推動氣象變化的熱機

大氣不斷在運動，運動所需的能量，源自何方？很明顯的，答案是太陽。但是，大自然如何將太陽輻射能量轉換成大氣運動所需的動能？這個問題牽涉到許多複雜的物理過程，無法以一個簡單的答案回答。

環環相扣的物理過程

首先，我們必須知道有多少太陽輻射能量可為地球使用？要解答這問題，我們必須了解大氣成分、地表特性、雲量等影響太陽及地球輻射的因子。解決了這問題，我們也只不過了解地表與大氣層的輻射平衡狀態，在此一平衡狀態下，地表及大氣的溫度分布與世界各地實際測量到的溫度分布是否相同？答案是：相當不同。因為輻射能量分布不均勻，會產生「大氣運動」，重新分配能量。譬如：冷空氣往南，暖空氣往北；冷空氣下降，暖空氣上升。能量重新分配的過程中，輻射能量或轉換成動能，為摩擦所耗損，或轉換成潛熱、可感熱而改變氣溫分布。這些過程在大氣中不斷進行著，小尺度如午後熱雷雨、海陸風、山谷風等，大尺度如高低氣壓、印度夏季季風、東亞冬季季風等。

大氣運動則可能進一步改變，由於一、大氣的成分，譬如：南極臭氧洞的形成與大氣環流的傳播特性有關；二､地表特性，譬如：下雪改變地面的反照射率；三､大氣中的雲類和雲量，影響太陽及地球輻射的吸收量。顯然，這些因子的變化，將導致下一波的大氣運動。

討論至此，我們知道輻射-大氣運動是環環相扣的物理過程。過程中的任何一個環節的變化，將影響到所有其他的環節。它的運作，經由各種天氣及氣候現象，直接或間接影響到人類的活動，及地球生物所依賴生存的環境。本文將簡單介紹輻射-大氣運動物理過程中所牽涉到的幾個基本概念，影響大氣非絕熱能量（註一）的分布的幾個重要機制，最後討論幾個重要但是懸而未決的問題。

大氣及地表的輻射能量

太陽輻射能量（或稱為短波輻射）只有一小部分為地球所攔截，它相當於每平方公分每秒2卡的能量。假設地球沒有大氣，在輻射平衡狀態，且反射率為0.3，則地球的溫度相當於255K，即－18℃。但是目前全球平均地面氣溫約為15℃，比輻射平均溫度高33℃。這是因為大氣層的溫室效應（註二）及大氣運動熱傳輸造成的結果。

大氣層中的氣體，如水汽及二氧化碳，幾乎不吸收可見光波段的太陽輻射，但是卻很有效率地吸收紅外線波段的地球輻射（或稱長波輻射）。因此約一半的短波輻射仍能穿透大氣層而為地表吸收，但是約有75％的長波輻射無法穿透大氣而為大氣吸收。這一事實與前述計算過程的假設（即100％的長波輻射離開地球進入太空中）明顯不符。

若不考慮大氣氣體的輻射吸收特性，在輻射平衡狀態，大氣氣溫垂直分布為圖一中的虛線，地面溫度相當於67℃。實際大氣的氣溫垂直分布則類似圖中的實線。比較二者，我們發現輻射平衡下的氣溫分布，在地面溫度太高，在對流層頂則太低，因此溫度垂直遞減率遠大於實際大氣的垂直遞減率。此一平衡狀態下的大氣相當不穩定，容易產生劇烈對流，這些劇烈對流使對流層中的空氣均勻混合。淨效應則是將熱向上傳送，使氣溫垂直遞減率減少至實際值。

全球平均而言，大氣及地表的能量收支平衡可以圖二解釋。若將入射地球的短波輻射能量以100為單位計算，其中19個單位為大氣吸收，30個單位反射回外太空，51個單位則到達地面為地表吸收。地表的輻射能量相當於21個單位，其中15個單位為大氣吸收，只有6個單位進入外太空。大氣本身也放射64個單位的長波輻射能量，其中38個單位來自二氧化碳及水汽，26個單位來自雲輻射。若只計算輻射能量，則大氣共吸收34（即16＋3＋15）個單位能量，卻放射64（即38＋26）個單位能量。顯然，大氣不斷以30個單位的速率損失能量。反觀地表（包括海洋及陸地）則吸收51個單位，只放射21個單位。因此以30個單位的速率吸收能量。這些多餘的能量則以蒸發或熱傳導的形式進入地表附近大氣，再由大氣的水平及垂直運動傳送至其他部分的大氣，彌補大氣輻射冷卻損失的能量。

事實上，對流層中大部分區域都不處於輻射平衡狀態。平均而言，低緯度地區吸收的短波輻射大於損失的長波輻射，高緯度則相反（見圖三）。如果這兩個區域都欲達到輻射平衡狀態，則低緯度地區氣溫必須不斷提高，直到地球放射入太空的長波輻射量等於吸收的短波輻射量。相反的，高緯度地區則必然降溫至所謂的輻射平衡溫度。在此種情形，低緯度地區太熱，高緯度地區太冷，將不適合生存，大部分生物勢將集中於中緯度地區。然而表面覆蓋著流體（如空氣、海水）的地球，無法維持這樣大的南北溫度梯度，而仍保持空氣、海水靜止不動。

流體的運動在大氣中則藉著一般的天氣系統、季風等現象，將熱帶地區過剩的熱量傳送至高緯度地區。在海洋中，則大多藉洋流達到同樣的效果。地球表面約70％為海洋，此一比例在熱帶地區更高。因此低緯度地區過剩的輻射能量，大多儲存於海面下約100公尺深的海洋混合層中，藉著洋流將能量往高緯度傳送，調節大氣溫度的變化。

大氣層提供生物賴以生存的氣體，如植物所需的二氧化碳，動物所需的氧。若無大氣，則沒有藍天、彩虹，地球將是一個無色的世界。若沒有大氣中的臭氧吸收致命的紫外線，地球上的生物將無法生存於地球表面，而必須躲在海裡或地下。除了這些作用，大氣也有重新分配輻射能量的功能，擴大適合生物生存的空間。（當然，輻射能量的重新分配過程中，難免產生劇烈天氣，如颱風、龍捲風等，威脅生物的生存。）

在能量重新分配的過程中，輻射能改頭換面以「潛熱」及「可感熱」出現。譬如，在北半球，大氣的南北運動將暖空氣北傳，冷空氣南送，減少南北氣溫梯度，而達到可感熱傳送效果。地表水分吸收短波輻射蒸發進入大氣，將輻射能轉換成潛熱。水汽隨大氣南北運動，進入高緯度地區低壓中心附近的上升氣流，冷卻凝結而釋放出潛熱。這些潛熱留在大氣中補充因輻射損失的能量，達到潛熱傳送效果。

圖四是年平均南北能量通量的緯度分布，正值代表往北，負值往南，其中乾靜能（即熱焓加上位能）通量最大，潛熱通量與海洋能量通量則相差無幾。整體而言，乾靜能通量占60％，潛熱通量25％，海洋能量通量15％。乾靜能通量與海洋能量通量，皆呈現由熱帶往極區傳送的特性。潛熱通量則呈現由副熱帶地區往高緯度地區及熱帶傳送的特性。這是因為副熱帶海洋高壓盛行，海水蒸發量遠大於降水量，對全球而言，副熱帶是潛熱（亦即水汽）的主要來源。

影響大氣能量的機制

到目前為止，我門只討論到非絕熱能量的一度空間（即南北）分布。但是，如果我們想要了解氣候變遷，則必須了解非絕熱能量的四度空間分布及其與大氣環流之間的關係。這是一個相當複雜的課題，氣象學家對它的了解也相當有限。在此，我們先將視野擴展至二度空間。目前我們還無法測量非絕熱能量，但是我們可以由氣象觀測得到風場及溫度場，根據熱力學第一定律間接估計非絕熱量。

圖五是利用上述方法，估計得到的北半球冬季及夏季的氣候平均非絕熱能量分布圖。在冬季，最大的非絕熱能量位於西太平洋、印度洋、南美洲及非洲等地的熱帶地區；在高緯度，則位於北太平洋及北大西洋，即北半球冬季天氣系統最活躍的地區。在這些地區，非絕熱過程提供大氣能量。相當有趣的是，這些地區降水偏多，顯示因水汽凝結釋放出的潛熱，可能是主要的能量來源。在其他地區，大氣則不斷損失能量。

夏季非絕熱能量分布與冬季的相當不同，主要大氣能量增加區域都位於夏季季風盛行區域，即印度、東南亞地區、非洲及中美洲。季風的發生是由於海陸溫差而引起的大氣環流，在陸地產生大量降水。因此，在夏季潛熱也是主要的能量來源。青康藏高原除了因地形有助於產生降水，本身也是一個龐大的可感熱熱源。青康藏高原聳立於大氣中，最高處高於5公里，而且高於3公里以上的面積也相當大。由於土壤的比熱小於空氣的比熱，在夏季當太陽直射北半球時，青康藏高原地表氣溫迅速增加，與周圍大氣相比，宛如火爐，形成了夏季主要熱源之一。青康藏高原的加熱效果，加強海陸溫差，助長印度夏季季風。數值模擬顯示，若沒有青康藏高原，季風強度將減弱許多。在冬季，青康藏高原對大氣的影響，主要是阻擋氣流產生的機械作用，而非熱力效果。

大氣的非絕熱能量並非如圖五永遠不變，它仍舊有年際變化、季間變化、季內變化等特性。引起這些變化的機制大致分為兩類：一､外在因素，如太陽輻射、地表特性、海面溫度等的改變；二､大氣非線性系統內的非線性作用，與外在因素無絕對關係。第二類機制屬於隨機過程，如果它是控制氣候的主要因子，則準確的長期天氣預報將是不可及的境界。在此，我們雖然將影響氣候變遷的機制分為兩類，並非暗示兩種機制是互不影響的。譬如，非線性作用所引起的大氣環流變化，可能改變海洋上層環流結構而海溫分布也隨著改變。大氣環流變化，也可能改變高緯度或高海拔地區的雪量，因而改變地表的反照率及能量收支。

嚴格地講，對地球而言，太陽輻射是唯一的外在因素。這方面的研究尚在起步階段，未來勢必影響我們研究氣候變遷的思考方向。在這裡我們將只討論屬於第一類機制的幾種物理-動力過程：冰-反照率回饋、雲-輻射回饋及海洋-大氣交互作用。

冰-反照率回饋機制：

地球到底能吸收多少太陽輻射？地表的反照率扮演很重要的角色，其中又以冰雪覆蓋地區的影響最大。因為冰面反照率可高達0.8，遠大於他類表面，大部分入射的太陽輻射被反射，無法為地表吸收。假設高緯度某地區冬季雪量減少，亦即冰雪量及覆蓋面積減少，平均反照率降低，到了春季，地表吸收的短波輻射量將比平均狀況多。較多的太陽輻射被吸收，用來溶解冰面，而冰雪量本來就少，因此冰面很快消失，露出冰面下的土壤，反照率變小。更多的短波輻射為土壤吸收，地面附近氣溫升高，冰雪溶化更快。此一過程為正回饋作用，將使高緯度地區迅速增溫。

相反的，如果冰雪量及覆蓋面積增加，冰-反照率回饋機制將使高緯度地區迅速降溫。所有氣候數值模擬都預測，如果大氣二氧化碳含量加倍，全球大氣平均將增溫約2.5K，但是由於冰的反照率回饋，極區則可能增溫7∼8K之多。

最近，巴奈特（Barnett）等（1988年）的氣候模擬顯示：歐亞大陸冬季的雪量多寡影響亞洲夏季季風的強弱。若歐亞大陸冬季雪量過多，春夏季時反射的短波輻射量較平常多，被吸收的短波輻射則多用來溶化冰雪。因此陸地暖化較平常慢，氣溫也較平常低，海陸溫差較小，該年夏季季風也當然較弱。反之，若冬季雪量少，則來年夏季季風較強。夏季季風是行星尺度（註三）的大氣環流，它的強弱也間接影響到其他部分大氣，如太平洋副熱帶高壓。歐亞大陸冬季雪量是否真如巴奈特等人所言，由於資料殘缺不全，很難印證。至少，氣候模擬結果顯示冰-反照率回饋機制有可能影響全球氣候。

雲-輻射回饋：

雲量多寡、雲類分布是影響輻射平衡的重要因子之一。雲內的水滴會將約75％入射短波輻射，散射回太空。因此雲的存在會增加地球反照率及減少地球吸收的短波輻射量，對大氣有冷卻作用。同時雲也吸收長波輻射，減少逃逸至太空的長波輻射量，形同溫室效應，對大氣有暖化作用。但是，雲對大氣溫度的淨效用如何？冷卻還是暖化？科學家發現卷雲傾向暖化大氣，而層雲則傾向於冷卻大氣。顯然，輻射不僅受雲量，也受到雲類的影響。

但是，我們能準確的估計各雲類的雲量分布嗎？事實上，雲量多是以目測估計，是所有氣象觀測中最不可靠的變數。為了解決這個問題，世界氣象組織與國際科學總會，在1984年開始了一個國際性雲觀測實驗，稱ISCCP（International Satellite Cloud Climatology Project），為期12年，將於1995年結束。

同時，為了了解地球輻射的收支狀況及雲-輻射回饋，另一國際性計畫──地球輻射收支實驗（Earth Radiation Budget Experiment, ERBE）也在1980年代展開。ERBE儀器裝置於ERBS、NOAA-9及NOAA-10三個衛星上，分別於1984年十一月、1985年二月及1986年十二月，開始測量地球的各種輻射量。這個實驗最主要目的是估計各種輻射量，地表（如海洋、海水、赤道森林、沙漠……）在不同天頂角時的反照率，及雲對輻射的影響。我們一旦了解這些過程，就能較準確估計大氣的能量分布及變化，從而了解這些因子對氣候的影響。

ERBE科學家的初步發現是：一､在赤道地區，雲的冷卻作用幾乎平衡暖化作用；二､在中緯度及極區海洋，由於層雲密布，雲的冷卻遠大於暖化作用。全球平均而言，以1985年四月為例，雲對短波輻射的影響，產生每平方公尺－46.7瓦的冷卻作用，而對長波輻射的影響，則產生30.l瓦的暖化作用（見圖六）。因此，該月份平均而言，雲的存在不斷冷卻地球大氣達每平方公尺16.6瓦。若將之換算成溫度，則相當於10∼15K。這個數字遠比加倍二氧化碳造成的增溫程度大。各類雲量的些許變化將會嚴重影響地球溫度變化，其影響程度也遠大於二氧化碳的溫室效應。

海洋－大氣交互作用

熱帶大氣對流旺盛，釋放出大量潛熱，是大氣運動的主要能量來源之一。譬如：西太平洋赤道附近的海洋大陸（maritime continent），在北半球冬季是全球對流最旺盛的區域，它的存在與南北走向的東亞地區的哈德雷胞（Hadley cell）及赤道上東西走向的沃克環流（Walker circulation）習習相關（見圖七）。這個區域也是降水量最大，海面溫度最高的區域之一（見圖八）。高溫的海面提供大氣大量的水汽與熱量，大氣劇烈對流容易在此發生。

然而大氣的環流結構，也是決定海面溫度分布的重要因素之一。由此觀之，大氣與海洋緊密銜接，相互影響。近來倍受關注的艾尼紐－南方振盪（即ENSO事件）就是一個特別明顯的例子。海洋－大氣交互作用對大氣最重要的影響，莫過於使熱帶對流活躍區產生位移，改變能量分布形態及行星尺度環流。伴隨而來的，則是全球各地的異常氣候與天氣。

為了了解海洋－大氣交互作用及其對氣候變遷的影響，一個為期10年（1985∼1995年）的國際性計畫「赤道海洋-全球大氣」（Tropical Ocean Global Atmosphere, TOGA），於1985年展開，不僅在熱帶海洋廣設測站收集海洋及大氣資料，同時配合數值模擬，探討此一重要問題。另一屬於TOGA的計畫「耦合海洋-大氣反應實驗」（Coupled Ocean-Atmosphere Research Experiment， COARE），也將於1992∼1993年在西太平洋赤道暖洋面附近進行觀測實驗。國內部分氣象及海洋界人士，也將實地參與該觀測計畫。

懸而未解的問題

太陽輻射是大氣運動的能量來源。長期而言，天文因素如：日地距離、黃赤交角、歲差等亦會影響地球吸收的太陽輻射量，造成氣候變遷。短期而言，地球本身（包括大氣、海洋、地表）則自成一個系統，自行規範能量的分配及氣候的變遷。

工業革命以來，人類正以史無前例的速率急遽污染、破壞人類賴以生存的環境。部分理論指出溫室氣體的大量增加將導致大氣迅速增溫，造成劇烈氣候變遷，嚴重影響人類的生存。從維護生命的角度來看，這一警告已足以讓我們反思：人類經濟發展是否過度？人類是否對大自然需索無度？從而制定一套遊戲規則來減緩人類破壞大自然的速度。

從研究科學的角度來看，我們則必須自問是否已全盤了解影響氣候或全球變遷的各種因子？幾乎所有氣象學家都認為，在政策上我們必須承認全球增溫的可能性，採取適當的步驟延續人類的生存。然而，在科學上，氣象學家對全球是否已增溫，莫衷一是。因為，目前人類的知識並不足以讓我們全然了解控制氣候的重要因子。在這裡，我們僅就本文中提到的機制，舉例討論。

冰-反照率回饋：此一物理機制預測極區將是增溫最顯著的地區。事實上，所有大氣環流模式也作如此預測。然而，過去數十年的極區資料卻顯示氣溫逐漸下降（見圖九）。有兩種可能導致此一理論與觀測之間的矛盾。第一種可能：觀測資料有問題。對這一點，我們需要其他資料或進一步觀測來印證此組資料的可信度。第二種可能：在高緯度地區，冰-反照率回饋並不是唯一而且影響氣候最大的物理機制。比如，北極海上空經常層雲密布，而層雲對大氣而言具有輻射冷卻作用。如果氣溫升高，層雲雲量是否增加？是否加強其冷卻作用？又如，地球是否正進入另一個冰河期？增溫現象是否部分被抵消？

雲-輻射回饋：如果全球增溫發生，大氣中水汽會增加，則雲量是否會增加？如果增加，是高雲增加的多還是低雲？如果卷雲雲量增加，會加強全球增溫現象；但如果是層雲雲量增加，則可能反而變成降溫。目前，氣象學家用來模擬加倍二氧化碳含量對氣候的影響的大氣環流模式，大多相當粗糙，無法正確處理雲－輻射回饋機制。事實上，這些模式也無法正確地模擬我們目前所處的氣候。

海洋－大氣交互作用：海洋有調節大氣的作用。此一作用在全球增溫過程中，扮演何種角色？目前用來模擬全球增溫的氣候模式大多是純大氣模式，少數海洋-大氣模式也還無法準確模擬海洋-大氣交互作用，遑論預測二十一世紀的全球溫度。還有，目前我們賴以證明全球增溫的資料多來自中緯度陸地測站。然而，海面溫度是否也具增溫特性？最近，美國麻省理工學院尼威爾（Newell）等人重新分析、校正海面溫度資料，發現並無顯著增溫現象。

以上討論的目的不在於反證全球增溫現象不存在，而是指出相關物理現象的複雜程度，遠非目前人類所具有的知識能理解的。正因為如此，氣候或全球變遷研究更顯得急迫。希望當問題發生時，我們已有足夠知識提出對策，以降低人類所受的影響。當然，更急迫的是，我們必須儘早知道全球增溫是否已發生？

註一：非絕熱能量：指熱力學第一定律CvdT=dq-pdα中的加熱項dq，pdα則是透過壓力作功改變氣體溫度的絕熱過程。對大氣而言，非絕熱能量包含：（一）輻射能量；（二）潛熱；（三）經由熱傳導或對流與外界（如地表）交換的可感熱。

註二：事實上，溫室效應是一不恰當用語。園藝用溫室內溫度之所以較室外的高，是因為室內空氣受熱後無法與室外空氣混合，並非因為溫室所用建材－如大氣氣體，對長、短波輻射有不同吸收率。大氣效應似乎是較貼切的專用名詞。

註三：行星尺度（planetary scale）：大氣運動可依水平尺度（如波長）分類。尺度最大的是行星尺度，指大氣環流影響的範圍與主要的大陸及海洋大小相當，從幾千到數萬公里。

許晃雄任教於台灣大學大氣科學系

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