萬個網格(每格約 60~100 公里)與垂直方向數十層,因此模擬所需計算量龐大,需要用超級電腦計算出每個網格的氣候狀況。
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許晃雄分享,雖然「臺灣地球系統模式」建置的研究人力與資源遠不如國外相關的團隊,但已在短短的十年間獲得不錯的成果。近年已經加入世界氣象組織轄下世界氣候研究計畫中的「耦合模式比對計畫」(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP)第六期計劃,臺灣成為少數有能力模擬與推估長期氣候變遷的國家,並且將貢獻相關成果給全世界。TaiESM 還有不少需要改進的地方,但是與全球數十多個模式評比發現,TaiESM 模擬現代氣候的表現與全球領先的地球系統模式相比,並不遜色。


複雜就是臺灣氣候系統的特色

當然,人為氣候變遷專題中心研究團隊也被大眾期待要處理在地議題,而模擬臺灣附近的氣候系統,本身難度就較世界其他地方高一截。「臺灣屬於亞洲季風區,全世界的季風區中,最複雜的地方。在這個區域中,有多重尺度的交互作用必須要同時處理。」許晃雄說明。

臺灣的天氣氣候深受颱風跟季風的影響,但這兩者有尺度上有一定的差異,但彼此間又會有複雜的交互作用。颱風本身會影響大尺度的環流,從而影響季風系統;反之季風系統的情況,本身也會影響颱風的生成。臺灣剛好位在歐亞大陸與太平洋的交會點,海陸分布很複雜,處於多個系統的交會點,也就很容易受到遠方的氣候因子影響。

如今年的旱象,起源自去年度氣溫較高,太平洋副熱帶高壓強,海面上生成的颱風弱而生命期短;也有研究指出,去年度印度洋海溫破紀錄,的確有可能會影響太平洋颱風生成;而在氣候變遷的情境下,印度洋的確是海溫升高速度最快的洋盆……此間的關係錯綜。許晃雄提醒,氣候系統極端複雜,雖然有些現象與推估類似,但原因不同,不宜貿下結論認為本次的臺灣大旱都是由氣候變遷所導致。

「大氣是連續的,臺灣(的天氣)會受到外面季風、氣候變化的影響。」既然無法自外於世界的變化,那就要盡力打造自身的研究能力。而未來的終極發展方向,將朝著「無接縫天氣氣候預報系統」持續發展,打破傳統將大氣現象依據時間空間尺度區分的概念,這就是氣候模擬與推估研究的終極目標。


乾旱與高溫:氣候變遷對臺灣的衝擊

有了所需的研究工具,面臨無可避免的氣候變遷趨勢,臺灣將會遭遇哪些高風險狀況呢?

首先當然還是跟民生息息相關的降雨變化。環變中心結合科技部「臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台(TCCIP)」計畫合作,在中研院永續科學中心的支助下,2018 年完成的研究「臺灣乾旱研究:變遷、水資源衝擊、風險認知與溝通計畫」在結果中就指出,北臺灣未來(2040–2060)春季乾旱可能會變得更嚴重,民生與農業用缺水率會顯著增加。

TCCIP 研究推估臺灣未來的降水變遷,也發現降水時期的不平均會更極端,枯水期越乾,豐水期越濕;枯水期不下雨的天數增加,乾旱時間可能延長;而豐水期則降雨強度變大,面臨豪雨或暴雨更嚴重的狀況,反而可能加劇淹水與土石流的威脅,對於蓄水設備(如水庫淤積)造成更大的負擔。

「臺灣的乾旱通常不是特別嚴重,通常是幾個月就過去了,跟澳洲美國那種大陸型乾旱不一樣。」對於大家容易遺忘水情常岌岌可危,許晃雄舉例,2002-2004 年就斷斷續續有過旱災,連大臺北地區都經歷分區供水。但由於災情通常能在梅雨季或颱風季獲得緩解,旱象少有超過一年,也因此較不容易留在大家的記憶中,珍惜水資源的意識也因此較為薄弱。

但實際上,臺灣特殊的地理環境導致雖然降雨不少,但水資源管理相對辛苦,以石門水庫為例,每年至少要補充四次。研究也指出,臺灣 2 到 4 月的春雨往往是第一期稻作重要的灌溉水來源,因此春雨期間降雨的多寡,攸關當年度的水情與農作。前述研究的氣候模擬顯示,臺灣在世紀中春雨的降雨量預估將減少 13.2%,連續乾日會增加 55.7%,北臺灣未來的乾旱情況可能會更加嚴重。

另一個臺灣很可能面臨的氣候變遷情境,是高溫。

相關研究均指出,臺灣未來平均氣溫的升高是無法避免的。過去百年間,臺灣的氣候已經由冬天長夏天短逐漸轉變為夏天長冬天短,推估未來夏季可以長達 150 天,「熱浪不會是很多個斷斷續續來,會是只有一個,以現在的標準,未來整個夏季都是熱浪。」許晃雄描述臺灣將進入「炙熱的世界」。

氣候模擬顯示,臺灣在世紀中春雨的降雨量預估將減少 13.2%,連續乾日會增加 55.7%,北臺灣未來的乾旱情況可能會更加嚴重。圖|研之有物(資料來源|臺灣未來的乾旱問題與因應)
氣候模擬顯示,臺灣在世紀中春雨的降雨量預估將減少 13.2%,連續乾日會增加 55.7%,北臺灣未來的乾旱情況可能會更加嚴重。
圖|研之有物(資料來源|臺灣未來的乾旱問題與因應)


先充分了解衝擊,再進行調適策略規劃

氣候變遷已迫在眉睫,那麼我們該如何對此做出因應?

許晃雄表示,現階段應該盡快完成有關氣候變遷衝擊影響的研究,才適合進一步研擬調適策略。氣候變遷影響的層面非常廣泛,對於環境、農林漁牧、公共衛生、健康、生態等領域,都很可能造成明顯衝擊。但現階段對於這領域相關研究內容仍不夠充足,對於「衝擊」沒有充分的認知,就貿然進行「調適」的規劃,恐將事倍功半。

舉例來說,之前環變中心「乾旱研究」即已指出,未來臺灣北部主要集水區的雨量在春季減少得最為明顯,因此受氣候變遷影響,直到世紀中,北部的缺水率最多將超過 20%,甚至北部農業用水的缺水率可能超過 40%。如此的衝擊認知仍然較為粗略,更詳細來說,在缺水情境下,哪些領域將受到最嚴重的衝擊,都還需要更細緻的研究。

「以前在(氣候變遷)討論的內容是自然科學,現在討論的方向,已經滲透到人類生活每個層面裡面去,這個是相當不同的地方。」

曾於 1997 年與魏國彥教授合著出版《全球環境變遷導論》的許晃雄沉浸在此議題中幾十年,他表示氣候變遷議題,已經廣泛到影響所有人,所有人都應當參與。關心相關議題不需要拘泥於科系領域,不管是數理化、工程、生物、健康、環境、經濟、社會科學,只要學有專精皆有可發揮之處。在不久的未來,我們必須要在各方面技術上與制度上有突破性的進展,在節能減碳的同時,也能因應氣候變遷帶來的衝擊。

氣候變遷的議題廣泛而影響深遠,將帶來許多衝擊改變。但若能及早因應面對,臺灣未嘗不能透過各種新發展化危機為轉機。

許晃雄認為,以前氣候變遷討論的內容是自然科學,如今討論的方向,已經滲透到人類生活每個層面。現階段應該盡快完成有關氣候變遷衝擊影響的研究,才適合進一步研擬調適策略。圖│研之有物
許晃雄認為,以前氣候變遷討論的內容是自然科學,如今討論的方向,已經滲透到人類生活每個層面。現階段應該盡快完成有關氣候變遷衝擊影響的研究,才適合進一步研擬調適策略。
圖│研之有物


延伸閱讀:

〈氣候模式群組之建置與改善〉,《氣候變遷研究聯盟》。

〈臺灣氣候模擬系統──探索氣候的前世今生與來世〉,《自然科學簡訊》,第31卷第1期。

〈臺灣未來的乾旱問題與因應〉,「臺灣乾旱研究:變遷、水資源衝擊、風險認知與溝通計畫」,中研院永續科學研究計畫(2016-2018)。

〈臺灣氣候變遷乾旱風險與調適〉,「臺灣乾旱研究:變遷、水資源衝擊、風險認知與溝通計畫」,中研院永續科學研究計畫(2016-2018)

本文為中央研究院研之有物,以創用 CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。授權刊登於聯合新聞網「閱讀」頻道。原文為「過了這次乾旱還有下次!臺灣不容樂觀的水資源困境──專訪許晃雄」,未經同意,請勿轉載。


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