「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。
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。
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」。
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。
原文連結：
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
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）。
