暖化下的午後雷陣雨：海溫變化如何影響臺灣的午後對流？

114年07月10日

【本篇報導由地球科學系  黃婉如特聘教授研究團隊提供】 　　午後對流降雨是臺灣夏季的重要降水特徵。本研究使用高解析度大氣模式動力降尺度的結果，模擬海溫變化對臺灣未來夏季午後對流降雨活動的可能影響。研究結果顯示，至21世紀末，在全球暖化的影響下，臺灣夏季午後對流降雨的發生頻率將降低，但強度卻會增強。而在不同太平洋海溫的變化情境下，臺灣夏季午後對流降雨變化的程度有顯著差異。東太平洋海溫較冷的情境（類似反聖嬰），午後對流降雨事件的發生頻率高於其他海溫情境推估的結果。相比之下，東太平洋海溫較暖的情境（類似聖嬰現象），午後對流降雨事件的降雨強度低於其他海溫情境推估的結果。這些發現強調了在全球暖化下，聖嬰現象對調節臺灣午後對流降雨事件未來變化的潛在影響。   　　在臺灣的夏季午後，你可能也曾注意到天空突然烏雲密布，隨即降下短時而猛烈的雷陣雨。這就是「午後對流降雨」，是臺灣夏季氣候中極為典型的現象，常發生在下午2點到5點之間，對夏季總降雨量的貢獻高達四到五成。這類降雨不僅影響日常生活，也與水資源調度與防災管理息息相關。然而，在氣候變遷日益加劇的今日，這類降雨的行為會不會產生變化？我們又該如何因應？ 　　過去研究顯示，臺灣午後對流降雨的發生頻率與熱帶太平洋海溫變化密切相關，特別是聖嬰–南方振盪現象（ENSO）：當東太平洋海溫偏冷（類似反聖嬰）時，午後對流降雨事件通常較為頻繁；而在偏暖（類似聖嬰）時期，發生頻率則會降低。本研究進一步探討，在全球暖化背景下，這樣的關聯是否仍然成立？又會如何改變未來的午後降雨特性？ 　　研究團隊運用四組不同的海溫變化推估(圖1)，搭配高解析度大氣模式的動力降尺度模擬，推估至21世紀末臺灣夏季午後對流降雨的可能變化。結果顯示：無論哪一種海溫情境，未來午後對流的「發生次數」都會變少，但「降雨強度」則將增強(圖2)。然而，各情境間的變化幅度仍有顯著差異：在東太平洋海溫偏冷的情境(類似反聖嬰現象)，午後對流降雨的發生頻率高於其他情境；相對地，在偏暖情境下（類似聖嬰），降雨強度則相對較低。這些結果突顯，聖嬰現象在全球暖化背景下，仍可能扮演調節臺灣午後對流降雨的重要角色。 　　研究團隊進一步分析指出，四組不同海溫推估結果之間的差異，主要來自於未來全球暖化情境下，海溫變化對臺灣地區白天海風輻合強度、大氣穩定度以及水氣傳輸條件的影響。此外，本研究也探討不同海溫分布所導致的區域及全球環流變化，突顯未來海溫變化不僅改變大尺度環流結構，也會影響區域性對流發展條件，進而調節臺灣夏季午後對流降雨的活動特性。這些發現有助於深入理解氣候變遷下臺灣水資源的可能變化，並可為未來的防災減災策略與用水調度規劃提供重要的科學依據。   圖1：(a) 至 (d) 顯示四組全球暖化情境下的海溫分布變化（SST，分別為 FC0、FC1、FC2、FC3）。 圖2：動力降尺度模擬下，四組海溫情境（FC0–FC3）中未來（2075–2099 年）相較於現今（1979–2003 年）臺灣夏季午後對流降雨（Convective Afternoon Rainfall, CAR）之 (a) 發生頻率與 (b) 強度的變化。黑色斜線區域為達 90% 信心水準之顯著變化。   原文出處： Huang, W. R., Chien, Y. T., Cheng, C. T., Hsu, H. H., & Koralegedara, S. B. (2023). The role of sea surface temperature in shaping the characteristics of future convective afternoon rainfall in Taiwan. npj Climate and Atmospheric Science, 6, 198. https://doi.org/10.1038/s41612-023-00528-7 

聖嬰-南方振盪(ENSO)如何調節斯里蘭卡的春季日降雨變化？

114年07月10日

【本篇報導由地球科學系  黃婉如特聘教授及史朗祺博士後研究員研究團隊提供】 　　本研究主要探討印度洋第二大島—斯里蘭卡在春季（3月和4月）日降雨（Springtime Diurnal Rainfall，簡稱SDR）的年際變化，以及其在聖嬰-南方振盪（El Niño-Southern Oscillation，簡稱ENSO）調節下的可能影響。本分析基於2001年至2019年的高時空解析度衛星降水估計和再分析數據。結果表明，斯里蘭卡的SDR在整個研究期間一致地表現出午後降雨峰值的特徵。相比之下，SDR的振幅則呈現顯著的2至4年振盪週期，這與ENSO事件的週期相似。進一步分析顯示，斯里蘭卡SDR振幅的年際變化與熱帶中、東太平洋（位於NINO 3.4和NINO 3區域，簡稱ENSO指數）在春季和前一季冬季的海表面溫度變化呈負相關。當冬季出現反聖嬰（聖嬰）現象時，斯里蘭卡在春季的SDR活動會增加（減少）。可能的解釋是，在反聖嬰（聖嬰）期間，斯里蘭卡附近區域經歷了增強（抑制）的氣旋環流、大尺度水氣通量輻合及局部晝夜變化的水氣通量輻合，進而導致斯里蘭卡的潛在降雨量和SDR活動增加（減少）。這些發現強調了ENSO可以預測斯里蘭卡SDR活動的年際變化。    　　聖嬰-南方振盪（ENSO）是太平洋的重要氣候模式。每當聖嬰或反聖嬰事件發生時會改變大氣環流，進而影響遠離太平洋地區的氣候和天氣模式，包括斯里蘭卡的降雨分布。斯里蘭卡是印度洋的第二大島，位於孟加拉灣以西、阿拉伯海以東，地理位置優越。其氣候主要受南亞季風影響，尤其在夏季，是南亞地區最早受到此季風影響的國家之一。 　　本研究探討了ENSO對斯里蘭卡春季日降雨變化（SDR）的調節作用（如圖1），基於2001年至2019年的高解析度衛星降水數據，結果顯示SDR在午後達到降雨峰值，並且有顯著的2至4年振盪週期，與ENSO事件的週期相似。在反聖嬰年，增強的氣旋式環流促進了水氣傳輸，導致SDR活動和降雨量增加；而在聖嬰年，氣候條件的變化與反聖嬰年相反，因此SDR活動和降雨量減少。這表明ENSO透過大尺度和局部氣旋式環流及水氣通量輻合的變化，調節斯里蘭卡SDR的變化，並提出了可以透過ENSO指數預測斯里蘭卡SDR的年際變化。  圖1. (a)斯里蘭卡（SL）春季逐時降雨合成圖，紅線為聖嬰年，藍線為反聖嬰年。(b)與(a)相同，但為從地表至300 hPa垂直積分的春季水汽通量輻合（表示為−∇⋅MF）合成圖。(c)春季[−∇⋅MF（等高線和矢量）和降雨（陰影部分）]的水平圖，累積時間從14:30到17:30 LT（(a) - (b)的黃色區域），顯示聖嬰年合成與春季氣候平均（即 2001-2019 年平均）的差異。圖(d)與(c)相同，但顯示反聖嬰年合成與春季氣候平均的差異。    　　了解ENSO與斯里蘭卡SDR之間的交互作用，有助於闡明全球氣候現象如何影響區域的天氣模式。對於經濟和生態系統高度依賴降雨、且易受氣候變化影響的斯里蘭卡，這一發現尤為重要。本研究對斯里蘭卡的農業規劃和水資源管理具有重要意義，也可以促進跨區域的氣候監測與預測合作，並提供有效的氣候適應策略。此外，本研究結合了衛星降水數據與傳統氣象分析，鞏固了大氣科學的基礎知識，並為進一步的氣候模擬奠定了基礎。   原文出處： Koralegedara, S. B., Huang, W. R., Tung, P. H., & Chiang, T. Y. (2023). El Niño-Southern Oscillation Modulation of Springtime Diurnal Rainfall Over a Tropical Indian Ocean Island. Earth and Space Science, 10(5), Article e2023EA002832. https://doi.org/10.1029/2023EA002832 

新特提斯洋的誕生—錸-鋨同位素與玄武岩鋯石年代的意義

113年05月10日

【本篇報導由地球科學系  謝奈特優聘教授研究團隊提供】 　　潘加爾火成岩區（Panjal Traps）的形成與沿著岡瓦納大陸的特提斯洋邊緣的張裂活動有關。從南皮爾潘加爾（Pir Panjal Range）採集的玄武岩經鋯石鈾-鉛定年，顯示其平均206Pb/238U年代為288.2 ± 0.3百萬年。此區域的岩石可分為三個成分不同的組別，其化學性質與東喀什米爾谷地的岩石而不是北皮爾潘加爾相關。岩石中的鍶-釹同位素（87Sr/86Sri = 0.70860–0.71104; εNd(t) = −6.1 to −4.4）顯示其岩漿源可能為受隱沒作用影響的岩石圈大陸地函。而酸性岩則是由大陸地殼部分熔融形成的（87Sr/86Sri = 0.71022–0.71093; εNd(t) = −8.7 to −7.2），其在南皮爾潘加爾區域的發現表明酸性火山活動比之前所認為的要廣泛得多。潘加爾火成岩區不同區域的187Os/188Osi同位素比值在0.1230到0.2832之間。來自北皮爾潘加爾的兩個樣本的比值為0.1230和0.1256，略高於原始上部地函噴發時的數值，而其餘樣本皆顯示富集的值（0.1343–0.2832）。新的數據表明，潘加爾火成岩區的地函來源可能隨著海底擴張的發展而由岩石圈大陸地函來源過渡到岩石圈地函下部來源。   　　自從板塊構造學說逐漸完善以來，古代超大陸的形成與分裂一直是重要的研究方向，儘管現在的大陸地殼分為了七大洲，在距今大約三億三千萬前的石炭紀開始，直到一億七千萬年前的侏儸紀中期，地球的主要大陸地塊幾乎都連結在一起形成了盤古大陸，造就了當時逐漸濕潤高溫的氣候，並影響了後續的動物演化過程。然而，在大陸地殼相對穩定的這段時間，卻有一個地方仍然發生了大陸的張裂並在上億年的時間裡緩慢的朝著古歐亞大陸移動，並最終將當年張裂形成海洋的證據遺留在了現在數千公尺高的山區，這就是如今在印度北部喀什米爾地區的潘加爾火成岩區（如圖1）。 圖1：潘加爾火成岩區分布與位置   　　潘加爾火成岩區屬於大陸洪流玄武岩，與現今形成在板塊交界的隱沒島弧火山、張裂中洋脊火山不同，大陸洪流玄武岩可以發生在遠離板塊交界的區域，並且在短時間內形成了大量的玄武岩質的火成岩體，輔以少量的中酸性岩（如:安山岩、英安岩、流紋岩），如此大規模的噴發有可能與地函熱柱或是板塊拉張變薄所引起的地函上升有關，因此尋找潘加爾火成岩區的起源可以幫助人們更加了解古生代晚期稀有的張裂事件的成因以及其可能帶來的經濟價值。  　　前人研究主要著重在喀什米爾谷地西部（Lidder valley, Guryal Ravine, PJ3）以及皮爾潘加爾山脈北部（PJ4），本研究則於皮爾潘加爾山脈南部沿著山脈公路採取了十顆新的岩石樣本，並對其進行了主要、微量元素、鋯石鈾–鉛定年以及鍶-釹同位素分析，並從結合各區的前人樣本，一起帶往了日本海洋研究機構執行錸-鋨同位素分析。 　　研究的結果顯示，皮爾潘加爾南部區域與北部區域相差較大，不論是地球化學結果與年代皆與谷地西部的Guryal Ravine較為相關，同位素分析結合微量元素的分析結果指出，潘加爾火成岩區的岩漿源可能為受隱沒作用影響的岩石圈大陸地函，皮爾潘加爾北部區域則呈現出了原始上部地函的信號，此區域並沒有看到地函熱柱造成的地形變化以及熔融溫度，研究團隊推估潘加爾火成岩區的成因應為盤古大陸岡瓦納部分東北部靠近特提斯洋的區域，受到特提斯洋另一邊隱沒造成的拉張，使得地殼變薄岩石圈地函上升，依序噴發出地殼再熔融形成的酸性岩、岩石圈地函為岩漿源的基性岩、以及最後代表海洋地殼開始形成接近原始上部地函性質的基性岩（如圖2）。此結果表明了，大陸洪流玄武岩不一定與地函熱柱有關，且此區亦可能隱含與海洋地殼相關的塊狀硫化物礦床，值得更深入的研究與勘查。   圖2：潘加爾火成岩區形成機制之地體構造模型   原文出處：Chen, W. Y., Shellnutt, J. G., Bhat, G. M., Tejada, M. L. G., Suzuki, K., & Denyszyn, S. W. (2023). Geochronology and geochemistry of the Panjal Traps from the southern Pir Panjal Range, Kashmir, India. Lithos, 436, 106967. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106967 

南極震盪影響黑潮強度

113年05月10日

【本篇報導由地球科學系  吳朝榮特聘教授研究團隊提供】 　　研究團隊使用長期再分析數據來評估1990年之後，太平洋北赤道流（NEC）分歧點緯度的年代際變化。研究發現位於10–15°N和160–170°E（C-BOX）區域的風應力旋度異常（WSCA）已被證實激發海洋羅斯比波（Rossby waves），並控制了NEC向西流到陸岸位置之緯度變化。研究團隊的分析顯示，自1990年代初以來，C-BOX區域的WSCA受到南極震盪（SAM）的遠程調節，在1990年之後的SAM正相位期間，北太平洋熱帶至亞熱帶地區發生了強烈的氣候變異，其中有一個特徵明顯地與南極地區高度相關。研究團隊確定在SAM正相位時期，在南太平洋生成了一個雙偶極海表面溫度模態，這引發了高層大氣的羅斯比波列，並向北傳播到北太平洋地區。這種效應進一步加強了大氣的下沉運動，增強了赤道東風和C-BOX區域的反氣旋WSCA。C-BOX區域的反氣旋WSCA則進一步激發了海洋羅斯比波，從而使NEC分歧點緯度向南移動，向南移動的NEC分歧點將造成黑潮強度增加。    　　黑潮是北太平洋的西方邊界流，是太平洋中流速最強的洋流。以往許多研究證明北太平洋大氣變化對黑潮有明顯的影響，例如在聖嬰現象（El Niño/La Niña-Southern Oscillation，ENSO）和太平洋年代際震盪（Pacific Decadal Oscillation，PDO）等不同氣候變遷因子的影響下，會造成包括黑潮在內的大洋環流系統產生變化。本研究則是第一次論證南半球的氣候因子（南極震盪，SAM）對黑潮強度的衝擊。 　　研究團隊在先前的研究已證明，強烈的上升海洋羅斯比波（Rossby waves）會造成北赤道流（NEC）分歧點位置向北偏移。會引發海洋羅斯比波的主要因子是位於10–15°N和160–170°E（C-BOX）區域的風應力旋度異常（WSCA），當羅斯比波向西傳遞到菲律賓東岸時，產生的波動會影響NEC分歧點緯度的變動。在本研究中，研究團隊發現在1990年之前的SAM負相位期間，其對北太平洋副熱帶高壓幾乎沒有影響。但從1995年開始，氣候因子SAM開始在C-BOX區域的WSCA變化中扮演主導角色，並透過局部氣候信號（如ENSO和PDO）來影響風場。SAM對C-BOX區域的WSCA的影響已經通過「小波分析」技術得到確認，SAM和C-BOX風場兩者的功率譜都出現了128個月的強烈信號，這表明自1990年代初以來，正相位的SAM對C-BOX區域的強烈調節效應。 　　為了進一步探討SAM對NPSG（北太平洋副熱帶環流）年代際變異的影響，研究團隊比較了1960-1995和1996-2019兩個時期的海洋和大氣結構差異。其中1996-2019年的海表面溫度距平（sea surface temperature anomaly，SSTA）、海平面氣壓距平（sea level pressure anomaly）和風場分布變異性更大，熱帶地區的強風增強了C-BOX區域的反氣旋WSCA。研究結果還表明，1995年後NPSG和C-BOX的強烈氣候變異與SAM的調節密切相關（如圖1）。SAM控制C-BOX區域WSCA的動力過程如下：由於SAM在1990年代初轉為正相位，南太平洋產生了一個雙偶極海表面溫度模態，高層大氣中相關的氣旋和反氣旋風切引發了向北傳播的大氣羅斯比波列，最終在0°-40°N引發了高層輻合，加強了大氣下沉運動，此運動型態加強了西太平洋海面上的東風，從而增加了印度洋東部和海洋大陸的暖SSTA。通過比耶克尼斯反饋（Bjerknes feedback），增加的海表面溫度梯度進一步強化了海面東風和北太平洋高壓，在C-BOX南邊增強的東風強化了C-BOX區域的反氣旋風應力旋度，反氣旋WSCA則進一步激發了海洋羅斯比波，從而使NEC分歧點緯度向南移動，向南移動的NEC分歧點標明黑潮強度會有增加的趨勢。   圖 1.大西洋、南太平洋和北太平洋之間的聯繫示意圖。1995年後，正相位的SAM（Southern Annular Mode）有利於正的南太平洋雙偶極海表面溫度模態（Southern Pacific SST Dipole，SPD）。SPD的變異引發了南太平洋副熱帶噴流（Southern Pacific Subtropical Jet）的減弱以及正的南-北太平洋遙相關型態（South–North Pacific teleconnection pattern，SNP）之波列，其中在熱帶中太平洋上空出現異常的下沉運動，從而增強了西太平洋的海面東風。東風將熱帶西太平洋的暖水積聚到西部的暖池中，然後導致東印度洋和馬來群島地區的暖海溫。增加的海表溫度梯度進一步增強了太平洋信風和相關的北太平洋副熱帶高壓。紅色和藍色橢圓表示SNP遙相關型態。黑色框表示C-BOX區域。 原文出處：Wang, L.-C., Y.-F. Lin and C.-R. Wu* (2022): Intensified modulation of the Pacific north equatorial current bifurcation by the southern annular mode since the early 1990s. Scientific Reports, 12, 21210, https://doi.org/10.1038/s41598-022-25661-w

衛星觀測新型態黑潮入侵北南海

113年05月09日

【本篇報導由地球科學系暨海洋環境科技研究所  鄭志文教授研究團隊提供】 　　穿越呂宋海峽的黑潮入侵是一個經典的物理海洋學問題，過往研究中已提出了多種機制來解釋它的形成。本研究則在現有理論的基礎上，根據衛星觀測海表面高度異常資料並結合混合座標海洋模式數值模擬輸出場，提出新型態呂宋海峽黑潮入侵。研究中分析1993年-2018年期間所有西向傳播之氣旋式渦漩撞擊臺灣東部黑潮衍生之交互作用，發現約82%的撞擊事件將反過來導致黑潮上游流域呂宋海峽之黑潮入侵行為。藉由系統性分析和動力診斷證明的方式，本研究將渦漩撞擊事件與對應的黑潮入侵事件連接了起來，並揭示了背後詳細的物理過程。值得注意的是，相對於過往的理論，研究團隊所發現的是一種從黑潮下游流域（即臺灣東岸）反向影響黑潮上游區域（呂宋海峽）流場動力進而構成新型態黑潮入侵之過程。   　　黑潮是北太平洋的西方邊界流，偶爾在由南往北通過呂宋海峽時會向西流動，當其主軸向西穿越呂宋海峽進入南海北部時，被稱為黑潮入侵。呂宋海峽黑潮入侵是一個經典的物理海洋學問題，因為它對南海的熱量、動量以及鹽度平衡有著重要貢獻。過往的研究提出了多種引發入侵的機制，然而，過去的研究並沒有關注到黑潮下游發生的變化及其可能對上游呂宋海峽黑潮入侵可能造成之反饋。此研究基於海面高度異常資料和絕對地轉流的長期衛星觀測資料，搭配數值模擬輸出資料，系统性研究了黑潮下游的氣旋式渦漩撞擊臺灣東部黑潮與上游發生於呂宋海峽黑潮入侵事件之關聯性。 　　研究團隊首先篩選出1993-2018年期間，發生於臺灣東部外海的11次西向傳播氣旋式渦漩撞擊黑潮的事件，藉由撞擊事件期間的流場合成與氣候狀態的長期合成做差分，研究團隊發現了兩個明顯的環流特徵（見圖一）。一個是位於臺灣東部的氣旋式渦漩流結構，另一個則是出現於北南海以及呂宋海峽間的黑潮套流（loop current）結構，該結果顯示出兩個事件之間可能存在動力連結。進一步的反向合成分析中，團隊也重建出了在下游的渦漩撞擊發生後，上游的呂宋海峽黑潮套流逐漸形成的過程（見圖二）。   圖一：(a)研究區域中1993-2018年期間長期平均海流特徵，(b)11個氣旋式渦漩西侵臺灣東岸黑潮之流場合成圖，(c)撞擊事件期間合成流場相對於氣候態流場的差異，該差異顯示臺灣東岸顯著的氣旋式渦漩結構以及東北南海之黑潮套流結構(紅色框處)。底色為速度(m/s)，箭頭為流向。 圖二：後向合成分析之流場特徵，分別對應(a)3週前、(b)2週前、(c)1週前以及(d)合成撞擊事件（即套流成熟期）剛要結束當下之合成流場。顏色漸層表示目前速度（單位：m/s），箭頭表示目前方向。此圖顯示了臺灣東岸西侵氣漩渦之影響之下，呂宋海峽西側黑潮套流逐步成形之歷程。   　　在系統性分析中研究團隊發現，慣性項在連接渦漩撞擊事件和對應的呂宋海峽黑潮入侵作用中扮演了最重要的關鍵角色。在9次入侵事件中，呂宋海峽下游的慣性項都因為撞擊事件而出現了明顯的下降。進一步分析顯示，當黑潮的經向海流強度大幅下降時，黑潮主軸將無法維持原有的動力平衡，此時與科氏力作用有關的beta項會成為主導區域動力的主要作用力，進而導致黑潮在通過呂宋海峽時發生入侵北南海的現象。除了系統性分析之外，藉由動力診斷證明，研究團隊也對呂宋海峽黑潮入侵背後的物理機制提供了更詳細的解釋。 　　本研究基於長期衛星觀測地轉流資料，搭配模式輸出資料主要完成工作項次如下，(1)透過長期資料呈現了黑潮下游的渦漩-黑潮交互作用竟會回過頭來影響發生於黑潮上游-呂宋海峽海域的黑潮入侵現象。(2)系統性地檢視兩處上下游現象間之物理連結。此研究結果不僅加強對於黑潮動力學和南海環境的理解，同時也顯示臺灣東部的氣旋式渦漩撞擊黑潮事件可以作為預測呂宋海峽黑潮入侵之有效預測因子。   原文出處：Lin, J. Y., Zheng, Z. W., Zheng, Q., Wu, D. R., Gopalakrishnan, G., Ho, C. R., Pan, J., Lin, Y. C., & Xie, L. L. (2022). Satellite observed new mechanism of Kuroshio intrusion into the northern South China Sea. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 115, 103119. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103119 

海岸山脈最後一期的岩漿噴發事件

112年07月08日

【本篇報導由地球科學系  賴昱銘副教授研究團隊提供】 　　北呂宋島弧最北段的火山島嶼，今日已經成為臺灣東部的海岸山脈，海岸山脈火山的層序中，最年輕的一次噴發，是位於層序頂部的白色熔結凝灰岩。本研究發現這些白色的安山岩質火山岩中，存在著輝長岩的捕獲岩。這兩種岩石的成分差異很大，不會是同一個岩漿形成機制造成的。本研究根據這些火山岩及捕獲岩的定年結果、實地野外觀察及岩相描述、以及火成岩樣本的地球化學特徵，將呂宋島弧發生在4百萬年前的最後一期火山作用分成三個階段。第一階段中，岩漿從高程度部分熔融的源區形成，然後上升並停留在淺處的岩漿庫中，一部分冷卻形成輝長岩的圍岩。第二階段的時候，較低程度部份熔融的岩漿在源區形成，然後進入此岩漿庫中停留，並發生結晶分化。最後一階段，有新的補充岩漿自岩漿源區進入岩漿庫，使得安山岩質岩漿捕獲圍岩中的輝長岩後噴發，至地表被我們所見。    　　火山作用噴發各類的火山產物，研究這些火山產物噴發後所堆積的樣子、它們形成的年代、火山岩樣本的地球化學資料，可以提供我們推論整個火山活動乃至於地底下岩漿活動的過程。呂宋島弧為南中國海板塊向東隱沒至菲律賓海板塊下方，所形成的火山島弧，分布自菲律賓呂宋島向北經過綠島、蘭嶼而到臺灣東部的海岸山脈。最後一期火山活動根據前人的火山層序資料顯示，是最上層的白色石梯坪凝灰岩層。本研究在石梯坪凝灰岩層中發現與其他火山岩的成分差異相當大的基性捕獲岩體，根據石梯坪凝灰岩中的安山岩質火山岩，與上述基性捕獲岩輝長岩所進行的鋯石鈾鉛年代分析、地球化學的年代分析結果，本研究重建了北呂宋島弧-臺灣段的最後一期噴發，也就是距今約4百萬年前，岩漿在地下活動過程，以及噴發的行為。 　　本研究加入前人在海岸山脈的工作進行討論，認為在最後一期火山活動之時，至少發生三階段的噴發機制。第一階段為岩漿源區發生比較大比例的熔融作用，產生的玄武岩質岩漿，在上升到一個比較淺的地方形成了岩漿儲集庫。在這個儲集庫當中，玄武岩質岩漿逐漸冷卻，形成了岩漿庫周圍的圍岩，這圍岩是輝長岩。第二個階段，是比較小程度的部分熔融形成岩漿，這階段的熱源可能是新的熱源，也可能是上一階段殘餘的熱源，使得這些岩漿上升進入了第一階段的岩漿庫，停留並進行結晶分化，產生安山岩質的岩漿。第三階段可能是又有新的岩漿形成上湧，導致上述岩漿庫中的安山岩質岩漿被迫向上噴發，過程中捕獲了圍岩中的輝長岩。最後噴發時形成安山岩質的白色熔結凝灰岩，並且混有黑色的輝長岩捕獲團塊。  　　此研究結合野外產狀、年代、地球化學的數據，建立了一個完整的模式，對於海岸山脈最後一期岩漿活動，有了非常明確的說明。本研究為第二作者卓同學就讀國立臺灣師範大學地球科學系碩士班期間的碩士論文研究內容，其在碩士期間就能完成一個完整的研究，且能發表在期刊上，值得讚賞。   原文出處： Lai, Y. M., Cho, Y. Y., Lee, H. Y., Lee, D. H., Iizuka, Y., & Quek, L. X. (2021). Gabbroic enclave in intermediate ignimbrites: The youngest eruptive event in the northern Luzon Arc-Taiwan region. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 32(4), 459-481. https://doi.org/10.3319/TAO.2021.09.07.02

如何更有效地利用SPEI指數監測短期且快速發展的乾旱與潮濕事件

112年07月08日

【本篇報導由地球科學系  黃婉如特聘教授研究團隊提供】 　　短期、快速發展的乾旱和潮濕事件引起了廣泛關注，它們的突發性為監測帶來新的挑戰。目前尚不清楚監測短期乾濕事件時，應考慮前期多長時間的降水量和潛在蒸散量之間的差異(簡稱P-PET，或是氣候水平衡變化climatic water balance change)。本研究通過累積不同時間長度的P-PET來估算逐日標準化降水蒸散指數(簡稱SPEI)，並探討SPEI在捕捉中國大陸次表層土壤濕度變化的表現來解決這個議題。研究圑隊發現土壤濕度對氣候水平衡變化的敏感度因地區而異，因此在不同地區應考慮不同時間長度的已存在P-PET所估算出的SPEI變化，來進行短期、快速發展的乾旱與潮溼事件的監測。就潮濕事件(wet event)而言，研究圑隊發現華南地區的土壤濕度對前期P-PET變化有立即反應的現象，但在華北和東北地區的土壤濕度對前期P-PET變化則有延遲反應的現象。就乾旱事件(dry event)而言，對華南地區採用前期0.5個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，比傳統的3個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，更能有效地監測驟旱；而對長江-淮河流域則是建議採用1.5個月累計P-PET變化進行SPEI的估算，更能有效地監測驟旱。    　　乾旱是一種重大的自然災害，此現象的特點是長期降水不足，而且可能緩慢發展並持續數月或數年。最近，「驟旱」即快速發展的乾旱引起了廣泛關注，例如2012年，一場快速發展的乾旱席捲了美國中部，僅2個月內就從正常轉變為極端乾旱。驟旱的快速發展不僅歸因於降水不足，還有高於正常的蒸發量，這些現象共同作用下會迅速耗盡土壤含水量，並對農作物產量和供水量造成破壞性影響。在過去的幾十年裡，中國的乾旱狀況變得更加嚴重，透過降水量和潛在蒸散量之間的差異(P-PET，即氣候水平衡變化)可以很好地預測季節內的乾/濕演變。標準化降水蒸散指數(SPEI)是季節內乾旱的最佳指標之一，然而目前最常被使用的監測指標是以「前期90天累計P-PET變化進行SPEI的估算」，此指標難以監測突發的驟旱。對此，本研究主要回答兩個問題：(1)在監測短期、快速發展的乾旱與潮濕事件時，應採用前期多久的P-PET進行SPEI的估算較適當？(2)不同氣候區域之間是否存在差異？考量土壤濕度監測的測站數目，本研究主要針對中國大陸進行探討。 　　本研究發現，土壤濕度對前期P-PET的變化敏感度有著區域差異，因此針對不同地區的SPEI指數計算，應考慮使用不同時間長度累計的P-PET進行估算。如圖1所示，在潮濕事件下(wet event)，不論是華南地區(圖1a)還是長江-淮河流域地區(圖1c)都採用前期5天累計的P-PET進行SPEI的估算，該SPEI指數與土壤濕度的變化有較高的相關性(COR)與較低的均方根誤差(RMSD)，顯示該SPEI越能捕捉到土壤濕度的變化和異常程度。在乾旱事件下(dry event)，華南地區(圖1b)採用前期0.5個月累計的P-PET進行SPEI的估算，而長江-淮河流域地區(圖1d)則採用前期約1.5個月累計的P-PET進行SPEI的估算，對土壤濕度的變化有較好的監測能力。 　　實際情況下，土壤濕度不僅受到降水、蒸散的綜合影響，還受到輻射、風速、河川流量和土壤水分特性的影響。此外，土壤濕度記憶，即土壤濕度的變化特徵也可以通過土壤性質的差異來修改，例如：乾旱地區中層土壤濕度的記憶很長。因此對於乾旱與潮濕事件的監測，仍有許多可以進一步研究的部分。   圖1：深度7-28 cm的每日土壤體積含水量(VSW)和每日標準化降水蒸散指數(SPEI)之間的相關性(COR)、均方根誤差(RMSD)和COR/RMSD的演變。水平軸為相對應的前期P-PET累積時間長度(1至180天)。(a-b)為華南地區(SE, 21–28°N, 108–121°E)，(c-d)為長江-淮河流域地區(YZ-HR, 28–35°N, 108–121°E)。     原文出處： Li, X. Z. and W.-R. Huang, 2021: How long should the pre-existing climatic water balance be considered when capturing short-term wetness and dryness over China by using SPEI? Science of The Total Environment, 786, 147575. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147575  

建立極端天氣與氣候事件資料庫

112年07月08日

【本篇報導由地球科學系  陳正達優聘教授研究團隊提供】 　　大眾對於自然災害與氣候變遷所造成風險的認知多半是來自極端事件。儘管會有對於造成特定極端事件發生成因分析的詳細研究，然而對於全球極端天氣與氣候長期變化的研究，往往都是以測站或網格資料個別計算極端指標，再套用統計模型加以推估，並不考慮資料在時間與空間的連續性。於是研究團隊便發展了一個以事件觀點為主的極端天氣與氣候偵測追蹤方法，在客觀的時空連結條件下，將超越極端狀態發生門檻的影響面積、持續時間以及強度等，建構出事件的全貌與規模。透過大規模檢視過去長期全球觀測資料，更得以建立極端天氣與氣候事件的歷史資料庫。由於事件偵測保留了發生日期與位置的資訊，可以進一步檢視分析當時的背景環境，了解極端事件發生與發展的成因。而具體的事件發生地點與規模，也更有利於估計個別極端事件實質的災害、損失程度以及風險資訊。   　　以極端熱浪事件為例，研究團隊運用歐洲中長期天氣預報中心的長期再分析溫度資料所計算的每日熱浪強度，以極端事件偵測追蹤演算法，建立自1979年迄今的全球極端熱浪事件資料庫。以2003年夏季在歐洲所發生的極端熱浪事件偵測結果說明追蹤演算法的可靠性，可以清楚地區分7月中旬在北歐區域以及8月在西歐區域的兩個不同極端熱浪事件的詳細時空演變特徵（圖1），同時也呈現兩者的持續時間、影響面積與熱浪強度的變化與差異，特別是能更加強調出法國區域極端熱浪事件的整體規模要遠大於北歐區域熱浪，也因此造成史無前例的生命與財產損失。 圖1：圖左為2003年夏季先後發生在北歐以及法國為主的極端熱浪事件三維時空分佈示意圖，圖右則是兩個極端熱浪事件的發生時間（橫軸）、每日影響區域面積大小（高度）以及熱浪強度（顏色）的分布圖。   　　全球極端熱浪事件資料庫中所收錄的事件數，自從1979年迄今已經超過六千件（當極端熱浪事件定義為超過連續三天，至少五萬平方公里的面積的日異常高溫超越五年一遇的年最高日溫度）。圖2是將所有極端熱浪事件中整體規模超過一百萬平方公里天（km2∙day）的事件所建構的機率密度分佈（所有事件的機率密度分佈亦附在圖右上方），大約是事件整體規模居前二十百分位的部分。其中2010年7至8月間在俄羅斯發生的極端熱浪事件是歷史上整體規模最大的事件，整體規模超過一億平方公里天，而2003年8月估計造成超過三萬人死亡的西歐地區極端熱浪事件，雖然整體規模不到2010年俄羅斯極端熱浪事件的五分之一，但是整體規模已經是所有事件的前百分之一。從資料庫除了可以依據不同區域，列出過去歷史極端熱浪事件的排名次序之外，也可以比較區域極端熱浪事件特性的差異，分析典型熱浪發生的機制與伴隨氣象環境場，評估極端熱浪事件所造成的災害與損失，並檢視極端熱浪事件的發生頻率、影響面積、持續時間以及熱浪強度的長期變化趨勢。 圖2：所有極端熱浪事件中整體規模超過一百萬平方公里天（km2∙day）的事件所建構的機率密度分佈（所有事件的機率密度分佈亦附在圖右上方）。圖中紅、綠、藍的虛線分別是標註發生於2010年俄羅斯、2003年西歐以及2003年北歐的極端熱浪事件。   原文出處： Lo, S.-H., C.-T. Chen, S. Russo, W.-R. Huang, M.-F. Shih, 2021: Tracking heatwave extremes from an event perspective, Weather and Climate Extremes, 34, 100371. https://doi.org/10.1016/j.wace.2021.100371

行星盤的最初一萬年

112年07月08日

【本篇報導由地球科學系  李悅寧副教授研究團隊提供】 　　原行星盤與恆星相伴形成，過程中關係緊密，本研究利用了超級電腦進行高效能數值模擬，用以探討由原恆星核塌縮到原行星盤的過程，其中考慮了非理想磁流體與輻射轉移過程，結果顯示，原恆星盤內的物質輸送過程，比過去所理解要更複雜，尤其是最初的約莫一萬年時間，當原行星盤還深深包覆於原恆星核中時，層流與磁場的效應遠比紊流重要許多。    　　恆星形成是一系列的塌縮過程，緻密的分子雲碎成許多片段，形成一個個原恆星核（proto-stellar core），而原恆星核再進一步受自身重力束縛塌縮，形成恆星，每一個步驟的塌縮都是幾千幾萬倍的尺度變化，拿著放大鏡檢視時，又會看到更多的細節。 　　這其中之一的細節，就是原行星盤的形成，原行星盤是行星誕生的基地，相較於恆星本身，又小又暗似乎不足一哂，天文學幾百年的觀測歷史，也是到了最近三十年才看見了其他恆星的行星盤，還有其相伴而生的行星。然而人類立足於太陽系的行星之上，我們對於生命的形成、行星的形成仍是充滿好奇的疑惑。 　　今天不談行星如何形成，那需要經歷在行星盤中數億年的碰撞與成長。而是談談，這個行星盤的最初一萬年，到底是如何形成，又是如何被原恆星核決定它的樣貌。 　　因為對大尺度物理不造成影響，許多恆星形成的研究並不考慮小尺度行星盤形成的過程，而因為系統的複雜性，行星盤的研究則很少實際計算物質如何由原恆星核掉入恆星—星盤系統。我們使用超級電腦模擬由原恆星核塌縮到原行星盤的過程，並且考慮了非理想磁流體與輻射轉移的效應，以達到最接近真實的情況。 　　此研究中形成的原行星盤與觀測到的星體有相似的大小，研究團隊從模擬結果中分析原行星盤中的質量輸送，因而發現，大部分的物質從遠離原行星盤面的高緯度直接落入原恆星，而不是如過往大部分模型描述的掉入原行星盤外緣，再經原行星盤掉入原恆星，而原行星盤的赤道面中心，幾乎無紊流運動，許多的物質輸送是直接藉由規則的層流運動，有時甚至由內往外，如此的層流運輸，遠較於紊流擴散運輸更有效率（如圖1）。 　　行星的形成要經過很多步驟，有些歷史訊息會留在行星、衛星、小行星的礦物組成、元素組成、與同位素組成，實驗室證據可以提供許多的規範，而理論天文學的工作在於對論出符合現今現象的太陽系過去歷史。 　　本研究顯示，原行星盤在剛形成的最初一萬年內，由於原恆星核仍在進行塌縮，電漿與磁場的交互作用也仍然重要，原行星盤內的動態與晚期無原恆星核包覆的拱星殘屑盤（debris disk）極為不同。過往對原行星盤於太陽系形成過程中的角色認知，需要許多修正與更進一步的探討。   圖1（模擬數據）：原行星盤與其周遭角動量通量（彩色流線），灰階背景為單位質量之角動量，原行星盤來自原行星核的質量吸積多通過高緯度（約45度仰角）的低角動量區。     原文出處： Lee, Y. N., Charnoz, S., & Hennebelle, P. (2021). Protoplanetary disk formation from the collapse of a prestellar core. Astronomy and Astrophysics, 648, [A101]. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038105

臺灣東部斷層深部滑移行為以及週期性

111年05月10日

【本篇報導由地球科學系  陳耀傑博士生研究團隊提供】 　　臺灣位於環太平洋火山地震帶上，且具有相對複雜之斷層系統，對斷層進行持續監測是臺灣地震學家首要的工作之一，而利用重複地震推估深部滑移速率，便可以直接對斷層深部進行監測。利用 2000 至 2011 年底間的地震目錄，研究團隊建立了全臺灣規模二以上的重複地震目錄，並針對東部地區進行深部滑移速率的分析，發現花蓮以及台東區域的重複地震對應到不同的斷層系統。利用其規模以及復發週期推算深部滑移速率後，更是發現花蓮區域之重複地震週期性穩定，且不受規模六以上之地震影響；而池上區域之週期性較不穩定，在規模六以上地震後呈現明顯的加速行為，其週期性在 2003 年規模 6.4 的成功地震後，由約 1.1 年的週期變為約 0.5 年。   　　重複地震序列（Repeating earthquake sequence）為一群發生在斷層上近乎相同位置的地震群，其具有相似的震源機制以及地震規模，其可重複累積應力後重複發生的特性，常常被用來作為斷層深部監測以及傳播介質變化監測的工具。在世界各地的研究中，逆斷層的重複地震較少被記錄且研究，而臺灣位於地震好發帶，島上大多為逆斷層，因此在臺灣建立重複地震目錄，可幫助我們對於逆斷層上重複地震的行為有更多的了解。因為重複地震序列具有相近的震源以及震源機制，在同一測站觀測時，可發現極為相似的波形（如圖一所示），而利用此特性，便可以建立重複地震資料庫以及目錄，因此本研究利用氣象局 2000 年至 2011 年底規模二以上之地震目錄，以波形相似度為基礎，建立全臺灣規模二以上之重複地震目錄，在繪製其分佈圖後，發現其主要集中於東臺灣，並沿著縱谷斷層以及中央山脈斷層分佈（如圖二所示）。 圖一：重複地震波形示意圖。   圖二：全臺灣之重複地震分佈圖及東部區域放大圖。   　　根據其集中狀況，研究團隊又將重複地震分為池上以及花蓮區域：池上區域的重複地震集中在向東傾的池上斷層；而花蓮區域可再分為花蓮東側及西側，西側主要分佈在中央山脈斷層，東部則呈現群狀（cluster）分佈。研究團隊利用重複地震序列之規模以及復發週期（recurrence interval），搭配池上以及花蓮不同地表變形速率，推算出不同區域斷層之深部滑移速率。結果發現花蓮之滑移速率較為穩定，西側以及東側分別約為 4.3 以及 3.5 公分每年；而池上約為 3.7 公分每年，且明顯受到 2003 年底以及 2006 年之地震加速。為了解其滑移速率之短期變化，研究團隊更使用移動視窗平均計算其短期滑移速率，結果發現花蓮及池上區域之短期滑移速率皆呈現週期性之變化，花蓮西側區域滑移速率週期穩定約為一年左右，且不受周圍規模六以上之地震影響；而池上區域在 2003 年規模 6.4 成功地震前後行為不同，在主震前期週期約為 1.1 年，而主震後變為 0.5 年，且滑移速率明顯提升（如圖三所示）。 圖三：池上以及花蓮之短期滑移速率變化及週期性分析。     　　本研究所計算之深部滑移速率除了提供可以和地表變形速率比較之可能性，亦發現其週期性和前人研究之長微震（tremor）以及地下水位等週期性觀測具有相似行為，雖然於此研究中尚未釐清其彼此的關聯性，但提供了往後研究的資料以及目錄，亦讓我們對於斷層的行為有更近一步的了解。   原文出處：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JB018561