議題背景:

2021年4月27日媒體報導「秋冬空污減少降雨間接影響石門水庫的蓄水量」。此報導為根據中央大學發表於《大氣化學與物理》期刊之〈在中度污染環境中氣膠對暖雲微物理與毛毛雨的影響〉研究,指出氣膠對臺灣北部秋季暖雲及降雨的影響,發現秋冬空氣污染可能會改變桃園降雨特徵、使降雨減少,間接影響石門水庫的蓄水量。此報導發布後,引起社群上的討論,因此新興科技媒體中心邀請專家解析該研究並說明氣膠與降雨的關聯。

研究原文:

相關新聞:

專家怎麼說?

2021年5月4日
中央研究院環境變遷中心研究員 周崇光

氣膠[1]與雲霧的交互作用及此作用對於降水的影響,至今仍是大氣科學中一個高度不確定性的議題。近日中央大學和紐約大學研究團隊分析了臺灣北部的地面觀測資料和美國太空總署(NASA)的衛星遙測資料,對於空氣污染情境下氣膠對於暖雲微物理性質和「毛毛雨」的影響進行實證研究,研究成果發表後引起大家對這個議題的高度興趣。

以目前的科學研究而言,氣膠會影響雲的微物理性質[2]是一個得到多數科學家認可的論述,國際上許多的數值模擬和觀測研究都支持這項論述[3][4],但是對於影響的程度卻仍有很大的不確定度。導致這項不確定度的主要原因之一是氣膠化學組成和物理性質的高度變異,同樣濃度的PM2.5可能是由不同的化學物質所構成,如果PM2.5的組成主要是硫酸鹽或硝酸鹽等親水性物質,氣膠和水氣及雲霧滴的交互作用會比較強;反之,如果PM2.5中含有大量的黑碳或是疏水性有機分子,這項交互作用就會比較弱。前述中央大學的實證研究是以臺灣北部為研究空間,我們過去的觀測資料[5]顯示臺北地區的PM2.5主要是由硫酸鹽、硝酸鹽和其他親水性低的有機物構成,此與研究中得到中等的交互作用強度是相符的。

相較於氣膠對雲的影響,當前科學研究對於氣膠對降雨的影響則更加不確定。因為降雨是一個十分複雜的過程,除了雲的性質,空氣的動力、熱力過程,以及雲和地形的交互作用都會影響到降雨,因此隨著研究的時間、空間尺度不同,研究成果往往存在差異。此外,降雨本是降低當地PM2.5濃度的主要機制之一,因此較多的降雨和較低的PM2.5濃度間存在一定的因果關係,前述的實證研究指出在相近的雲水含量下,地面PM2.5濃度會抑制當地的降水量,確實為氣膠與降水的科學研究提供了新的觀測資料。至於新聞引申指出可能影響石門水庫蓄水量本人認為還有待商榷,首先以氣膠和雲的交互作用而言,雲滴粒徑變小及生命期變長雖然可能抑制當地降水,但是雲層持續向山區傳輸的過程中,仍然可能發展成可降水的條件,此外,影響水庫集水區降水的因子十分複雜,雲的性質雖然有些許改變,但是否足以改變集水區的總降水量仍然需要更完整的理論和實驗研究。

降水的時間空間分布是影響臺灣地區水資源的關鍵因素,空氣污染對於雲和降水的影響是一個與民生經濟密切相關的議題,尤其是在氣候變遷的情境下,大氣的水氣含量、邊界層[6]的穩定度和局地環流[7]、以及污染物的空間分布都可能改變,我們需要更多更積極的科學研究來協助研擬水資源變遷的趨勢以及因應對策。

利益揭露:無利益關聯

2021年5月4日
中央大學大氣科學系副教授 王聖翔

氣膠(又稱懸浮微粒)為影響氣候的重要因子,透過輻射和微物理效應改變雲的生命週期和降水分布,例如東亞地區常見的水溶性氣膠,因可作為雲滴的凝結核,會間接改變雲層分布、雲光學特性以及降水。本研究團隊利用NASA衛星與地面13年長期觀測資料,分析在中度污染環境中,氣膠對臺灣北部秋季暖雲及降雨的影響,提出氣膠間接效應(aerosol indirect effect)的觀察證據。氣膠間接效應是指在定量的水氣條件下,因氣膠可做為雲凝結核,增加凝結核的數目,導致雲滴數量與濃度增加、雲滴體積變小、抑制暖雲底部的降水,使雲的生命週期變長,進一步改變降水型態。本研究也計算氣膠對雲微物理影響程度,並以雲與氣膠交互作用(Aerosol-Cloud Interactions, ACIs)的數值做為表示。研究結果顯示在固定的雲水含量中,氣膠間接效應在乾淨的地區更為敏感,推測原因是污染區域的氣膠濃度較高,使雲與氣膠交互作用趨於飽和,導致對污染區域的影響程度降低。也就是說,在污染越嚴重的地區,氣膠間接效應的影響反而沒有那麼大,反而是在輕、中度污染地區,氣膠越能影響雲滴尺寸以及後續降水特徵的改變。

此結果與過去薩波那羅(Giulia Saponaro)等人研究波羅的海地區之結果一致[8],而2020年研究亞馬遜地區生質燃燒氣膠對輻射、雲及降水影響的文章[9]中亦提出,ACIs在高氣膠濃度下趨於飽和,而氣膠與輻射交互作用(ARIs)[10]的強度則繼續增加,並在高污染地區發揮更重要的作用。在氣膠、雲與降水的交互作用中,氣膠含量增加會改變雲的生命週期,更多的雲凝結核將重新分配雲中的水含量,使雲滴數量增加、雲滴有效半徑減少,降低碰撞結合率進而抑制降水,並可能造成降水時間的延遲,且改變降水型態。搭配分析雨滴粒徑觀測資料指出,相較於乾淨日,污染日的小雨滴和中雨滴的數目及發生頻率減少,而大雨滴反而增加,但大雨滴在總雨量中所佔的比例是較低的,降雨效率低,無助總降雨量增加。

然因氣膠的類型、濃度和雲的特性因地而異,儘管過去有大量的研究使用觀測和模式模擬去討論氣膠間接效應,但氣膠和雲之間的交互作用機制仍然是全球氣候系統中最不確定的過程之一。例如過去研究中強調,雲與氣膠的交互作用應根據區域尺度探討[11];也曾有其他研究者[12]利用全球氣候模式研究氣膠對中國和印度的影響,發現人為氣膠增加中國東南地區的降水,卻抑制中國東北地區的降水,此差異歸因於吸光性氣膠的分布,吸光性氣膠能加熱空氣,改變區域大氣的穩定度和垂直運動,並影響大規模的環流和水文循環,具有顯著的區域氣候效應。

利益揭露:我是〈Aerosol impacts on warm-cloud microphysics and drizzle in a moderately polluted environment.〉的作者之一。

2021年5月5日
國立臺灣大學大氣科學系特聘教授 陳正平

對於「氣膠改變降雨?」這個問題,簡單的答案是:氣膠可以影響降水;複雜的答案是:氣膠對降水的影響程度(大小與正負)得視雲與環境的條件,以及氣膠的成分與大小而定。

比較單純的環境的條件是所謂的「暖雲」,也就是雲內溫度不夠低或缺乏冰核,因而沒有冰晶存在。在此情況下,氣膠的角色是凝結核,成分為吸濕性強的硫酸鹽、銨離子、硝酸鹽、海鹽等,凝結核愈多,雲滴數量愈多;若空氣中水分不變,雲滴將會變小,使得碰撞合併不易發生,就不容易降雨。這可能就是原文所提之中、小雨滴減少的原因。但也有例外:巨型(半徑達數個微米以上)、吸濕能力高的氣膠在雲內擔任雨胚的角色,可增加降水,這個效應也被用在人工增雨的技術上。但一般的人為氣膠較少達到巨型氣膠等級。

較複雜的環境是強對流雲或冷雲的情況,雲內有冰晶存在,氣膠會造成另外兩種作用。一、凝結核作用:凝結核在雲的低層抑制了降水,卻讓較多的液態水到達高處得以轉為冰晶,釋放更多的潛熱,使對流加強,稱為對流激化作用。同時,較多的液態水可讓冰晶長得更大,有助於冰態降水(如雪、軟雹、冰雹)的形成。冰態降水通常比暖雲降水有效率得多,冰晶粒子可以靠水氣凝結而快速成長為雪,大到某個程度還可以靠收集水滴而成長為軟雹、冰雹,掉到低層就融化、轉換為雨滴。夏天的時候,午後對流降水,最先掉到地上的雨滴通常很大顆,就是由冰態降水融化而來。原文所述觀察到大雨滴增加,有可能就是冰態降水被加強的作用。二、冰核作用:由於熱力學上的能量障礙限制[13],雲內液態水其實不容易結冰,除非氣溫達到約-40°C以下。氣膠中的固體成分(如沙塵、煤灰)具有冰核的作用,可幫助冰晶形成,因此也可能會加強冰態降水。不過,凝結核變多會讓水滴變小,並不利於軟雹、冰雹靠收集雲滴而成長,是個負面因素,可能部分抵銷上述的作用。這些凝結核、冰核機制,已有許多觀測與理論的證實[14]。要注意的是,凝結核、冰核作用都有極限,即粒子濃度高到某個程度,再增加濃度,作用就不明顯了,甚至可能反轉。

此外,氣膠還可與太陽輻射交互作用造成直接的熱力影響;散光性質的氣膠可造成地面冷卻,吸光性質的卻會加熱空氣。這些作用會改變大氣的穩定度與相對濕度,改變雲與降水的形成條件。以上種種的複雜機制,使得氣膠對降水的產生有利有弊,最終的結果還得視雲的結構與生命期長短而定,在不同的地區、不同季節、不同天氣系統就會有不同的結果。

利益揭露: 我的專長是氣膠、雲交互作用的理論研究,與此研究並無利益關聯。

註釋與參考文獻:

[1] 編註:氣膠又稱為懸浮微粒,泛指可以懸浮在空氣中的固態或液態粒子,粒子直徑通常在數十微米之內,其中新聞中常見的PM2.5就是指大小小於等於2.5微米的懸浮微粒。

[2] 編註:要形成雲需要有充足的水氣、足夠冷的溫度(冷凝),以及作為凝結水氣核心的微小粒子(凝結核)。其中研究整個雲的形成機制與降水過程者稱為雲物理學;若研究組成雲的凝結核、雲滴、冰晶等粒子生成、轉化的微觀物理過程,稱為雲微物理學;研究宏觀的雲和雲系的演變規律、動力過程等方向者,稱為雲動力學。

[3] Rosenfeld, D., Lohmann, U., Raga, G. B., O'Dowd, C. D., Kulmala, M., Fuzzi, S., Reissell, A., Andreae, M. O. (2008). “Flood or Drought: How Do Aerosols Affect Precipitation? Science 321: 1309-1313.

[4] Stevens, B., and Feingold, G. (2009). “Untangling aerosol effects on clouds and precipitation in a buffered system.” Nature 461: 607-613.

[5] Cheung, H. C., Chou, C. C.-K., Lee, C. S. L., Kuo, W.-C., and Chang, S.-C. (2020). “Hygroscopic properties and cloud condensation nuclei activity of atmospheric aerosols under the influences of Asian continental outflow and new particle formation at a coastal site in eastern Asia.Atmospheric Chemistry and Physics, 20: 5911–5922.

[6] 編註:「邊界」是流體(包含液體跟氣體)力學中的重要概念,指的是流體跟其他不同物質的交接處。由於在交接處附近,流體可能受不同物質的物理、化學性質影響,使該區的流體出現與原本流體不同的性質,這個性質改變的範圍就稱邊界層。(想進一步了解大氣邊界層,歡迎參考科普文章:天與地的相接處─大氣邊界層

[7] 編註:局地環流或稱局部環流是指中、小尺度(幾公里或幾十公里)的區域性環流,主要會受到地面起伏不均或地形影響,例如城市熱島效應、海陸風、山谷風等。

[8] Saponaro, G., Kolmonen, P., Sogacheva, L., Rodriguez, E., Virtanen, T., and de Leeuw, G. (2017). “Estimates of the aerosol indirect effect over the Baltic Sea region derived from 12 years of MODIS observations.” Atmospheric Chemistry and Physics, 17: 3133–3143

[9] Liu, L., Cheng, Y., Wang, S., Wei, C., Pöhlker, M. L., Pöhlker, C., Artaxo, P., Shrivastava, M., Andreae, M. O., Pöschl, U., and Su, H. (2020). “Impact of biomass burning aerosols on radiation, clouds, and precipitation over the Amazon: relative importance of aerosol–cloud and aerosol–radiation interactions.” Atmospheric Chemistry and Physics 20: 13283-13301.

[10] 輻射收支是指太陽輻射於地球的總能量,以及地球反射至太空的太陽能量,會透過大氣的調節達到平衡。而氣膠與輻射交互作用則是指因氣膠特性的不同,可直接吸收或散射太陽輻射,改變地球的輻射收支。強吸光性氣膠(如:黑碳),會透過吸收輻射造成大氣局部加熱作用;而強散光性氣膠則因透過散射作用產生大氣冷卻效應。

[11] Jones, T. A., Christopher, S. A., and Quaas, J. (2009). “A six year satellite-based assessment of the regional variations in aerosol indirect effects.” Atmospheric Chemistry and Physics, 9: 4091–4114

[12] Menon, S., Hansen, J., Nazarenko, L., and Luo, Y. (2002). “Climate effects of black carbon aerosols in China and India.” Science 297:2250–2253.

[13] 在此處能量障礙指的是液態水結冰過程中,所需要的熱大於結冰過程可提供的熱。會有能量障礙的細部機制相當複雜,若單純以潛熱(同樣溫度下物質型態改變所需的熱)的觀點來看,攝氏零度以下的溫度,有利於液態水結冰(是個放熱過程);但在液態水形成冰晶的過程中,會形成冰、水的介面,這個介面的形成需要能量,且往往需要的能量大於所能釋放的潛熱,因此是個能量不利的狀況,即形成了能量障礙。但自然界有一些過程可以隨機地提供能量,溫度愈低機率愈大,到了攝氏零下40度左右,這個機率就大到隨時可以觀察到。

[14] Tao, W.-K., J.-P. Chen, Z. Li, C. Wang, and C. Zhang (2012). “ Impact of Aerosols on Convective Clouds and Precipitation.Reviews of Geophysics 50: RG2001.

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