如果全球溫度上升4度C ...

英國國家氣象中心(The Met Office)所製作的簡圖。

http://www.actoncopenhagen.decc.gov.uk/content/en/embeds/flash/4-degrees-large-map-final

顏色代表地表溫度，顏色越深，溫度越高。

依所造成的影響分類(圓圈)，由左而右依次為:
森林大火 (Forest Fire)，
農作物 (Corps)，
水資源可用性(Water Availability)，
海平面上升(Sea Level Rise)，
各大洋的海洋生態(Maire)，
乾旱(Drought)，
高緯的永凍林區(Permafrost)，
熱帶氣旋(Tropical Cyclones)，
極端氣溫(Extreme Temperature)，
以及對人類健康(Health)的影響。

選擇影響項目，在地圖上 "+"上點取，會出現簡短說明。

http://www.actoncopenhagen.decc.gov.uk/content/en/embeds/flash/4-degrees-large-map-final

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北極的暖化--Nature文章之北極暖化的垂直結構 (1)

之前那篇新聞稿寫不到重點，受waitingchen之邀，我看過之後的將這篇文章重新詮釋出來分享給大家，希望對大家對北極地區暖化現象有更進一步的了解。
這系列文主要討論文章:
Graversen, R. G., T. Mauritsen, M. Tjernstrom, E. Kallen, and G. Svensson (2008): Vertical structure of recent Arctic warming, Nature 451(7174), 53-56

第一篇，介紹一些研究背景。
北極地區由於溫度較熱帶地區為低，大氣間垂直向的對流不明顯，不像熱帶地區可以藉著垂直方向的深對流(deep convective)扮演上下層能量交換角色。因此當地表吸收了溫室氣體增加後，增加了所反射回來的長波幅射，地表溫度因而增加，進而溶解地表的冰雪區。眾所皆知，北極地區主要是海冰覆蓋。當海冰融化後，地表就變成海水。海水跟海冰有什麼不同? 他們可不只是液體跟固體的不同，主要是在於反射輻射能力不一樣。當你看著白色的冰雪，是不是比湛藍或墨綠色的海水來得亮很多? 假設入射的光能都一樣(同時來自太陽)，當一個物體反射的光能輻射越多，就表示他吸收的光能越少。這樣反射與入射一個物體表面光能的比率就稱為反照率 (albedo)。因為人眼所見僅為可見光範圍，所以反照率也就僅與可見光的波段為主(波長介於 400 ~ 700 nm之間)。一般而言海冰的反照率介於0.7 ~ 0.9，海水的反照率是多少? 答案:0.07(註1)。可見冰雪能反射大部分的輻射，而海水則能吸收絕大部分的輻射。

回到極地的暖化，當北極日漸變暖後，海冰溶解，裸露海水，反照率變小，吸收更多熱能，溶解更多海冰...如此週而復始，這樣的因為大氣暖化而引發的連環效應就是一般所稱的反饋作用(feedback)。這樣的因為融冰而使得溶解更多的冰的反饋，也就稱為正向反饋 (positive feedback)。如上所述，北極地區的大氣很冷，因此垂直向的對流無法有效發揮它的作用，因此當這樣的一種正向反饋產生時，所有的暖化現象都將會被限制在對流層的底部，甚至接近地表(surface)的地方。所以現行的研究，也都偏向以地表或趨近於地表為主: 海冰(sea ice coever, sea ice extent)、地面溫度(surface air temperature)、海溫(sea surface temperature)、地面風場(surface wind field)、海平面氣壓(sea leval perssure)、地表輻射通量(surface radiation fluxes)、海水鹽度(salinity)、溫鹽環流(thermohaline)、甚至海洋邊界層(ocean boundary layer)等等。


另一個讓北極地區變暖的原因，也有可能是近地面大氣環流所造成。一般講到北極地區近地面的大氣環流，首推北極震盪(Arctic Oscillation, AO)。主要就是冬天時北極地區高壓與副熱帶高壓強度的差異稱為北極震盪指標(AO index)。當北極指標為正的時候稱為冷指標(cold index)；為負，冷指標(warm index)。顧名思義，冷指標時就是北極變冷，暖指標時北極高壓勢力強而南伸，將中緯度邊緣的風暴雨暖濕水氣帶進北極地區，北極變暖(註2) 。本來可以用這個指標來判斷北極暖化或冷化的作用，卻因為近30年來北極地區溫度持續增暖的關係，改變了大氣環流結構，因而已經很難再用它來判斷北極地區的近年來的暖化現象。(註3)
Image Source: National Snow and Ice Data Center (NSIDC)

第二篇，這篇文章的研究結果 (待續)。

(註1)見論文
Pegau, W. S., and C. A. Paulson (2001), The albedo of Arctic leads in summer, Ann. Glaciaol., 33, 221-224
(註2)有興趣的人請自行 google 查詢 Arctic Oscillation
(註3)AO 圖片來自: http://nsidc.org/arcticmet/patterns/arctic_oscillation.html

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註:
原文轉載於Ecophilia板@ptt.cc 于 Mon Jan 7 23:43:24 2008

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北極的暖化--Nature 之北極暖化的垂直結構 (2)

第二篇，研究結果
Nature 這篇文章作者分析ECMWF的資料後發現，北極地區暖化現象，並不限於地表附近 -- 應該說他們發現這樣的現象只發生於春季，在其他季節，反而有的發生在中對流層(夏季)或分布於整個對流層(秋季)(註4)。另一項冬天平均溫度的變異分析也顯示了北極地區自1970年之後暖化的情況(註5)。各位都知道，北極的冬天是永夜，也就是沒有太陽光，沒有太陽光就沒有什麼長短波輻射，也就沒有反照率，如果冰與海反照率的變化真是影響北極暖化的主因，那在沒有反照率的情況下理論上暖化情況應該變少，或是至少趨緩，可是實際情況卻沒有。

Wang and Key 在2003年3月於Science Magazine(註6)，與2005年7月於Journal of Climate各上發表了一篇文章(註7)，指出大尺度環流、北極上空總雲量、AO index與北極地面溫度改變之間的強烈的關聯性。因此研究人員推測造成北極地區暖化的能量應該也可能經由大氣環流將熱量與水氣從低緯度傳送過來，影響北極地區上空的雲量，改變輻射量以及地面反照率，因而衝擊北極地表溫度的改變。

有了這樣的推測，他們做了500 hpa 溫度場與通過北緯60度的北傳大氣能量(Atmospheric Northward Energy Transport, ANET)的線性迴歸分析發現了當ANET通過北緯 60 ，再經過5天，北極上空 500 hpa 的溫度變化有很大的關聯性(註8)。接著做了其他各層，也得到同樣的結果。最近數十年裡，除了一月與二月，ANET在其他時間裡都是增加的，研究人員想知道ANET什麼時候，對於哪一層影響最為劇烈 -- 也就是引起的暖化最大。經過分析夏季半年(四月到十月)的 700 hpa 的溫度上升最為明顯(註9)。

雖然發現了這樣重大的變化，研究群仍很謹慎地，不敢把北極上空暖化的情況全部推給ANET的傳送，所以根據Wang and Key 兩篇論文，他們推測另外可能影響的兩個原因:

一個是雲量的改變。經過衛星的觀測發現北極地區上空春、夏季的雲量明顯增多(見[註6][註7]論文)，雲量增多，可能導致吸收熱能而加熱周圍的大氣。一是大氣輻射介質的改變(radiative properties)，這有可能造成過多暖濕水氣的傳輸。水氣也是溫室氣體的頭號成員，水氣變多，便會吸收更多的長波輻射，因而使得高空溫度增加(見 [註6]與[註7]論文)。

一般認為長波輻射來自雲底與溫室效應氣體是導致北極地區暖化的主因，那直接來自太陽的短波輻射呢?

近來的觀測顯示北極地區海冰減少最為劇烈的地區是在北緯70 - 80度間，東經160 - 西經 160 度之間的區域，也就是圖上左上角的位置(註10)。2007年10月，Perovich et al. 在Geophysical Research Letters 發了一篇論文(註11)。這篇文章分析了自有海冰衛星資料以來1979年到2005年的海冰與每年地表吸收太陽短波入射總量的關係，尤其是在裸露海面與海冰面積之間變化的關係。研究的結果顯示了每年的地表吸收的太陽短波輻射總量跟上述區域海冰面積改變的趨勢是相互吻合的(註12)。由前一篇文所述，海冰與海水反照率不同，當融冰越嚴重，裸露海水(open water)越嚴重，吸收的太陽熱量總量也就越大。由此可知，北極地區暖化的原因，已經不只是單一的溫室氣體引發的長波輻射所造成，來自太陽的短波能量對於原本暖化後的北極無疑地更是雪上加霜。


Nature 這篇文章重要性在於確認了大尺度環流對於北極地區暖化的所扮演的角色，也證實北極對流層中低層對地表暖化的影響。這使得未來的研究重心擺在北極中低層的高空，而不是只關注在近地面。如此一來可以改進北極地區甚至全球氣候模式的模擬，以提供給我們更準確的全球氣候預報。


(註4)見Nature論文圖1b., 1c.以及1d.
(註5)見Nature論文圖2.
(註6)見論文
Wang, X., and J. R. Key, 2003, Recent trends in Arctic surface, cloud, and radiation properties from space, Science, 299, 1725-1728
(註7)見論文
Wang, X., and R. Key, 2005, Arctic surface, cloud, and radiation properties based on the AVHRR polar pathfinder dataset. Part II: Recent trends, J. Climate, 18, 2575-2593
(註8)見論文圖3.
(註9)見論文圖4.
(註10)Figure source:
NASA Earth Observatory:
http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/shownh.php3?img_id=14571
或見以下論文圖1
Rigor, I. G., and J. M. Wallace, 2004, Variarions in the age of Arctic sea-ice and summer sea-ice extent, Geophys. Res. Lett. 31, L09401, doi:10.1029/2004GL019492

(註11)見論文
Perovich, D. K., B. Light, H. Eicken, K. F. Jones, K. Runciman, and S. V. Nghiem, 2007, Incearsing solar heating of the Arctic Ocean and adjacent seas, 1979-2005: Attribution and role in the ice-albedo feedback, Geophys. Res. Lett., 34, L19505, doi:10.1029/2007GL031480.
(註12)見(註11)論文之圖3


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註:
原文轉載於Ecophilia板@ptt.cc 于 Tue Jan 8 22:03:28 2008

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[心得] The day after tomorrow 觀後 (7)

7. Hurricane (颶風) II, 也就是我們這裡的typhoon(颱風)--電影裡的主角--大氣酷斯拉

颶風眼通過時，夾雜著冷空氣，使得地面溫度驟降(-70幾度F？我沒聽仔細...)，所有物體瞬間凍結，生物因而死亡。這是電影的橋段。

二、垂直結構

現實的颶風中比較有興趣的是中間稱為眼(eye)以及周圍眼牆（eye wall)的部分。颶風中心因強烈旋轉而上升的氣流形成了眼牆，因為近能量中心是其破壞力(風、雨)最大的地方。眼牆的中心，就是颶風眼。卻是一個氣流下沈的區域。因此在通過颶風眼時，會是晴空萬里的無雲好天氣。你們可以在下面的網頁中看到颶風/颱風的垂直剖面簡圖。

現實上的颶風，儘管在颶風眼區下沈時，會使眼區底層溫度降低，但是，因為颶風都在海面上發生，由於海水比熱較大的關係，海面溫度都是較為一致的。加上眼牆附近的熱力作用，在空氣由上下沈到地面時，溫度就已經平衡掉了。所以基本上，整個颶風系統由下到上，內圍的溫度都是比周圍溫度要高，我們稱這種天氣系統為暖心系統(warm core)。

在電影中，就是這個"中心下沈"的部分，誇飾成將對流層頂(tropopause)，甚至平流層 (stratosphere)的冷空氣帶到地面來，因而瞬間將地表所有東西凍結起來。跟同學討論過，現實中颶風確實有可能配合對流層頂皺折 (tropopause folding)將較冷的空氣帶至中對流層，但是要確實影響到地面，可能還是有一段距離。電影中的結凍過程，也可視為大颶風的攻擊過程，目前的大氣系統而言，應該是不存在的。

另外，現實中的颶風暴風半徑大約是200 ~ 300 公里，眼半徑大約幾十公里。電影裡的颶風佔了大半個美國，半徑可能上千公里，光眼半徑就一、兩百公里了。還不是普通的大啊∼∼

我找了一些圖，發現這個站的圖，簡單明瞭，有興趣的人可以參考一下，看看實際3D的颶風剖面：
http://www.freewebs.com/hktyphoon/Knowledge.htm

呼~~~還剩最後一篇...

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于 Wed Jun 2 01:33:24 2004

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[心得] The day after tomorrow 觀後 (6)

6. Hurricane (颶風) I, 也就是我們這裡的typhoon(颱風)--電影裡的主角--大氣酷斯拉

颶風眼通過時，夾雜著冷空氣，使得地面溫度驟降(-70幾度F？我沒聽仔細...)，所有物體瞬間凍結，生物因而死亡。這是電影的橋段。

因為電影裡是用hurricane，所以，以下我都用他來描述。
颶風，這個東西，大家一定都很熟悉了，每年侵台造成大家生命財產的損失。要講電影裡的這隻"大怪獸"一定得從先兩個方面來說，一個是他生長的條件，另一個則是他的垂直結構。如果大家有興趣，可以從google裡找出一海票有關颶風的網站，描述颶風的定義、成因、結構等等...

一、生長條件

這裡我只挑一兩個因素講，現實生活中，(儘管真正颶風的成因仍不是非常清楚)要支持成長成颶風(風速大於128 km/hr)，很重要的因子是溫暖以及充足水氣。透過底層擾動風力的輻合作用(convergence)將溫暖而潮濕的空氣往上空傳送，到了高空遇到冷空氣，潮濕空氣因而凝結釋放潛熱，提供給颶風能量，而使得颶風能繼續發展。當地表水氣不足，或溫度不夠時，這樣方式提供的能量就會慢慢減弱，颶風就會慢慢死亡。

根據研究顯示，溫度大於26~27度C的海洋表面，就是最適合生成與發展颶風的環境。這也就是之前第4篇我在介紹溫鹽環流(thermohaline circulation)中提到，海洋上層暖水往北流，會影響颶風的生成與頻率，就是這個原因。一旦進入陸地，水氣來源沒有海洋多，颶風得不到能量，加上地表建築物山脈等地形，摩擦力又比海面大很多，無形中又削減颶風的風力，最後終至死亡。

ok.以上就是我們現實生活中的適合颶風發展的條件。反過來看我們的大氣酷斯拉的生成...
她是在陸地上生成的，沒有水氣能量來源，加上地表那麼大的摩擦力，不要忘了她長在美東，旁邊是最高標高2,037 公尺 (6,684 ft) 的阿帕拉契山脈(Appalachian Mountains),許多地方的高度都大於1,800 公尺 (6,000 ft)。地表這麼大的粗糙度，她還能長得起來...這....這是什麼東西？挖阿哉... >_<

所以劇中那位亞裔面孔的女氣象學家才會說：

"No hurricane can form on the land!"

就是這個原因。

待續...

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于 Tue Jun 1 17:20:27 2004

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[心得] The day after tomorrow 觀後 (4)

4. Thermohaline Circulation ( 我不知道怎麼翻，但是據說...翻成溫鹽環流）

第一次出現是在氣象學家，向總統或是類似某某高峰會議報告的場合。你可以在下列我所提供的網頁裡，找到類似他所秀出來的投影片--溫鹽環流在北大西洋的分佈圖。在他的投影片中，他以虛線表示這個環流的分佈。

這是電影裡描述氣候劇變，一個極為重要的東西---實際上也真的是。這個字啊...就是溫度與鹽度的合成字。海水因為溫度與鹽度的關係，而有呈現不同的密度。大致上而言，赤道地區溫暖多雨，鹽分低，因此海水密度較小，會上升。極區溫度低，鹽分高，此處海水密度大，就會下沈。
為了維持赤道與極區的熱平衡，因此暖水會從海水上層流向極區（較輕）；而冷水則相反，先下沈到深層（較重），才流向赤道地區。所以，當氣候暖化時，極區冰山融解後大量的fresh water進入海中，把極區的海水稀釋了，也減弱了此處海水的下沈。而溫度方面極區與赤道溫差變小，上層暖水流向極區的水流也會減弱，因此慢慢地停滯了溫鹽環流的活動。

image: Flickr user lvanvlee8, a Creative Commons license.

停滯就停滯嘛！有什麼了不起？非也...因為這個環流除了扮演南北溫度平衡的角色之外，他還有一個更重要的功用:

透過海水垂直的上升，可以將海水深層的養分，供給淺海區海洋生物的存活，淺海海洋生物吸收陽光，透過呼吸作用，會吸收掉大氣中的二氧化碳，透過下沈，溶解二氧化碳於深水中，因而維持大氣中二氧化碳在固定的含量，因為二氧化碳是主要的溫室氣體(greenhouse gas)，會引發溫室效應(greenhouse effect)進而造成global warming。所以一旦溫鹽環流減弱或停止，海面上生物缺乏養分而死亡，大氣中二氧化碳無法消化，就會累積在大氣層裡，因而造成大氣變暖...然後，融化極區的冰，降低海水濃度，一直循環影響。

而暖化會對全球造成什麼影響？他會改變現有的大氣環流平衡的結構，因而產生氣候或天氣上的劇烈變化。另一方面，當赤道地區暖海水流往北流動，也會影響到颶風生成的頻率與區域大小，留待下一篇再作介紹。

根據古地質的資料顯示，歷次氣候重大的變遷，都是跟溫鹽環流的活動異常，有非常密切的關連。而這樣的變異是多久才會累積呈現呢？他的時間尺度(time scale)是以百年為單位。就算變動較為快速，也要數十年才可能達成。電影裡面描述的是...七天！所以，當主角小憩在沙發上，被助理搖醒查驗結果時，才會有那樣驚異的表情。模式預報到底對不對啊？怎麼可能？？

百年累積的異象，七天內呈現，世界不瘋狂才怪。

有關thermohaline circulation的介紹：
http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Water/circulation1.html

待續...
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現有的model運算，遇到這樣的初始場與邊界，不會爆掉嗎？這model還真是棒！正常與巨變都可預報... XD

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原文轉載於UMD板@ptt3.cc, mph所著之[心得] The day after tomorrow 觀後系列文(4)
于 Mon May 31 14:04:34 2004

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[心得] The day after tomorrow 觀後 (3)

3. Hail (冰雹）
為勒方便起見，請容我轉載一篇之前回答別人的post，上面有解釋雨、雪與冰雹的不同。

===============轉載分隔線======================
作者 mph (夢白) 看板 Cloud_Phys
標題 Re: 為什麼會下冰雹?
時間 Mon Dec 23 22:22:06 2002
───────────────────────────────────────

※ 引述《fit.bbs@bbs.ntu.edu.tw (fit)》之銘言：
> 喔... 有了解一點了.....
> hwp的意思是說......夏天才會下冰雹喔??
> 那前幾天下的不是是冰雹嗎? 可是現在是冬天?!

不是因為夏天或冬天的關係，而是因為夏天較熱比較容易形成易下冰雹的雲，
也就是上述的積雲。如果在冬天也有機會形成、發展成像夏天一樣的積雲，
就有可能下冰雹。

> 還有, picard說的
> 冰雹是由水滴集中而凍結形成的
> 雪是水氣遇到低溫形成的冰晶結合成的
> 冰晶和水滴有什麼不同呢?
> 冰晶是水還來不及集中就形成了的嗎?
> 那水滴為什麼會集中, 什麼情況下會集中?
> 請為笨拙的我, 解說一下吧.........
> Thanks......:)

潮濕而溫暖的空氣透過熱力對流的過程，將空氣抬升至高空，遇到高空較冷的環境，經過凝結(condenstation)而形成雲滴(cloud droplet)。他的直徑大小大概在20μm（0.002公分）左右。當雲滴超過這個大小時，雲滴之間上上下下的運動過程中，就會開始發生碰撞(collision)與結合(coalescence)，而變成更大的雨滴（rain droplet），一般雨滴的直徑大小大約是2000μm(2公分）。然後透過重力的作用，而降到地面，這就是我們所見到的雨。

Image: Flickr user ~jjjohn~, a Creative Commons license.


如果雲發展得夠高，溫度介於0℃與-40℃之間時，這時會有過冷水（supercooled water）與冰核（ice nuclei）形成。在經過一些沈澱（deposition）與接觸冷凍（contact freezing）而產生你們所提到的冰晶（ice crystal）。

在發展較好，水氣較充足的雲裡如（積雨雲cumulonimbus），冰晶會在雲的高層霜化（riming）變成霜晶（rimed crystals），然後再變成graupel(對不起...我不知道怎麼翻.），落至雲底層時表面融化。此時若是再繼續落至地面前融化，則是大家所見的雨。

若是未融化完，又被上升氣流帶上高空，再結冰，再下降，融化...如此反覆，直到其重力大於上升氣流所作用的上升力時，掉落至地面，便是我們所見的冰雹（hail）。所以你有機會見冰雹，他的結構是一層一層的包著核心，就是這個原因。

而水氣較少的雨層雲裡（nimbostratus），冰晶會在雲的高層，透過擴散過程（diffusion）形成更大的冰晶，然後經過聚集過程（aggregation）變成雪花(snowflakes），落到地面的過程中，融化了就是雨，沒融化，就是大家看到的雪（snow）。

以上我所提只是略述成雲降水的過程，其實每個階段都是牽扯到非常複雜的雲物理過程。有興趣的網友歡迎移駕到大氣海洋BBS：itcz.twbs.org的雲物理版討論。再那裡也歡迎任何有關天氣的問題與討論，畢竟有些東西po在天文版是有些不太合適的。

這裡我推薦台大大氣科學系，許晃雄老師雲物理課程網頁，有興趣的人可以自行連結過去:
http://hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course_II/
http://hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course_II/chap7.htm


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telnet://itcz.twbbs.org
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※ Origin: 大氣與海洋專業BBS站
※ From : rac1.wam.umd.edu

==================轉載分隔線=======================

上升氣流越強烈，冰雹在雲裡上下運動的時間就越長，包裹越多，就越大顆。
所以，電影裡面的大顆冰雹由劇烈的thunderstorm形成...
嘖嘖...真是會死人...

待續...

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于 Mon May 31 11:11:41 2004

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