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電子報

新興科技應用
農村發展及水土保持署
未來地球事件簿-透視氣候變遷背後的研究模型
期數 / 第21期
發布日期 / 2021.08.19
主筆 / 林宥伯
責任編輯 / 陳振宇

前幾期電子報帶領大家穿梭時間與空間,從數以萬計的資料中重建過往事件,最終希望能預測未來並提早因應,而近期聯合國政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)發布了第六次評估報告後(以下簡稱AR6),各領域也藉此資料,精進現有調適對策與研究。

這些評估報告背後皆仰賴巨量資料與數值模擬,應用現有資料進行未來情境推估,例如採用模擬氣膠運動過程的GEOS-5 和 GOCART等模型來模擬火山噴發後硫酸鹽擴散情形(如圖1)。

圖1、模擬硫酸鹽(白色)從位於非洲東南海岸的格蘭德科摩羅島上的卡塔拉火山噴發。來源: NASA/Goddard Space Flight Center
圖1、模擬硫酸鹽(白色)從位於非洲東南海岸的格蘭德科摩羅島上的卡塔拉火山噴發。來源: NASA/Goddard Space Flight Center

此外,聯合國IPCC為何持續更新至AR6供國際氣候變遷決策所用?AR6背後的模型參考了那些因子與結構設計?而臺灣在氣候調適上又做了哪些努力?本期電子報就帶大家來一探究竟。

聯合國IPCC簡介

IPCC係由世界氣象組織(WMO) 和聯合國環境規劃署(UNEP)於 1988 年創建,藉由綜整全球相關氣候變遷研究,產製評估報告作為國際決策依據;例如第二次評估報告(SAR)(1995年)提供了1997年《京都議定書》的重要材料;第五次評估報告(AR5)(於2013年至2014年完成)貢獻了《巴黎協定》的關鍵數據。

然而,IPCC本身嚴格來說並不直接進行研究,那這些結論又是從何而來?這就要談到對整顆行星進行模擬的氣候建模(climate modelling)了(如圖2)。

圖2、氣候模型使用的網格單元(右上)及單元計算示意(左下)。來源:NOAA GFDL
圖2、氣候模型使用的網格單元(右上)及單元計算示意(左下)。來源:NOAA GFDL
什麼是氣候建模?

氣候模型本身主要用來模擬地球上不同系統的運作,小如區域氣候,大如整個大氣或海洋,而其概念上,氣候建模更類似於天氣預報所延伸的成果,只是從幾小時到幾十年,比如英國氣象局所使用的基礎架構-統一模型The Unified Model (UM)如圖3。

圖3、英國統一模型(Unified Model)結構
圖3、英國統一模型(Unified Model)結構

英國氣象局於2017年所安裝之第三台Cray XC40 超級電腦

這些模型使用了許多方程式,讓電腦模擬成果能與現實世界相符,如熱力學第一定律、不可壓縮流體方程(如圖4),它將能處理大氣中的氣體和海洋內水的速度、壓力、溫度和密度。

圖4、氣候模型簡化版的Navier-Stokes 流體方程(模擬過程空氣暫視為不可壓縮)。來源:carbonbrief.org
圖4、氣候模型簡化版的Navier-Stokes 流體方程(模擬過程空氣暫視為不可壓縮)。來源:carbonbrief.org

過去模型主要由用Fortran語言(如圖5)編寫,當然現代有許多選擇,如編譯語言C等,或是Python、R、Matlab和IDL等直譯語言。

圖5、HadGEM2-ES(用於 CMIP5模型)的其中一段Fortran語言代碼。來源:carbonbrief.org
圖5、HadGEM2-ES(用於 CMIP5模型)的其中一段Fortran語言代碼。來源:carbonbrief.org
氣候建模演進及提升的方向

此外,報告之所以持續更新,除了環境變動之外,更關鍵的原因則是模式內所導入的參數種類及模式精度與解析度的提升,例如從1970年代中期至第四次評估報告AR4(如圖6)所納入的因子,以及模擬成果解析度的精進(如圖7)。

圖6、模型演進:1970、1980、第一次FAR、第二次SAR、第三次TAR、第四次AR4。來源:IPCC AR4
圖6、模型演進:1970、1980、第一次FAR、第二次SAR、第三次TAR、第四次AR4。來源:IPCC AR4
圖7、模式解析度的演進:第一次FAR~第四次AR4。來源:IPCC AR4
圖7、模式解析度的演進:第一次FAR~第四次AR4。來源:IPCC AR4

而模式考慮的狀態演進則可大致分為幾類,例如最基本的能量平衡模式 Energy Balance Models (EBMs),主要處理熱平衡,並以地表溫度作為氣候變量;模擬物理特性的全球氣候模式 General Circulation Models (GCMs),早期大多單獨模擬大氣或海洋等系統;最後則是進一步模擬現實的耦合模式(couple model),將多個模式整合,如耦合大氣-海洋環流模式Coupled atmosphere-ocean general circulation models(AOGCMs)如圖8。而最新的模式則納入了生物化學循環,如Earth System Models (ESMs)可模擬碳循環、氮循環等。

圖8、Gavin Schmidt 研究成果,圖片由 Rosamund Pearce提供。來源:carbonbrief.org
圖8、Gavin Schmidt 研究成果,圖片由 Rosamund Pearce提供。來源:carbonbrief.org
由巨觀至微觀-全球尺度降至區尺度

然而,這些模式即便精進了解析度,但對於臺灣或現有區域模式來說還是太大,動輒100km以上的網格並不容易使用,因此就衍生了降尺度技術將GCMs轉換成區域氣候模型Regional Climate Models (RCMs);技術上有使用長期觀測資料進行統計推估的統計降尺度(Statistical Downscaling),也有使用高解析GCMs搭配地形資料的動力降尺度(Dynamical Downscaling),各有其優缺點(如圖10)。

圖9、動力降尺度從GCM(全球)到RCM(區域)示意圖。來源:TCCIP
圖9、動力降尺度從GCM(全球)到RCM(區域)示意圖。來源:TCCIP
圖10、降尺度優缺比較。來源:TCCIP劉佩鈴、郭士筠、鄭兆尊、朱容練
圖10、降尺度優缺比較。來源:TCCIP劉佩鈴、郭士筠、鄭兆尊、朱容練

在這些技術整合之下,藉由耦合模式比對專案Coupled Model Intercomparison Project (CMIP)進行框架整合,目前已整合至CMIP6版本(如圖11),以及常用的模式參數(如圖12)。

圖11、CMIP/CMIP6 框架與實驗設計、21個CMIP6所認可的MIPs. (2017, Simpkins, G.)
圖11、CMIP/CMIP6 框架與實驗設計、21個CMIP6所認可的MIPs. (2017, Simpkins, G.)
圖12、氣候模式常用參數。來源:MetEd, The COMET Program, UCAR.
圖12、氣候模式常用參數。來源:MetEd, The COMET Program, UCAR.
未來可能情境與因應策略

在上述介紹的模式中,以過去評估報告AR5推估,出現了幾個可能的臨界點,包括冰蓋崩塌、永凍土融化、季風轉變與森林枯竭(如圖13),而國內外研究與最新AR6評估報告也顯示,人為暖化、極端氣候、複合影響等皆可能加速擴大極端氣候現象,並造成不可逆的環境改變。

圖13、九個可能臨界點。來源:carbonbrief.org
圖13、九個可能臨界點。來源:carbonbrief.org

為了因應可能的氣候變遷影響,臺灣自2009年起國科會(科技部前身)規劃了三階段計畫(如圖14),進行氣候變遷資料整合與加值(如圖15),並提供國內降尺度資料集與相關指標(如圖16)。

圖14、TCCIP不同階段核心重點工作。來源:TCCIP
圖14、TCCIP不同階段核心重點工作。來源:TCCIP
圖15、氣候變遷資料服務。來源:TCCIP
圖15、氣候變遷資料服務。來源:TCCIP
圖16、臺灣氣候變遷關係指標。來源TCCIP
圖16、臺灣氣候變遷關係指標。來源TCCIP

同時,國內因應氣候變遷影響,也彙集了各部會制定的政策、行動綱領及行動方案(如圖17)並已有一定成果 (如圖18)。

圖17、法規與政策演進。來源:臺灣氣候變遷調適平臺(TAP)
圖17、法規與政策演進。來源:臺灣氣候變遷調適平臺(TAP)
圖18、臺灣目前變遷調適之框架、研究、成果彙整。來源:臺灣氣候變遷調適平臺(TAP)
圖18、臺灣目前變遷調適之框架、研究、成果彙整。來源:臺灣氣候變遷調適平臺(TAP)

隨著最新AR6報告的公布(如圖19),未來調適作為如何落實,現行制度如何調整,在現有的調適成果基礎上,氣候變遷都將考驗機關與民眾間的合作,也將突顯人與環境之間平衡點的重要性。後續有待結合AR6的相關研究,提供更多適合臺灣的調適對策。

圖19、AR6報告摘錄與臺灣氣候變遷評析更新。來源:TCCIP
圖19、AR6報告摘錄與臺灣氣候變遷評析更新。來源:TCCIP
相關連結

1. Paint By Particle - Story by Jarrett Cohen, Visualizations by William Putman:
https://svs.gsfc.nasa.gov/10977
2. 聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC):
https://www.ipcc.ch/about/history/
3. NOAA-地球物理流體動力實驗室(GFDL):
https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/
4. 英國氣候建模基礎-統一模型(UM):
https://www.metoffice.gov.uk/research/approach/modelling-systems/unified-model/index
5. 英國氣象局於2017年所安裝之第三台Cray XC40 超級電腦:
https://www.youtube.com/watch?v=q4uKS_wcfow&ab_channel=MetOffice-Weather
6. TCCIP-為什麼降尺度(Downscaling)不是越細越好:
https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_faq_one.aspx?kid=20150408135422
7. 地球科學教材MetEd:
https://www.meted.ucar.edu/index.php
https://www.comet.ucar.edu/
8. Carbonbrief -氣候變化的九個可能臨界點:
https://www.carbonbrief.org/explainer-nine-tipping-points-that-could-be-triggered-by-climate-change
9. Carbonbrief -氣候模型如何運作?:
https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work#cmip
10. CMIP6 - Coupled Model Intercomparison Project Phase 6:
https://pcmdi.llnl.gov/CMIP6/
11. 臺灣氣候變遷調適平台:
https://adapt.epa.gov.tw/

參考文獻

1. Simpkins, G. Progress in climate modelling. Nature Clim Change 7, 684–685 (2017). https://doi.org/10.1038/nclimate3398