臺灣大氣與氣候環(huán)境科學研究進展（上）

孫建濤　李旭豐

臺灣大氣與氣候環(huán)境科學研究進展（上）

孫建濤李旭豐

臺灣氣象機構(gòu)

早在日本殖民時期，島內(nèi)便建有臺北測候所，1938年改稱臺北氣象臺，1948年光復后改組為臺灣省氣象所，從事氣象觀測、天氣預報和研究工作。1971年，臺當局在該所基礎上成立隸屬于交通主管部門的“中央氣象局”（以下稱“臺灣氣象主管部門”），約有700余人，設有技術組、測政組、通訊電子組、應用氣象組等部門，另外還有24處氣象站、3處氣象雷達站、8個潮汐觀測站和1處天文站。

氣象觀測項目包括：地面及高空氣溫、氣壓、風力、風向、雨量、云量，以及潮汐高度、落差、波浪周期、浪高、大氣污染程度、放射物沉降等，此外也進行一些大氣化學項目的觀測。由于臺灣地區(qū)多山，且河川短促，每逢大雨季節(jié)極易造成水患，自上世紀80年代起，臺灣氣象主管部門陸續(xù)在島內(nèi)各山區(qū)設立自動雨量站及遙測氣象站。

該部門下屬天文站專門負責觀測與氣象有關的天文現(xiàn)象，如日珥及太陽表面黑子活動周期，行星、星云、星團及特殊天象，日食、月食、彗星及行星的會合等。此外，天文站也推算歷象，每年定期出版天文日歷、太陽黑子觀測報告及日歷資料表，以提供有關部門及民眾使用。

1983年以后，臺灣氣象主管部門又以任務編組方式，先后成立臺北氣象預報中心、氣象衛(wèi)星中心、氣象科技研究中心、資訊中心、地震測報中心和氣象儀器檢校中心，分別管理氣象預報、氣象衛(wèi)星資料接收和信息處理、地震測報以及和氣象儀器設備有關的業(yè)務。

其中，臺北氣象預報中心是臺灣最大的天氣預報機構(gòu)，主要職責是發(fā)布多種天氣預報，包括區(qū)域性（24小時）天氣預報、中期（3至7天）天氣預報、月長期天氣預報、漁業(yè)（3至10天）氣象預報、農(nóng)業(yè)天氣預報、山地觀光區(qū)天氣預報、突發(fā)性天氣預報、臺風警報等。

1992年4月，臺灣氣象主管部門建立即時預報系統(tǒng)，可在短時間內(nèi)迅速獲得天氣分析及預報所需的各種資訊，改進為時短暫的區(qū)域性暴雨等劇烈天氣變化的預報能力，提早報警時間，發(fā)布0至12小時的即時天氣預報(即超短時天氣預報)。

臺灣氣象主管部門在1984年購置了數(shù)臺大型計算機，于1988—1990年先后投入業(yè)務應用，在此基礎上發(fā)展了全球、區(qū)域、中尺度及臺風路徑預報業(yè)務系統(tǒng)。1990年又進行了性能提升和改進，配備了新一代超級計算機，從而建立了最佳的內(nèi)插客觀分析、T79全球譜預報模式以及嵌套的有限區(qū)域與臺風路徑預報模式。

氣象衛(wèi)星中心下設分析判讀、資料供應、系統(tǒng)工程、圖像處理、極軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星等科室，負責24小時接收、處理及分析日本地球同步氣象衛(wèi)星(GMS)和美國極軌氣象衛(wèi)星下傳的信息資料。其中，從GMS衛(wèi)星可得到每小時1次的數(shù)字云圖資料，從極軌衛(wèi)星每天可接收處理4次5種不同頻道的資料，不但可為臺灣氣象主管部門各種預報作業(yè)提供重要觀測依據(jù)，而且也可用作為監(jiān)視暴雨中的中尺度對流系統(tǒng)和對臺風中心進行定位及進行強度估計。

氣象科技研究中心既擔負氣象科研的組織工作，又承擔具體課題的研究，下設數(shù)值天氣預報、氣象統(tǒng)計預報、短期氣候預測、衛(wèi)星氣象與雷達氣象、臺風研究等5個研究小組，主要從事數(shù)值天氣預報、區(qū)域性暴雨及長期天氣預報研究，尤其側(cè)重于臺灣地區(qū)災害天氣預報技術，特別是臺風和暴雨的預報方法。

培養(yǎng)氣象人才

到上世紀80年代，島內(nèi)僅有3所大學設有與氣象相關的系/所。其中，私立中國文化大學（當時稱文化學院）在1960年設立氣象系，主要從事氣候統(tǒng)計分析、大型防災計劃及暴雨測站規(guī)劃、中尺度系統(tǒng)研究。

中央大學1968年設立大氣物理系，并在1978和1983年相繼開辦了碩士班和博士班及大氣物理研究所，1990年將大氣物理系更名為大氣科學系，主要致力于中尺度氣象研究，包括大陸華南地區(qū)至臺灣及臨近地區(qū)的中尺度現(xiàn)象，以及梅雨、寒潮、季風、干旱、熱帶環(huán)流、區(qū)域環(huán)流和氣候模式，此外還開展城市空氣污染及大氣化學與污染物傳輸、擴散方式等研究。

后來成立的中央大學遙測中心擁有先進的特高頻(VHF)氣象雷達和邊界層探測系統(tǒng)，是當時臺灣唯一一部觀測高空風場和大氣亂流現(xiàn)象的遙感設備，用于探測大氣逆溫層高度和鋒面結(jié)構(gòu)，開展對地面及植被反照率、地面和云型分類、地溫與大氣溫濕剖面的反演、云量和云高及云頂溫度的求取、全球水汽含量與地表風速、太陽輻射能及大氣輻射參數(shù)的估算及降水量的估算等方面的研究。

臺灣大學于1972年成立大氣科學系，并于1981年和1986年先后成立大氣科學研究所及碩士班和博士班，擁有先進的電腦設備和即時預報實驗室，主要從事中尺度氣象、寒潮、青藏高原作用、雷達氣象、臺風、氣候變遷、黑潮及大氣環(huán)流等研究。

中正理工學院（即現(xiàn)在的中正大學）物理系氣象組也開展有關西南季風與梅雨季風環(huán)流，梅雨季鋒面結(jié)構(gòu)、地形與海陸風升的中尺度湍流，雷達降水強度估計以及過山氣流的數(shù)值模擬研究。該校在上世紀90年代將氣象組改為應用氣象系。

此外，臺灣中研院物理研究所大氣組主要從事邊界層氣象研究，客觀分析與進行大氣現(xiàn)象模擬，空氣污染、遙感探測資料分析，以及進行流體力學湍流理論的研究等。

臺灣科技主管部門曾在1971年邀請海內(nèi)外相關專家學者對臺灣如何展開大氣科學研究，尤其是如何減少臺風災害等問題予以研討，并成立了臺風研究聯(lián)系小組，協(xié)助推動相關工作。

1976年12月，該部門主持召開第一屆全臺灣大氣科學研究會。1978年5月，與臺灣中研院共同舉辦臺灣地區(qū)災變天氣研討會，決定在臺灣南部沿海地區(qū)開展冬季季風實驗研究，獲得了重要氣象觀測數(shù)據(jù)。

為避免大氣科研力量分散與設備的重復或閑置，提高大氣科學研究成果的質(zhì)量，臺灣科技主管部門在1985年10月成立大氣科學學科規(guī)劃委員會，聘請有關專家擔任規(guī)劃及協(xié)調(diào)委員，擬定5個大氣科學重點發(fā)展計劃：大尺度氣象研究；中尺度氣象研究；小尺度氣象研究；大氣物理；應用氣象。

其中，“臺灣地區(qū)中尺度實驗計劃”(簡稱TAMEX)的目的是增進對區(qū)域性劇烈暴雨(豪雨)的了解，尤其是增進對梅雨系統(tǒng)中尺度暴雨過程的了解，以改進對暴雨的預報能力，減少因此而帶來的損失，并設法增加水資源利用之經(jīng)濟效益。

第一階段試驗在淡水河流域及桃竹地區(qū)進行，先后對顯著的梅雨期中尺度系統(tǒng)進行了三次加密觀測試驗，共有21個地面站、19個雨量站、7個探空站、3個高空測風站、3個雷達站、1個VHF測風站和1個氣象衛(wèi)星接收站參與實驗。

第二階段試驗范圍擴大到以臺灣島為中心的500×500公里的區(qū)域，而且增設了地面及高空氣象測站網(wǎng)、常規(guī)與多普勒雷達站、研究船與氣象飛機等，共完成13次加密觀測和10次飛機觀測，收集到比較完整的中尺度氣象資料。

為了充分利用TAMEX試驗的加密觀測資料，以達到學術研究和改進暴雨預報的目的，臺灣科技主管部門又在上世紀90年代實施了兩項后續(xù)研究計劃，即“TAMEX后續(xù)研究推動計劃”和“POST-TAMEX預報實驗推動計劃”，對于臺灣地區(qū)的梅雨鋒結(jié)構(gòu)、對流結(jié)構(gòu)及其與暴雨的關系、局域環(huán)流及地形對梅雨峰與中尺度對流系統(tǒng)的影響、降水預報技術等都做了大量研究，并取得了新的認識和進展，改進了對暴雨和定量降水即時與超短時預報的能力，明顯提高了預報工作的水平。

早期研究成果

到21世紀初年，臺灣科技人員在氣象及大氣研究方面取得的成果有：搜集歐洲中期預報中心（ECMWF）全球資料、美國國家氣象中心（NMC）全球資料、熱帶海洋與全球大氣計劃（TOGA）海上浮球資料、海洋溫度及長波輻射等衛(wèi)星資料；對海陸、山坡的局部環(huán)流與對流系統(tǒng)的關系資料進行分析與模擬；對臺風經(jīng)過臺灣的雷達、路徑與分裂的分析，研究臺風生成動力、臺風的水文及數(shù)值模擬及建立臺風數(shù)據(jù)庫；臺灣地區(qū)低層噴流的特性、季風環(huán)流內(nèi)的擾動與中尺度對流系統(tǒng)的關系、豪雨與地形效應，及重力波與豪雨的關系；局部環(huán)流的特性、環(huán)流資料觀測與分析及模擬，建立數(shù)據(jù)庫，探討水循環(huán)及能量特性；研究大氣環(huán)流即時診斷分析，分析東亞季風的特性，分析中緯度天氣系統(tǒng)、太平洋洋溫與季風的關系，分析梅雨期大尺度環(huán)流的時空特性，探討水循環(huán)及能量分布特性，并發(fā)展數(shù)值天氣預報的模式及其應用；收集衛(wèi)星導求海洋表面風資料，以了解對流、輻射等作用在短期氣候變化中所扮演的角色，針對熱帶動力對東亞梅雨期大氣環(huán)流的影響進行分析與模擬，研究東亞季風的季節(jié)與年際變化的關系；研析南海季風實驗資料，了解季風肇始、低頻震蕩的特性、確定南海與四周的熱力差異對季風環(huán)流及多重尺度過程，與對東亞季風肇始及后續(xù)演變的影響等。

在高層大氣方面，臺灣科技人員取得的研究成果包括：建立電離層數(shù)據(jù)庫及分析技術，了解中性大氣及電離層特性及雷達資料在不同天氣系統(tǒng)的特性；利用臺灣經(jīng)緯度電離層掃描網(wǎng)，長期觀測赤道異常區(qū)電離層結(jié)構(gòu)的變化、電離層運動及研究共軛點效應，利用大氣暉光研究電離層，利用數(shù)值模擬研究電離層動力，建立四維空間變化的特性及閃電與雷達干涉法；研究磁層內(nèi)超低頻波、磁層結(jié)構(gòu)與動力及特高頻雷達波譜的特性分析，磁層副暴及太空等離子磁性流體不連續(xù)面的交互作用模擬等。

自從美國研究人員在1989年證實云對地閃電會誘發(fā)高空短暫發(fā)光現(xiàn)象后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)高空短暫發(fā)現(xiàn)象的主要種類有“紅色精靈”（sprite）、“淘氣精靈”（elve）、“精靈暈盤”（halo）、“藍色噴流”（bluejet）及“巨大噴流”（giganticjet），但其全球分布及發(fā)生頻率仍有待測定。臺灣科學家從2004年7月起，利用世界上首個搭載高空大氣閃電儀的“福衛(wèi)2號”衛(wèi)星，致力于找出上面這些問題的答案。

截至2007年底為止，高空大氣閃電儀共記錄了8000多個各類高空短暫發(fā)光事件，由成功大學和中央大學組成的團隊發(fā)現(xiàn)，在高空短暫發(fā)光現(xiàn)象中，最常發(fā)生者為“淘氣精靈”，而非地面觀測所認定的“紅色精靈”，約占所有事件的80%，“紅色精靈”與“精靈暈盤”則僅各占10%左右?！疤詺饩`”具有全球均勻分布的特色，發(fā)生在海上及陸上大約各占一半，其比例為1:1.2，這和目前所知閃電的海陸分布比率（1:10）相差高達8倍。相比之下，“紅色精靈”則主要發(fā)生于陸地上空，其海陸比比例約為1:4.8，這和已知的閃電的海陸分布比率則只相差2倍。這項成果對于高空大氣電學、地球大域回路，甚至全球氣候變遷的研究都有重要的意義。