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封面故事

降雨頻率分析如何應用於評估氣候變遷之衝擊

作者:楊松勳 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員
劉俊志 國家災害防救科技中心 助理研究員
劉子明 國家災害防救科技中心 助理研究員
鄭克聲 臺灣大學生物環境系統工程學系 教授

重現期雨量與基礎設施工程

重現期 (Return Period) 雨量是甚麼?假設降雨量Xc表示我們關注的臨界雨量,當降雨超過臨界雨量Xc容易導致災害發生。當一降雨事件發生時,降雨量大於Xc的機率稱為超越機率 (Exceedance Probability)。由於降雨樣本資料使用年最大值降雨序列之緣故,因此超越機率和重現期 (年) 呈倒數關係,由降雨量套配後的機率密度函數,配合超越機率,可得到臨界雨量Xc,也就是特定重現期對應之降雨量。

設計基礎設施工程時,重現期雨量的計算便是利用降雨頻率分析之發生機率的概念評估可能發生的極端降雨量。以重現期100年為例,即是設定超越機率為1/100,也就是希望極端降雨的發生機率小於等於1%。工程師再依據需要的重現期的降雨量,評估可能造成設計的工程措施的危害程度,以及決定設施工程之強度。臺北市都市雨水下水道的防洪設計強度,其設計保護標準能夠處理重現期5年的極端降雨事件 (臺北市政府工務局水利工程處,2010) [1]。而新北市河川防災規劃則依據重現期25年進行設計,諸如堤防高度、橋墩強度等建設的設計值,即是以重現期25年洪水可能造成的水位上升高度和水流沖擊力來計算承受強度 (新北市政府水利局,2017) [2]。根據政府間氣候變遷專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 2021年發布之氣候變遷第六次評估報告 (Sixth Assessment Report, AR6),未來氣候變遷重現期10年強降雨事件之發生頻率可能增加,降雨亦可能增強,如表1 (IPCC, 2021) [3]。當降雨及洪流特性發生改變,若只根據以往的降雨紀錄計算參數並設計工程規模,就可能釀成預想以外的災害。例如,2017年6月中旬北海岸地區發生強降雨事件,根據事後計算,該事件強度超過100年重現期的設計降雨,其規模大於該地區河川、區域排水、雨水下水道及道路集水側溝之原設計保護標準,從而造成多處淹水情事 (新北市政府水利局,2017) [2]。因此面對氣候特性漸趨極端的未來,防災工程建設必需思考,如何將氣候變遷衝擊納入工程設計的重現期雨量及流量的計算中,進而提升災防容量。現行的區域排水防洪設施是以重現期10年之設計雨量作為保護標準 (如表2)。

表1、IPCC AR6陸地極端降雨發生頻率與強度(資料出處:IPCC, 2021 [2])

重現期10年
降雨事件

基期

現況

未來全球增溫程度

1850-1900

1℃

1.5℃

2℃

4℃

頻度

1倍

1.3倍

1.5倍

1.7倍

2.7倍

強度增強

0%

6.7%

10.5%

14.0%

30.2%

 

表2、現行防洪設施保護標準 (資料出處:經濟部水利署,2006 [4];內政部建築研究所,2006 [5];內政部營建署,2013 [6])。

種類

名稱

主管機關

防洪保護標準重現期(年)

河川

淡水河

經濟部

200

中央管河川

經濟部

100

縣市管河川

直轄市、縣市政府

25-50

集水區

野溪坡地

農委會

25-50

林地

農委會

25

排水

農田排水

農委會

10

區域排水

經濟部、縣市政府

下水道

內政部、直轄市、縣市政府

2-10

科學園區

科技部

200

各捷運系統

捷運

直轄市政府

200

 

以降雨頻率分析法計算重現期降雨強度的優點

推估重現期時通常採用「經驗次數分析法」或是「降雨頻率分析法」,前省住都局早期進行降雨強度公式分析時,多以「經驗次數分析法」進行,由歷年降雨紀錄的各延時降雨強度發生次數進行分析;而「台灣地區雨量測站降雨強度-延時 Horner公式分析 (水利署,2003)」及部份的「雨水下水道系統檢討規劃」,則採用「降雨頻率分析法」。「經驗次數分析法」是由歷年發生次數分析再現期,直覺上被認為較可靠,但所需分析資料記錄年數,建議不少於所用頻率之3倍至5倍,相較之下「降雨頻率分析法」能夠推算較高重現期之降雨強度 (內政部營建署, 2010) [7]

氣候變遷對降雨頻率分析的影響

本研究降雨頻率分析之前提假設:集水區內的極端降雨特性相對於時間是定常性的 (stationary),也就是假設極端降雨特性不隨時間變動。但隨著氣候變遷持續進行,大氣圈內整個水文循環受到影響產生改變。印度學者提出:考慮時間變動之洪水頻率分析估計尖峰流量,估計誤差較傳統方法更小 (Neetu and pennan, 2021)[8]。為了因應此問題,水文學家發展各種方法,試圖解決定常性的前提假設發生改變的情況,例如:取用較短期的水文記錄資料以利於更符合定常性假設,並且對於設計降雨進行增幅調整;或是以隨時間變動的參數,進行降雨頻率分析,使參數能夠掌握氣候變數項變動趨勢 (例如假設年最大值降雨符合一般極端值分布 (Generalized Extreme Value distribution, GEV),而GEV之位置參數與時間變數呈線性相關 (Ganguli and Coulibaly, 2019) [9])。

目前國內外主流研究大量使用氣候模式 (General Circulation Model, GCM) 推估雨量進行氣候變遷衝擊評估,並考量多個GCM之不確定性,以系集平均及模式一致性評估進行結果綜整。另一方面,若僅使用歷史觀測雨量外延推估氣候變遷之結果,除了假設降雨特性改變與時間變動為線性關係之外,由於觀測年限 (多數測站紀錄為20年至50年) 相較於推估世紀末 (未來80年) 為短,均可能造成低估氣候變遷之影響。

以氣候模式推估雨量資料進行降雨頻率分析

全球氣候模式能夠模擬地球氣候系統運作,輔以全球溫室氣體未來排放量趨勢的情境設定,可以被廣泛運用於模擬全球當前及未來的氣候。其網格化雨量資料 (5km X 5km) 包含歷史觀測雨量以及多種全球氣候模式,可用於推估氣候變遷情境下過去與未來雨量資料 (翁叔平、楊承道,2018) [10]。「臺灣氣候變遷科學報告2017」中率定「基期」為1976-2005年,「近未來」為2016-2035年、「世紀中」為2036-2065年、「世紀末」為2075-2099年。據此分別對基期、世紀中及世紀末三個時期之降雨資料進行降雨頻率分析,並計算重現期降雨量。

氣候變遷降雨頻率分析資料服務

TCCIP使用世界各氣候中心第五階段耦合模是對比計畫氣候模式 (一般簡稱CMIP5, Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 進行未來氣候變遷的推估模擬。藉由推估模擬多年日雨量資料以降雨頻率分析方式推估重現期雨量,步驟如下:

1.  計算極端降雨指標,由推估模擬值日雨量資料計算1~5日累積雨量。

2. 取30年推估模擬極端降雨指標進行分布參數推估,計算平均、標準差及偏態係數,再以動差法推估皮爾遜第三型分布 (Pearson Type III distribution, PT3) 之參數αβε 。(表3)

3. 由已知分布機率密度函數及超越機率求得對應之重現期雨量。

表3、皮爾遜第三型分布之機率密度函數 與對數概似函數

鑒於氣候變遷致使雨量及流量發生改變,TCCIP於2022年釋出氣候變遷降雨頻率分析查詢介面 (https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/ds_06.aspx),針對防洪規劃與水土保持規劃所需,提供未來氣候變遷下設計暴雨改變率資訊供查詢使用。關於未來設計暴雨改變率資料生產的目的、上游資料來源、資料產製流程請參閱資料生產履歷 (https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/upload/data_profile/20220119171523.pdf)。「空間變化趨勢」項目:呈現RCP4.5及RCP8.5兩種未來氣候情境下,極端降雨指標25百分位、50百分位及75百份分位之空間變化趨勢 (圖1)。欲細部查詢各集水區測站或點位之設計暴雨變化率,可進入「設計暴雨改變率」項目,選擇雨量測站或自行輸入經緯度,並提供未來氣候情境下,不同百分位對應之設計暴雨 (圖2)。

 

圖1、TCCIP資料服務氣候變遷降雨頻率分析空間變化趨勢 (https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/ds_06.aspx)

 

圖2、TCCIP資料服務氣候變遷降雨頻率分析設計暴雨改變率

參考文獻

[1]   臺北市政府工務局水利工程處,2010:臺北市雨水下水道設施規劃設計規範。

[2]   新北市政府水利局,2017:何謂重現期距。https://water.ntpc.gov.tw/News/Detail/3112.htm

[3]   IPCC, 2021: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.

[4]   經濟部水利署水利規劃試驗所,2006:河川治理及環境營造規劃參考手冊。

[5]   內政部建築研究所,2006:淹水潛勢地區建築防洪設計規範研究。

[6]   內政部營建署,2013:下水道工程設計規範。

[7]   內政部營建署,2010:雨水下水道系統規劃原則檢討。23-35頁。

[8]   Singh, N. and Chinnasamy, P., 2021: Non-stationary flood frequency analysis and attribution of streamflow series: a case study of Periyar River, India. HYDROLOGICAL SCIENCES JOURNAL. VOL. 66, NO. 13, 1866–1881.

[9]   Ganguli, P. and Coulibaly, P., 2019: Assessment of future changes in intensity-duration-frequency curves for Southern Ontario using North American (NA)-CORDEX models with nonstationary methods. Journal of Hydrology: Regional Studies 22 (2019) 100587.

[10] 翁叔平、楊承道,2018:臺灣地區日降雨網格化資料庫 (1960~2015) 之建置與驗證,台灣水利。66(4),33-52。

延伸閱讀

1.     臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台電子報041期,氣候變遷對防洪設施保護標準的影響:臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台 (nat.gov.tw)

2.     IPCC AR5 - TCCIP導讀系列活動 (nat.gov.tw)

 

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Q : 100年重現期是否代表100年內僅出現一次?

即使去年已經發生一次100年重現期的降雨,今年仍然有1%的機會發生100年重現期的降雨。重現期並非指暴雨事件是週期性的,而是可能發生100年重現期這樣的大的降雨量。因此美國很多水文學家不再使用重現期而傾向以年度超越機率 (annual exceedance probability) 稱呼洪水規模。

Q : 基礎設施工程之保護標準,何時採用短降雨延時或長降雨延時的重現期?

河川堤防之防洪設計經常考慮降雨延時為24、48、72小時之設計降雨,而野溪坡地與下水道之防洪設計則採用集流時間為降雨延時進而計算尖峰流量,由於野溪坡地與下水道之集水面積經常小於1000公頃,因此集流時間多數短於1小時。

參考資料: 余濬,2012:雨水下水道與河川重現期距差異之研究-以台北市雨水下水道與景美溪為例,水利會訊。第15期,31-39

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