降雨強度

個百分等級以上，採取更細的劃分，每一單位代表0.01百分等級。

此外，為了分別探討全球暖化的熱力與動力效應，對降雨頻率與強度變化之 貢獻，此部分的評估，將依據以下兩項假設:當評估熱力效應時，假設大氣垂直 運動之分布，不隨著氣候變暖而改變，僅考慮水氣增加對降雨之影響；當評估動 力效應時，則假設大氣水氣量不因氣候暖化而改變，僅考慮垂直運動變化對降雨 之影響。這樣的評估方式將不包含熱力與動力效應對降雨變化之非線性作用。以 這樣的假設前提，熱力與動力作用對降雨頻率與強度變化之評估計算，簡述如下:

1. 降雨頻率

1) 熱力作用—考慮隨著氣候暖化，增加的水氣使得降雨事件在相同強 度下，只需要較弱的垂直運動強度便可發生，因此降雨發生頻率增 加。分析方式乃計算降雨事件中，垂直積分整層大氣柱水氣(column- integrated water vapor) 的變化率，評估來自熱力貢獻之降雨頻 率改變。

2) 動力作用—透過統計降雨事件的垂直運動發生頻率，評估來自動力 貢獻之降雨頻率改變。

2. 降雨強度

1) 熱力作用—利用水氣垂直傳送變化項之水氣變化分量，評估熱力作 用對降雨強度變化的貢獻。

2) 動力作用—利用水氣垂直傳送變化項之垂直運動變化分量，評估動 力作用對降雨強度變化的貢獻。

上述評估熱力與動力作用對於降雨頻率與強度變化之貢獻，其方程式推 導，將詳細說明於第五章。

雖然不同模式間，資料分析的結果在變化程度上略有差異(如附錄A 之圖A4-1至圖A4-8)，然而其變化趨勢方向是一致的。因此，在本章中，

絕大多數分析結果僅以十個模式的系集平均(ensemble)方式呈現。

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(三) 降雨頻率與強度之變化

圖4-1顯示在2081-2100年與1981-2000年期間，降雨頻率與強度之差異。由 10個模式分析結果顯示，當氣候變暖，降雨事件變得較不容易發生，其頻率變化 幅度最多可減少約5% (圖4-1a)。另一方面，降雨強度則一致顯示增強的變化，

其幅度大約可增強2%至11% (圖4-1b)。換言之，在全球暖化情境中，熱帶降雨事 件傾向於發生次數減少而強度增強。

承接圖4-1a 總降雨頻率減少的變化，我們更進一步檢驗對於不同降雨強度 區間，其發生頻率之改變，十個模式的系集平均結果如圖4-2所示。在氣候平均 狀態中(圖4-2a)，降雨頻率快速地隨著降雨強度增強而減少，也就是說絕大多數 比例之降雨為弱降雨事件，強降雨事件發生比例是較少的。隨著氣候變暖，中等 以及強降雨事件發生頻率增加，而弱降雨事件發生頻率則為減少 (圖4-2b)。由 於減少的弱降雨事件數，明顯多於增加的中等以及強降雨事件數，因此整體平均 而言，降雨發生次數是減少的。然而以相對變化比例來看(圖4-2c)，隨著降雨強 度增加，其頻率增加之比例是明顯上升的。舉例來說，對於100mm/day強度區間 之降雨，每升溫一度，其頻率增加約可達35%，然而對於50mm/day強度區間之降 雨而言，大約只有增加10%。對於弱降雨事件，變化比例更是微小，每升溫一度，

降雨頻率約減少2%。換言之，降雨頻率變化比例最明顯者為強降雨事件，即使其 次數改變量不如弱降雨事件多。

將所有降雨事件依據強弱排序後，不同百分等級之降雨強度變化如圖4-3所 示。圖4-3之強度等級間隔為每一個單位(bin)為一個百分等級(1%)，在第99百分 等級，則進一步細分為100等分(如小圖)，每一等分為0.01個百分等級(0.01%)。

在氣候平均狀態中(圖4-3a)，降雨強度分布隨著百分等級增強，最後一個百分等 級的平均降雨，強度可達45mm/day。若針對第99百分等級以上之極端降雨，其強 度更可超過120mm/day(圖4-3a 小圖)。在全球暖化下，降雨強度的變化，除了弱 降雨等級之降雨事件，其平均強度有輕微減弱之外，每個百分等級的平均降雨強

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度皆呈現增強的變化(圖4-3b)，每升溫一度，其增強幅度最多將近4%。對於最強 等級—第99百分等級以上之降雨，10個模式系集平均之結果顯示，降雨強度可增 強將近9%。模式之間強度變化的幅度範圍，約為1%至16%不等(圖4-3c)。由圖4-3c 可見，即使是第99百分等級的降雨事件，模式模擬呈現的降雨強度變化程度，仍 不及地面觀測資料的分析結果來得明顯(Allan and Soden 2008; Dai 2006)，這 可能是因為與觀測資料相比，模式網格點解析度較為粗糙所導致。

(四) 評估熱力與動力作用之貢獻

假設水氣垂直傳送為對流產生降雨的主要過程，我們可推導出一組方程式來 評估熱力與動力作用，其對於降雨頻率與強度變化之貢獻。不過，這個假設僅適 用在評估對流過程主導的強降雨事件。由於弱降雨通常還受到其他過程之影響，

例如邊界層與蒸發，因此無法採用此評估方式完整解釋弱降雨事件之變化。

依據上述假設的分析結果發現，隨著氣候變暖，對於大多數降雨事件，其發 生頻率增加是來自熱力作用提供的正貢獻(圖4-4a)。對於強降雨事件，當溫度每 上升一度，熱力作用的貢獻比例可達約40%，並且此正貢獻在10個模式分析結果 是相當一致的。另一方面，由於更加穩定的大氣環境，動力作用對降雨事件的頻 率變化，多為提供不利於降雨事件增加的負貢獻 (圖4-4b)，然而此部分的分析 結果，不同模式所得之差異相當大。對於強降雨事件而言，其降雨頻率變化範圍 的差異，可介於-12%至5%之間。因此，比對不同模式的模擬結果，動力貢獻相對 較不一致，並且與熱力貢獻相比，其影響程度是較小的。

在強降雨事件的強度變化方面，我們僅著重於第99百分等級以上之降雨事件。

由圖4-5b可見，熱力作用對於降雨強度的正貢獻略小於大氣柱水氣變化量，也就 是依循Clausius- Clapeyron關係式—每上升一度，水氣約增加7%。動力作用對 降雨強度變化之貢獻，則介於-2%至2%之間(圖4-5c)，與500hPa的垂直運動變化 比例相近。由絕大多數降雨事件看來，動力作用多為提供減弱降雨強度的負貢獻。

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然而，在本研究亦發現，增強的上升運動所提供之動力正貢獻，會發生在降雨強 度大幅度增強的百分等級處(第99.7百分等級以上)。對於最強等級之降雨事件，

其增強比例甚至超過前述的7% 熱力尺標，這可能是與潛熱釋放有關的正向對流 回饋作用所造成。不過，局地的對流回饋作用在何時何處，可以超越大尺度環境 傾向於抑制對流發展之影響，需要更進一步的檢視分析。

(五) 結論

利用氣候模式模擬資料，檢驗暖化的大氣環境如何造成熱帶降雨頻率與強 度之改變。降雨頻率與強度的改變是密切相關的，降雨事件的分布傾向於更多強 降雨事件之發生，如此一來，降雨頻率與強度皆會同時改變。在全球暖化下，熱 帶地區之強降雨事件傾向於更容易發生以及強度增強，但是弱降雨事件則變得較 不常發生，並且強度減弱。這樣的降雨事件變化，同時來自於熱力與動力作用之 影響。熱力作用是由於大氣水氣變化所導致，而動力作用則與垂直運動改變有關。

對於降雨頻率的變化，由於大氣中增加的水氣，使降雨事件在相同強度下，僅需 較弱之垂直運動強度便可驅動，因此降雨事件變得更容易發生，此即熱力作用對 於降雨頻率之正貢獻；另一方面，動力作用由於更穩定的大氣，因此不利於降雨 頻率增加。降雨強度變化的部分，大氣可用水氣量增加，進而增強降雨事件之強 度，此即熱力作用對強度變化的正貢獻；然而，更穩定的大氣環境提供動力負貢 獻，因此不利降雨強度增強。此動力作用在模式間的結果，是相對較不一致，並 且貢獻程度是較小的。值得一提的是，在大多數氣候模式模擬中，可以發現有利 於強降雨強度增強的動力正貢獻，這可能與對流過程中，潛熱釋放的正回饋過程 有關。關於本章之分析與詳細討論，請詳見附錄D (Chou et al. 2012)。

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五、 從區域角度探討降雨頻率與強度之改變

前一章的研究分析，以整個熱帶平均的角度，檢視降雨頻率與強度之變化與 相關機制。然而，如同平均降雨變化具有空間分布之差異，降雨頻率與強度變化 可能也會隨區域不同而有差別。區域性的平均降雨差異，反映何種區域性的降雨 頻率與強度變化之分布? 以及影響平均降雨變化的熱力與動力機制，是否同樣地 影響個別降雨事件? 本章將依據第二章之六個熱帶次區域劃分方式，探討區域降 雨頻率與強度分布，以及評估熱力與動力作用對頻率與強度變化之貢獻。

(一) 使用資料

與第四章相似地，使用CMIP3提供的多模式資料庫，模擬20C3M與A1B情境的 日平均資料進行分析，另外使用相同情境的月平均資料定義出熱帶六個次區域，

並且亦選取1981-2000年與2081-2100年期間，分別代表正常與未來暖化氣候狀態。

由於分析使用的變數，需要日平均降雨、表面潛熱通量、自1000mb至200mb的逐 層比濕以及風場資料。考量模式提供的變數完整性，亦使用表4-1列舉的十個模 式資料。

(二) 分析方法

1. 降雨頻率之計算

計算降雨頻率，首先必須定義降雨事件。由於模式中，小於

0.1mm/day的網格點降雨資料對總降雨量的貢獻相對很小(小於0.3%)，並 且參考Sun et al. (2007)之標準，因此後續降雨頻率計算，僅採用網格 點降雨值大於等於0.1mm/day之資料。並且以每1mm/day為一個單位區間 (bin)，分別計算正常與暖化氣候條件下，降雨事件在不同強度的頻率分 布。

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2. 降雨強度之計算

分析降雨強度，亦僅考慮網格點降雨值大於等於0.1mm/day之資料，

並且依其強度排序，計算每個百分等級(percentile)之平均降雨強度。

在極端降雨事件，也就是第99百分等級以上，每一單位則代表0.01百分

在極端降雨事件，也就是第99百分等級以上，每一單位則代表0.01百分