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上天下地──淺談龜山島地形與地質

上天下地──淺談龜山島地形與地質

圖文／梁勝雄 美國太空總署於1月22日介紹我國宜蘭外海的活火山──龜山島！ 龜山島有哪些特殊地質景觀呢？ 讓筆者帶您上天下地，一探究竟～ 2022年1月15日南太平洋島國東加王國境內的洪加東加-洪加哈阿派火山（Hunga Tonga–Hunga Ha’apai volcano）噴發，震撼全球！可能因為這原因，1星期後的美國太空總署地球觀測（Earth Observatory）網站每日影像，報導了我國的龜山島（圖1）；此外，2015年年初，國際知名網站「在地球上時（When on Earth）」選出國際間12座地貌特殊的島嶼，我國龜山島也名列其中，顯示龜山島不只在國人心中有著一定地位，更在國際間逐漸嶄露頭角，然而龜山島可不是現在才有名，在古代也是。 「曉峰高出半天橫，環抱滄波似鏡明。一葉孤帆山下過，遙看紅日碧濤生。」清代官員烏竹芳，時任噶瑪蘭通判時，看到龜山島所寫下的動人詩句，此即龜山島八景之一的「龜山朝日」。不過看官們有沒有想過，龜山島是如何生成？龜山島的自然環境又是如何？龜山島又有哪些特殊的地質景觀？ 圖1. 1月22日美國太空總署地球觀測網站每日影像介紹我國龜山島。 影像來源：美國太空總署 網址：https://reurl.cc/nEy9G1（2022/2/24檢索） 宜蘭平原與龜山島的起源 從衛星影像能觀察到臺灣東北角有一個「三角形」的平原，稱為宜蘭平原（或稱蘭陽平原），面積約330平方公里，其西北面與南面為山地，東側臨海（圖2）。學者依多年的陸地與海洋之地質科學與地球物理探勘及研究，普遍認為宜蘭平原主要受到「弧後擴張（Back-arc Spreading）」的影響而生成。 原來菲律賓海板塊往北與歐亞板塊碰撞聚合，形成「琉球-臺灣弧溝系統」，整個弧溝系統由北往南為東海大陸棚、沖繩海槽（琉球島弧弧後盆地）、琉球島弧、南澳海槽（琉球島弧弧前盆地），以及琉球海溝。因菲律賓海板塊岩石圈的西邊邊界以每年數公分的速率向西移動造成沖繩海槽弧後擴張作用向西延伸，使得臺灣北部區域處於伸張應力的環境之中，進而形成宜蘭平原與臺北盆地。 距離宜蘭平原東方10餘公里，拉張的海槽中，有一座於20萬年前左右開始形成的火山島嶼，人們賦予其名為龜山島，又稱龜山嶼。根據研究，龜山島西邊火山碎屑岩中的安山岩塊，含有相當多的石英砂岩包裹體，地質學家利用熱螢光定年法測得石英之年代約為7000年，其上尚覆蓋有兩層熔岩流和兩層火山碎屑岩，暗示過去7000年以來，龜山島最少有4次火山活動的地質證據。 龜山島現今東西長約3.1公里，南北長約1.6公里，全島面積約2.8平方公里，地形、地質特色為兩座火山島，龜首與龜甲，以及龜尾構成（圖3）。此外，尚有海蝕洞（圖4）與岩礁等特殊景觀。進一步，依首、甲、尾，分段描述。 圖2. 福衛二號「眼」中的宜蘭平原 影像中的黃圈即為龜山島所處位置 影像來源：國立中央大學太空及遙測研究中心 圖3. 龜山島衛星影像 影像來源：GOOGLE Earth 圖4. 因長期受到海浪拍打侵蝕而形成「海蝕洞」 因龜山島海蝕洞狀似眼鏡，當地漁民又稱其為「眼鏡洞」。 龜首影像 （圖5） 龜首位於全島東方，主要由安山岩（質）火山碎屑所堆積而成，最高處海拔約240公尺，地形上東高西低，沿海岸岩壁陡峭。由影像中可觀察到龜首東方海面被染白。原來是因龜山島周邊60海浬內仍有70座火山，其中10餘座尚屬活躍。龜山島是唯一露出水面的，雖然目前龜山島屬於休眠火山，不過據觀測其底部尚有岩漿活動，熱液中夾雜硫、氣體等，順著硫氣孔（圖6）與噴氣孔溢出，便將海面渲染成白色。也因硫氣孔和噴氣孔的存在，使龜首岩壁受「熱水換質作用」影響，導致岩層呈現土黃色，同時強度也隨之降低，崩塌入海形成今日景象（圖7），過去除了搭船或是乘坐飛機之外，從臺灣本島是無法直接從這角度觀賞龜山島的壯麗，然而現在藉由衛星影像融合數值地形模型之技術，讓我們在室內也可以輕鬆觀察。 在龜首西面與龜甲相連處為一長寬各約400公尺的「龜頸」草原，此處是世上罕見接近海平面連接兩火山的「啞口」。不僅在臺灣附近離島難以發現，在以火山著名的冰島、夏威夷等地也沒有此類型火山啞口報導的紀錄。 圖5. 龜首影像 影像來源：GOOGLE Earth 圖6. 龜山島之硫氣孔，將海面染成乳白色；同時，也暗示其底部尚有熱液活動。 圖7. 由龜山島東南方海面觀察現今龜首峭壁地形景觀。 龜甲衛星影像 （圖8） 龜山島的主體「龜甲」，其南面為火山碎屑構成的峭壁地形（圖9），坡度在45度以上，而北面與東面則是「嶺脊」地形為主（圖10）。嶺脊除了東側有一條主要嶺脊外，最多嶺脊地形發育在北側，都是熔岩流向北流動入海所形成，坡度平均約30度，在海上觀察清晰可見熔岩流形成的嶺脊向上突起。 龜山島最高峰位於龜甲中央偏南的401高地，原始海拔為398公尺，後因軍事與火山觀測等原因，於山頂加建3公尺高的觀測塔，故稱之。如果您登頂細細觀察，便可發現中央地質調查所於2008年10月在島上所建立的地殼變動觀測基準點（圖11），藉由衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS），長期觀測龜山島地殼變動的些微變化。為了維護島上生態，每日僅提供限量名額供民眾前往401高地，也顯示政府保護當地生態與環境的決心。 圖8. 龜甲衛星影像 影像來源：GOOGLE Earth 圖9. 由龜山島東南方海面遠眺龜甲火山地貌—峭壁地形 圖10. 由龜山島東北方海面遠眺龜甲火山地貌—嶺脊地形。 圖11. 龜山島上地殼變動基準點位 龜尾影像 （圖12） 位於龜山島西緣的龜尾，外型近似等腰三角形，為綿延約1公里之礫石灘。藉由一獨立熔岩丘與龜甲相連結，由侵蝕至龜山島上的安山岩岩礫所組成。影像中可觀察到一長方形湖泊，名為龜尾湖（圖13）。龜尾湖原為淡水湖，後來島上居民引海水進湖，本希望成為漁港，然因颱風關係，造成山崩而再度堵塞，現在是鹹淡各半的湖泊。 目前島上出入主要仰賴龜尾北岸的人工漂浮港口，如果東北季風增強時，則改由南岸的港口進出與撤離。龜尾因冬、夏季風向不同及海流產生的潮流夾帶流石而南北移動，形成龜山島八景之一的「靈龜擺尾」（圖14）。 圖12. 龜尾影像 圖13. 龜尾湖全景 圖14. 龜山島八景之一「靈龜擺尾」 後記 在過去7000年間，龜山島有4次噴發紀錄，但不同於洪加東加-洪加哈阿派火山缺乏觀測儀器與資料，我國中央氣象局、中央研究院地球科學所與中央地質調查所等機關單位合力於島上布設微地震站、連續地溫測站，以及地殼變動基準點與衛星導航系統連續觀測站（圖15）等設備，定期觀測龜山島。 據文獻記載，龜山島最早於清咸豐年間就有居民永久定居。而後，因軍事需求，全島實施管制，增加不少軍事防禦工事；近年來人造衛星影像應用普及，加上龜山島開放觀光，世人也得以揭開其神秘面紗，一睹她美麗婀娜的形態，讚嘆大自然巧奪天工之妙，有機會踏上401高地，不妨與觀測基準點合影留念喔！ 圖15. 經濟部中央地質調查所於龜山島設立之衛星導航系統連續觀測站。 延伸閱讀 [1] 美國太空總署地球觀測，2022。龜山島（Guishan Island）。2022/2/24檢索： https://reurl.cc/A7v0Qp [2] 李昭興（2010）海洋與火山的雙重難題─龜山島的火山知多少？科學月刊，第41卷，第9期，489號，681-685頁。 [3] 宋聖榮（2007）東北角的火山島─龜山島。地質，第26卷，第3期，第37-48頁。 [4] 莊文星、張郇生、陳汝勤（2011）由龜山島地質地形自然景觀變遷探討該島火山活動的盛衰史。經濟部中央地質調查所彙刊，第24號，第155-188頁。 [5] 陳棋炫、謝有忠、曹恕中（2011）環遊龜山島看火山地質。地質，第30卷，第3期，第50-55頁。 [6] 謝有忠（2012）空載光達看臺灣北部火山島嶼。地質，第31卷，第2期，第36-41頁。 地理課程動手觀察 「靈龜擺尾」是一項短時間能觀察到變化的地形特徵，利用GOOGLE Earth的「顯示歷史圖像」功能（圖16），能選擇過去的歷史影像，藉由比較不同時間不同季節的多時期歷史影像，配合地圖比例尺能觀察與計算龜尾長度、面積改變的差異，若能搭配不同時間的季風與洋流變化進行討論，將是有趣的地理教學實驗課。 圖16. GOOGLE Earth顯示歷史圖像功能。點選1會出現2的條標，便能選擇歷史影像。 梁勝雄 經濟部中央地質調查所

我國氣象觀測站網的建置和演進（三）臺灣東部地區

我國氣象觀測站網的建置和演進（三）臺灣東部地區

文／陳正改 前言 今（2022）年3月23日凌晨1點41分在花蓮近海發生芮氏規模6.6的大地震，全臺有感（詳見圖A）。當地震發生時，花東地區狂搖達55秒之久，北部地區亦明顯感覺搖晃約30多秒，讓許多民眾自睡夢中驚醒。主震之後，餘震持續不斷，3月23日當天就連續發生70個有感地震，最大規模竟達6.1，讓大家心有餘悸；緊接著3月24日和3月25日亦各發生13個及5個有感地震（詳見圖B及圖C）。於是地震學者與專家均呼籲：臺灣已進入地震活躍期，未來恐有規模8以上強震發生的可能性，大家務必提高警覺，並要做好防震、防災的準備工作。 圖A. 臺灣於2022年3月23日凌晨1點41分發生規模6.6地震之震央位置和各地震度圖。 取自：中央氣象局 圖B. 花蓮近海主震與餘震的震源分布剖面圖（NCDR） 2022年3月23~25日花蓮近海發生規模6.6地震 圖C.主震與餘震的震央分布圖（NCDR） 2022年3月23-25日花蓮近海發生規模6.6地震 中央氣象局地震測報中心陳國昌主任接受媒體訪問時，表示：臺灣過去的地震有70%是發生在東部外海，另外的30%則是發生在陸地，主要均是集中在斷層帶附近。而臺灣本島共有36條斷層帶，且臺灣中南部地區已經很久沒有發生大地震。所以陳主任特別強調中南部地區將有誘發地震的潛在風險，防救災相關單位和全國民眾必須要加以注意，並預先做好各項防範措施。 為了能及早且準確的預測天災地變發生的時間和地點，以便適時提出預警，讓民眾及防救災單位採取防護措施和應變作為，中央氣象局藉由布建完整的自動氣象觀測站網和強地動監測站網（圖D）、發展準確的氣象預報技術和快速的地震預警系統、以及開創全面的氣象服務（例如：透過手機即時發布國家級警報的預警訊息）等具體方案，經過多年來的努力，業已有顯著的績效，並獲得全國各界的肯定。 圖D. 「臺灣強地動監測站網（TSMIP）」分布圖（中央氣象局） 自由場強震站以紅色表示，山區強震站以藍色表示。 本文針對我國現有的28個綜觀氣象觀測站，按照其所處的地理位置（北、中、南、東及離島）和建置的歷史脈絡予以彙整（即是指各氣象觀測站設置的年代；並以位在同一區域的氣象站，其設立時間的先後依序敘述）。由於內容豐富、圖片甚多，分四期刊登，分別闡述各氣象站當初設置的緣由和演進，以及具悠久歷史和文化價值的測站特色，與大家分享，並共同見證我國氣象觀測技術一百多年來的發展歷程。本期主要著重於介紹東部地區的氣象觀測站；至於北部和中南部地區的氣象站，請參閱本刊第61卷第1期（2022年2月號）以及第2期（2022年4月號）的內文介紹。 臺灣東部地區的氣象觀測站 十七、臺東氣象站 設立緣由 侵襲臺灣本島的颱風，大部份均孕育於西北太平洋海域，臺灣東半部的宜蘭、花蓮和臺東常是首當其衝；簡單的說，臺東地區（尤其是蘭嶼）是颱風侵襲臺灣的前哨站。所以及早且準確地獲取該處的氣象觀測資料，對颱風動態的研判是極為重要。 臺灣總督府於1896年開始規劃設置測候所時，即曾於東海岸選定站址，但因當時東部尚未架設電信設備，且交通極度艱難，乃延至1901年1月才於臺東正式設站，站名為「臺灣總督府氣象台臺東測候所」。1945年臺灣光復後，改名為「臺灣省氣象局臺東測候所」，1989年8月正名為「中央氣象局臺東氣象站」。 臺東氣象站於日治時期剛建站時，其站址為清兵的軍營，附近僅有稀落的平房數間；廳舍為木造覆瓦的一層建築（圖17-1），內部空間有事務所、地震儀室和風力塔。1953年曾仿日式舊有的樣貌，重建辦公廳舍和風力塔；1972年再度整修。2012年9月下旬，東海岸地區遭到一連串的嚴重雷擊，臺東氣象站的氣象、地震、通訊、電腦等所有設備，和監視系統皆完全受損，以致觀測資料中斷多時。考量到辦公廳舍已老舊，且不敷使用，於是在2015年11月開始興建新的辦公廳舍，並在2017年2月竣工落成啟用（圖17-2）。臺東氣象站的辦公廳舍，雖歷經多次的拆除、重建或整修，仍保有些許和鄰近建築相輝映的仿木造外觀。 圖17-1. 於日治時期所興建的臺東測候所，係日式的木造建築 圖17-2. 2017年2月15日落成啟用的新建臺東氣象站主體建築 ▍ 臺東氣象站新建廳舍擁有高挑斜瓦屋頂，外表則覆以仿木式雨淋板，並以落水器取代雨水排水管，除可防雨抗風，亦具有木造建築的優雅，與鄰近建築相輝映。 測站特色 臺東氣象站設站至今業已屆滿兩個甲子年，歷史相當悠久。站址位於臺東市區東隅，距海不遠；且周邊高層建物仍少，觀測環境仍屬理想（圖17-3）。站內的琉球松（大黑松）（圖17-4）與緬梔（雞蛋花）（圖17-5），雖經歷百年歲月的滄海桑田，仍屹立不搖，堪稱鎮站二寶。 圖17-3. 臺東氣象站的風力塔 圖17-4. 臺東氣象站的鎮站之寶－百年琉球松（俗名大黑松） 圖17-5. 臺東氣象站的鎮站之寶－緬梔（俗名雞蛋花） 早期氣象站都會種植一些特別的花卉和樹種，主要是配合「物候」觀測。因為有其特殊目的，不同的氣象站、其地理環境有所差異，以致種植的花、樹之種類也就各不相同！藉由長期觀察氣象站內所種植的花、樹之生長情形，希望能找出與氣象因素的對應關係。臺東氣象站的「琉球松」（大黑松）為常綠的大喬木，原產於琉球群島，雖歷經百餘年的風雨，仍展現出蒼勁的風華；而「緬梔」（雞蛋花），屬夾竹桃科，乳液有毒；春、夏、秋季時，花繁葉茂，冬季則花葉落盡。「琉球松」（大黑松）和「緬梔」（雞蛋花）這兩棵樹花在臺東氣象站內已存活近百年的歷史，相當難得且珍貴。 周圍環境 臺東縣位居臺灣之東南隅，其縣治中心-臺東市則位於花東縱谷南端的卑南溪三角洲上，西、南依中央山脈、北有海岸山脈、東臨太平洋。秋冬季節，當東北季風盛行時，臺東市正好位在卑南溪口之下風處，於是風沙彌漫；春夏季節，受到強盛西南氣流或颱風接近影響，暖濕空氣翻越西、南方的高山後，因沉降作用常形成高溫且乾燥的焚風。平時因臨近中央山脈和太平洋，受到海洋及海陸風的調節，氣候還蠻舒適宜人。 十八、花蓮氣象站 設立緣由 花蓮港於日治時期興建完工之後，即成為臺灣東部的海上交通樞紐。臺灣總督府鑒於外海風浪及海象變化，將會影響到海上船隻航行和進出港口的安全，乃於1910年10月決定建置花蓮港燈塔，同時增設氣象觀測設施，委由燈塔人員兼辦；自此就建立屬於海關的「花蓮港燈塔測候所」，開始氣象觀測任務。 直到1921年8月才自立門戶，正式成立「臺灣總督府氣象台花蓮港測候所」；其辦公廳舍於同（1921）年9月竣工落成啟用（圖18-1），係一棟木造覆瓦的建築。 圖18-1. 1921年9月興建完工的花蓮港測候所 1945年臺灣光復之後改為「臺灣省氣象局花蓮測候所」。1951年10月22日清晨5時34分，花蓮發生芮氏規模7.1的強烈地震，花蓮測候所的辦公廳舍嚴重受損，於是在1952年除保留原有的風力塔之外，將所有的建築物予以拆除重建，但仍延續木造覆瓦的建築結構形式。1986年為因應增設高空氣象探測業務之需，新建一棟現代化的四層樓鋼筋混凝土結構的辦公大樓（圖18-2）以及風力鐵塔（圖18-3）；於1987年6月竣工落成啟用。1989年8月正名為「中央氣象局花蓮氣象站」。 圖18-2. 花蓮氣象站辦公大樓，於1987年6月落成啟用。 花蓮氣象站辦公大樓樓頂的白色圓球，係追蹤高空氣象探測儀的雷達罩；風力鐵塔則單獨設置在大樓的右側。 圖18-3. 花蓮氣象站的風力鐵塔。 各式各樣的風向風速計安裝於鐵塔的各層高度，以便監測花蓮地區的微氣候變化。 測站特色 花蓮氣象站為臺灣東部地區氣象站網的樞紐中心，平常肩負地面氣象觀測（圖18-4）、高空氣象探測、東部雨量遙測、大氣污染偵測、地震監測和天氣預報、防災宣導、資料提供等任務及服務。 圖18-4. 花蓮氣象站的觀測坪 花蓮氣象站自1987年8月起，即裝設高空氣象自動測報系統（圖18-5），每日兩次（颱風警報期間則增為四次，或特定需求時，如梅雨期間，亦會加放） ，偵測臺灣東部高空大氣層的氣象要素，提供天氣分析和預報之用。 圖18-5. 花蓮氣象站施放高空氣象探測儀 花蓮因位於臺灣東部地震帶上，地震發生的頻率相當的高；為了得以即時監控，花蓮氣象站內就有安裝強震儀、強震加速度儀，另於花蓮縣境內裝設即時地震站6個、速報強震站12個，遇到地震時，即可將所蒐集到的即時訊息，立即傳回台北的中央氣象局地震中心，提供其分析和研判，進而發布地震消息和預警防護作為。 周圍環境 花蓮的地形屬狹長型，北迴歸線正好通過瑞穗鄉，致使瑞穗以北屬副熱帶氣候區，瑞穗以南則為熱帶氣候區。另因受到黑潮洋流的調節以及中央山脈阻隔影響，氣候相對溫和，雨量亦充沛；夏季常遭受颱風的侵襲，冬季因盛行東北風，風力較強勁。 整體而言，花蓮地區的氣候相當舒適且宜人，適合居住，尤其銀髮族們更可在此養老；唯地震常無預警地時而發生，以致驚嚇了不少到此旅遊和暫住的外地人士! 十九、宜蘭氣象站 設立緣由 基於軍事作戰對於氣象情報之殷切需求，日治時期的臺灣總督府於1935年12月即設立宜蘭測候所，次（1936）年1月起借用宜蘭無線電局的機房，開始執行地面氣象觀測工作。1936年3月宜蘭測候所的新建辦公廳舍、風力塔和觀測坪完工啟用（圖19-1），宜蘭地區的氣象測報業務即遷往新址正式運作。 圖19-1. 興建於1936年的宜蘭氣象站，係日式的木造及磚造的平房廳舍。 此照片拍攝於臺灣光復初期。 臺灣總督府考慮日益繁忙之民用航空業務，極需航空氣象資料的配合，特在位於金六結之宜蘭飛行民用機場旁邊，建造機場出張所的辦公廳舍及觀測坪，於1939年7月竣工，並在次（1940）年1月成立「宜蘭測候所宜蘭飛行場出張所」；一直運作到1973年1月宜蘭民用機場關閉之後，才結束飛行場之氣象觀測業務。 1945年11月宜蘭測候所的名稱改為「臺灣省氣象局宜蘭第一測候所」；1953年12月更名為「臺灣省氣象局宜蘭測候所」；1979年10月宜蘭氣象站的新建辦公室落成啟用（圖19-2）。1989年8月正名為「中央氣象局宜蘭氣象站」。2002年10月拆除與力行國小相鄰之圍牆，力行國小的師生即可共享宜蘭氣象站俱有的庭院和氣象設施（圖19-3）。 圖19-2. 宜蘭氣象站的辦公廳舍 圖19-3. 宜蘭氣象站的觀測坪 測站特色 宜蘭縣位於臺灣東北角，東臨太平洋，秋冬季節面迎東北季風，因而從海上帶來豐沛的水氣，加上夏季颱風經常侵襲，因此沒有明顯的乾（旱）季。每年的5~6月是梅雨期；7~8月的降雨日數較少，但颱風卻常帶來豪雨；9月中旬～11月主要是受到東北季風的吹拂，此時若菲律賓或巴士海峽附近有颱風生成，則東北季風和颱風環流將會產生共伴效應，宜蘭地區受到此雙重作用之影響，則會出現持續性的豪雨；12月～翌年4月仍盛行東北風，天氣以綿綿細雨為主。 周圍環境 宜蘭市位於臺灣東北端蘭陽三角洲（蘭陽平原）中心稍北處，三面環山，東臨太平洋，近海的龜山島朝夕可見。 民國八十年代以前，由於宜蘭氣象站地處郊區，周圍除南側的建築物稍為密集外，其餘均屬低矮民房，尚不致影響到氣象站的觀測業務。但自力行國小設立之後，由於校舍緊鄰氣象站，多少影響到觀測業務的運作；原本的風力塔也已喪失測候的功能，故於1999年9月另行興建一座多功能的風力鐵塔（圖19-4），以茲應用。 圖19-4. 宜蘭氣象站多功能的風力鐵塔 宜蘭氣象站擁有三十公尺高的多功能風力鐵塔；風向風速計和日照儀及日射儀，安裝在風力塔頂的四周圍；自動雨量和氣象站之遙測系統的中繼天線桿，則設在鐵塔的中間處。另，為監測當地微氣候變化的各式風向風速儀，則裝置在鐵塔各層的固定高度。 二十、大武氣象站 設立緣由 由於臺東海岸線相當長，為了監測颱風的動態以及五、六月期間東海岸時常出現的「焚風」天候特徵，臺灣總督府乃於1939年設立「大武出張所」。由於地處偏遠，交通不便，設站時的觀測儀器和設備極為簡陋；臺灣光復後始逐步汰舊換新，現已全部裝置最先進的自動化遙測設備（圖20-1及圖20-2）。資料的蒐集相當即時且準確，可節省龐大的人力和物力。 圖20-1. 大武氣象站的觀測坪 圖20-2. 大武氣象站的風力塔與變化多端的雲層，相映成趣。 臺灣光復後更名為「臺灣省氣象局大武測候所」；1989年8月正名為「中央氣象局大武氣象站」。 中央氣象局目前正積極推動在雲林縣及苗栗縣各建置一座綜觀氣象站，為當地民眾提供全天候的氣象服務和適時的防救災預警資訊。未來會將大武氣象站變更為自動站，委由臺東氣象站就近管理，並將其員額編制移撥給新成立的「雲林氣象站」。 測站特色 大武氣象站於日治時期成立時，即興建一棟風力塔與辦公廳室共構的典型建築（圖20-3）。其主體外貌從建站至今，一直沒太大的改變；直到1987年3月，才在緊鄰辦公廳左側另增建一間氣象作業室；屋頂則由原先的日本瓦改成水泥瓦，但仍維持兩坡形式的斜屋頂，以利排水。 圖20-3. 大武氣象站全景 周圍環境 大武位於東部海岸公路上，靠山面海，幾乎無平坦的腹地；民房只能沿著公路兩旁依序興建，全長約500~600公尺，是一個道地的小鄉村，居民以捕魚為主。 大武氣象站位於大武村的最南端，由於原有公路狹窄且不敷容納來往的車輛，公路局乃於1986年在氣象站後面，另闢建一條12公尺寬的外環道路，用以紓解當地的交通。大武氣象站正好夾在兩條公路之間，已失去往昔的寧靜。 二十一、成功氣象站（臺東氣象站成功站區） 設立緣由 成功氣象站建立於1940年元月，當時稱為「臺灣總督府氣象台新港出張所」（圖21-1），是因為此地為新開闢的漁港，故站名也稱為「新港出張所」。 圖21-1. 1940年興建落成的成功氣象站 臺灣光復後改為「臺灣省氣象局新港測候所」；1989年8月正名為「中央氣象局成功氣象站」。2013年7月起，成功氣象站原有的員額編制，全部移撥給位於桃園市新屋區新成立的新屋氣象站（請參閱本刊第61卷第1期「我國氣象觀測站網的建置和演進（ㄧ）臺灣北部地區」有關新屋氣象站的內文說明），並改為自動氣象站，但仍繼續維持原先具有的地面氣象觀測、地震監測和海象遙測（波浪及潮位）。目前整個場站的管理和維護，則由臺東氣象站就近負責，名稱亦變更為「臺東氣象站成功站區」。 測站特色 成功氣象站亦為辦公廳舍與風力塔共構的典型氣象建築；主體建築自日治時期興建至今，並無太大的變化，僅四坡式的木製屋頂（四邊為斜屋頂，以利排水），因年代久遠腐朽而拆除，改建成水泥平頂式（圖21-2）。室內空間的配置，也只有稍許的變動而已。 圖21-2. 臺灣光復後，重新整建的成功氣象站。 成功氣象站位於臺東縣成功鎮東南方的丘陵上，地處偏僻，四周均是稻田，地勢平坦且廣闊，是相當理想的氣象觀測場所。測站後方為海拔1,500公尺的海岸山脈，站前800公尺處則為高約30公尺的斷崖，太平洋的黑潮就流經此處。成功氣象站就是位處依山傍海、清幽如畫的環境之中（圖21-3）；不遠處的新港漁港咫尺相望，天氣晴朗時，50公里外的綠島也清晰可見。 圖21-3. 依山傍海的成功氣象站景色，猶如一幅世界名畫，正是世人的天堂。 周圍環境 成功鎮位於臺東縣東北部、海岸山脈東麓，面臨太平洋海域，屬海洋性氣候特徵。另，因受到黑潮洋流的影響，冬季氣溫較同緯度的臺灣西部稍高；夏季時常受到颱風的肆虐，所以颱風是本地最主要的天然災害。 二十二、蘇澳氣象站 設立緣由 民國六、七十年代中央政府積極推動十大建設，帶動臺灣經濟的整體發展，終使臺灣成為亞洲四小龍之首。十大建設期間，中央氣象局全力配合各施工單位之需求，適時提供準確的天氣預報和颱風預警等相關的氣象資訊供其應用和參考。 1979年蘇澳建港時，基於港區業務及建港工程之需要，當時的基隆港務局蘇澳港分局就在港區的碼頭設立臨時性的測候站，從事地面氣象和港口波浪及潮汐等海氣象之觀測。 中央氣象局應蘇澳港工程處之需求，於1979年3月即在蘇澳港行政大樓的六樓，設置宜蘭氣象測站蘇澳辦事處（圖22-1），由宜蘭氣象站派2位職員駐守，每天定時提供最新的天氣預報與颱風警報等資訊給蘇澳港分局。至於港區的地面氣象測報工作，則與蘇澳港工程處合作，由該處所屬的港口測候站負責蒐集氣象資料，再傳送給宜蘭氣象站蘇澳辦事處，作為天氣分析、研判和預報之依據；此即為蘇澳氣象站之前身。 圖22-1. 蘇澳氣象站的辦公廳舍與風力塔，分別設於蘇澳港行政大樓的6~7樓。 1981年7月正式成立「中央氣象局蘇澳氣象測站」；12月蘇澳港工程處即將地面觀測業務及觀測儀器等設施移交給蘇澳氣象站，但仍在港區碼頭原址繼續蒐集地面氣象觀測資料。由於港口測候站與行政大樓相距約2公里，通訊聯絡和業務管理相當的不便，於是蘇澳氣象站於1984年6月在行政大樓六樓東南側的陽台上闢建觀測坪（圖22-2）； 1985年1月就將港區碼頭的地面觀測業務遷併至大樓同址；至於潮汐觀測則交由蘇澳港務局自行負責。1989年8月正名為「中央氣象局蘇澳氣象站」。 圖22-2. 蘇澳氣象站的觀測坪 蘇澳氣象站在不久的將來也將功成身退，變更為自動站並委由宜蘭氣象站就近管理；其員額編制亦會移撥給新成立的「苗栗氣象站」。 測站特色 蘇澳氣象站位於蘇澳港行政大樓的六樓，其站址係向蘇澳港務局租借作為辦公廳舍及設置觀測坪之用，與梧棲（臺中港）氣象站同屬港口氣象站；當年係因應十大建設中的蘇澳港營運而設。蘇澳氣象站視野良好，往東俯瞰蘇澳港及太平洋，略往東南則可見南方澳漁港，往西為蘇澳鎮市區，南方為中央山脈，北方則為北方澳。 周圍環境 蘇澳港是一天然的海灣（圖22-3），由北方澳與南方澳（圖22-4）兩個海岬環繞而成。蘇澳位於蘭陽平原（三角洲沖積扇）的東南隅，地勢狹長，三面環山，北方及東北方有平均高度150公尺之丘陵，西方及南方為平均高度約2,000公尺之中央山脈，僅東南方是面向太平洋。由於特殊的地形效應，蘇澳地區的降水現象相當顯著，年平均雨量及雨日均高於有「雨港」之稱的基隆港。 圖22-3. 蘇澳港全景 圖22-4. 鳥瞰南方澳 結語 位處臺灣東部的宜蘭、花蓮和臺東三縣市是颱風侵襲臺灣本島的首衝，也是地震的頻發地區。早期因氣象雷達、氣象衛星、地震監測等現代化的先進科學儀器還未問世，只能靠普設氣象站和安裝簡易的觀測儀器，並派人員進駐，再以目測的方式來觀測各項氣象要素的變化和追蹤劇烈天氣的動態，以及地震發生前後地表的震動和變異狀況，同時詳加記錄和描述當地的災損情況。由此可知，早年曾在偏鄉、高山、甚至離島氣象站服務的前輩，其工作不僅辛苦，生活也相當不容易，但其精神和毅力則是值得我們後人的佩服與學習，因他們必須要耐得住寂寞，而且還要具有為民奉獻的情操。 陳正改 中央氣象局退休組長

2021年夏季的全球性極端天氣

2021年夏季的全球性極端天氣

文／盧孟明 聯合國世界氣象組織(WMO)在今(2022)年五月發布的《2021年全球氣候狀況》(State of the Global Climate 2021) [1] 指出：2021年全球平均氣溫比十九世紀後半(1850-1900)的平均氣溫高出1.11±0.13 °Ｃ，1850年至今最暖七年都在2015年之後。除此之外，2021年夏季相當特別，出現許多異常極端的天氣，包括6月29日加拿大測到前所未有的49.6 °Ｃ高溫，7月9日美國加州死谷(Death Valley)測到54.4 °Ｃ高溫，7月14、15日歐洲多處發生破紀錄連續大雨造成損失難以估計的水災，7月20日中國鄭州一小時降下201.9毫米雨水，最大的24小時累積雨量有645.6毫米，比年雨量的氣候平均值640.8毫米還多。為何在短短的一個月之內有這麼多不尋常的極端事件在各地發生？《2021年全球氣候狀況》刊出了一篇專欄[2]內容值得介紹，本文順專欄主軸以2021年夏季為例談談為何相距遙遠的各地幾乎同時遭遇極端天氣，或稱為「全球性」極端天氣。 行星尺度駐波與北極放大 專欄標題[2]點出了兩個關鍵詞：「行星尺度準駐波(quasi-stationary planetary waves)」和「北極增溫的放大效應(Arctic warming amplification)」。第一個關鍵詞包含「行星尺度波動」和「準駐波」兩個重點，前者顧名思義是具有地球尺度的大氣波動，後者指發生地點隨時間變化不大的波動。「尺度」(scale)是波動在東西和南北方向上的變化規模，以東西方向或緯度圈方向來說，若繞緯圈一週只有一個波峰（脊）和一個波谷（槽）則這是緯向波數1的波，如果這個波出現在赤道上它的波長大約為4 萬公里，在緯度60度附近也有約2萬公里的波長。稱為大尺度行星波的波長規模必須在3000公里以上，換算成緯向波數須小於10。行星尺度的波動因空間範圍大，變化慢，可維持的時間比較長。 「駐波」按定義是常駐空間某區域之波動[3]。大氣中類似駐波的波動激發作用多數來自山脈阻擋和大洋與大陸之間的溫度差異，地形和海陸差異都有『常駐空間某區域』的特質，在北半球比南半球明顯。又因影響大氣運動的因素甚多，自然界並沒有類似理論那樣波峰、波谷和節點恆常不動的駐波，而是波動環境場隨季節和氣候不斷變化，因此僅能以「準駐波」形容，表示波動性質和理論駐波類似但有變化。 第二個關鍵詞：「北極增溫的放大效應」乃指氣候暖化在極區的增溫幅度比低緯度區域更大，約為全球平均增溫幅度的4倍（圖1）。「放大效應」主要與極區冰雪覆蓋面積減小有關（圖2），冰雪的反照率較高，被冰雪覆蓋的地表或海表面僅能吸收百分之三十甚至更小的太陽輻射能，氣候暖化不但減小了冰雪面積還會增加地表或海表吸熱造成加強暖化的正回饋機制，放大北極氣候的暖化。放大效應除了冰雪反照正回饋機制以外，還受到比較溫暖的洋流侵入北極海以及極區邊界層的大氣對流效率偏弱等因素的影響[4][5]，這些影響在以陸地為主的南極區域都不存在，因此極地放大作用在北極明顯高於南極（圖1）。 圖1. 近地面氣溫每年平均氣溫的60年(1960-2019)的線性變化趨勢全球分佈（上圖），及緯向平均值隨的緯度分佈（下圖）。北緯80度以北的極區氣溫60年間上升約4 °Ｃ，明顯高於其他區域。 圖片來源：美國國家冰雪與資料中心網頁https://nsidc.org/cryosphere/arctic-meteorology/climate_change.html 圖2. 衛星觀測的1979-2021年每年北極海冰覆蓋最小面積，時間都在9月，最低紀錄發生在2012年。縱軸面積單位為百萬平方公里(million square km)，橫軸起點為1979年終點為2021年。 圖片來源https://climate.nasa.gov/vital-signs/arctic-sea-ice/ 準共振放大效應 (QRA) 「行星尺度準駐波」和「北極增溫的放大效應」（以下簡稱「北極放大」）與極端天氣有什麼關係呢？專欄[2]指出藉由「準共振放大效應quasi-resonant amplification (QRA)」便可連接三者的關係。QRA幫助我們了解為何許多相距甚遠的地方都在短短一個月期間內經驗極端天氣，並且隨著「北極放大」近年來QRA越來越容易發生。解釋QRA之前需要再介紹一個名詞：「羅士比波(Rossby wave)」，這是氣象界紀念瑞典裔美籍科學家羅士比（Carl-Gustaf Arvid Rossby）在1939年即奠立了地球大氣行星尺度波動理論基礎，將中高緯度區域的行星尺度波動以他命名。 以下將用簡單好記的「羅士比波」以取代「行星尺度準駐波」。 QRA是羅士比波理論的波動和基本流場的特殊關係。羅士比波理論建立在描述地球大氣流場變化的數理模型，模型包含了處於平衡穩定態的基本流場和當平衡態受到破壞時產生的波動。理論發現若羅士比波的基本流場緯向平均風在中高緯度(55°~60°N)和副熱帶(25°~30°N)區有西風的經向極大值（離開極大值往北或往南的緯度西風都較小），波動能量無法穿過極值區向南或向北傳遞只能限制在兩個極大值之間，此限制作用對於緯向波數6-8的羅士比波特別有效，平均流場有如巨大導管讓緯向波數6-8的羅士比波在其中傳遞或消長，當碰到在山脈與地形影響明顯的波動常駐區域可產生共振放大，是為QRA效應。 西風噴流 談到西風極大值或許會聯想到西風噴流(jet stream)（圖3），大氣中緯度較高的極地噴流(polar jet stream)和緯度較低的副熱帶噴流(subtropical jet stream)確實是構成羅士比波的波導(waveguide)基本要素，有興趣的讀者可進一步研讀專欄[2]提供的參考文獻深入了解。在實際大氣，羅士比波基本流場通常用長時間（兩個月以上）平均態作為代表。 圖3. 極地噴流與副熱帶噴流示意圖。行星尺度的南北溫度差異是形成噴流的主要原因，在南、北半球緯度50-60度附近形成的噴流稱為極地噴流，緯度30度附近的稱為副熱帶噴流，前者深受極地氣溫的影響，後者深受熱帶氣溫和對流活動的影響。 圖片來源：美國氣象局網頁 https://www.weather.gov/jetstream/jet 實際大氣的駐波與QRA效應 QRA能在實際大氣看到嗎？答案是肯定的。遠離「粗糙」的地球表面，中高層大氣的溫度、氣壓和風場變化經常可觀察到行星尺度的波動變化。圖4是300 hPa 經向風在沒有QRA（1980年7月）（左圖）和有QRA （2013年5月）（右圖）的案例對照。2013年5月歐洲發生重大水災[7]，右圖看到格陵蘭東南方大西洋上以及歐亞大陸烏拉山脈上方同時出現滯留性阻塞高壓(blocking)，當時（圖略）水氣源源不斷從大西洋輸送至奧地利阿爾卑斯山區，地中海北部低壓滯留大雨不停，終至多瑙河和易北河河水暴漲潰堤，流域所經的七個國家都遭受洪水之災。圖4的左右兩圖紅、藍顏色的位置相當類似，表示山脈、海洋、陸地等地形是激發大氣波動的恆常原因，因此常駐空間某區域是駐波的固有特質。另一方面，看到右圖的顏色明顯比左圖更深，表示波動在2013年5月振幅較大，能量較高，伴隨的天氣更加劇烈。這類因平均西風強度和位置的變化產生的羅士比波和駐波的共振就是QRA效應。 2000年之後許多極端天氣事件，如：2003、2010、2018年歐洲熱浪，2013年歐洲水災，2010年巴基斯坦水災，2011年美洲乾旱以及2015年迄今頻頻發生的加州野火等等，都看到了QRA效應的影響。 圖 4. 1980年7月（左圖）與2013年5月（右圖） 在北緯 50-60度之間的 300 hPa 經向風(V) 分布圖，正值為南風(V>0)，負值為北風(V 圖片來源：https://michaelmann.net/content/climate-change-and-extreme-summer-weather-events-%E2%80%93-future-still-our-hands 北極放大影響極端天氣 「北極放大」同樣在2000年之後更加明顯（圖2），使極區與中高緯度的氣溫差距減小，極地噴流減弱（北移）。圖3所示的「極地噴流」不論是位置或強度都取決於極區平均氣溫與極區以外高緯度區域平均氣溫之間的差距，若北極暖化幅度大於極區外，等同減小中高緯區域的經向溫度梯度，使極地噴流向北極圈內退縮， QRA效應更容易發生。 熟悉了極地噴流位置和駐波強度變化，我們從這個角度再看2021年夏季的全球性極端天氣或許更能有所領悟。圖5是2021年7月的500 hPa高度場，在月平均部分呈現明顯的5波特徵，主要槽區（以紅虛線和數字標注在圖5）出現在西太平洋與東亞沿岸、東太平洋與美西、美國中西部及東岸、東大西洋與西歐、中亞等地。若聚焦在50°-60°N緯度帶，可見大致上在55°N以北以高壓距平為主，而低壓距平主要出現在55°N以南，表示駐波偏強。比較圖4和圖5可發現兩年的西歐洪水雖然發生在不同月份但駐波特徵極為相似，2021年（圖5）在55°N以北西歐區域有大片的高壓距平，和圖4看到的2013年風場特徵一致，變化緩慢的駐波伴隨著持續不斷的西風將大西洋水氣源源不斷輸入西歐，激發致災性的持續大雨。 圖 5. 2021年7月北半球500 hPa 高度場月平均值（線條）與距平值（色階），距平為與30年(1991-2020)氣候平均值的差值。月平均值清楚顯示5波特徵，波谷位置以紅色長虛線及數字標示，55°N以綠色虛線標示以方便辨識。本月的異常天氣有歐洲和中國鄭州的異常大雨，大雨的水氣來源受高度距平場影響，紫色箭頭分別標示了從大西洋往歐洲和從西太平洋往華北的西風和東風距平。 圖片來源：日本氣象廳網頁 結語 《2021年全球氣候狀況》專欄[2]強調，固然科學界目前尚不完全了解為何2000年之後北半球夏季極端天氣比以前更加頻繁和劇烈，近些年研究發現因中緯度環流變化與和北極放大效應為QRA提供了更容易發生的機會，這是值得大家注意並繼續觀察研究的重要機制。對於在亞熱帶的臺灣居民來說，或許QRA效應對臺灣夏季極端天氣的影響不大，但在冬、春以及梅雨季節臺灣的確有機會受到自中緯度南下的鋒面活動影響。那麼臺灣極端天氣與QRA效應有什麼關係呢？答案等著你我去發現。 參考資料 [1] State of the Global Climate 2021 (WMO-No. 1290) https://library.wmo.int/index.php?lvl=notice_display&id=22080#.YpyFOBNByb1 [2] Silva, José Álvaro, 2022: Northern hemisphere summer extremes: the role of the quasi-stationary planetary waves and the Arctic warming amplification. WMO-No. 1290. P40-41. [3] 科學Online編者，駐波，高瞻自然科學教學平臺，https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1358 [4] 维基百科编者，極地放大效應[G/OL]，维基百科, 2022(20220223)[2022-02-23].https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E6%9E%81%E5%9C%B0%E6%94%BE%E5%A4%A7%E6%95%88%E5%BA%94&oldid=70318351. [5] 盧孟明： 快速縮小的北極冰帽。科學發展，491期（2013年11月），66-73頁。 [6] 盧孟明：熱浪洶湧的夏天. 臺灣網路科教管，生活科學補給站。https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6841&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=15642 [7] Wikipedia contributors, 2013 European floods, Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=2013_European_floods&oldid=1092732293 盧孟明 臺灣大學大氣科學系教授

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