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2021/06/16 臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台電子報049期 489 點閱人次
封面故事

臺灣空氣品質與氣候變遷(II)-氣象與空氣品質模擬結果驗證

作者:蔡宜君 中央研究院環境變遷研究中心 助研究員
謝佩蓉 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員
李貞潁 中央研究院環境變遷研究中心 研究助理
鄭兆尊 國家災害防救科技中心 副研究員
許晃雄 中央研究院環境變遷研究中心 特聘研究員

 

臺灣地區空氣品質的季節特徵明顯,夏季空氣品質良好,秋天至隔年春天則易發生空氣品質不良事件,顯示氣象場對空氣品質影響甚大[1][2]。瞭解氣候變遷對臺灣空氣品質的影響,首先透過近十幾年觀測資料統計臺灣地區空氣品質的時空特徵(此部分已刊登在TCCIP電子報第034期),並進行現在及未來氣候狀態下,區域大氣及空氣品質模式模擬工作,未來將以此資料為基礎,進行不同氣候變遷情境的模擬,並用以討論氣候變遷對空氣品質的影響。本篇電子報討論現代氣候狀態的模擬結果與觀測資料比較驗證。

區域大氣及空氣品質模式實驗設計

區域大氣採用美國大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)發展的區域大氣模式Weather Research and Forecasting,WRF[3],以歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5重分析資料作為初始場條件,模擬2011至2015年的臺灣地區氣象場,空間解析度為2公里。其中ERA5重分析資料為採用觀測資料再加以模擬,所產製一組三維(時間與空間)觀測數據,以彌補原始觀測資料在時空分布的不足。

另一方面,區域空氣品質模式採用美國環保署發展的第三代空氣品質模式Community Multiscale Air Quality Mode(CMAQ)4.7版[4],WRF模擬的氣象場資料,經過前處理萃取出空氣品質模式需要的氣象資料(包括逐時風場、邊界層高度、雲量等),由於人為及自然污染物的逐時排放量會受大氣狀況(例如穩定度、溫度等)影響,這些氣象資料會先使用於人為及自然污染物逐時排放量的估算,再用以驅動空氣品質模式,模擬臺灣地區污染物的時空分布以及空氣品質。

2011-2015年區域大氣模式結果驗證

由北而南,挑選5座氣象局屬測站(彭佳嶼、台北、台中、高雄與花蓮,地理位置如圖1),比對觀測與模擬的海平面氣壓、近地面溫度、近地面相對溼度、風場等資料(圖2),模式結果與觀測資料在海平面氣壓和近地面溫度的相關係數極高,達0.96以上(相關係數代表兩變數之間的線性關係強弱的相關性,值域介於-1(高度負相關)~+1(高度正相關)之間,0表示兩者無明顯相關);誤差分別在0.8hPa和2˚C以內。近地面濕度相關係數0.6以上,誤差在7-9%。風場方面,風速相關係數在0.5以上,誤差2m s-1左右。風向分別取東西風(U)和南北風(V)分量做相關,相關係數約在0.5以上。整體來說,這組模擬結果表現不錯。其中高雄和花蓮的相關性稍差,可能測站位置接近海岸,模式判斷該位置為海洋而非陸地所導致。

圖1、氣象局測站與大氣模式驗證點位分布圖,包含局屬測站(實心圓)與自動測站(空心圓)。
 

圖2、2011至2015年模式與觀測的氣象參數之相關係數 (R) 和方均根誤差 (Root Mean Square Error,RMSE)。發布海上及陸上颱風警報期間不列入計算,(a) 海平面氣壓 (SLP)、近地面溫度 (T)、近地面相對濕度 (RH) 和風速 (WS), (b) 風向分量(東西風(U)分量、南北風 (V) 分量)。
 

2011-2015年空氣品質模式結果驗證

圖3a是CMAQ模擬2011至2015年期間近地面細懸浮微粒(PM2.5)季平均濃度,臺灣地區在冬季易發生高污染狀況,其中南部進入秋季就容易發生高污染狀況,並持續到春天才減緩。若以地域區分,西部濃度高於東部,南部濃度高於北部。臭氧主要為光化反應下的二次產物,日夜變化大,高污染易發生在白天,因此圖3b以白天(8:00 AM - 7:00 PM)濃度平均探討臭氧的季節特徵,臭氧和PM2.5的分布及季節特徵相當不同,在地域特徵上除了西部較高,東部較低之外,最大的差異在於大臺中地區是另一個高濃度的地區,這與中部的局部環流及地形有關。季節變化部分,北部的高污染易發生在春秋季,中南部則以冬半年(9月至隔年2月)為高汙染季節。整體而言,模式模擬的季節特徵與環保署觀測資料分析相符合。

 

圖3、CMAQ模擬2011至2015年四季平均(a)PM2.5濃度(μg/m3)及(b)臭氧濃度(ppb)。由左而右分別為春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)與冬季(12月,1-2月)
 

臺灣地區以空氣品質指標(Air Quality Index,AQI)表示空氣品質的狀況,若空氣品質指標達橘燈以上(AQI > 100,對敏感族群不健康)則視為空氣品質不良的事件。造成空氣品質不良的指標污染物,以臭氧(O3)和PM2.5的頻率最高。將模式模擬結果與環保署分類的七個空品地區(北部、竹苗、中部、雲嘉南、高屏、宜蘭、花東)觀測數據相比,2011至2015年的日AQI值(圖4),顯示七大空品區臭氧的相關性為0.6~0.7,PM2.5相關性為0.6~0.8,整體模擬表現在西部PM2.5優於臭氧,東部則臭氧優於PM2.5

圖4、2011至2015年七個空氣品質地區的日AQI相關係數(R)以及方均根誤差(RMSE)。
 

模式結果誤差來源

本文前兩節分別介紹氣象模式以及空氣品質模式的模擬結果,而既然稱之為模擬,勢必與實際情況有所出入,接下來簡單討論模式誤差的可能來源。

首先以氣象模式WRF的結果與中央氣象局測站資料進行比對驗證,圖2顯示模擬的海平面氣壓和近地面溫度與觀測資料的相關性相當高,表示模式對於這兩個參數掌握度佳;另由於臺灣地形地貌變化大,模式的地形及土地利用資料解析度較粗,導致模式無法完全掌握細部特徵,故造成近地面相對溼度和風向風速的相關性則較低。

在空氣品質模式CMAQ的部分,除了氣象資料的誤差,另一個誤差的主要來源是污染物排放量。污染物的排放量是執行空氣品質模式必備的輸入數據,依污染物來源可區分為人為排放與自然排放兩大類別,目前臺灣地區排放清冊(Taiwan Emission Data System,TEDS)由環保署委託民間顧問公司,三年進行一次臺灣地區排放量之推估,包括固定污染源(點、線、面源)及移動污染源等;TEDS所估計出來的排放量為年平均值,各項誤差來源(季節變化、週間變化、日夜變化)相當大,需進行多次調整。自然排放源的揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)對郊區臭氧濃度貢獻甚大,是依據土地利用、葉面積指數、植物種類、日照、溫度變化等進行每小時排放量的估算,自然源VOCs的觀測資料較少,待更多觀測資料的收集,期許能進行更全面的模式結果驗證。

 

參考文獻

[1]李清勝,1992:影響台北地區懸浮微粒濃度變化之氣象分析。大氣科學,20,341-361。
[2]李清勝、俞家忠和王天胤,2000:導致台灣地區高污染之氣象分析與預報。環保署研究報告EPA-89-U1L1-03-086。
[3]Skamarock, W. C., J. B. Klemp, J. Dudhia, D. O. Gill, D. M. Barker, M. G. Duda, X.-Y. Huang, W. Wang and J. G. Powers, 2008: A Description of the Advanced Research WRF Version 3, NCAR Technical Note NCAR/TN-475+STR, doi:10.5065/D68S4MVH.
[4]Byun, D., and K. L. Schere, 2006: Review of the governing equations, computational algorithms, and other components of the Models-3 Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeling system, App. Mech. Rev, 59(2), 51-77. doi:10.1115/1.2128636.

 

延伸閱讀

  1. 臺灣空氣品質變化與氣候變遷TCCIP電子報第034期
    https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_newsletter_one.aspx?nid=20191202172107
  2. MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 中級解析度成像分光輻射度計
    https://www.csrsr.ncu.edu.tw/rsrs/satellite/MODIS.php
    https://terra.nasa.gov/about/terra-instruments/modis
  3. 重分析資料與氣象研究之應用 TCCIP電子報第020期
    https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_newsletter_one.aspx?nid=20180703142159

 

 

 

常問問題
Q : 為什麼都市地區不一定是污染物濃度高的地區?

影響一地污染物濃度的原因,包括污染物排放量、污染物在環境的傳送(包括水平及垂直方向)、污染物之間的化學反應等因素,雖然都市地區的污染物排放量較高,但加上地表、氣象條件等因素影響傳送和化學反應,最後污染物濃度高的地區,並不一定是污染物排放量高的地區。舉例來說,都市裡主要的汙染源來自工業污染和機動車輛汙染等等,如果當時大氣屬於穩定的狀況,則污染物容易在原地累積;反之若大氣風速大,污染物則容易被傳送到下風處。另一個因素則是化學反應,污染物之間的化學反應需要時間,以二氧化硫轉換成硫酸的過程來說,當二氧化硫從煙囪排放出來,在大氣間擴散時,同時在進行轉換成硫酸的過程,因此下風處的硫酸濃度通常比煙囪附近高。

名詞小櫥窗
人為排放源與自然排放源

空氣污染物來源主要為「自然界的釋出」以及「人類活動的製造」。自然界的釋出包括沙塵暴、火山活動、海鹽飛沫、森林火災、地殼岩石風化等自然現象所引起產生的;而人類活動的製造,可分為固定源(主要指工業污染)、移動源(主要指機動車輛污染)、逸散源(主要指營建與農業污染)與其他(餐飲與金紙燃燒等)。

資料來源:環保署-空品小百科-空氣汙染物來自哪裡?

光化反應

空氣人為排放的氮氧化物及易揮發性的有機物等空氣污染物因大氣中光化學作用生成臭氧等衍生性空氣污染物,光化反應產生與否與紫外線強度有關,當白天雲量偏多則不利於光化反應作用,反之雲量偏少則有利於光化反應產生,特別是在炎熱、陽光普照的情況之下,會使空氣中的臭氧濃度升高,進而影響空氣品質。

資料來源:環保署-空品小百科-汙染物特性

TCCIP最新消息
【新資料上架】網格化衛星日射量資料上架

TCCIP計畫團隊與中央氣象局合作,採用日本地球同步衛星MTSAT-2及向日葵8號的可見光反照率及紅外線亮度溫度資料,以日射量反演程式估算臺灣地區地表所接收的太陽輻射量,建立全臺五公里解析度的網格日資料。

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氣候變遷新聞
一項研究分析了從1955年到2010年的700萬條數據,共涵蓋了48,661物種,如鯨魚、水母和珊瑚等;發現隨著溫度上升,游泳生物數量在赤道處下降,而且物種豐富度下降的區域也在擴大。顯示出由於全球暖化使赤道附近的生物減少了,此處逐漸改變的生存環境對某些生物來說已經不再適合了。 這項研究顯示,海......
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