從氣候觀點看颱風影響臺灣的頻率變化

從氣候觀點看颱風影響臺灣的頻率變化
文/涂建翊

「西北太平洋-南海」無疑是全球颱風最活躍的海域,平均一年可以生成26個,所挾帶的豪大雨和強風,不僅威脅途經國家人民的生命財產與安全,也對西北太平洋島國及沿岸國家的經濟產生一定程度的衝擊。因此,掌握颱風動態與減少災害損失,一直以來都是周邊海域國家的重要課題。特別是IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,聯合國政府間氣候變遷專門委員會)第六次評估報告指出,受到全球暖化影響,颱風強度有增強趨勢,移動路徑偏北,緯度較高的東亞地區 (日本、韓國) 受颱風影響機率將會提高,緯度較低的南海周遭國家 (菲律賓、越南) 則相對降低 (IPCC AR6,2021)。臺灣正巧位於兩區域中間,受颱風影響的不確定性相對大,因此更需要投入關注,掌握未來颱風動態的變化趨勢,並評估對臺灣可能帶來的衝擊。

 你知道西北太平洋與南海海域的颱風氣候特徵嗎?


如果我們將美國聯合颱風警報中心 (Joint Typhoon Warning Center, JTWC) 所提供的6小時颱風移動軌跡資料彙整,可以發現:西北太平洋與南海地區每個月都有機會形成颱風,不過2月生成機率較低,7至10月頻率相對高,約佔該海域全年總生成個數的70%,因此該時期也可視為是「西北太平洋-南海」海域的颱風季。 從颱風通過頻率的空間分布(圖1)來看,生成後的颱風,主要移動方向有二個,其一為直接朝西移動,通過巴士海峽或菲律賓進入南海,最後登陸中南半島或海南島沿岸地區。另外一條則是由西北轉向北,甚至東北,進入日本或韓國。臺灣所在位置正巧位於兩條主要移動路徑之間,通過頻率相對低,但卻是重要轉折點,也因為地理位置的獨特性,成為研究西北太平洋海域颱風路徑轉折的重要參考指標 (Camargo et al., 2007;Tu et al., 2009)。
圖1.西北太平洋與南海海域,颱風通過頻率空間分布。統計時間為1970-2021年,網格空間解析度為2° x 2° 經緯網格。

颱風到底會怎麼走?是一個複雜的問題。影響颱風移動路徑的因素很多,從颱風結構的不對稱性、地球自轉效應、高空槽線牽引、高壓環流導引(含太平洋副熱帶高壓與大陸冷高壓)、雙颱藤原效應以及颱風與地形的交互作用……等均是。從氣候觀點來看,副熱帶高壓環流導引 (也稱為駛流,steering flow) 被認為是最為關鍵的因子。這裡,我們特別使用500 (hPa) 重力位高度場來代表副熱帶高壓環流特徵,颱風移動軌跡則以2°×2°經緯網格大小為單位,統計每個網格點颱風出現次數所代表的頻率概念來解讀,所計算每個網格點的颱風通過頻率,會再進行九點空間平滑處理,如此即可以簡單掌握颱風移動軌跡與大尺度環流之間的關聯性。

圖 2 為颱風較為活躍的6至11月期間,各月分氣候平均之颱風通過頻率與太平洋副熱帶高壓(簡稱:副高)環流空間分布(統計時間為1970-2021年)。依據5870重力位高度線 (粗黑線) 的分布範圍可以看出,6月時 (圖2a)副高西側脊線延伸至南海北部,位置大約在20°N附近,7月 (圖2b) 明顯往北移動,脊線位置移至臺灣北部附近約25°N的地方。8月時 (圖2c) 副高脊線更往北移至30°N附近,勢力範圍也明顯東退。時序進入到秋季,副高西側脊線開始南移,勢力範圍也同步西伸,在9月時脊線位置大約在25°N (圖2d),10月南移至20°N (圖2e),11月又更往南至17.5°N附近 (圖2f)。由此結果來看,夏季期間副高西側脊線有明顯地季節性北移特徵,且範圍逐漸東退,秋季則剛好相反,副高西側脊線往南偏、範圍則明顯西伸,兩季節的環流特徵明顯不同。

從颱風生成位置來看,多數傾向生成於副高脊線的南側,也就是季風槽所在地方,生成後再沿著副高南緣移動。在6月時,受到副高脊偏南影響,颱風主要活躍於23°N以南,位置也偏西(130°E以西),包含南海和菲律賓海附近 (圖2a)。7月期間,除了颱風頻率增加外,路徑上仍以往西進入南海為主,不過也開始有颱風朝北移動,特別是在120-130°E區間範圍 (圖2b)。8月受到副高脊偏北、副高勢力範圍東退影響,讓颱風生成位置較為偏北,使得更多颱風活躍於西北太平洋區域 (15-32°N、120-135°E),並朝臺灣以及緯度更高的日本、韓國前進;相較之下,該月分生成的颱風往南海機率降低 (圖2c)。9月開始,副高脊又逐漸往南移動,副高範圍同步往西延伸,結果也使得往西移動的颱風又開始增加,往北部分有兩個分支,主要以130°E以西為主,另外一個分支則落在140°E附近,頻率相對較低,但緯度仍可到達30°N (圖2d)。10月分進入南海的颱風頻率明顯提高,轉向往北移動的颱風集中在130°E附近,隨後逐漸朝東北方向海域前進。11月開始,多數颱風往西移動且活躍在20°N以南,往北明顯受到副高以及北方大陸冷高壓環流所抑制。整體來說,秋季生成的颱風往西移動機率提高許多,不過主要移動軌跡所在緯度仍有所不同,9月時多落在20°N ,10月往南偏移至18°N附近,11月會更往南至14°N,南移位置與副高南緣範圍的季節變化十分接近,顯示從氣候觀點來看,副高環流的變化對於颱風路徑的影響相當大。

圖2.西北太平洋與南海海域,各月分之颱風通過頻率 (彩色陰影) 與500 (hPa) 重力位高度場 (等值線) 分布(統計時間為1970-2021年)。粗黑線為5870重力位高度線,等值線間距為5 (gpm),颱風頻率單位為每十年通過次數 。
▍ 圖參考自Chen et al. 2017

 影響臺灣的颱風個數有改變嗎?


討論這個主題之前,我們應該先來了解,怎麼從氣候的觀點來客觀定義颱風影響臺灣。過去有不少學者以長方形範圍作為標準,不過卻容易將一些短暫經過設定範圍周邊,但卻對臺灣沒有任何影響的颱風判定為侵臺颱風,造成個數統計上的誤差與困擾。依此,目前有較多的人採用李與盧 (2012) 所提出較為客觀,考量臺灣海岸線形狀,往外擴展300公里範圍,所界定出來颱風影響臺灣的客觀定義。

圖3為利用JTWC所提供之6小時颱風移動軌跡資料,計算每十年影響臺灣的颱風個數年循環。由圖所呈現出來的統計結果顯示,過去1至3月並沒有颱風進入到臺灣附近,一直到4月中旬開始,颱風才有機會移入,並於6月下旬迅速增加,8月下旬達到最高峰,隨後從9月到11月,數量又逐漸減少,直到12月初完全消失。從年平均來看,一年約有5個颱風進入影響臺灣的區域範圍內,超過80%發生在6月中旬到10月中旬 (Tu and Chen, 2019),季節上則可以劃分為夏季(6月15日至8月31日;颱風數量增加)和初秋(9月1日至10月15日、颱風數量減少),所佔比例分別為59%和25%。這結果與大尺度大氣和海洋條件的季節變化有所關聯,特別是副高脊的南北擺盪 (Chen et al., 2017;Tu and Chen, 2019)。


圖3、每年進入臺灣海岸線往外延伸300公里範圍內之區域,且風速 ≧ 34 knots的颱風個數年循環圖。統計時間為1980-2018年,曲線為取五日移動平均之結果。
▍ 圖參考自 Tu and Chen, 2019

從長期變化來看,每年影響臺灣的颱風個數有所不同 (圖4a),少則1~2個,至多可達9~10個,年與年之間的差異相當大,聖嬰與反聖嬰現象可能是影響因素 (吳等,2022)。逐年增加或減少的趨勢不顯著,反而呈現出年代際變化特徵,1950至1960年代,以及2000至2008年期間,每年平均個數提高至6個左右,之後又稍微降低。計算氣旋累積能量 (Accumulative Cyclone Energy,ACE) (圖4b),發現他同時具有年際與年代際變化訊號。除了年與年之間的差異外,1950至1960年代和2000年至2016年間,氣旋累積能量值較高,颱風破壞力也相對大,其餘時期則較低,特別是2016年之後,連續五年數值均偏低。

註1:年際變化指的是變動週期為數年之訊號,所強調的是年與年之間的差異。
註2:年代際變化指的是變動週期長達數十年以上之訊號。


圖4a、每年進入臺灣海岸線往外延伸300公里範圍內之區域,且風速 ≧ 34 knots 的颱風個數時間序列。


圖4b、颱風於臺灣周遭海域時的氣旋累積能量(ACE,單位為105 knots2)時間序列。黑實線代表9年移動平均。 ▍ 依李與盧(2012)之定義重繪

 颱風是否影響臺灣和大尺度環流有什麼關係?


由前面的討論可以知道,颱風移動路徑受到副高環流影響大,Tu and Chen (2019) 的文章重新定義了一個新的副高環流指數來診斷副高脊的南北擺盪特徵,當指數偏高(低),代表副高脊位置較為偏北(南)。透過指數高低,可以掌握副高脊的位置,有助於我們探討颱風對臺灣的影響頻率差異。另外,由於夏季和秋季的大尺度環流特徵並不相同,因此將夏季和秋季分開討論有其必要性。

圖5藉由颱風通過頻率與850-300hPa導引氣流場兩者之疊圖,可以更清楚看出導引氣流對颱風移動路徑之影響有多顯著。夏季時,若為高指數年(圖5a),副高脊線平均位置會落在28°–30°N附近,此時的臺灣正好位於副高脊的西南側,這樣的條件有利於颱風生成後沿著副高南緣往西北方向的臺灣移動,平均約有4.5個颱風影響臺灣。在低指數年(圖5b),副高脊線平均位置南移到22°–24°N左右,範圍延伸至臺灣以西處,強度則比高指數年弱,臺灣正好落在脊線正下方。這樣的條件,讓颱風更容易往西移動,但也因為副高西側強度較弱,使得颱風也可能提早北轉,對臺灣的威脅降低,平均影響臺灣的颱風個數僅有1.5個。

初秋時節,高指數年(圖5c)副高脊線平均位置在28°N左右。與夏季相同,臺灣位於脊線西南側,颱風生成後受到向西延伸的副高環流導引,往西北方向移動,有較高機率影響臺灣,平均影響臺灣的颱風個數為2.3個。在低指數年時(圖5d),不僅脊線平均位置向南偏移至22°N附近,強度也偏弱,特別是在120°–140°E的經度區間有一斷裂帶。生成後的颱風容易於斷裂帶轉向北方移動而不易到臺灣,也因此平均影響臺灣的颱風個數降至0.7個。綜合以上的討論可以發現,當西太平洋副高脊線位置偏向臺灣北邊(南邊)時,夏季和初秋時節影響臺灣的颱風數量會增加(減少),兩者之間具有高度正相關。


圖5、夏季(6/15-8/31)和初秋(9/1-10/15)期間,副高指數偏高與偏低時,颱風通過頻率和西北太平洋導引氣流 (850-300hPa風場平均) 特徵差異。虛線為副高脊的位置。
▍ 取自 Tu and Chen, 2019

 颱風移動路徑的長期變化趨勢如何?


過去研究發現,影響臺灣的颱風個數,於2000年之後明顯增加,個數從過去每年平均3.3次,提高到每年5.7次,赤道中太平洋增溫,進一步改變大氣環流,是提高颱風往西北方向移動並影響臺灣的重要關鍵 (Tu et al. 2009)。由上面的討論也可以發現到120°-130°E經度範圍,是颱風轉向往北的關鍵區域之一。此外,該區域緊鄰東亞國家和菲律賓,移動路徑的改變,勢必對該區域帶來不同程度的影響,因此很適合拿來探討西北太平洋地區颱風整體移動路徑的轉變。

夏季期間 (6月至8月),颱風主要活躍於15-30°N之間,其中又以通過20°N以北區域的機率較高,約占通過該經度範圍颱風頻率的70%。於緯度上的變化以年際訊號為主,年代際特徵相對弱,另外,系統性往南或往北偏移的趨勢較不明顯 (圖6a)。秋季 (9月至10月) 則有所不同,颱風活動頻率主要集中在12-30°N之間,不僅有明顯的年際變化訊號,也同時具有年代際變化特徵,且年代際訊號較年際訊號顯著,轉變時間點約落在1998年(圖6b),前期颱風以通過20°N以南為主,後期通過20°N以北的機率大幅提升,連帶對該區域的降水產生影響 (Tu et al., 2020),此與夏季有所不同。

整體而言,西北太平洋颱風的生成和移動路徑變化,秋季 (9月至11月) 於1998年之後進入颱風不活躍期,包含生成個數減少、生命週期縮短、氣旋累積能量降低等,不過路徑上的轉變,讓往南海和中南半島的颱風個數明顯減少,往臺灣和中國東南沿岸的颱風個數卻是增加的,年代際變化特徵十分明顯 (Hsu et al.,2017),這也是值得我們特別注意的地方。


圖6、西元1970~2021年期間,颱風通過120°-130°E經度範圍的頻率時間序列。X軸代表年分,Y軸代表緯度,南北方向資料間距為2個緯度,水平實線為20°N位置,垂直虛線為1997/1998年分界線。
▍ 本圖修改自Tu et al., 2020


依據學者們的研究,發現秋季於1998年前後,西北太平洋與南海海域的颱風移動路徑有明顯的轉變。1998年以前(第一時期),颱風明顯以西行為主,且颱風多於20°N以南的位置通過巴士海峽、菲律賓北部進入南海。另外,於130°E以東則是提早北轉,進入北太平洋。從頻率空間分布來看,進入臺灣、中國、日本、韓國等東亞國家的機率相對低,對該區域的威脅也較小(圖7a)。1998年以後(第二時期),颱風於125°-135°E附近有明顯往西北方向移動的訊號,且緯度可以達到30°N(圖7b)。將兩時期的颱風通過頻率相減,發現通過頻率增加最主要的區域位於臺灣至日本中間的東海海域(圖7c),這樣的移動路徑轉變,勢必會增加對東亞地區降雨的影響,特別是臺灣。

對應到導引氣流場的空間分布可以發現,西太平洋副熱帶高壓環流明顯不同,第一時期的副高脊線平均緯度大約在25°N,副高西側範圍落在135°E附近,20°N以南的東風則偏強,這些特徵讓生成於20°N以南的颱風可以順著偏強東風氣流往西移動,少部分則沿著副高西側邊緣於135°E附近轉向往北。到了第二時期,副高西側範圍往西延伸至130°E附近,加上20°N以南區域的東風減弱,間接導致颱風更容易於120°-130°E附近北轉,提高影響臺灣及其他東亞國家的機率。藉由兩時期的環流差異(圖7c),可以更加清楚對應,環流條件改變對颱風移動路徑的影響有多大。

移動路徑改變是否與颱風生成個數或位置有關?從生成個數上來看,第一時期的颱風生成數是高於第二時期的,顯然個數不是往北移動增加的關鍵。生成位置部分,第一時期颱風主要生成於130°-150°E、10°-20°N區域內,主要高值中心有兩個,其一位於130°-135°E、15°-20°N,另一個則位於145°-150°E、10°-15°N,從緯度上來看都在20°N以南。第二時期颱風主要生成於125°-145°E、10°-25°N範圍內,主要中心位於125°-135°E、12°-22°N之間,經度往西偏移5度,緯度也往北偏移2-5度,颱風生成於135°E以東的個數明顯減少。從兩時期的差異可以更清楚看到,20°N以北的生成數提高許多,這樣的結果配合大尺度環流導引,有利於颱風往西北方向移動。

綜整上述結果,並比對導引氣流場的特徵不難發現,前期以西行進入南海及提早北轉朝日本外海移動為主,後期除了西行進入南海的颱風頻率降低外,往北轉折的經度位置更往西移,也更靠近東亞陸地,這勢必提高對東亞地區降雨的影響。颱風往北移動頻率增加,可能來自於兩個因素,其一為颱風生成位置的偏北,讓颱風更有機會往北移動,其二為副高環流西伸,導致副高南緣所導引的東風與東南風增強,讓颱風更有機會往西北方向朝臺灣及東亞地區移動。


圖7、不同時期的颱風通過頻率與颱風生成頻率空間分布差異。左側為通過頻率、右側為生成頻率。(a)第一時期 (1980~1997年)、(b)第二時期 (1998-2017年)、(c)為兩時期之差值。颱風通過頻率之網格間距為2° x 2° 經緯網格,颱風生成頻率之網格間距為5°x5° 經緯網格。
▍ 本圖取自Tu et al., 2020

 結語


從氣候平均的角度來看,西北太平洋-南海海域的颱風整體移動路徑,和太平洋副熱帶高壓的季節性變化,有高度關聯,當副高脊線位置隨季節往北以及往南移動的過程,同時也會帶動颱風移動路徑的轉變。從長期變化趨勢來看,秋季通過鄰近東亞地區120-130°E經度範圍的颱風,往北移動的個數明顯增加,這樣的結果對東亞地區的降水勢必有正向貢獻,而這樣的轉變趨勢是否會受到暖化影響而持續維持?還是這僅是年代際變化的一部分?未來值得持續關注。


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涂建翊
國立彰化師範大學地理學系教授