Regional Climate Changes in Taiwan: Focusing on the

Precipitation

劉紹臣中央研究院環境變遷中心

National Tsing Hua University

Oct. 7, 2009

天氣與氣候• 天氣 (weather)﹕空氣的短期狀態與變化

( 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( 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﹕两者控制机制不同， 10 天後的温度難預報因其

受許多小尺度机制影响， 10 年後台灣的年平均氣温却容易預報。

温室效應 (Greenhouse Effect)• 全球平均地面氣温﹕ 14 oC 或 287 oK• 若無溫室氣體﹕ -19 oC 或 254 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 , 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

H2O, 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 年來因人類活動而增加。

地球暖化

• 事實 : 觀測 +模式計算 +理論印証

• 預測 : 模式計算 +理論印証• 推測 : 合乎理論的推測

二十世紀人為溫室效應 (事實 )

• 全球地面平均氣温增加 0.6 ± 0.2 oC,

• 全球海平面平均增加 0.1-0.2 m

• 北半球中、高緯度雨、雪增加 5-10%

• 大多數非極區陸上冰川明顯縮短。• 北半球雪覆蓋自 1960 年後約減少 10%

• 其他現象變化不明顯，包括颱風、龍捲風、冰雹、 雷電。

二十一世紀的氣候變化 (預測 )

• 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 世紀世紀預測增温高達預測增温高達 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 28-4328-43 公分。 公分。 (not 4-8 meters)(not 4-8 meters)

• 極高溫日數會增加，極低温日數會減少• 中、高緯度雨、雪會增加• 旱災更嚴重。旱災更嚴重。•颱風、暴雨可能會更多、更嚴重。 ( 推

測 )

二十一世紀温室氣体的變化• B1(即 1.8 )℃ 是最樂觀 (即最低 )的温室

氣体排放情況 ，其二十一世紀的平均CO2 排放量是每人每年約 5公噸，在此情況 CO2於 2100 年將被控制在 550 ppm 左右 (約工業革命前之两倍 ) 。

• A2(即 4 )℃ 則是聽其自然的温室氣体排放情況，其二十一世紀的 CO2 排放量約為 B1 的两倍，在此情況 CO2於 2100 年將高達 860 ppm( 約工業革命前之三倍 )。

相對相對 2020 世紀的世紀的 0.60.6 度增度增温，温， 2121 世紀預測增温世紀預測增温約約 3-63-6 倍，即倍，即 1.8-4.01.8-4.0 度。度。

2100

台灣二十世紀的氣候變化 (事實 )

• 全球增温約 0.6 度，台灣增温約 1.1 度，將近兩倍，原因可能與熱島效應有關。

• 1970 年以後台灣日照時數減少約 15% 。• 1970 年以後台灣相對濕度明顯減少，霧已從大城市消失。

• 1970 年以後全台甚至外島小雨約減少 30% ，而中、大雨則有明顯增加， 大豪雨甚至增加50% 以上 !

20 20 世紀全球增温約 世紀全球增温約 0.60.6 度，台灣增温約 度，台灣增温約 1.1 1.1 度度

Taiwan

氣候變遷 : 極端天氣• 一般人主要注意到全球温度漸漸增加及海平面緩慢上升，認為這些變遷是漸進的、緩慢的、甚至是遙遠的，缺乏急迫感。

• 其實極端天氣也會受氣候變遷的影響，世界各地近幾年陸續注意到有有大雨增加及小雨減少的現象 ( 見以下三圖 ) 。

• 但極端天氣隨氣候的變化很難預測，不定性極高，尤其是區域性的變化更難預測。 因此IPCC2007對極端天氣受氣候變遷影響的預測相當保守。

Rain Intensity distribution (15 CWB Stations)

Rain intensity (mm/hr)

0.1 1 10 100

Pre

cip

itatio

n a

mo

un

ts /

de

lta lo

g (

inte

nsi

ty)

(m

m)

0

500

1000

1500

2000

2500

1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2005

5~10月毛毛雨（<1.0 mm/d）日数的变化趋势 (%/10a)

80°E 90°E 100°E 110°E 120°E 130°E

20°N

25°N

30°N

35°N

40°N

45°N

50°N

55°N

<-7.5%-7.5~-2.5%-2.5%~00~2.5%2.5~7.5%>7.5%

Changes of Precipitation SpectraUS (48 states)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 10 100 1000

Intemsity (mm/day)

Pre

cipi

tati

on a

mou

nts

/ del

ta lo

g(In

tens

ity)

(m

m)

1951~1960 1961~1970 1971~1980 1981~1990 1991~2000

極端天氣的重要性

• 小雨是土壤保持溼潤的重要水份來源，小雨是土壤保持溼潤的重要水份來源，大雨容易流失。大雨容易流失。

• 小雨長期減少會加重旱災，尤其是台灣小雨長期減少會加重旱災，尤其是台灣西南部。西南部。

• 四川的乾旱可能源於小雨長期減少，甚四川的乾旱可能源於小雨長期減少，甚至華北沙漠化也可能起因於小雨的減少。至華北沙漠化也可能起因於小雨的減少。

• 大雨增加會導至水災。

• Trenberth et al. (2003) hypothesized that the precipitation intensity should exceed the 7%/K rate humidity increase derived from the Clausius-Clapeyron equation, because precipitation rates from storms were determined by low-level moisture convergence, and the additional latent heat released from the increased moisture can invigorate the storms.

• However, quantitatively the hypothesis was not corroborated by results from an ensemble of 17 current climate models which estimates a global mean increase of precipitation intensity to be only ~2%/K.

如何預測全球暖化對極端天氣的影響 ?

(A) 氣候預報模式目前的氣候模式對區域性的氣候變化的預測能力很

差，對區域性極端天氣基本上沒有預測能力。這情形很像 1953 以前的氣象預報模式。

(B) 經驗氣候預報經由分析過去觀測到的全球暖化對極端天氣的影響，

我們可能發展出經驗氣候預報的技術。台灣1980 以前的氣象預報基本上都是經驗預報，目前的降雨預報也主要是經驗預報。

用經驗預測法估計全球暖化對極端天氣的影響

Based on:Temperature Dependence of Precipitation Extremes, Shaw

Chen Liu, Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, and Futing Wu, GRL, 2009.

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Glo

bal

T a

nom

aly

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

++

--

2 years of +2 years of –

Global temperature anomalies (land and ocean)

15 CWB stations(mm/hr)

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 rain rate categories

Pre

cipi

tati

on a

mou

nts

(%)

2 yrs (warmest) in % 2 yrs (coldest) in %

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

delta T (oC)

delta

P /

delta

T (%

/o C)

15 CWB (mm/hr) 1961-2005

Bin 10 (top 10%)

Intensity categories

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P/

T (

%/K

)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

15 Taiwan CWB stations (mm/hr)1961~2005

(These values can be used to “forecast” or project future changes in extreme precipitations if global temperature changes are known.)

For 10 bi ns i n HuaNan 156 dai l y data (79-05)

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

rai n rate(bi n)

△p/

△T(

%/℃

)

Southern China

Rainfall for total

rainfall for total

60oE 120oE 180oW 120oW 60oW

50oS

25oS

0o

25oN

50oN

500

1000

1500

2000

2500

3000

Global Precipitation Climatology Project (GPCP) 2.5o x 2.5o, 5-day average (1997~2007), mostly from satellite observations.

Intensity categories

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nor

mal

ized

del

ta P

/ de

lta T

(%

/K)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Nor

mal

ized

del

ta P

/ de

lta T

(%

/K)

-4

-2

0

2

4

6

8

10GPCP data Sun et al. (2007)

Sun, Solomon et al. (2007): Results from IPCC2007 ensemble of 11 coupled climate models (B1 case/delta T, A2 case similar)GPCP data: 1979-2007, 29 years, 60N~60S, 2.5o x 2.5o, 5-day average

Intensity categories

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P/

T (

%/K

)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

15 Taiwan CWB stations (mm/hr)1961~2005

(These values can be used to “forecast” or project future changes in extreme precipitations if global temperature changes are known.)

• B1( 即有效節能減碳的情況 ) 在 21 世紀末約增温 2 度，全台灣前 10% 強降雨會增加 ~140%x2 = ~280% 。而 A2( 即無節能減碳的情況 ) 在 21世紀末約增温 4 度，全台灣前 10% 強降雨會增加 ~140%x4 = ~560%!

• 粗略推測在 21 世紀末每年最大的颱風應會多帶給台灣 100% (B1) - 200% (A2) 的雨量，更值得憂慮的是”小時瞬間雨量”將超過 280%(B1) - 560%(A2) ，其摧毁力之大難以想像。

• 中、小雨的減少的影響也不容忽視，台灣中、南部春冬两季常因缺少中、小雨而產生旱災，此類旱災會更嚴重。

• 1960 至今極端降雨的變化己達到 21 世紀末 B1的三分之一。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 30% 。

• 全球都有類似台灣強降雨增加及小雨減少的現象。• 此現象在低緯度區最嚴重，高緯度地區較緩和。• 夏季豪雨發生地區水災在 21 世紀末將以倍數增加、

增強，而缺水地區旱災則會更嚴重。• 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。• 由於節能減碳須時甚久 (>20 年 ) ，因應措施

(adaptation) 必須迅速起動，包括防洪、防旱，甚至全盤國土規劃。

台灣需要減排多少 CO2?

• 若要在若要在 2121 世紀內將世紀內將 CO2CO2 的濃度控制在工業革命的濃度控制在工業革命前前 (280 ppm)(280 ppm) 的两倍以內，全球的两倍以內，全球 CO2CO2 的排放就的排放就必須控制在大約目前的排放量必須控制在大約目前的排放量 :: 即平均每人每年即平均每人每年五噸。五噸。

• 歐盟歐盟 20502050 年之前減排至五噸，加州也是，所以年之前減排至五噸，加州也是，所以台灣也會被要求減排至五噸。台灣也會被要求減排至五噸。

• 台灣目前平均大約每人每年排放十二噸，台灣目前平均大約每人每年排放十二噸， 20502050年之前須減排年之前須減排 60%60% ，至五噸。，至五噸。

• 台灣溫室氣體減量法草案台灣溫室氣體減量法草案 (2007(2007 立法院立法院 ):): 2030 年年減排至十二噸減排至十二噸 !!

馬蕭白皮書 CO2減排量

• 20502050 年之前須減排至年之前須減排至 20002000 年之年之 50%50% ，，即約即約 5.55.5 噸。噸。

• 20252025 年之前須減排至年之前須減排至 20002000 年之排放年之排放量，即約量，即約 1111噸。噸。

• 2016-20202016-2020 年排放量須回到年排放量須回到 20082008 年年之排放量，即約之排放量，即約 12.512.5 噸。噸。

1212 99

55

55

現在 2050 年

節約節約 ++ 效率效率 (20%?)(20%?) 非碳能源非碳能源 (40%?)(40%?)

降低 CO2 排放量（公噸 / 年 / 人）

•太陽能 (5%?)•水力、風、海 (<5%)•生質能 (20%?)•核能 (20%)

台灣

全球5555

•素食、節約能源•提升能源使用效率•資源再利用

?oC

+

台灣能源成本之比較

2.45 2

20

15

8.5

14

19

1.19 2.4 1.48 0.6550

5

10

15

20

25

()

水力發電小水力

風力發電

(PV)

太陽能光電 (F

ell

燃料電池

Cell

)

地熱發電

波浪發電

海洋溫差發電

生質能 *

天然氣發電

*燃煤發電

*核能發電

: /單位 新臺幣 元 度

註：資料來源為台灣電力公司； *代表台電運轉實績。

替代能源替代能源• 太陽能的潛力最大 (1 hour solar energy~1 year global

energy use) ，但成本太高，無法大量利用。• 風力發電在台灣潛力有限，且不可靠。• 台灣水力雖然豐富，但大部份早己開採利用。• 因此剩下的 40% 減量絕大多數須來自生質能及核能。• 生質能目前己在巴西及美國量產並用於汽車，但其缺點是與糧食有排擠作用、佔取森林等用地、需要大量肥料及農耕機燃料，因此減碳效率不高。

• 核能固然有核廢物及安全等缺點，但在可控制範圍內，因此目前是目前是世界上大部份國家發發展非碳能源的首選。

Geo-engineering (Geo-engineering ( 地球工程地球工程 ))

• 造林：可造林面積有限。• 海洋加營養塩：技術不成熟，太小、太貴。• 沙漠反光鏡：太貴，環境影响大。• 太空反光鏡：太貴，時間太長，環境影响大。• 平流層加懸浮微粒反射陽光（如火山微粒 )：目前看起來最可行。

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