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  1. 直覺和研究結果之間的差異
  2. 太陽的光譜變化
  3. 什麼是「輻射強迫」?
  4. 除了「輻射強迫」外,「臭氧反應」對氣候的可能效應是什麼?
  5. 可能產生的天氣異常效果
  6. 什麼是「阻塞事件」?
  7. 儘管全球平均氣溫上升,異常凍冷的天氣事件仍有出現

    撰文:趙孔儒     2010年12月



  1. 直覺和研究結果之間的差異

    憑直覺,大多數人會認為,在太陽活動活躍期﹙如太陽活動極大期﹚,太陽輻射會釋放著更多的光和熱,使地球升溫暖化;在太陽活動減少時,太陽輸出的總能量會減少,則會使地球降溫冷卻下來。然而,倫敦帝國學院的大氣物理學家喬安娜 · 黑格﹙Joanna Haigh﹚和她的同事最近最卻發現,太陽輻射影響地球表面氣候的方式恰巧相反,至少在2008年的太陽活動極小期﹙圖1﹚之前幾年﹙2004-2007年,在太陽黑子第23 個週期﹚的太陽活動衰退時期是這樣的。研究結果刊登在2010年10月出版的《自然》﹙Nature﹚期刊上。

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    圖1  2010年11月預測在太陽活動第24個週期的太陽黑子數目(圖像來源:NASA)


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  2. 太陽的光譜變化

    他們發現,在這幾年紫外線輻射量遠小於預期,而到達地球的可見光則增加。雖然太陽活動是在下降階段,使地球表面溫暖的可見光卻增加了。

    光譜的變化似乎已經改變了大氣層內的臭氧分佈。他們指出在2004-2007年期間,在海拔約45公里高空以下的平流層﹙也叫同溫層﹚臭氧濃度減少了,而在此高度之上的大氣臭氧濃度則增加。

    黑格還描述了一種關於臭氧作用的理解︰臭氧對太陽紫外輻射變化的反應,會調節太陽光的「輻射強迫」。臭氧增加可以減少達到對流層頂的太陽紫外線輻射通量,及增加在平流層的紅外線輻射通量。實際影響是淨向下的太陽輻射通量有小量增加。 

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    圖2  臭氧通常在平流層中部﹙或較低部分﹚附近最為濃密。


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  3. 什麼是「輻射強迫」?

    「輻射強迫」是指由於影響氣候變化的外部驅動強度改變﹝例如︰二氧化碳濃度及太陽輻射輸出等變化﹞,令在對流層頂的垂直光輻照度或太陽輻射通量的淨變化(向下減向上的能量傳遞)。若「輻射強迫」是正數時,進入的能量比逸出的更多,表示地球表面和低層大氣變暖;而「輻射強迫」是負數時,逸出的能量比進入的更多,表示地球表面和低層大氣變冷。

    在「政府間氣候變化專門委員會」﹙IPCC﹚的報告裡,「輻射強迫」被進一步定義為相對於自從1750年﹙工業化之前的年代﹚的變化。它通常是以全球的年平均值計算。


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  4. 除了「輻射強迫」外,「臭氧反應」對氣候的可能效應是什麼?

    臭氧不單吸收紫外線而化成熱能,它的溫室氣體特性亦使它吸收從地球表面射往太空的紅外線。臭氧愈多,平流層愈暖;臭氧愈少,平流層﹙圖2﹚便變冷。平流層的變化,或有可能間接向下影響到對流層大氣環流的改變,導致產生氣候轉變。

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  5. 可能產生的天氣異常效果

    黑格的發現已引起其他科學家的注意,并引發討論。如果太陽活動和與臭氧有關的「輻射強迫」對地球升溫和降溫的影響可以不同步,對流層和平流層調節地球氣候的過程將會是怎樣進行的?另一位科學家(奎恩 · 施梅爾 Quirin Schiermeier)在回應黑格的發現時,重復申述一些氣象學家的一個信念,那就是在太陽活動處於低潮的階段,「阻塞事件」可能會更頻繁地發生。

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    圖3  在2008年1月22日的500百帕斯卡高空天氣圖上,由一個阻塞高壓和一個切斷低壓組成的一個阻塞天氣系統,出現在北亞的西邊。與此同時,一道深而且大的西風槽﹙內藏有一個低壓中心﹚出現在北亞的東部地區。


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  6. 什麼是「阻塞事件」?

    圖3是一個典型「阻塞事件」的情況,顯示了一個由一個阻塞高壓(在極區側)和一個切斷低壓組成的「阻塞系統」。該阻塞高壓附近的高度場形態類似希臘字母Ω(歐米茄)的形狀。切斷低壓是一個完全脫離了高空西風氣流的封閉形冷心低壓。

    一個阻塞系統是一個緩慢移動或幾乎停留不動的大型天氣系統。在它前面﹙東面﹚的高空西風氣流,因為被阻塞系統扭曲了,形成一個形狀顯著起伏的波動氣流或深槽。受這種幾乎停留不動的大型天氣系統和相關深槽支配下的不同地區,地區性的乾燥、下雨、降雪或寒冷天氣可以持續多天。此外,一個阻塞系統的崩潰也會讓大量極寒冷空氣獲得釋放南下。若「阻塞事件」和「阻塞系統」崩潰頻密地出現,發生例如雪災和非常寒冷等地區性極端天氣的可能性將會增加。

    因此,「阻塞事件」是對流層上部不尋常的高空﹙例如︰在500百帕斯卡高空﹚西風急流形態,可以導致寒潮和反常的天氣。由於太陽活動是大約每11年週期循環的,所以對氣候應該不會有長遠的影響。對了解和量化自然氣候的波動,黑格的研究結果也許可以提供一些線索。


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  7. 儘管全球平均氣溫上升,異常凍冷的天氣事件仍有出現

    紫外線通量在太陽活動衰退期下降得比預期多,加上在海拔約45公里高空以下的平流層,臭氧減少可能令對流層頂以上的部分平流層﹙圖2﹚氣溫下降,會否因此意味著平流層和對流層之間隨後會出現相互作用,引發高空急流異常,導致「阻塞形勢」使極地冷空氣持續南下﹙圖3﹚,造成地面出現地區性極端天氣呢?
     
    最近幾年正是太陽黑子的極小時期,太陽活動處於低潮,一些地區在全球平均氣溫上升的趨勢下,冬季仍有異常凍冷天氣出現,例如於2008年初,發生在中國華南地區的雪災及香港四十年來歷時最長的寒潮﹙圖4﹚。由於2008年是太陽活動極小期的一年,與這一年年初的異常凍冷的天氣事件,是否有一些關聯或是否巧合呢?發生在2007年底至2008年中的拉尼娜事件,是否也可能是這一段寒冷天氣事件的另外一個原因呢?... 要更好地了解和解答這些問題,科學家需有更多資料以便進行進一步的研究。

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    圖4  在2008年初持續很久的寒潮期間,一個強大而持久的高壓系統影響東亞大部分地區。其中心曾於2008年1月22日出現在蒙古附近。 


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   參考:

  1. "An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate", by Haigh, J. D., Winning, A. R., Toumi, R. & Harder, J. W., Nature, Vol.467, No.7316, pp.696-699, 7 October 2010.
  2. "Declining solar activity linked to recent warming", by Quirin Schiermeier, published online on 6 October 2010, Nature.
  3. 又愛又恨的臭氧和氣候變化,撰文:梁榮武,香港天文台教育資源電子通訊,第二十二期 (2009年6月)。
  4. 2008 年華南雪災與香港的寒冷天氣回顧,撰文:葉彩雄 趙孔儒,香港天文台教育資源電子通訊,第二十四期 (2009年12月)。
  5. 四十年來歷時最長的寒潮,新聞公報 ( 2008年02月13日),香港天文台。
  6. 2008年初華南沿岸地區持續寒冷的天氣分析和預報技巧 - 唐宇煇、李月嬋 & 陳世倜,香港天文台,2009年第23屆粵港澳氣象科技研討會。
  7. "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
  8. "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
  9. "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
  10. "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
  11. "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
  12. "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
  13. "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
  14. "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.

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最近修訂日期: <2014年4月1日>