兩類型聖嬰對西北太平洋氣旋活動影響之模擬

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(1)國立臺灣師範大學地球科學系研究所碩士論文. 指導教授：陳正達. 博士. 兩類型聖嬰對西北太平洋氣旋活動影響之模擬 Simulated Impacts of Two Types of El Niño on the Tropical Cyclone Activity over Northwest Pacific. 研究生：張雅惠. 撰. 中華民國 103 年 6 月.

(2) 致謝兩年的時間過得很快，感覺才剛完成大學學業，碩士班的生活也跟著要畫下休止符了。這篇論文的完成，要感謝許多在一路上幫助、鼓勵過我的人。首先，要感謝我的指導教授─陳正達老師，不論是在研究或是課業上都給予我很大的支持跟幫助，更鼓勵我參與 AMS 舉辦的《颶風與熱帶氣象研討會》，讓我有機會在國際會議中上台發表研究、增廣見聞。當然，還要感謝鄒治華、王重傑、黃婉如、曾莉珊以及簡芳菁老師，在課業以及研究上讓我有許多的收穫。此外，還要謝謝大學時期教導、幫助過我的所有老師和助教們，特別是涂建翊老師，讓我在大學時期奠定了研究的基礎，也在研究路上給我許多建議和幫助。另外，謝謝口試委員盧孟明博士、許晃雄老師，針對我的研究給了許多的建議和想法，使我的論文能夠更完整。在這兩年的求學過程中，感謝騰平學長和世豪學長在研究、課業上給了我很多的幫助，讓我在這兩年中學到了很不同的研究方法，增進了許多知識和能力。此外，謝謝美鳳學姊以及系上美禮、曉珮、家瑜、純綿、佳玲助教平時的幫忙，為大家處理許多經費、資源、課業等等的事務和問題。還有，要謝謝敏儀、欣妤、品誼、千慧、冠伶、晉婕、姿瑩、羿伶、雨涵及雅琳這幾位好朋友，不論喜怒哀樂，都跟我一起分享、分擔，讓我在求學的路上一點也不孤單。另外，裕翔學長、修立學長、瑩薰學姊、章眉學姊、智傑學長、育瑋學姊、沛語學姊、孟光學長、怡文學姊、玉秀學姊、建蒲學長、冠鈞學長、柏翰學長、學孜學長、鴻鵬學長、子睿學長、稚偉、炳魁、美霖、詩庭、禹涵、碧瑜、鳳茹、彥超、凱鈞、勇志，還有師大地科系排的昱琪、姿穎、羑律、美雅、冠州學長以及文大的佳臻學長、水德學長和所有大氣系排學的弟妹們，這兩年的生活中感謝有你們陪伴和幫忙，讓我的碩士生活更多采多姿。最後要感謝我的家人們一路上的支持，讓我可以在碩士班這兩年期間，即便在家中遇到一些困難，讓我還是可以安心順利的完成我的學業。在此謝謝所有在一路上幫助、鼓勵過我的人，願所有人都平安、喜樂。. I.

(3) 中文摘要許多研究中發現在熱帶太平洋上，有兩種不同類型的聖嬰-南方振盪（El Niño-Southern Oscillation, ENSO）事件，並且在近年來吸引了不少相關主題的研究和熱烈的討論。在這些研究當中，也重新的審視了聖嬰-南方振盪所造成的影響，探討東太平洋聖嬰（EP El Niño）及中太平洋聖嬰（CP El Niño）對於全球氣候影響的差異。而在我們分析觀測資料的結果中同樣發現，在兩類聖嬰事件中，不同的海表面異常增溫位置，會造成大尺度環境有不同的反應，而其不同距平的分布差異，會進而影響西北太平洋熱帶氣旋活動頻率的距平分布。. 本篇研究的目標為根據在近幾十年有限觀測資料下定義出的事件中，檢驗模式重現在兩類 El Niño 下環境場以及熱帶氣旋活動的能力。研究中以觀測及合成之典型 EP El Niño、CP El Niño 事件和氣候平均之海表面溫度，作為驅動馬克斯-普朗克研究室發展的全球模式（Max Plank Institute global climate model, ECHAM5）之邊界條件，並且同時與 ECHAM5 AMIP-type 長期模擬結果下的合成 EP El Niño 和 CP El Niño 事件做比較。從西北太平洋熱帶氣旋活動模擬結果的分析中，我們發現 CP El Niño 事件下，有較好的模擬表現，而在 EP El Niño 事件的模擬下，則是在西北太平洋西北象限會產生偏差。此外，從模擬的結果中也可以發現，模式大致上可以掌握住在兩類型聖嬰現象下，主要的大尺度環流場距平特徵。. 關鍵字：中太平洋聖嬰、東太平洋聖嬰、熱帶氣旋、西北太平洋. II.

(4) Abstract Recently the phenomenon about the existence of two different types of El Niño occurred in tropical Pacific have attracted many studies on the topics and intensive debates. Following these works, whether there are also distinct impacts to global climate from the Eastern-Pacific （EP） and Central-Pacific （CP） El Niño had drawn lots of studies to revisit the ENSO influences. In this study, we analyze the observed events from 59 years（1951-2009）and investigate the different tropical cyclone （TC） frequency and large-scale circulation features between the two types of El Niño in the Western North Pacific.. Our study aims at the examination on the model capability in reproducing the findings from limited observed events in the past few decades. We use the composites of SST distribution and evolution under the typical EP El Niño and CP El Niño as well as the normal condition for the boundary conditions to drive the Max Plank Institute global climate model （ECHAM5） in this study. And the results are also compared with composite of EP El Niño and CP El Niño events sampled from the century long AMIP-type simulation from ECHAM5.. Keywords: CP El Niño, EP El Niño, Tropical Cyclone, Northwest Pacific. III.

(5) 目錄致謝 ………………………………………………………………………………I 中文摘要.…………………………………………………………………………II Abstract…..………………………………………………………………………III 目錄………………………………………………………………………………IV 表目錄……………………………………………………………………………VI 圖目錄..………………………………………………………………………...VIII 第一章. 前言..……………………………………………………………………1 1.1. 第二章. 文獻回顧………….…………………………………………………1 1.1.1. ENSO 與大尺度環流.…………………………………………1. 1.1.2. ENSO 與西北太平洋熱帶氣旋.………………………………3. 1.1.3. 兩種類型的聖嬰現象…………………………………………4. 1.1.4. 兩類聖嬰與西北太平洋熱帶氣旋……………………………6. 1.2. 研究動機與目的.……………………………………………………7. 1.3. 論文架構.……………………………………………………………8. 資料、模式與研究方法…………………………………………………9 2.1. 2.2. 2.3. 資料介紹.……………………………………………………………9 2.1.1. 颱風資料………………………………………………………9. 2.1.2. 大氣資料………………………………………………………9. 2.1.3. 海洋資料..……………………………………………………10. 模式介紹...…………………………………………………………10 2.2.1. ECHAM5…………………………………………………….10. 2.2.2. 模式熱帶氣旋判斷…………………………………………..11. 研究方法...…………………………………………………………12. IV.

(6) 第三章. 3.2. 3.3. 2.3.2. 模擬實驗………..……………………………………………13. 2.3.3. T-test 檢定……………………………………………………13. 西北太平洋熱帶氣旋分析探討...…………………………………15 3.1.1. 生成個數及頻率分布……..…………………………………16. 3.1.2. 活動頻率距平分布…………..………………………………17. 大尺度環境場分析探討..………….………………………………17 3.2.1. 垂直環流場分析………………..……………………………18. 3.2.2. 水平環流場分析…..…………………………………………18. 物理過程探討...……………………………………………………20. 實驗模擬結果與分析…………………………………………………22 4.1. 4.2. 4.3 第五章. 聖嬰個案選取方式……..……………………………………12. 兩類聖嬰之影響差異…………………………………………………15 3.1. 第四章. 2.3.1. 大尺度環境場分析探討...…………………………………………23 4.1.1. 垂直環流場分析..……………………………………………23. 4.1.2. 水平環流場分析..……………………………………………24. 西北太平洋熱帶氣旋模擬結果分析...……………………………25 4.2.1. 生成個數及頻率距平分布..…………………………………26. 4.2.2. 活動頻率距平分布..…………………………………………27. 模擬結果討論...……………………………………………………27. 討論與結論……………………………………………………………29. 參考文獻…………………………………………………………………………33 附表………………………………………………………………………………39 附圖………………………………………………………………………………45. V.

(7) 表目錄. 表 1、為 Yu et al.（2012）結合三種不同的定義聖嬰的方式，辦定 EP El Niño 或 CP El Niño 事件之列表。（本表摘自 Yu et al., 2012）………39 表 2、IBTrACS 觀測之 EP El Niño、CP El Niño 個案，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數統計分析。…………………………………………40 表 3、模擬實驗之邊界條件設定說明。………………………………………40 表 4、OBS、EXP、HIST 實驗分析下之 EP El Niño、CP El Niño 定義方式說明。………………………………………………………………………41 表 5、Historical 模擬實驗（1951-2009 年）及 Normal SST、EP SST、CP SST 模擬實驗（10 個系集成員）與 IBTrACS（1951-2009 年）西北太平洋熱帶氣旋生成個數平均之季節變化之相關係數。………………42 表 6、Normal SST、EP SST、CP SST 模擬實驗之各系集成員，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數統計分析（EP SST、CP SST 之 P value 為與 Normal SST 模擬實驗比較之顯著差異檢驗分析結果）。…………42 表 7、Historical 模擬實驗之 EP El Niño、CP El Niño 個案，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數統計分析。……………………………………43 表 8、EP El Niño 事件下，HIST 模擬實驗及 EXP 模擬實驗（系集平均）與 IBTrACS 西北太平洋熱帶氣旋活動頻率分布距平之空間分布相關係數，*號代表通過 T-test 95%信心值檢定。……………………...……43. VI.

(8) 表 9、CP El Niño 事件下，HIST 模擬實驗及 EXP 模擬實驗（系集平均）與 IBTrACS 西北太平洋熱帶氣旋活動頻率分布距平之空間分布相關係數，*號代表通過 T-test 95%信心值檢定。…………………………44. VII.

(9) 圖目錄. 圖 1、正常年(a)、聖嬰年(b)及反聖嬰年(c)海表面溫度、斜溫層及大氣環流變化之示意圖(本圖摘自 http://www.pmel.noaa.gov/)。. ……………45. 圖 2、利用標準 EOF 分析，定義出不同類型的聖嬰現象，(a)第一個模態 (EOF1)典型聖嬰；(b)第二個模態(EOF2)非典型聖嬰（El Niño Modoki）(本圖摘自 Ashok et al., 2007)。 ……………………………46 圖 3、使用的回歸-EOF 方法，分析出兩種不同的聖嬰模態(空間結構示意)：東太平洋型態（EP El Niño）以及中太平洋型態（CP El Niño） (本圖摘自 Kao and Yu, 2008)。 ……………………………………….46 圖 4、(a)EMI 定義範圍(EMI=[SSTA]A-0.5x[SSTA]B-0.5x[SSTA]C)。(b) Niño 3、Niño 4 SST 指數定義範圍。 ………………………………………47 圖 5、兩類型聖嬰事件下兩年時間序列之海溫距平值圖，（a）為 EP El Niño 六個個案之合成圖，（b）為 CP El Niño 六個個案之合成圖。由左上至右下為第一年 1 月至第二年 12 月，色階為海溫距平值（單位： K）。………………………………………………………………...……48 圖 6、統計 IBTrACS 1951-2009 年，西北太平洋熱帶氣旋生成個數平均之季節變化。圖中之百分比（86.9%）為六到十一月（藍色虛線方框）佔整年平均個數之百分比。………………………………………………49 圖 7、EP El Niño 六個個案 JJASON 之海溫距平值分布圖（由上至下為 1951、1972、1976、1982、1997、2006 年）。色階為海溫距平值（單位：K）。………………………………………………………………...50. VIII.

(10) 圖 8、CP El Niño 六個個案 JJASON 之海溫距平值分布圖（由上至下為 1958、1963、1968、1977、1994、2004 年）。色階為海溫距平值（單位：K）。………………………………………………………………51 圖 9、兩類型聖嬰事件下 JJASON 之海溫距平值圖，（a）為 EP El Niño 六個個案之合成圖，（b）為 CP El Niño 六個個案之合成圖。色階為海溫距平值（單位：K），黑色點代表通過 T-test95%信心值檢定。……52 圖 10、統計 IBTrACS 1951-2009 年，西北太平洋熱帶氣旋生成及活動之網格通過頻率平均。色階為個數平均值，（a）生成通過頻率（單位：個 /年 x10），（b）活動通過頻率（單位：個/年）。……………………53 圖 11、兩類型聖嬰事件下西北太平洋熱帶氣旋生成之網格通過頻率平均距平圖，（a）為 EP El Niño 之合成距平圖，（b）為 CP El Niño 之合成距平圖。色階為個數距平值（單位：個/年 x10），黑色點代表通過 Ttest 90%信心值檢定，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。…………..54 圖 12、兩類型聖嬰事件下西北太平洋熱帶氣旋活動之網格通過頻率平均距平圖，（a）為 EP El Niño 之合成距平圖，（b）為 CP El Niño 之合成距平圖。色階為個數距平值（單位：個/年），黑色點代表通過 T-test 90%信心值檢定，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。………………55 圖 13、兩類型聖嬰事件下 JJASON 之緯向平均（5°N~5°S）垂直環流場及水氣場距平值圖，（a）為 EP El Niño 之合成圖，（b）為 CP El Niño 之合成圖。色階為水氣距平值（單位：g/kg），流線為風場距平。..…….56 圖 14、兩類型聖嬰事件下 850hPa 水平環流場及重力位高度場距平值圖，（a）為 EP El Niño 之合成圖，（b）為 CP El Niño 之合成圖。色階為重力位高度距平值（單位：m），流線為水平風場距平，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。…………………………………………………57 IX.

(11) 圖 15、（a）氣候平均、（b）EP El Niño、（c）CP El Niño850hPa 流線場合成平均圖。紅色虛線為季風槽位置，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。………………………………………………………………………58 圖 16、兩類型聖嬰事件下的環流場分布示意圖，（a）為 EP El Niño，（b） CP El Niño。綠色箭頭為風場距平，淺藍色區域為氣旋式（Cyclonic, C）環流距平，淡紅色區域為反氣旋式（Anti-cyclonic, A）環流距平，橘色弧線為季風槽位置。 ………………………………………..59 圖 17、EP El Niño 事件下 JJASON 之緯向平均（5°N~5°S）垂直環流場及水氣場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為水氣距平值（單位： g/kg），流線為風場距平。 ……………………………………………60 圖 18、CP El Niño 事件下 JJASON 之緯向平均（5°N~5°S）垂直環流場及水氣場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為水氣距平值（單位： g/kg），流線為風場距平。 ……………………………………………61 圖 19、EP El Niño 事件下 850hPa 水平環流場及重力位高度場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為重力位高度距平值（單位：m），流線為水平風場距平，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。……………………62 圖 20、CP El Niño 事件下 850hPa 水平環流場及重力位高度場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為重力位高度距平值（單位：m），流線為水平風場距平，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。……………………63. X.

(12) 圖 21、氣候平均（Normal）850hPa 流線場合成平均圖（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。紅色虛線為季風槽位置，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。…………64 圖 22、EP El Niño 事件下 850hPa 流線場合成平均圖（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。紅色虛線為季風槽位置，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。…………65 圖 23、CP El Niño 事件下 850hPa 流線場合成平均圖（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。紅色虛線為季風槽位置，黑色虛線為西北太平洋區域劃分。…………66 圖 24、統計 IBTrACS、Historical 模擬實驗 1951-2009 年，西北太平洋熱帶氣旋每年生成個數變化（單位：個）。紅色線為 IBTrACS，藍色線為 Historical 模擬實驗。IBTrACS 與 Historical 模擬實驗相關係數為 0.1。……………………………………………………………………...67 圖 25、統計 IBTrACS、Historical 模擬實驗 1951-2009 年及 Normal SST、EP SST、CP SST 模擬實驗（10 個系集成員），西北太平洋熱帶氣旋生成個數平均之季節變化（單位：個/年）。紅色實線為 IBTrACS，綠色實線為 Historical 模擬實驗，藍色實線為 Normal SST 模擬實驗，藍色虛線為 EP SST 模擬實驗，藍色點線為 CP SST 模擬實驗。…………...68 圖 26、EP El Niño 事件下西北太平洋熱帶氣旋生成之網格通過頻率平均距平圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c） HIST 模擬實驗之合成圖。色階為個數距平值（單位：個/年 x10）。……………………………………………………………………69 圖 27、CP El Niño 事件下西北太平洋熱帶氣旋生成之網格通過頻率平均距平圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c） XI.

(13) HIST 模擬實驗之合成圖。色階為個數距平值（單位：個/年 x10）。……………………………………………………………………70 圖 28、EP El Niño 事件下西北太平洋熱帶氣旋活動之網格通過頻率平均距平圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c） HIST 模擬實驗之合成圖。色階為個數距平值（單位：個/年）。 …71 圖 29、CP El Niño 事件下西北太平洋熱帶氣旋活動之網格通過頻率平均距平圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c） HIST 模擬實驗之合成圖。色階為個數距平值（單位：個/年）。 …72 圖 30、EP El Niño 事件下 JJASON 之經向平均（110°E~140°E）垂直環流場及水氣場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為水氣距平值（單位： g/kg），流線為風場距平。……………………………………………...73 圖 31、CP El Niño 事件下 JJASON 之經向平均（110°E~140°E）垂直環流場及水氣場距平值圖，（a）觀測資料之合成圖，（b）EXP 模擬實驗之合成圖，（c）HIST 模擬實驗之合成圖。色階為水氣距平值（單位： g/kg），流線為風場距平。……………………………………………...74. XII.

(14) 第一章. 前言. 1.1 文獻回顧. 聖嬰─南方振盪（El Niño-Southern Oscillation, ENSO）主要發生的區域在熱帶太平洋上，是指赤道東太平洋地區海水表面溫度（Sea Surface Temperature, SST）大範圍、長時間異常增溫，導致大氣環流改變，進而造成全球氣候異常的現象，有著二至三年及三至六年的週期性變化（Trenberth, 1997）。. 當赤道東太平洋的海表面溫度為暖相位（Warm Phase）時，稱為聖嬰（El Niño）現象；反之，當赤道東太平洋海表面溫度為冷相位（Cold Phase）時，則稱為反聖嬰（La Niña）現象。另外，赤道地區正常年的氣壓分布為東高西低，而在聖嬰年時為東低西高，存在著東西方向氣壓差異的年際變化，稱之為南方震盪（Southern Oscillation）。而過去研究發現赤道太平洋海溫異常現象，及聖嬰現象與南方震盪之間有很好的相關性，因此兩者一般都合稱為聖嬰─南方振盪（El Niño-Southern Oscillation, ENSO）事件（Bjerknes, 1969,1972； Trenberth, 1997）。. 1.1.1 ENSO 與大尺度環流. 一般在未發生 ENSO 事件的正常年中，赤道東太平洋海面溫度會因下層湧升流的上升而呈現較冷現象，而暖海水則集中在西太平洋印尼、婆羅洲附近的海域，因此東太平洋海平面氣壓較高，西太平洋則較低，此時赤道地區因為氣壓梯度差異而形成東風帶，又因高壓區為下沉氣流，低壓區為上升氣流，所以東太平洋會較乾旱少雨，而西太平洋則較濕潤多雨（圖 1a）。 1.

(15) 當 El Niño 發生時，湧升流減弱，赤道東太平洋海表面溫度異常增高，進而改變東西太平洋的氣壓差異，赤道地區的東風減弱甚至轉為西風，雨區由西太平洋移至中、東太平洋，使得原來少雨的地方變得多雨，原來多雨的地方變得少雨（圖 1b）；反之，La Niña 發生時，則會加強正常年的反應，赤道東太平洋海表面溫度異常變冷，赤道地區因氣壓梯度增加而加強東風的強度，多雨區會更加濕潤多雨，少雨區則會更加乾燥少雨（圖 1c）。. 過去的研究也發現，當 ENSO 事件發生時，赤道地區海水冷暖位置改變，會影響到熱帶地區大氣環流的變化，且其影響範圍不僅侷限在熱帶區域，亦會造成中高緯度地區大尺度環流的變異，更是造成環太平洋或較遠地區氣候變異的重要原因（Gray, 1984； Ropelewski and Halpert, 1987；Meehl and Arblaster, 2002； Alexander et al., 2002）。例如：El Niño 發展年澳洲季風強度減弱、雨季縮短、降雨減少，La Niña 年時季風強度增強、雨季拉長、降雨增加（Meehl and Arblaster, 2002）；El Niño（La Niña）發展年冬季，菲律賓海地區降水偏少（偏多），並減弱（增強）東亞冬季季風（ Alexander et al., 2002 ）； El Niño 年時大西洋地區侵襲美國陸地的颶風較少，La Niña 年則較多（Gray, 1984）……等。. 由於聖嬰與反聖嬰現象由大氣與海洋系統之間的交互作用而成，是相當複雜的非線性現象，對於氣象預測方面有相當的困難度，因此也吸引了許多學者投入 ENSO 相關的研究。. 1.1.2 ENSO 與西北太平洋熱帶氣旋. 西北太平洋地區（Western North Pacific, WNP）為全球 SST 最高的區域，. 2.

(16) 又稱作西北太平洋暖池（Warm pool）區，有充分的暖海水提供水氣，加上有北半球低層大氣於夏季南亞季風以及東太平洋而來的盛行東風在附近輻合，提供氣旋發展所需之低層正渦度擾動，使得西北太平洋地區成為地球上熱帶氣旋最頻繁的區域，在西北太平洋平均每年約有三十個熱帶氣旋生成，是各大海洋區域中最多的（陳聯壽、丁一匯，1979）。. Gray（1968）分析了全球熱帶地區的環境場條件，發現相對於其他地區，西北太平洋在夏季具有熱帶槽線（季風槽）的結構以及垂直風切小的條件，有利於熱帶氣旋在此區域生成。在分析熱帶槽線的特性上，他指出熱帶槽線因南側西風、北側東風的配置，提供了大尺度的氣旋式風切，造成低層有符合風場產生上升運動，這樣的環流結構有利於熱帶擾動的生成，並發展成熱帶氣旋。而在夏季中，熱帶槽線（季風槽）在西北太平洋最顯著，可向東延伸至菲律賓東部。McBride（1995）統計 1990-1992 年間西太平洋地區生成的熱帶氣旋，發現 75%的熱帶氣旋都生成於季風槽附近。Ritchie and Holland （1999）分析了 1984-1988 年及 1990-1992 年（八年）中，西北太平洋所有熱帶氣旋的生成位置，利用環境場分析和衛星資料比對，歸類出五種旋生位置的環流特性，其中有 70%的熱帶氣旋生成在季風的風切線和季風槽西風與貿易風東風的會合區中。Lau and Nath（2006）也指出，赤道中太平洋熱源將改變西太平洋大尺度環流，夏季季風槽的增強有利海氣交互作用。此外，許多的研究也都發現，在西北太平洋區域，大部分的熱帶氣旋皆生成於季風槽較活躍的區域（Gray, 1979； Frank, 1987； Holland, 1995； Ritchie and Holland, 1999）。. 由於熱帶氣旋與大尺度環流的變化息息相關，在過去許多研究當中，都針對 ENSO 對熱帶氣旋的影響作研究、探討。許多研究發現，在 El Niño 事件發生時，西北太平洋的熱帶氣旋生成位置較平均偏東南方，在海上發展時. 3.

(17) 間較長，生命期相對較長；而 La Niña 事件發生時，熱帶氣旋生成位置較平均偏向西北方，較接近陸地，生命期相對地比較短（ Chan, 2000； Wang and Chan, 2002； Wu et al., 2004）。近期也有研究提出，ENSO 對於熱帶氣旋在強颱有較明顯的影響，而強度為中、若的熱帶氣旋則是與東印度洋冷暖海溫有密切關連性（ Zhan et al., 2011）。由以上可以知道，當 ENSO 發生時，兩者大尺度環境場改變的不同，會影響到西北太平洋熱帶氣旋差異。. 此外，熱帶氣旋為深受大尺度環流影響的天氣系統，與不同尺度的氣候系統間也會產生交互作用，因此熱帶氣旋對大尺度環境場亦會有回饋作用。 Gao et al. （1998）提出了熱帶氣旋可能引發 ENSO 事件的看法後，其他學者也相繼提出熱帶氣旋所帶來的赤道西風，為 El Niño 現象的肇始原因之一（Harrison and Giese, 1991； Kindle and Phoebus, 1995）。但針對此方面之討論研究較少，還需要再更進一步的探討。. 1.1.3 兩種類型的聖嬰現象. 近年來，學者們發現到在熱帶太平洋上，存在著不同類型的聖嬰事件。 Ashok et al. （2007）的研究當中，利用標準經驗正交函數分析（Empirical Orthogonal Function,. EOF），找到了不同類型的聖嬰現象，他們將分析出來. 第二個模態的 El Niño 稱為非典型聖嬰（El Niño Modoki）（圖 2）。Kug et al. （2009）根據 Niño 3（5°S-5°N，90°W-150°W）和 Niño 4（5°S-5°N，160°E150°W）（圖 4b）兩個區域六個月（九月至隔年二月，SONDJF）的海表面溫度指數距平值差異，分別定義出冷舌聖嬰（Cold Tongue El Niño）及暖池聖嬰（Warm Pool El Niño）。Kao and Yu （2009）使用的回歸-EOF 方法，分析出兩種不同的聖嬰模態：東太平洋型態（East Pacific El Niño ,EP El Niño）以及中太平洋型態（Central Pacific El Niño ,CP El Niño）（圖 3）。 4.

(18) 雖然在過去的研究中，對於不同類型的聖嬰事件有許多不同的分析、定義方式以及名稱，但可以發現，在這些研究當中，都顯示出熱帶太平洋上主要存在著兩種不同的聖嬰現象，而這兩種聖嬰事件，主要根據最大海表面溫度異常位置做區分，包括了最大海表面溫度距平（Sea-surface Temperature Anomaly ,SSTA）中心出現在熱帶東太平洋冷舌區的─東太平洋型態（EP El Niño），也就是一般的典型聖嬰現象；以及最大 SSTA 中心接近國際換日線的─中太平洋型態（CP El Niño）。. 在這兩種不同類型的聖嬰現象被提出之後，也有許多相關的研究，探討兩種不同類聖嬰現象在氣候上的影響差異。Feng and Li （2011）的研究中討論到，EP El Niño 事件會造成中國華南的春雨偏多，而 CP El Niño 結果則相反，中國華南的春雨會減少。Hendon et al. （2009）的研究指出，CP El Niño 對於澳洲季風的影響較 EP El Niño 強，CP El Niño 對於東澳地區的降水造成偏少的程度大於 EP El Niño。研究也發現，CP El Niño 和西北太平洋夏季季風的相關性大於 EP El Niño，而且在中國南方降雨的變化在兩種不同型態的 ENSO 下也不同（Weng et al.,2007,2011）。. 此外，Li et al. （2011）也發現，兩類型聖嬰現象對於南美洲降水位置的分部也造成不同的影響，EP El Niño 在南美洲降水偏多的區域較往南偏，而 CP El Niño 降水偏多的區域則較偏北。CP El Niño 對美國冬季氣溫的影響，也被發現和 EP El Niño 下已知的南北偶極型態特徵有些關連，不過 CP El Niño 的特徵在於東西偶極的型態（Mo,2010）。. 由上面的內容可以發現，這兩種型態 ENSO 暖事件位置的不同，可能會對全球的天氣和氣候產生不同的影響和特徵。雖然許多研究提出了 CP El Niño 和 EP El Niño 物理過程的差異，不過對於這兩種不同型態 ENSO 的機制需要再進一步的進行研究，並去思考 El Niño 事件對於氣候變遷的作用和回 5.

(19) 饋。. 1.1.4 兩類聖嬰與西北太平洋熱帶氣旋. 當 CP El Niño 事件發生時，熱帶太平洋上會伴隨著兩個異常的沃克環流胞，赤道中太平洋地區為主要的上升區，東、西太平洋則為下沉區，這和 EP El Niño 事件下赤道中、東太平洋為主要上升區，西太平洋為主要下沉區不同，對於太平洋岸邊的乾濕地理條件分布和氣旋活動、風暴路徑的影響也會有不同的差異。. Chen and Tam（2010）的研究中，將西北太平洋區域分為四個象限做分析（120°E-180°，0°-30°N，以 150°E、15°N 做分界），他們發現在 CP El Niño 事件發生時，海溫正距平出現在中太平洋換日線區域，西北太平洋熱帶地區低層（西南、東南象限）會產生西風距平，最大值出現在 140°E，而在西北太平洋區域西北和東北象限會產生大尺度的氣旋式距平，這樣的環境場分布有利於整個西北太平洋區域的氣旋活動；而在 EP El Niño 事件發生時，西北太平洋熱帶地區低層同樣會產生西風距平，但因為其海溫正距平位置較偏東，西風距平的最大值出現在換日線以東的位置，此分布有利東南象限熱帶氣旋活動，而在東北和西北象限產生反氣旋式距平，則不利熱帶氣旋活動。同時他們也發現，兩種類型的聖嬰現象與西北太平洋熱帶氣旋活動個數在不同季節也會有不同的影響的結果差異。. Kim et al. （2011）同樣將西北太平洋分成四個象限（110°E-180°，0°-35°N，以 140°E、20°N 做分界），分析了西北太平洋的氣旋活動頻率與兩類聖嬰的關係，發現在 EP El Niño 事件發生時，中太平洋中緯度部地區低層會產生氣旋式距平，使得西北太平洋季風槽的發展往東延伸至東南象限，有利於該區氣. 6.

(20) 旋活動，而西部象限則有反氣旋式距平，氣旋活動頻率減少；CP El Niño 年時，因為海溫正距平位置較往西偏，使得氣旋式距平也較往西偏，西北太平洋有低層氣旋式距平，東南、西北象限氣旋活動頻率明顯增加。. 由上述研究可得知，兩類聖嬰現象對於西北太平洋區域的氣旋活動也會造成不同的影響。. 1.2 研究動機與目的. 就天氣系統而言，熱帶氣旋為影響西北太平洋沿岸國家夏季最主要的天氣系統，同時也是造成災害的主要源頭，所夾帶的狂風、豪雨及暴潮等，常釀成許多重大災害，平均每年於全球可觀測到約 80 個左右的熱帶氣旋，其中西北太平洋地區平均一年就生成約 26 個，是全球最主要的熱帶氣旋活躍區，對鄰近國家產生很大的影響。對台灣而言，正好落在熱帶氣旋主要活動區域的範圍內，這也使得熱帶氣旋成為台灣地區最主要的天然災害，平均每年受到 3.5 個熱帶氣旋侵襲或影響，所造成的經濟與財物損失超過百億，是故與熱帶氣旋相關的研究主題也就格外受重視。. 此外，氣候變遷、全球暖化的議題一直以來都相當受到關注，而在暖化、氣候變化下對於氣旋活動的影響也就相當受到重視，然而，年際尺度的變化現象對於西北太平洋的氣旋活動影響更是吸引了許多相關的研究討論。由前面的文獻回顧探討可以得知，除了 ENSO 現象對於熱帶氣旋活動的影響一直都很受到重視、吸引了許多相關的研究發表外，另一種新興的聖嬰現象（CP El Niño）在近幾年也吸引了許多學者的討論和研究。此外，根據許多學者的觀測分析和氣候變遷預測的情境模擬顯示，CP El Niño 發生的次數可能有增加的趨勢，他們更發現在暖化的情境下，可能會增加 CP El Niño 發生的機率 7.

(21) （Ashok et al., 2007； Kao and Yu, 2009； Kug et al., 2009； Yeh et al.,2009； Lee and McPhaden, 2010），於是 CP El Niño 對氣旋活動影響的研究也就顯得格外的重要。. 過去的研究當中，對於兩種不同 El Niño 事件對氣旋活動影響的討論，多半著重於觀測資料的分析比較，或是以數值模式模擬結果來分析颱風季中，兩種不同 El Niño 事件下的環境場並和觀測資料比對分析。而在我們的研究當中，除了分析 EP El Niño 和 CP El Niño 事件下，對西北太平洋氣旋活動的影響、探討造成影響差異的主要環流場特徵之外，並且以觀測及合成之典型 EP El Niño、CP El Niño 事件和氣候平均之海表面溫度，作為驅動全球氣候模式之邊界條件，根據在近幾十年有限觀測資料下定義出的事件中，檢驗模式重現在兩類 El Niño 下環境場以及熱帶氣旋活動的能力。希望可以藉由本篇研究，透過數值模擬實驗設計，對西北太平洋熱帶氣旋活動預報的可行性提出有用的參考。. 1.3 論文架構. 本篇論文的架構如下：第一章為過去 ENSO 及西北太平洋熱帶氣旋相關研究的文獻回顧，以及本研究之研究動機與目的。本篇研究所使用之模式、觀測資料、熱帶氣旋偵測方法，及兩類聖嬰現象的定義和分析方法將於第二章介紹。第三章將定義的兩類型聖嬰事件，做觀測資料的分析比較，分別分析熱帶氣旋的活動以及大尺度環境場的差異。第四章則為數值模式之模擬結果分析，評估模式掌握兩類聖嬰在熱帶氣旋及環境場模擬的能力。最後一個章節（第五章），則為本研究之總結和整合討論以及研究之未來展望。. 8.

(22) 第二章. 資料、模式與研究方法. 2.1 資料介紹. 2.1.1 颱風資料. 颱風資料使用 NOAA/NCDC （ National Oceanic and Atmospheric Administration- National Climatic Data Center ）提供的 IBTrACS （International Best Track Archieve for Climate Stewardship）路徑資料，此資料是由世界氣象資料中心（The World Data Center for Meteorology, WDC）集合全球各區域氣象中心（Regional Specialized Meteorological Center, RSMC）及其他單位的最佳颱風路徑資料而成的一個全球颱風資料庫。本篇研究採用最新版本 v03r04，用來與模式結果進行分析比較。資料為六小時一筆，中心風速為十分鐘平均風速。選取的時間為 1951-2009 年，範圍為西北太平洋區域（100°E~180°,0°~50°N），而本篇所討論之熱帶氣旋為生命期內之風速必須大於 17 公尺/秒（m/s）以上。. 2.1.2 大氣資料. 本研究採用美國國家環境預測與大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCAR）提供的再分析資料（Reanalysis, R1）（ Kalany et al. 1996），包括：水平風、垂直風、重力為高度、海平面氣壓、水氣、相對濕度……等。此資料為全球經緯網格資料，水平解析度為 2.5°x2.5°，垂直方向以氣壓座標分成 17 層，分別為 1000、925、850、700、600、500、400、300、260、. 9.

(23) 200、150、100、70、50、30、20、10 百帕（hPa）. 2.1.3 海洋資料. 海平面溫度資料配合模式模擬之下邊界條件，採用大氣環流模式比較計畫第二版（Atmospheric Model Intercomparison Project II, AMIP II）所提供之月平均海溫，水平解析度為 T106（~1.125°x1.125°，換算至經緯網格為 320x160 個網格點）。. 2.2 模式介紹. 2.2.1 ECHAM5. 本研究採用馬克斯 ─ 浦朗克研究室發展的全球模式（ Max Plank Institute global climate model, MPI）所發展的全球模式 ECHAM5，採用的是波譜三角截斷 T106（~125km，換算至經緯網格為 320x160 個網格點）之水平解析度，垂直方向為 31 層之 sigma 座標。. 模式內部的方程組是以流體力學、熱力學和物理過程為基礎。在平流法（advection scheme）是參考 Lin and Johnson（1996）方法；輻射參數方面是參考 Morcrette et al.（1986）；積雲參數化則是使用 Tiedtke（1989）所提出整體質量通量的概念（bulk mass flux concept）以及 Nordeng（1994）對於此方法的修正；水平亂流計算是參考莫奧相似理論（Monin-Obukhov similarity theory）（Louis, 1979）；其它物理、動力架構及參數化方法請. 10.

(24) 參見 Roeckner et al.（1996, 2006）。. 驅動此模式的下邊界條件為大氣環流模式比較計畫第二版（Atmospheric Model Intercomparison Project II, AMIP II）之月平均海溫及海冰分布。. 2.2.2 模式熱帶氣旋判斷. 本研究採用 Vitart et al.（1997）與 Vitart and Stockdale（2001）所發展的方法以及 Walsh et al.（2007）提出不同解析度熱帶氣旋偵測的調整，來決定模式中的熱帶氣旋，其條件如下：. I. 850hPa 的渦度最大值必須大於 8x10-5s-1。 II. 在上述的渦度極大值半徑四度內，必須存在海平面氣壓的極小值，它和環境的差值須大於 5hPa，並且將其定義為氣旋之中心。 III.以上上述第二點之中心半徑四度內，200 和 500hPa 之溫度場平均大於周圍溫度 0.4 度。 IV. 以上上述第二點之中心半徑四度內，200 和 1000hPa 之高度場平均大於周圍厚度 50 公尺（m）。 V. 下一個時間點（6 小時後）必須在 400 公里（km）以內，有符合前面條件的渦旋才將其定義為上個時間點之風暴移動路徑。 VI. 10m 風速必須大於 15m/s，同時滿足風速、暖心條件的氣旋中心，生命期至少為 1.5 天，但不需要連續。. 由於偵測條件較寬鬆，透過以上條件所偵測出之熱帶氣旋，必須生成於緯度 0°~30°N、經度 0°~180°E 內，以剃除少數可通過條件之溫帶氣旋。此外模式中有少部分生成於陸地上之熱帶氣旋，較不符合事實，在本篇研究中同. 11.

(25) 樣予以刪除。. 2.3 研究方法. 2.3.1 聖嬰個案選取方式. 在過去的研究當中，提出了許多區分、定義兩類型的聖嬰現象的方法。其中，最常見的定義方式如下：. . El Niño Modoki index （EMI）方法：當北半球冬季（DecemberJanuary-February, DJF）平均之 EMI（圖 4）大於等於 0.7 個標準差時，則將其定義為 CP El Niño。Ashok et al.（2007）. . Niño 3/4 方法：以 DJF Niño 3、4 （圖 4）區域之 SST 指數作區分，當 Niño 3 SST 指數大於一個標準差時定義為 EP El Niño，Niño 4 SST 指數大於一個標準差時定義為 CP El Niño，而當 Niño 4 SST 指數大於 Niño 3 SST 指數時定義為 CP El Niño，反之則為 EP El Niño。 Yeh et al.（2009）. . EP/CP-index 方法：以 Kao and Yu（2009）定義之 CP、EP 指數作區分，當 DJF 平均之 CP 指數大於 EP 指數則定義為 CP El Niño，反之則為 EP El Niño。. Yu et al.（2012）結合了這三種不同的定義方式，以大於半數（其中有兩個或三個相同）之結果作為區分（表 1），而在本篇研究當中則參考其方式，但為了以較客觀方式定義出典型的 EP El Niño、CP El Niño 事件，只取三者定義結果皆相同的年份，定義結果如下：. 12.

(26) EP El Niño 個案：1951-52、1972-73、1976-77、1982-83、1997-98、 2006-07. CP El Niño 個案：1958-59、1963-64、1968-69、1977-78、1994-95、 2004-05. 2.3.2 模擬實驗. 在本篇研究中，以 1951-2009 年月平均 SST 變化作為氣候值（本研究中將其設定為正常年，Normal），並且將 2.3.1 所列出之 EP El Niño、CP El Niño 事件年份的海表面溫度做合成，分別產生兩年的月平均 SST 時序變化 (圖 5 為 SST 時序變化之距平值分布圖)。將這三組合成月平均 SST 作為驅動全球模式之邊界條件。為了評估模式的不確定性，我們在每個實驗中執行了十個系集成員。此外，本篇研究的實驗結果同時與 ECHAM5 AMIP-type SST 長期模擬結果下的合成 EP El Niño 和 CP El Niño 事件做比較。. 2.3.3 T-test 檢定. 統計資料分析中，時常需要比較兩種不同群體或單一群體與樣本之間的特性是否一致或存在顯著差異，而特性一致與否，通常可用該特性期望值是否一致來判斷，在本研究則使用 T 檢定（T-test）做分析。. 統計量. t =. χ̅−μ 𝑆/√𝑁. 13.

(27) （ χ̅= 樣本平均數;μ = 母體的平均數;s = 樣本的標準差;N = 樣本數;自由度= N-1 ）. 而在分研究當中，最常用 T-test 的情況有：雙樣本檢驗─檢定兩個獨立樣本的平均數差異是否達到顯著的水準；以及單樣本檢驗─檢定樣本數中某一個變數的平均數是否與母體的平均數有無顯著的不同。此外，在氣候研究分析上，我們通常以 90%的信心度及 95%信心度為主進行驗證，若檢定樣本個數 n=6，信心度為 95（90）%時的 t 值標準為 2.57（2.02）。. 14.

(28) 第三章. 兩類聖嬰之影響差異. 從 1951-2009 年熱帶氣旋觀測資料月平均個數的分析結果來看（圖 6），可以知道西北太平洋地區（100°E~180°,0°~50°N）的熱帶氣旋活躍期，主要集中在夏、秋兩季（6 月到 11 月，JJASON），而本研究則以這六個月份進行分析探討。. 在上一章中，說明了本研究定義兩類聖嬰的方式及結果，而在本實驗中以聖嬰的發展年為主要分析時間（即 EP El Niño：1951、1972、1976、1982、 1997、2006；CP El Niño：1958、1963、1968、1977、1994、2004）。圖 7、圖 8 為本實驗定義之 EP El Niño、CP El Niño 事件，JJASON 的平均海溫距平圖，雖然在各個年份中，海平面溫度距平的分布、強弱會有所差異，不過 SST 距平的分布皆各自表現出了在 EP El Niño 事件下及 CP El Niño 事件下主要正海溫距平分布的特徵。而從圖 9 的合成海溫距平圖來看，可以看到在 EP El Niño 事件下正海溫距平主要分佈在熱帶太平洋東部，從南美海岸往西延伸（圖 9a）； CP El Niño 事件下正海溫距平則大多集中在赤道太平洋中部（圖 9b）。. 本章中，將比較觀測之熱帶氣旋生成及活動特徵在兩類聖嬰現象下的差異，並分析在兩類聖嬰發生期間，大尺度環境場的不同。. 3.1 西北太平洋熱帶氣旋分析探討. 在本研究中，利用 5°x5°網格，計算 1951-2009 年西北太平洋熱帶氣旋在 6 月到 11 月，通過每個網格點的生成、活動數量累積。. 15.

(29) 從生成位置的頻率分布來看（圖 10a），西北太平洋的熱帶氣旋生成位置主要分布在東、南菲律賓海及中國南海區域，而從熱帶氣旋活動頻率的分布來看（圖 10b），位置主要分布在菲律賓東南邊外海及中國南海區域，並往北延伸至台灣地區。. 為了方便分析研究，本實驗參考 Kim et al.（2011）之方法，將西北太平洋熱帶氣旋活躍區（110°E-180°，0°-35°N）以東經 140 度及北緯 20 度，劃分成四個區域（西北：110°E-140°E，20°N-35°N；東北：140°E-180°，20°N-35°N；西南：110°E-140°E，0°-20°N；東南：140°E-180°，0°-20°N）。. 3.1.1 生成個數及頻率距平分布. 表 2 為定義之 EP El Niño、CP El Niño 個案，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數統計分析，從兩類聖嬰夏秋兩季之熱帶氣旋平均個數來看，可以發現雖然 EP El Niño 個數平均（20.67 個）略低於氣候平均值（22.3 個），而 CP El Niño（24 個）則高於氣候平均值，但兩事件個案生成個數與氣候值並沒有顯著差異（沒有通過顯著性 T 值檢定）。. 而從生成位置分布來看，我們將 EP El Niño 及 CP El Niño 事件下的熱帶氣旋生成位置做合成分析。圖 11 為兩類聖嬰事件下，西北太平洋熱帶氣旋平均生成個數之距平圖，從圖中我們可以看到，在 EP El Niño 事件中，熱帶氣旋主要生成位置的正距平發生在東南象限（圖 11a），而相較於 EP 事件，CP El Niño 事件下，氣旋生成位置的正距平同樣發生在東南象限但較向西北延伸（圖 11b）。. 此生成位置距平的分布結果，與 Kim et al.（2011）根據 7 月到 10 月 16.

(30) （JASO）熱帶氣旋生成頻率分析比較結果一致。而在他們的研究中，以熱帶氣旋潛在生成指數（Genesis Potential Index，GPI）進行分析，發現海表面溫度距平的分布，與兩類生嬰事件下，熱帶氣旋生成位置距平分布差異有很大的關聯性。. 3.1.2 活動頻率距平分布. 圖 12 為兩類聖嬰事件下，西北太平洋熱帶氣旋平均活動頻率之距平圖，從圖中我們可以看到，在 EP El Niño 事件中，熱帶氣旋主要活動頻率的正距平發生在東南象限，而西北和西南象限的活動頻率則是減少的（圖 12a）；在 CP El Niño 事件下，西北、東南象限活動頻率明顯的增加（呈現東南-西北的走向），幾乎在整個西北太平熱帶氣旋活耀區都是正距平，而中國南海的熱帶氣旋活動頻率則有減少的情形（圖 12b）。此分析結果，與 Kim et al.（2011）根據 7 月到 10 月（JASO）熱帶氣旋活動頻率分析比較結果一致。而造成兩類聖嬰現象之熱帶氣旋活動頻率有明顯差異的物理過程為何？將在下一節中進行討論。. 3.2 大尺度環境場分析探討. 由上一節中，分析西北太平洋活躍區之熱帶氣旋生成、活動頻率可以知道，在兩類聖嬰下對於西北太平洋氣旋活動會造成不同的差異影響。從生成頻率分布的結果來看，兩類聖嬰下的正負距平分布位置雖有些差異，但是主要的正距平位置都是發生在東南象限的位置，而從活動頻率來看，則有很明顯的分布差異存在，所以在本研究中，主要探討造成兩者明顯活動頻率差異 17.

(31) 的物理過程。. 過去研究指出，西北太平洋副熱帶高壓為影響東亞地區夏季環流變化的主要系統之一，其影響主要來自副熱帶高壓西側邊緣西伸東退的變化。而副熱帶高壓西伸東退造成的環流變化，會影響西北太平洋熱帶氣旋的活動。此外，也有許多研究指出，西北太平洋熱帶氣旋的生成、活動和季風槽的位置有很大的關係（ Gray,1968；McBride,1995；Ritchie and Holland,1995；Chan et al.,1998），因此在本節中，針對 1951-2009 年西北太平洋熱帶氣旋活躍季節（6-11 月）之大尺度環境場進行分析，探討造成兩類聖嬰現象活動頻率明顯差異的物理過程。. 3.2.1 垂直環流場分析. 從沃克環流（Walk Circulation）的變化來看，圖 13 為 6 到 11 月兩類聖嬰在赤道地區緯向垂直剖面環流及水氣距平分布圖（經向平均的範圍在 5°N~5°S 之間）。從圖 13（a）可以看到，在 EP El Niño 事件中，伴隨著異常的沃克環流，在赤道東太平洋為主要上升距平區（約位在 90°W~150°W），西太平洋為主要下沉距平區（約位在 100°E~140°E）。而在 CP El Niño 事件中，則伴隨著兩個異常的沃克環流胞（圖 13b），赤道中太平洋地區為主要的上升距平區（約位在 170°E~140°W），東、西太平洋兩側則為下沉距平區（約位在 100°E~130°E、90°W~130°W）。. 3.2.1 水平環流場分析. 18.

(32) 在本研究中，分析 6 到 11 月 850 百帕重力位高度及風場（流線）在兩類聖嬰下的距平分布，當重力位高度距平值為負值時，表示在低層有氣旋式距平的存在，而在此情況下，較有利於熱帶氣旋的發展；反之，當距平值為正時，則有反氣旋式距平，較不利熱帶氣旋發展。. 圖 14 為兩類聖嬰下，6 到 11 月 850 百帕重力位高度及風場（流線）平均的距平圖。在 EP El Niño 事件的作用下，中太平洋產生的西風距平，會使中緯度地區低層產生一個大尺度的氣旋式環流距平(Gill-type 環流)，而在西北太平洋氣旋活躍區的西部象限，則因為有異常沃克環流下產生的下沉距平（圖 13a），而有明顯的反氣旋式距平存在，不利於氣旋活動（圖 14a）。此結果可以對應到上一節中的分析結果，在 EP El Niño 事件發生時，西北太平洋西半部象限的氣旋活動減少（圖 12a）。. 而在 CP El Niño 事件下，因為主要增溫（SST 正距平）的區域較偏西（圖 9），而使得大尺度氣旋式環流距平較 EP El Niño 事件往西偏移，從圖 14（b）來看，西北太平洋地區產生了一個大尺度的氣旋式環流距平，而使得此區域有利於熱帶氣旋的活動，對應到上一節中的分析結果，在 CP El Niño 事件發生時，幾乎在整個西北太平洋區域的氣旋活動都是增加的（圖 12b）。. 此外，在過去許多研究中發現，西北太平洋熱帶槽線（季風槽）的結構（南側西風、北側東風），提供了大尺度的氣旋式風切，有利於熱帶氣旋的生成及發展（ Gray, 1979； Frank, 1987； Holland, 1995； Ritchie and Holland, 1999； Chan, 2000）。在本研究中，利用 850 百帕流線場做合成分析，討論季風槽的位置變化。. 從圖 15（a）來看，在氣候平均狀態下，熱帶氣旋活躍季節期間（JJASON），季風槽的位置主要位在菲律賓海，從菲律賓往東延伸至 140°E 的區域（圖中 19.

(33) 紅色虛線），而此區正為熱帶氣旋生成、活動的活耀區（圖 10）。圖 15（b）中，將 EP El Niño 事件之流線場做合成分析，可以發現，相較於氣候平均狀態（圖 15a），季風槽的位置明顯的往東延伸，延伸至約 170°E 的位置，這樣的環境場狀態有利於氣旋在西北太平洋東南象限的生成及發展，此結果可以對應到前一節中的結果，在 EP El Niño 事件中，東南象限的氣旋生成（圖 11a）、活動頻率（圖 12a）皆為正距平。. CP El Niño 事件下（圖 15c），季風槽的位置相較於氣候平均狀態（圖 15a），同樣有較往東延伸的情形（向東延伸至約 155°E 的位置），這樣的分布同樣會有利於熱帶氣旋在東南象限生成及活動（圖 11b、圖 12b），此外，相較於 EP El Niño（圖 15b）及氣候平均狀態（圖 15a），CP El Niño 發生時，季風槽會有較往北延伸的情形（往西北象限延伸），這對於熱帶氣旋往西北象限活動提供了有利的條件。. 3.3 物理過程探討. 綜合以上分析討論，我們可以用圖 16 之示意圖來解釋，在兩類聖嬰現象下，不同的海平面溫度距平分布，對大尺度環流造成不同距平的差異，以及對西北太平洋熱帶氣旋活動的影響。. EP El Niño 事件發生時，正海溫距平分布在熱帶太平洋東部，SST 的上升會使得對流容易發展，而在東太平洋產生上升氣流距平，並且在熱帶太平洋上，產生異常的沃克環流，在東平洋為上升距平，西太平洋為下沉距平，另外在中太平洋產生西風距平。而異常沃克環流下產生的下沉距平，會使得西太平洋產生反氣旋式距平，進而使得西北太平洋西部象限的氣旋活動減少。 20.

(34) 此外，熱帶中太平洋產生的西風距平，會使得中太平洋中緯度地區低層產生一個大尺度的氣旋式環流距平，在這樣的環流場距平分布下，會使得季風槽往東延伸（向東延伸至約 170°E 的位置，圖 15b），而有利於氣旋在西北太平洋東南象限的生成及發展（圖 16a）。. 在 CP El Niño 事件發生時，正海溫距平分布在熱帶中太平洋區域，於中太平洋產生上升氣流距平，並且在熱帶太平洋上產生兩個異常的沃克環流胞，在中太平洋為上升距平，東、西太平洋為下沉距平，且在中太平洋至西（東）太平洋之間產生西（東）風距平。因為主要增溫區域較 EP El Niño 事件偏西，而使得大尺度氣旋式環流距平較 EP El Niño 事件往西偏移，反氣旋式距平往西移至南海、印度洋地區，而中太平洋至西太平洋之間產生的西風距平，使得西北太平洋地區產生了一個大尺度的氣旋式環流距平，有利於此區域熱帶氣旋的活動。此外，在這樣的環流場距平分布下，同樣會使得季風槽往東延伸（向東延伸至約 155°E 的位置，圖 15c），並且有較往北延伸的情形（往西北象限延伸），這對於熱帶氣旋往西北象限活動提供了有利的條件（圖 16b）。. 以上大尺度環境場距平的分析結果，也可對應到過去的理論研究：當 EP El Niño 事件發生時，在赤道東太平洋有正的海溫距平（熱源），透過沃克環流在熱帶西太平洋地區產生下沉運動（即所謂的大氣橋），而受 Gill-type responses 影響下，西太平洋地區有反氣旋式環流距平，中太平洋中緯度地區則會產生氣旋式環流距平；而當 CP El Niño 事件發生時，由於熱源的位置較偏西， Gill-type 環流系統則較往西偏移，使得西太平洋產生了一個氣旋式的環流距平（Gill, 1980；Hirst, 1986； Chen, 2011）。. 21.

(35) 第四章. 實驗模擬結果與分析. 過去的研究當中，針對兩類聖嬰現象對於西北太平洋熱帶氣旋活動影響的研究實驗，多半以較簡單的數值模式模擬，來分析 EP El Niño、CP El Niño 事件發生時，在颱風季的環境場反應並和觀測資料比對分析，進而證實在不同的熱源分布下，對於大尺度環境場會造成不同的影響差異，並且分析其差異會對西北太平洋熱帶氣旋活動造成不同的影響。. 而第三章資料分析的結果中，我們同樣發現在 EP El Niño、CP El Niño 事件中不同的海表面異常增溫位置，會造成大尺度環境有不同的反應，其不同距平的分布差異，會進而影響西北太平洋熱帶氣旋活動頻率的距平分布。在我們的研究當中，以合成之典型 EP El Niño（在本研究中稱之為 EP SST 模擬）和 CP El Niño 月平均海表面溫度（在本研究中稱之為 CP SST 模擬）以及氣候月平均之海表面溫度（在本研究中稱之為 Normal SST 模擬），作為驅動馬克斯-普朗克研究室發展的全球模式（Max Plank Institute global climate model, ECHAM5）之邊界條件，而這三者模擬皆為兩年月平均 SST 變化驅動之模擬（如第二章所述），並且為了評估模式的不確定性，我們在每個實驗中執行了十個系集成員。此外，該結果同時會與 ECHAM5 AMIP-type 長期模擬（在本研究中稱之為 Historical 模擬）結果下的合成 EP El Niño 和 CP El Niño 事件分析做比較（表 3）。. 本篇實驗結果分析中，將合成之 EP El Niño 月平均海表面溫度之模擬（EP SST 模擬之發展年-第一年，以下 EP SST 模擬分析皆為第一年之結果）減去氣候月平均之海表面溫度之模擬（Normal SST 模擬），作為設計之 EP 實驗（在本研究中簡稱為 EXP-EP）；合成之 CP El Niño 月平均海表面溫度之模. 22.

(36) 擬（CP SST 模擬之發展年-第一年，以下 CP SST 模擬分析皆為第一年之結果）減去氣候月平均之海表面溫度之模擬（Normal SST 模擬），作為設計之 CP 實驗（在本研究中簡稱為 EXP-CP），並且與觀測（在本研究中簡稱為 OBSEP、OBS-CP）及 AMIP-type 長期模擬（Historical 模擬）下之 EP El Niño、CP El Niño 事件（在本研究中簡稱為 HIST-EP、HIST-CP）合成分析結果做比較（表 4），根據在近幾十年有限觀測資料下定義出的事件中，檢驗模式重現在兩類 El Niño 下環境場以及熱帶氣旋活動的能力。. 4.1 大尺度環境場模擬結果分析探討. 在本節中，將針對 1951-2009 年西北太平洋熱帶氣旋活躍季節（6-11 月）之大尺度環境場的模擬結果進行分析，檢驗模式重現在兩類聖嬰下環境場特徵的能力。. 4.1.1 垂直環流場分析. 3.2.1 節中，我們從觀測資料分析沃克環流變化的分析結果，發現在 EP El Niño 事件中，在赤道東太平洋為主要上升距平區，西太平洋為主要下沉距平區（圖 13a）。而在 CP El Niño 事件中，赤道中太平洋地區為主要的上升距平區，東、西太平洋兩側則為下沉距平區（圖 13b）。. 圖 17、圖 18 分別為 EP El Niño、CP El Niño 事件中，6 到 11 月兩類聖嬰在赤道地區緯向垂直剖面環流及水氣距平分布圖（經向平均的範圍在 5°N~5°S 之間），從模擬結果的分析中可以看到，模式可以大致掌握住兩類聖. 23.

(37) 嬰下不同的緯向垂直環流場距平分布差異，EP El Niño 事件中，在太平洋上伴隨著一個異常的沃克環流胞，東太平洋為主要上升距平區、西太平洋為主要下沉距平區（圖 17b、圖 17c）；CP El Niño 事件中，則伴隨著兩個異常的沃克環流胞，赤道中太平洋地區為主要的上升距平區，東、西太平洋兩側則為下沉距平區（圖 18b、圖 18c）。. 4.1.2 水平環流場分析. 圖 19 為觀測及模擬在 EP El Niño 事件中，6 到 11 月 850 百帕重力位高度及風場（流線）平均的距平圖。從模擬結果的距平分布圖來看，可以看到熱帶中太平洋地區同樣存在西風距平，而中緯度地區低層有一個大尺度的氣旋式環流距平，另外，在西北太平洋氣旋活躍區的西部象限，則有明顯的反氣旋式距平存在（異常沃克環流的下沉區影響）（圖 19b、圖 19c）。圖 20 則為觀測及模擬在 CP El Niño 事件中，重力位高度及風場（流線）平均的距平圖。從模擬結果的距平分布圖來看，可以發現與觀測分析結果相同，西北太平洋地區產生了一個大尺度的氣旋式環流距平（圖 20b、圖 20c）。. 從西北太平洋季風槽的分析結果來看，在氣候平均狀態下，熱帶氣旋活躍季節期間（JJASON），季風槽的位置主要位在菲律賓海，從菲律賓往東延伸至 140°E 的區域（圖 21），在模擬結果中也可以看到相近的季風槽分布位置（圖 21b、圖 21c）。圖 22 為 EP El Niño 事件下，觀測及模擬之流線場合成分析圖，可以發現模擬的結果與觀測相同，季風槽的位置明顯的往東延伸，延伸至約 170°E 的位置，不過分布位置較觀測往西北方向延伸至西北象限（圖 22b、圖 22c）。CP El Niño 事件下的模擬，同樣可以得到，季風槽的位置相較於氣候平均狀態，同樣有較往東延伸的情形（向東延伸至約 155°E 的位置）. 24.

(38) （圖 23）。. 4.2 西北太平洋熱帶氣旋模擬結果分析. 由上節中，我們可以看到，雖然在模式模擬的環流場距平分布下與觀測有些差異存在，不過 ECHAM5 模式可以大致上掌握住在兩類型聖嬰現象下，主要的大尺度環流場距平特徵（圖 17~23）。在本研究中，採用 Vitart et al. （1997）與 Vitart and Stockdale（2001）所發展的方法以及 Walsh et al.（2007）提出不同解析度熱帶氣旋偵測的調整，來決定模式中的熱帶氣旋，並且同樣利用 5°x5°網格，計算西北太平洋模擬之熱帶氣旋在 6 月到 11 月，通過每個網格點的生成、活動數量累積，將模擬結果與觀測分析結果做比較。. 首先從長期的熱帶氣旋的個數模擬結果來看，圖 24 為 1951-2009 年實際觀測及長期模擬（Historical 實驗模擬）結果的比較，可以發現兩者的相關性（0.1）表現並不太理想（相關性檢定 90%可信度臨界值為 0.21），顯示出模式對於年代際之較長時間尺度變化的反應並不靈敏。不過由於本研究中著重在年際時間尺度（ENSO）的模擬結果，且在過去的研究也發現，模式模擬出的熱帶氣旋頻率、環流場和實際觀測的年際變化有很高的相關性（對於 ENSO 有很高的敏感度）（Vitart et al.,1997,1999），所以在較長期（年際變化尺度）之熱帶氣旋個數變化的模擬結果差異則不加以探討。. 另外，從季節變化來看，圖 25 為實際觀測及模擬熱帶氣旋生成月平均個數變化，可以看到在模式中，有掌握到西北太平洋的熱帶氣旋活躍、非活躍季節的差異（表 7），不過在個數上，模式低估了活躍季（6-11 月）的生成個數，並且高估了非活躍季（1-5 月、12 月）的生成個數，而造成此誤差的原因，可能是因為模式模擬熱帶氣旋的結果會受到模式解析度、參數化過程等 25.

(39) 因素的影響（Walsh et al., 2007），而對於以上誤差的原因及修正仍待未來進一步的分析探討。本研究中以分析西北太平洋熱帶氣旋活躍季下的年際變化差異為主，以上模擬結果誤差則不在本研究中分析討論。. 4.2.1 生成個數及頻率距平分布. 表 6 為 Normal SST、EP SST、CP SST 實驗中各個成員的模擬結果，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數分析，而表 7 為 Historical 實驗中之 EP El Niño、CP El Niño 個案，於西北太平洋地區之熱帶氣旋生成個數統計分析。從模擬的分析結果來看，Normal SST（14.9 個）及 Historical 實驗（18.49 個）之平均結果皆低於實際之觀測值，此結果也對應到前段之分析說明，模式在西北太平洋活躍季的熱帶氣旋個數模擬結果有低估的情形。而在 EP SST（15.7 個）、CP SST（18.3 個）、HIST-EP（19 個）及 HIST-CP（19.33 個）的模擬結果中，氣旋生成個數的平均值皆高於氣候平均（EXP 中為 Normal 年）（EXP： 14.9 個，HIST：18.49 個），此結果雖然與觀測分析之結果有些出入，不過由於在觀測分析中，兩事件個案生成個數與氣候值並沒有顯著差異（沒有通過顯著性 T 值檢定），所以在本研究中不特別進行探討。. 而從生成位置分布來看，我們同樣將 EP El Niño 及 CP El Niño 事件下的熱帶氣旋生成位置做合成分析。圖 26、圖 27 分別為 EP El Niño 事件及 CP El Niño 事件下，觀測及模擬之西北太平洋熱帶氣旋平均生成個數之距平圖，從圖中可以發現，在 EP El Niño 事件的模擬中，正距平的位置有較往北偏的情形（圖 26b、圖 26c），而兩種聖嬰現象模擬結果的主要距平特徵分布與觀測相近，皆呈現主要生成位置的正距平發生在東南象限的結果。. 26.

(40) 4.2.2 活動頻率距平分布. 圖 28、圖 29 為兩類聖嬰事件下，觀測及模擬之西北太平洋熱帶氣旋平均活動頻率之距平圖。從圖 28 中我們可以看到，在 EP El Niño 事件的模擬中，熱帶氣旋活動頻分布在西南、東南象限的結果與觀測相近（正距平發生在東南象限，而西南象限的活動頻率則是減少的），但在西北象限的模擬結果與觀測不同，在西北象限有正距平的存在（圖 28b、圖 28c）。而在 CP El Niño 事件下的模擬則與觀測結果相近（圖 29、表 9），西北、東南象限活動頻率明顯的增加（呈現東南-西北的走向），幾乎在整個西北太平熱帶氣旋活耀區都是正距平，而中國南海的熱帶氣旋活動頻率則有減少的情形（圖 29b、圖 29c）。. 4.3 模擬結果討論. 由 4.1 節中，我們可以看到，雖然在模式模擬的環流場距平分布下與觀測有些差異存在（圖 19~20），且模式在高壓脊位置的模擬表現有偏差，季風槽的模擬表現也較觀測往西北延伸（圖 21~23），不過 ECHAM5 模式可以大致上掌握住在兩類型聖嬰現象下，主要的大尺度環流場距平、平均特徵（圖 17~23）。. 4.2 節的分析中，我們發現模式在 CP El Niño 事件下（圖 29、表 9），有較好的模擬表現，模式大致可以掌握住西北太平洋熱帶氣旋活動的距平分布特徵。而在 EP El Niño 事件，西北太平洋地區熱帶氣旋活動頻率距平分布的模擬結果中（圖 28、表 8），在西南、東南象限大致可以掌握住其特徵，在東. 27.