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氣候變遷

氣候變遷. 劉紹臣 特聘研究員 中央研究院、環境变遷研究中心 物理所 Summer School 07/06/2013. 這場演講全部資料都是根据發表于正式科學期刋內的文章 , 聯合國跨政府氣候變遷委員會 (IPCC) 的報告 , 及我目前的研究結果. 天氣與氣候. 天氣 (weather)﹕ 空氣的短期狀態與變化 (Variability) ( 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 (Steady State 穩定狀態 ) ( 長期：世界氣象組織定義 30 年平均才有氣候的代表性 )

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  1. 氣候變遷 劉紹臣 特聘研究員 中央研究院、環境变遷研究中心 物理所 Summer School 07/06/2013

  2. 這場演講全部資料都是根据發表于正式科學期刋內的文章,聯合國跨政府氣候變遷委員會(IPCC)的報告,及我目前的研究結果.這場演講全部資料都是根据發表于正式科學期刋內的文章,聯合國跨政府氣候變遷委員會(IPCC)的報告,及我目前的研究結果.

  3. 天氣與氣候 • 天氣(weather)﹕空氣的短期狀態與變化(Variability) (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(Steady State穩定狀態) (長期：世界氣象組織定義30年平均才有氣候的代表性) 例如全球平均氣温約15℃，一年平均幾個颱風侵台? ------------------------------------------------ • 因此上個冬天有較多暴風雪及酷寒(幾次天氣事件)，不表示要進入小冰河期(氣候)。 • 也不應說特殊氣象事件如莫拉克或歐洲熱浪是氣候暖化造成的。

  4. 中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2010)中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2010) (準正態分佈)(qusi-normal distribution) 降雨(mm) ↑ Morakot 降雨強度(mm/hour)

  5. 温室效應(Greenhouse Effect) • 全球平均地面氣温﹕15 oC 或 288 oK • 若無溫室氣體﹕-18 oC 或 255 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到地面,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年來因人類活動而明顯增加。

  6. 联合國跨政府氣候小組(IPCC) 模式預測的21世紀各種溫室氣體情況之地表增温

  7. 中國東部 緯度 時間(千年前) 大禹治水

  8. 始新世氣候最佳期 全新世氣候最佳期 Out of Africa 智人 2-4oC 文明古國 Lucy 北京猿人 Wikipedea: Rob Rohde's palaeotemperature graphs pasted together on one page, with Royer et al's CO2-corrected Paleozoic - Mesozoic record substituted for Veizer et al's uncorrected record.

  9. Map shows the spatial and temporal locations of ancient civilizations

  10. 四大文明古國:中國、印度、埃及、小亞細亞，都是在距今約7000-4000年前發展出來，極可能都跟當時(全新世氣候最佳期)的良好氣候環境有關。但良好氣候環境是指什麼?絕大部份的人認為是北半球中緯度温暖的氣溫。四大文明古國:中國、印度、埃及、小亞細亞，都是在距今約7000-4000年前發展出來，極可能都跟當時(全新世氣候最佳期)的良好氣候環境有關。但良好氣候環境是指什麼?絕大部份的人認為是北半球中緯度温暖的氣溫。 • ”良好氣候環境”應當不是指北半球中緯度温暖的氣溫，因為若是為了温暖，人類可以在低緯度輕易找到，例如華夏族大可選擇長江而非黃河做為中華文明的母親河。並且自從Lucy(約3百萬年前)以來，人類大部份時間就生活在比現在至少低1 oC的地球上，早己習慣較凉的氣候。 • ”良好氣候環境”應是指自然災害的風險較低，包括水災、旱災、地震及海嘯，很明顯四大文明古國都遠離地震及海嘯頻繁區域，問題是古代水災、旱災的風險如何評估?以下我們以中國為例來討論這個問題。

  11. 夏朝之領域 (2100-1600 BC) w:en:User:Gurdjieff (Lamassu Design)

  12. 黃河被稱爲中華文明的母親河。公元前5000-2000多年華夏族在黃河領域的中原地區繁衍。黃河被稱爲中華文明的母親河。公元前5000-2000多年華夏族在黃河領域的中原地區繁衍。 • 但據歷史記載在(公元前595年-1946年)的2540年間，黃河氾濫近1593次，平均1.6年氾濫1次。 • 作家柏楊曾說「黃河像一隻在大地上翻騰跳踉的巨龍，為中國人帶來無法抗拒的災難」 • 為什麼這條無法抗拒的巨龍會被華夏族在公元前5000-2000多年選為中華文明的母親河?

  13. 黃河流域在公元前5000-2000年間，氣温高出現在約2℃，黄土土質肥沃，耕作容易，黃河中下游流域有雷夏澤、大野澤等眾多湖泊。湖泊的存在証明當時黃河挾帶泥沙甚少，否則湖泊很快會被淤塞(現在黃河中下游沒有湖泊)。也顯示當時暴雨少，森林、草原植被良好。黃河流域在公元前5000-2000年間，氣温高出現在約2℃，黄土土質肥沃，耕作容易，黃河中下游流域有雷夏澤、大野澤等眾多湖泊。湖泊的存在証明當時黃河挾帶泥沙甚少，否則湖泊很快會被淤塞(現在黃河中下游沒有湖泊)。也顯示當時暴雨少，森林、草原植被良好。 黃河當時可能是「清」的!「河」字在秦漢以前是黃河的專稱，史記全篇不見黃河的說法，只曰河。 我們的理論: 當時熱帶海溫較低，降低全球降雨強度，即暴雨較少，而中、小雨相對較多，提供對農牧有利的降雨條件，森林、草原植被良好，黃河因而是清的。

  14. 中國東部 緯度 時間(千年前) 大禹治水

  15. 北半球中緯度降雨強度(P)隨 熱帶海洋表面温度(SST)降温 1K 之變化 小雨 中雨 大雨

  16. 熱帶海溫較低的影响 • 大雨減少可以降低水災、土石流發生的風險。 • 中、小雨是土壤保持溼潤的重要水份來源，中、小雨增加可以減少旱災，有利於森林植被的保育。 森林湖泊 黃河 不黃 熱帶海溫較低 降雨 強度低 風調雨順

  17. 肥沃土質+森林、湖泊+風調雨順+可靠的黃河+温和的氣温 = 華夏文化的搖籃 ------------------------------------- 假如在大禹治水時期(公元前2100年)也是平均1.6年氾濫1次，那在他治水13年內，黃河應氾濫約8次，大禹却成功，難道大禹真的比過去2500年間的所有治水專家高明嗎? 我們的推斷:在大禹治水13年內，黃河可能只有小型氾濫一、二次，換句話說，除了大禹的高超治水技術與努力之外，天時、地利都幫了忙。

  18. From Liu et al. (GRL, 2009) GPCP data Average precipitation intensity increases by 23% 全球降雨強度隨全球溫度之變化

  19. IPCC模式預測的21世紀各種溫室氣體情況之地表增温IPCC模式預測的21世紀各種溫室氣體情況之地表增温

  20. 2100 相對20世紀的0.6度增温，21世紀預測增温 約3-6倍，即1.8-4.0度。

  21. 二十一世紀的氣候變化 • 相對20世紀全球的0.6度增温，21世紀預測增温高達3-6倍! 即1.8-4.0度。 • 海平面上升18-59公分。 (不是 4-8 公尺) • 極高溫日數會增加，極低温日數會減少 • 旱災更嚴重。 • 颱風、暴雨可能會更多、更嚴重 • ------------------------ (前两項可先研究10-20年，後三項則急切須要調適措施)

  22. 氣候變遷:極端天氣 • 世界各地近十幾年陸續注意到有有大雨增加及小雨減少的現象，並且極高温如熱浪及極低温的變化也很大。 • 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。

  23. 台灣的熱浪 (根据論文: Shiu, Liu and Chen 2009 in Journal of Climate)

  24. 台灣温度變化 (1961-2005) 白天 晚上 藍色是減少，紅色是增加。

  25. 白天最高温超過36度的日子

  26. 最低温超過25度的晚上，即須要冷氣的晚上

  27. 台灣的熱浪 • 台灣的熱浪主要在台北，其成因主要是都市熱島效應，不是全球暖化的結果。今後空氣汚染改善後，熱浪將更嚴重。 • 晚上温度增加是熱島效應加上全球暖化的結果。今後對冷氣的須要將變本加厲。

  28. 全球暖化對極端降雨的影響 主要根据: Liu, S.C., Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, and Futing Wu, GRL, 2009.

  29. 極端降雨的重要性 • 大雨增加會導至水災。 • 小雨是土壤保持溼潤及地下水的重要來源，大雨容易流失。 • 小雨長期減少會加重旱災，尤其是台灣西南部。

  30. Updated from Liu et al. (2002) Hsu & Chen (2002) also noticed the loss of light rain.

  31. 中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2005)中央氣象局十五個站每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2005) (準正態分佈)(qusi-normal distribution) 降雨(mm) 降雨強度(mm/hour)

  32. 美國每十年平均降雨強度分佈圖(1961-2005) (準正態分佈)(qusi-normal distribution)

  33. Linear trends of precipitations ( in mm/4 hours) at different intensities in Japan, (a) for 3 time periods, (b) for 4 seasons, (c) for 3 regions, and (d) for 3 urban population ranges. (Fujibe et al., 2005)

  34. 台灣降雨強度隨全球溫度之變化 中央氣象局15站資料 (mm/hr) 1961~2005 降雨強度(十等份)

  35. 強降雨隨全球温度變化的理論 • Clausius-Clapeyron equation 預測大氣水蒸氣隨全球温度增加7 %/K。強降雨的降雨率取決於邊界層的水氣輻合，因而有相同的增加率。 • Trenberth et al. (2003) 認為強降雨增加的程度會因為高空潛熱排放的增加而比 7 %/K更大。 • 全年總雨量隨全球温度增加值很小，約2%/K。而高空潛熱的增加會使大氣穩定度增加，因此強降雨增加會使小、中雨減少。 • 但14個IPCC氣候模式估算降雨強度的增加却只有~2%/K，遠小於 Clausius-Clapeyron equation 預測值.因此IPCC2007對極端天氣受氣候變遷影響的預測相當保守。

  36. Convection that Powers Tropical Cyclones (National Weather Service)

  37. From Liu et al. (GRL, 2009)

  38. 我們的分析顯示IPCC2007嚴重低估極端天氣的變化，也就是水、旱災發生的機率遠超過IPCC2007的估計。我們的分析顯示IPCC2007嚴重低估極端天氣的變化，也就是水、旱災發生的機率遠超過IPCC2007的估計。

  39. Amounts of precipitation vs. precipitation intensity in bins of 2 mm/day bin-width, blue bars are the average values of two coolest years (1984, 1985) in the GPCP data period (1979-2007), red bars the average values of two warmest years (1998, 2005).

  40. 1950-2005全球温度約增加0.7C，~140%x0.7 = ~100%，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40% 。 • 台灣前10%強降雨絕大部份來自颱風或其挾帶的西南氣流，由此可推論夏、秋季之洪水及土石流的發生機率己於1950至2005增加約一倍。(I.e. 莫拉克非偶然事件) • 台灣冬、春季之水資源主要靠中小雨， 1950至2005中小雨的減少使旱災發生機率明顯增加。

  41. 聯合國跨政府氣候變遷小組報告(IPCC2007)估計2005-2035可能會再增0.7C，即台灣前10%強降雨會再增加1950年之100% ，而最小20%的小雨則會再減少1950年之40%。 • 因此台灣的防洪、防土石流及防旱措施在今後25年須要較1950年增加三倍。

  42. 基本解決之道(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。基本解決之道(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。

  43. Global Emissions of CO2

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