利用大氣數值模式探討土地利用變遷與對流降雨強度關係 在過去的數十年裡，桃園地區地表變遷相當顯著，這些變化可以改 變土地與大氣之間的交互作用，也成為改變當地和區域氣候的一個重 要的強迫力。Kanamitsu and Mo (2003)、Wey et al. (2015) 及 Chou et al.
(2018)證明土壤水分可以直接地影響局部降水(通過蒸發散量和地表能 量平衡的變化)或通過大氣環流的變化(Chen et al., 2018; Hsu et al., 2017)，
間接地影響到降水型態與強度，過去亦有許多學者針對土地利用改變 (灌溉、都市化、去森林化)、降雨(強降雨)、極端氣候間之關聯性進行 研究(詳表 2-1)。本計畫中使用 Noah 地表模式，結合美國國家大氣研究 中心(NCAR)所發展的天氣研究預測模式(WRF，(Skamarock et al., 2008)) 探討土地利用的變化如何影響桃園的氣候水文狀態，從局部到區域尺 度的能量和水文收支以及降水的變化，利用地表變遷型態作為 Noah 模 式的下邊界條件，再結合 WRF 模式後，連結地表變遷所導致的近地表 溫度、潛熱、可感熱通量、邊界層發展等，至大氣對流與降水的變化。
計畫中使用 WRF+ Noah 區域氣候模型理解土地利用變化對當地和區 域氣候的影響，以及降水的變化，也將在數值模式中考慮到未來暖化的 效應。此外，數值模式的結果與統計結果部份相互比較與驗證。
表2-1 土地利用改變(灌溉、都市化、去森林化)、降雨(強降雨)、極端氣候間關聯之文獻
作者 模式/觀測 事件/區域 驅動力
Avila et al., 2012 CSIRO Mk3L; CABLE 極端溫度/全球性 植被覆蓋改變 Bonan 1999; 2001 CCM3; NCAR LSM 極端溫度/美國中部及東部 森林濫墾 Bonfils and Lobell, 2007 Stationary observations 極端溫度/美國加州 灌溉 Bradshaw et al., 2007 Dartmouth Flood Observatory 洪水/全球性 森林濫墾 Chen et al., 2007 Stationary observations 增強降雨強度/台北盆地 都市化 Christidis et al., 2013 HadGEM2-ES; DGVM 極端溫度/全球性 森林濫墾 Clark, 1987 Stationary observations 洪水/英國薩默塞特郡東部及多塞特郡北
部
Hirschi et al.,2011 Stationary observations 極端溫度/東南歐 缺少土壤含水量對降雨的反饋
Hurkmans et al.,2009 VIC 洪水/萊茵河 都市化
Jothityangkoon et al.,2013 distributed rainfall-run off model 洪水/泰國北部湄平河上游 森林濫墾
Laurance, 2007 review paper 洪水 森林濫墾
Lin et al., 2011 WRF;UCM 增加降雨強度 /台灣北部 都市化 Mahmood et al., 2006;2013; Stationary observations 極端溫度/美國中部 灌溉 Miao et al., 2006 WRF;Noah-SLUCM 強降雨/北京 都市化 Mishra1 et al., 2015 Stationary observations 熱浪、無風/全球性 都市發展
Müller et al., 2014 WRF 2008 南美洲南部乾旱 土地覆蓋改變及植被變異 Stéfanon et al., 2014 CCM; RegCM ; BIOME4 熱浪/法國中部 植被覆蓋改變
Teuling et al., 2013 Stationary observations 乾旱/歐洲中部及西部 土壤水份異常增大 Vautard et al., 2010 MM5 地表風速下降/北半球 森林濫墾、都市化
Wei et al., 2015 WRF; 較強降雨/美國南部 土壤含水量改變地表蒸散及降雨效率 Zaitchik et al., 2013 NU-WRF 乾旱/美國南部大平原 由於當地土壤含水量之反饋造成降雨
量集中於潮濕的區域 Zhao and Pitman, 2002 CCM3; BAT 極端溫度/全球性 土地覆蓋改變、增加 CO2
(一) 模式說明
計畫中使用 WRF 3.5.1 版，地表模式選用 Noah land surface model(詳圖 2-1)。水平空間模擬設定為三層巢狀網格，
水平解析度目標分別為18、6、2 公里，垂直解析度則為 45 層。積雲參數化將採用Betts-Miller-Janjic 參數法，第二層、
第三層(水平解析度 6、2 公里) 將不使用積雲參數化，直接 為雲解析的網格。模式選用RRTM 長波輻射參數法、Goddard 短波輻射法、WSM5 微物理參數化、YSU 邊界層參數法。
初始場資料來自 NCEP 的 Final Reanalysis Data，積雲參數化 選用Kain-Fritsch scheme，第二及第三槽不使用積雲參數化；
選用 RRTM 的長波輻射參數法；Goddard 的短波輻射參數 法；WSM5 微物理參數化；YSU 的邊界層參數化；地表模 式則使用 Noah LSM。
圖2-1 WRF 模式模擬的空間範圍與巢狀網格設計
運行模式前由前處理 (WRF Preprocessing System, WPS) 建立地圖與地形等資訊，並與全球再分析資料內插到 WRF 網格上的氣象場變數相結合，作為 WRF 模式的初始條件與 邊界條件。在執行 WRF 模式前設定所選用的物理參數法，
包括長短波輻射、雲微物理、積雲參數化、地表過程、邊界 層參數化等，WRF 模式會依照所設定的物理參數化模組進 行計算，最後再將模式輸出結果(主要有近地表溫度、風場與 降雨量等輸出場)以 NCL 等繪圖軟體進行描繪，整個 WRF 模式作業流程詳圖 2-2。
圖2-2 天氣研究與預報模式 (Weather Research and Forecasting Model, WRF) 作業流程圖
(摘自 http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/model.html)
(二) 案例說明
挑選 1999 年到 2011 年間 8 月弱綜觀條件(臺灣鄰近區 域無颱風或鋒面影響)下，18 個晴朗個案(無午後陣雨)(詳表 2-2)及 10 個有雨個案(有午後陣雨)(詳表 2-3)，利用天氣研究 與預報模式(Weather Research and Forecasting model，WRF V3.5.1)進行 36 小時的模擬，將前 12 小時當作模式 spin up 時間，取模擬的第 12 到 22 小時作為日間平均(0800L-1800L)，
第 24 到 34 小時做為夜間平均(2000L-0600L)。為突顯地表 改變之間能量收支的差異以及對大氣降水的潛在影響，個案 選取的時間均為 8 月(地表溫度為最高時)，個案挑選的方法 為利用臺北、新竹、嘉義、臺南四個局屬測站，以及新屋、
佳里、新營、善化等四個自動氣象站，以及茶業改良場、桃 園農業改良場兩個農業測站，從 1999 年到 2011 年 13 年間 8 月份的雨量資料，取 10 個測站降水連續三天皆小於 5mm 的日子作為晴朗個案，共 18 個個案，藉此了解在晴朗的狀 況下能量收支特性的日夜變化；另外取前述 10 測站至少有 兩測站最大時雨量大於 15mm 且發生在下午到傍晚時間做 為有雨個案。前述之個案挑選均避開臺灣地區發佈颱風警報 的時間。透過這些個案的選擇，來模擬夏季弱綜觀大氣條件 下土地使用變化對局部區域氣候所造成的影響，利用天氣研 究與預報模式(Weather Research and Forecasting model，WRF V3.5.1)進行 36 小時的模擬，將前 12 小時當作模式 spin up 時間，取模擬的第 12 到 22 小時作為日間平均(0800L-1800L)，
第24 到 34 小時做為夜間平均(2000L-0600L)。
土地利用資料來自內政部國土測繪中心進行之全國土 地利用調查，以臺灣全區 2007 年的調查為基底，將桃園地 區分別抽換成 1995 年、2007 年、2015 年之土地利用情況，
做成三筆不同的土地利用資料(對應 WRF 模式中原始之 USGS 地表利用資料的 24 種土地利用分類)(詳圖 2-3)置於 WRF 模式中進行模擬。
表2-2 晴朗條件個案列表
個案編號 日期 個案編號 日期
1 1999/08/16 10 2004/08/08 2 2000/08/19 11 2005/08/28 3 2001/08/05 12 2006/08/14 4 2001/08/20 13 2006/08/30 5 2002/08/15 14 2008/08/02 6 2002/08/24 15 2008/08/13 7 2002/08/28 16 2008/08/26 8 2003/08/09 17 2009/08/21 9 2003/08/28 18 2009/08/28
表2-3 有雨條件個案列表
個案編號 日期 個案編號 日期
1 1999/08/04 6 2006/08/23 2 2001/08/30 7 2007/08/04 3 2003/08/11 8 2008/08/11 4 2004/08/20 8 2010/08/16 5 2005/08/18 10 2011/08/10
圖 2-3 1995 年(左上)、2007 年(右上)、2015 年(左下)桃園地區土地 利用狀況、2015 年與 1995 年土地利用差別(右下)
地表利用的改變在模式中的設定將會改變地表粗糙度、
蒸發散的效率、近地表與邊界層的紊流等微氣候的參數，進 而影響到邊界層的發展與降雨型態。
模式結果與統計數據分析相互比較並利用數值實驗確 定其潛在機制。在數值模式的結果中我們會特別關注從日夜 循環的強降水改變。在未來暖化情境下，已有研究指出極端 氣候出現的頻率將會變高，然而再加上地表變遷的效應下，
降水將會如何改變將是本計畫要特別探討的問題，將採用工 作項目2(第三章)及工作項目 3(第四章)提供的未來土地利用 分類情境，放進陸地模式中結合 WRF 模式再加上未來的暖 化大氣條件，探討未來的降水變化。
其模式結果將與統計數據分析相互比較並利用數值實 驗確定其潛在機制。在數值模式的結果中我們會特別關注從 日夜循環的強降水改變。在未來暖化情境下，已有研究指出 極端氣候出現的頻率將會變高，然而再加上地表變遷的效應 下，降水將會如何改變將是本計畫要特別探討的問題，將採 用工作項目2(第三章)及工作項目 3(第四章)提供的未來土地 利用分類情境，放進陸地模式中結合WRF 模式再加上未來 的暖化大氣條件，探討未來的降水變化。
(三) 結果與討論
1、休耕對於桃園的局地降水之影響
為瞭解休耕對於桃園的局地降水之影響，計畫中設計 水田組與休耕組實驗。將桃園區域的各層土壤濕度都加到 飽和，藉此來接近插秧期灌滿水的水田，稱為”水田組”。
另 外 在 桃 園 地 區 的 一 塊 矩 形 區 域 (121°01'00"E -
121°23'46"E, 24°53'18"N - 25°03'21"N)做一個理想化的實 驗將灌溉田換成作物/草地混合的土地利用型態，視為該 區域休耕之後的土地利用，其它剩餘的水田區則仿照前述 水田組的方式處理，先轉換為裸土再將土壤濕度達到飽和，
成為休耕組。兩組實驗的初始下邊界條件只有在兩個休耕 區有所不同。利用WRF 模式將地表換成休耕的型態(假設 全部桃園都休耕的情況)後，利用下雨個案的模擬之敏感 度測試，再將將休耕地的午後(12:00~18:00)降水做分析，
跟未休耕的模擬比較(詳圖 2-4 及圖 2-5)，可發現平均降雨 量在桃園休耕時有增加的趨勢且小雨到強降雨的頻率也 有增加。
圖 2-4 累積(12:00-18:00)降水的差異性(休耕組減去水田組)(單位：
mm/6 hours)
圖 2-5 降雨強度在桃園休耕時的變化
2、晴朗條件個案
2015 年及 2007 年相對 1995 年，桃園地區都市增加 的比例較多，水田的比例則有所減少，都市化的結果改變 這 些 區 域 的 能 量 收 支 比 例 ， 白 天 潛 熱 釋 放 減 少 大 約 300W/m2(詳圖 2-6)，可感熱通量增加 150W/m2 (詳圖 2-7)，
兩米高溫度場白天平均上升大約0.6 度(詳圖 2-8)，多餘的 能量透過地表長波輻射及地熱通量平衡。地表增溫將會加 強 邊 界 層 的 混 合 作 用 ， 使 白 天 邊 界 層 厚 度 增 加 大 約 150m(詳圖 2-9)。另外由於白天地表加溫較多，陸地多吸 收的熱能於夜晚放出，夜晚增溫更為明顯，大約可以上升 1.4 度左右(詳圖 2-8)；水氣場的部分，都市取代農田會使 白 天 地 表 蒸 發 散 作 用 減 少 ， 兩 米 高 混 合 比 下 降 大 約 1.5g/kg(詳圖 2-10)。風場的部分由於地表的增溫使氣壓場 重新分配，地表粗糙長度的改變也有所影響，使得在近都 市區域的偏西風有所減弱(詳圖 2-11)。
圖2-6 晴朗個案下潛熱通量變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年 (中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間變化，下排為夜間變化.
圖 2-7 晴朗個案下可感熱通量變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年 (中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間變化，下排為夜間變化
圖2-8 晴朗個案下兩米高溫度場變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年(中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間變化，下排為夜間變化
圖 2-9 晴朗個案下邊界層厚度變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年 (中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間，下排為夜間變化
圖2-10 晴朗個案下近地表混合比變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年(中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間，下排為夜間變化
圖2-10 晴朗個案下近地表混合比變化：1995 年(左)、2007 年-1995 年(中)、2015 年-1995 年(右)，上排為日間，下排為夜間變化