研究重點與方向

三大研究領域

u  氣候科學 (Climate Science)

氣候組的研究目標為發展適合台灣的全球氣候模式群組,以模式模擬結果為基礎,結合觀測資料進行氣候診斷與機制研究,並進行未來各種溫室氣體排放情境下台灣地區高解析度氣候變遷推估模擬,提供資料給國內研究團隊使用,以及提供相關資訊作為氣候變遷調適政策之依據。 

氣候科學組的研究方向主要為:

1.  氣候模式發展:

包括由環變中心建構的台灣地球系統模式 (Taiwan Earth System Model, TaiESM) 與引進自美國的高解析度全球大氣模式 (High-Resolution Atmospheric Model, HiRAM)

l TaiESM 的大氣部分,下一階段的主要項目為改進模式中雲的巨觀物理與微物理過程、雲氣膠降水間的交互作用、大氣輻射傳遞模組,以及提高模式層頂與增加垂直解析度等。

l TaiESM 的陸地部分,將加入土壤出水度的空間變化與極端天氣事件對地表植被的影響等。

l 測試 HiRAM的可變解析度伸縮網格以及與一維海洋模式之耦合。

l 以模式資料進行氣候機制研究,並用以分析造成模式誤差的可能原因,包括海氣交互作用、陸氣交互作用、雲輻射環流交互作用、邊界層與對流等。 

2.  氣候變異與變遷:

l 結合模式與觀測資料探討氣候變遷與變異的特性,包括氣候平均態的變遷 (如亞洲季風、副熱帶高壓與熱帶擴張等)、氣候變異的變遷 (如年代際變化、聖嬰現象、季內震盪、遙相關等)、與極端事件的變遷 (如熱浪、豪大雨、颱風等)

l 以古氣候模擬重建古地質年代的氣溫與降水的特徵,並探討地質年代中氣候暖化導致亞洲季風、間熱帶輻合區 (ITCZ)、與副熱帶高壓的變異與變遷的機制。 

3.  未來氣候變遷推估:

l TaiESM 進行長期氣候模擬與推估,並參與國際氣候模式研究活動 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6),作為 IPCC 第六次氣候變遷評估報告 (Sixth Assessment Report) 的科學基礎。

l 與台灣氣候變遷推估與資訊平台 (TCCIP) 合作,提供 TaiESM HiRAM 產出之未來氣候推估資料,利用高解析度區域氣候模式進行動力降尺度模擬,以獲得高時空解析度之台灣地區未來氣象資訊。 

4.  氣候變遷對環境的衝擊:

l 利用高時空解析度的全球與區域氣候模擬資料,分析台灣地區未來的降雨型態、頻率及強度變化,進行旱災、水災與水資源風險評估。評估結果可用於建立「氣候變遷缺水衝擊與調適」利害關係人之風險認知調查與政策溝通工具。

l 利用台灣近百年來的土地利用歷史資料與對未來土地利用變遷之推估,進行區域氣候模擬,將可瞭解台灣地區土地利用改變對區域氣候的影響,包括都市化或水體面積減少造成之溫度與降水之變化等。

l 利用 TaiESM HiRAM 模擬深度減碳途徑計畫 (DDPP) 對台灣區域氣候的影響,並分析可能的環境衝擊。 

u  大氣物理化學 (Atmospheric Physics and Chemistry)

l   都市空氣污染與低雲及霧霾之物理化學交互作用

大氣氣膠(或稱懸浮微粒)是決定地球系統輻射能量收支的關鍵因子之一,另一方面,也是一種嚴重影響公眾健康的空氣污染物。然而,至今我們對於氣膠的生成機制和氣膠在大氣中的物理化學行為的科學知識仍然不夠充分,影響所及,氣膠對輻射收支的影響是目前氣候變遷評估模式中最主要的不確定度來源,霾害則是都市空氣品質管理上最艱鉅的挑戰。

本計畫的目標為深入研究都市空氣污染物和低雲或霧的交互作用,進而探討氣膠對於雲霧的巨觀和微物理性質的影響、以及霧霾對都市外圍居民的健康衝擊。研究內容將整合多項觀測與數值模擬的平台,利用台灣中(西)部的地理特徵,深入分析都市空氣污染物隨海陸風及山谷風等局部環流向中央山脈西麓傳輸的現象,以及氣流傳輸與抬升過程中,氣膠和雲霧的交互作用。在計畫執行期間(2016-2019),研究團隊每年將在夏、冬兩季進行聯合觀測實驗,觀測項目涵蓋氣膠的物理、化學特徵參數、二次氣膠前驅物、低雲及霧的巨觀和微物理特徵參數、以及邊界層的氣象參數等。觀測結果將匯入氣象-大氣化學耦合模式(例如:WRF-CHEMCMAQ)和雲解析模式(例如:WISCDYMM)中,探討雲霧中的二次氣膠生成機制,以及都市污染物對周邊雲物理性質的影響。

本計畫為台灣首次針對氣膠-/霧交互作用這項重要議題進行詳細的研究,成功執行本計畫將可大幅提升我國在大氣科學的研究能量與學術地位。此外,台灣位處對區域氣候變遷十分敏感的東亞季風氣候帶中,台灣中(西)部則是深受PM2.5污染危害的地區,本研究的成果將有助於提升我國對區域氣候變遷評估以及都市空氣品質管理的核心能力。
 

l   熱危害與空氣污染影響台灣社會之脆弱度評估及其調適策略研擬

研究環境變遷的終極關懷是降低環境變遷對社會整體之衝擊;此新興永續科學主題研究計畫結合「環境變遷研究中心」、「資訊科學研究所」以及「人文社會科學研究中心」的研究同仁,分別以自然科學方法探討影響台灣空氣品質之重要溫度、輻射及亞洲特殊污染源特性,由資訊科學提供新穎的群眾外包資訊技術收集環境及行為資料,以及由社會科學研究方法探討台灣民眾接觸熱危害及污染源之行為模式,來共同探討熱浪下熱危害與空氣污染影響社會之脆弱度及其關鍵因子,以期提供熱浪調適策略。

本主題計畫採用跨領域合作方式探究影響熱浪脆弱度之各項決定因子,以達到降低台灣地區熱浪脆弱度及增強其因應能力的目的。本期計畫應用前期計畫成果,除了原有人文社會、資訊科學及環境變遷的研究團隊外,新增加流行病學和影像分析專家,多方探討熱浪脆弱度的可控制因子,以期進行更細緻時空解析度的脆弱度評估。研究架構的特色是採用新穎的資訊科技配合既有成熟的大氣環境量測/模式、社會科學調查研究方法及健康評量方法,同時考量脆弱度評估的三大面向:暴露量(物理、化學及行為層面)、敏感度(生理層面)及因應能力(人文社會層面),以深入探討熱浪暴險直接危害(高溫)與間接危害(空氣污染)的暴險歷程及暴險社群因應能力中的可控制因子,並以此科學證據為基礎,對台灣需擬定的熱浪調適策略,提出有助設定優先次序及政策效益的建言。

研究重點在於:第一:發展、驗證並應用細緻時空解析度的新穎資訊科學技術,以偵測熱危害與空氣污染暴露量以及社群因應能力之變化,並收集環境、人口社經、行為、社區及生理因子,探討影響熱浪脆弱度三大面向的重要決定因子及機制,並特別探究暴險歷程及因應能力之可控制因子;第二:建立兩套系統性方法,分別針對暴露量及因應能力,以推衍社區層級實測值所獲得之整合性科學成果至擬定國家層級調適策略所需之科學知識,做為「由下而上」及「由上而下」方法間之關鍵連結;第三:進行全盤綜整性熱浪脆弱度評估以界定脆弱地區及社群;第四:提出熱浪調適策略建言,整合科學成果對應至研擬熱浪調適之各政府部門,以促成及直接啟動科學與政策雙方的對話;並建置風險溝通平台,可直接回饋教育民眾,以降低熱浪衝擊並提高其熱浪因應能力! 

l   東亞區域背景大氣組成之長期觀測及空氣污染對區域性氣候變遷之影響

此項研究計畫的主要目的在於暸解東亞地區背景大氣組成的變化趨勢,進而分析影響區域性氣候的化學因子。由於中國大陸的工業化與經濟發展,東亞地區的空氣污染負荷也在過去20年間大幅增加,這些人為的汙染物無疑地會導致大氣組成的改變,然而,我們對這項改變的具體內涵及其影響並不清楚。

台灣位在中國大陸的東南沿岸,緊鄰著東亞最嚴重的汙染地區,在區域性大氣組成變遷的研究中,台灣是非常重要的觀測地點。本計畫的主要工作為利用台灣的地理優勢,進行東亞區域之大氣組成變遷研究。本中心自2002年即展開大氣氣膠的觀測研究,並於2015年在台灣島的最北端建設富貴角研究站,做為我國第一座邊界層大氣化學的長期研究基地。觀測項目包括重要大氣組成物質(例如:溫室氣體和懸浮微粒)的濃度,以及其他重要的大氣物理/化學參數。此外,本計畫也將藉助海洋研究船及海拔2000-3000公尺的高山測站,使得觀測範圍可延展到台灣的鄰近海域和自由大氣對流層。

u  水圈科學 ( Hydrospheric Science)

l  南海珊瑚礁生態系海洋學調查(CREOS)與東南亞時間序列研究(SEATS)研究

南海的《內波》是世界海洋少見的獨特物理現象。《內波》對南海海洋的環境變遷與生物地球化學的潛在影響是很重要但卻是很少被探討。本整合型研究包含了兩個互補的次議題:南海珊瑚礁生態系統海洋學研究(Coral-Reef Ecosystem Oceanography Study; CREOS)與東南亞時間序列研究(South East Asia Time-series Study; SEATS)。其中CREOS研究的主要目的為著重東沙環礁周圍的下沉型與上抬型內波現象的物理、化學與生物的行為表現過程研究;而SEATS研究則為海洋長時間觀測之必要手段。此外,SEATS正好位於無內波或內波影響相當微弱的地方,亦可做為CREOS研究的控制組。本計畫整合物理海洋的1.錨錠系統之高頻物理量測研究(本中心);化學海洋的2.無機營養鹽/葉綠素/顆粒態有機碳研究(本中心)3.有機碳下沉通量輸出研究(台灣大學)4.無機碳化學系統研究(海洋大學)與生物海洋的5.浮游生物自營性與異營性過程研究(本中心)6.群聚呼吸率研究(臺灣師範大學)7.浮游植物與原生動物分類研究(海洋大學)8.浮游動物及細菌群聚組成研究(台灣大學)。本計畫首次結合生地化學航次調查與現場的錨錠系統物理量測的研究。研究結果對碳(有機的與無機的)循環、浮游植物動力學與生物多樣性等重要的海洋環境科學議題做出顯著的貢獻。

 

l  臺灣集水區生態與生地化監測研究 (T-WEBS)

集水區(watershed)位於河川之上游,是大氣降雨最先抵達以及水域連續生態系統(指集水區河川河口海洋)內各類物質發生生地化作用的起點。臺灣地勢陡峭,陸地降雨流失極快。為因應防洪、發電、灌溉、公共/工業給水及觀光旅遊之需要,政府在本島的主要河川上游集水區均建有水庫,目前本島水庫數量計有109座。水庫水資源的永續經營及水庫環境變化的趨勢/機制,在環境管理及環境變遷的議題上均至關重要。要推行永續經營並了解環境變化的趨勢/機制,設置「時間序列觀測站」進行長期(十年以上)系統性的〝水文〞與〝生地化研究〞是絕對必要之手段。有鑒於此,本中心於2004年成立《臺灣集水區生態及生地化研究; Taiwan Watershed Ecology and Biogeochemistry Study; T-WEBS》團隊,在翡翠水庫以人工週採樣並結合現場錨定即時監測系統,收集生態資料。透過國內外(中研院生多中心,台大,台師大,京都大學,北海道大學)合作,結合大氣化學,水文/降雨,地球化學,浮游生物生態,生態資料分析及模式六個不同領域的專業學者,對集水區/水庫的水文與生地化現象進行完備的時間序列研究及模式分析。本中心領導的T-WEBS團隊是國內乃至亞洲唯一長期進行集水區生地化與時間序列研究的團隊。調查之資料及後續發展出之水文與生地化模式,對學界及公務單位皆具重要之價值。

 

l  微量金屬海洋生物地球化學暨台灣GEOTRACES研究

微量金屬是海洋碳及主要營養鹽生物地球化學循環的重要調控因子,其元素及同位素(TEI)組成已發展為探索各式物質於地球及海洋中循環及傳輸過程及傳輸通量的重要示踪指標,GEOTRACES計畫過去五年來如火如荼在全球開展,在TEI海洋地球化學暨生物地球化學領域取得空前的進展及重要發現。 過去十年來我們於南海及西菲律賓海亦執行了一系列的野外研究,探索微量元素在該海域的來源、內部循環、及垂直沉降過程,掌握了南海及西菲律賓海在不同季節下的海水溶解態及顆粒態微量金屬組成、來源、及通量分布特徵,並確認人為生成氣膠在南海及西菲律賓海TEI循環的主導角色。 台灣位居環西北太平洋核心位置,對於研究TEI輸入大洋的主要途徑之一-人為生成氣膠沉降,具備全球最佳的地理位置,未來我們將進一步探究人為生成氣膠微量金屬在西菲律賓海及西北太平洋的生地化作用,利用實驗室模擬實驗及現場採樣及調控實驗,研究不同季節下氣膠沉降對於西菲律賓海TEI輸入及其循環的影響,著重於氣膠TEI轉換成溶解態、不同大小懸浮顆粒態及沉降顆粒態的轉換過程及其循環機制,相對於國際GEOTRACES計畫著重大尺度跨海盆研究,本研究具備獨特的季節性轉換研究特色,預期在人為生成氣膠TEI海洋生地化循環的課題上做出最前緣的貢獻。

 

l  微量金屬與海洋浮游植物的互動:生態區位與族群結構調控

海洋浮游植物佔有全球50%初級生產力,了解調控海洋浮游植物生長及其族群結構的環境條件為海洋生物地球化學的基本問題;已知固氮作用為控制海洋基礎生產力的重要一環,微量金屬條件亦為影響浮游植物生長及其族群結構的重要環境因子,本研究著重於探索微量金屬與各式重要浮游植物或單細胞藻類的互動關係,特別著重於固氮藍綠菌中的束毛藻(Trichodesmium)微量金屬生態區位的測定,透過實驗室養殖實驗,我們確認束毛藻對於鎳及鈷的需求,本研究將同時利用主要及微量營養鹽化學穩定養殖系統探究由氣膠沉降西菲律賓所造成的微量金屬化學條件對浮游植物族群結構,特別是束毛藻及其他固氮藍綠菌生長的影響。 除了固氮藍綠菌,我們同時研究了珊瑚礁生態系中最重要的共生單細胞藻類,蟲黃藻(Symbiodinium)的微量金屬的生態區位;我們同時發展測定浮游植物(矽藻及鈣板藻)體內微量元素同位素組成之方法,利用養殖系統調控海水中主要營養元素及相關微量元素條件,來探索其同位素分化特徵及與相關主要營養鹽或必要微量元素間的互動調節機制,以建立環境紀錄器中微量元素同位素組成作為現代及古代海洋生長條件的替代性指標。

 

l  北太平洋與東亞邊緣海之環流與水文研究:變異、動力及影響

太平洋為全球最大之海洋,經由海氣交互、海洋環流及水文分布等過程,太平洋中存在與大氣之氣象(如:颱風)及氣候(如:聖嬰現象、太平洋年代際振盪及全球暖化)相關的多重尺度的變異。東亞邊緣海(如東海、南海)為連接東亞大陸與太平洋之橋樑,因此,許多在太平洋上或在東亞大陸上的訊號經由東亞邊緣海直接地或間接地相互傳輸。此外,在水深較淺的東亞邊緣海域上的物理與生地化對大氣的反應亦較開放海洋快速且劇烈。有鑑於此,對於北太平洋與東亞邊緣海域之海洋物理過程的了解將有助於對其下之生地化改變與其上之區域性氣象及區域性(乃至於全球)氣候改變的認識。對於邊緣海域及熱帶太平洋中海流(如:黑潮、沿岸流、赤道海流系統)與水文分布(如:溫度、鹽度、密度)之多重尺度變化、相關動力機制、以及其對颱風演化、生地化分布、與氣候變遷的影響將是本研究的主要重點。現場實測、衛星遙測、浮球追踪、以及數值模擬將並行以達成此一研究。